青岛市团岛污水处理厂设计规模10万m³/d,采用以“回流污泥反硝化环沟型改良A²/O+悬浮填料强化硝化+化学协同除磷+机械过滤(纤维滤布滤池)”为主的污水处理工艺流程,出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准。在现有污水处理工艺下,团岛污水处理厂达到了较高的污染物去除效率,实现了出水水质的一级A稳定达标排放。但目前行业内又出现污水处理厂提标的呼声和实践^[1,2],团岛污水处理厂也不得不考虑未来面临排放标准进一步提高的问题;另外,该厂脱氮除磷目前在一些时段也存在一定的碳源不足问题。因此,需要对预处理单元的水质指标变化特别是碳源损耗问题进行分析,以便为后期的运行优化或提标改造进行技术储备。

　　 在城镇污水处理工艺过程中,为保障整个工艺系统的正常稳定运行,并减轻后续处理工段的运行负荷,通常在污水生物处理工艺单元的前端设置相应的预处理工段,主要包括机械格栅、沉砂池和初沉池等工艺单元;每个预处理单元及设备的选择,均会直接影响后续工艺单元的运行成效^[3]。因此,从讨论预处理工段对后续生物处理过程影响的角度考虑,也有必要对预处理工段各工艺单元的水质变化特性进行考察。

　　 基于以上考虑,本文以青岛市团岛污水处理厂为研究对象,在明确其预处理工段各工艺单元现状基础上,通过对其预处理工段各工艺单元水质变化情况的考察,研究了该厂预处理过程的水质变化特性及其对后续生物处理系统可能带来的影响,从而为其精细化运行管理与节能降耗提供参考依据。

　　 青岛市团岛污水处理厂位于青岛市市南区团岛,占地面积约10hm²,服务人口26万人,汇水面积约10.6km²,服务范围为市南区中西部及部分市北区,污水处理厂设计处理能力10万m³/d,进水以城市生活污水为主。其预处理系统采用常规的机械格栅-曝气沉砂池-平流式初沉池的单元组合,生物处理系统采用回流污泥反硝化环沟型改良A²/O-MBBR工艺,深度处理系统采用混凝-沉淀-滤布滤池过滤-紫外线消毒的单元组合,其具体工艺流程见图1。设计进水水质见表1,出水水质执行GB 18918-2002一级A排放标准。

　　 COD:USEPA消解比色法;TN:过硫酸钾法;氨氮:水杨酸盐法;硝态氮:镉还原法;MLSS和MLVSS根据残渣标准测定法测定^[4]。

　　 团岛污水处理厂预处理工段主要由格栅、沉砂池、污水提升泵房和初沉池等工艺单元组成。

　　 (1)格栅:位于格栅间内,由粗、细2道格栅组成,其栅条间隙分别为20mm、6mm,用来实现对污水中漂浮物等大块杂物的去除,栅渣经压榨机挤压脱水后运往厂外填埋。

　　 (2)曝气沉砂池:采用带除渣撇油渠的矩形曝气沉砂池,设2池,每池2格,主要用来去除污水中密度和粒径较大的无机颗粒。主要设计参数如下:停留时间3 min,池长25 m、宽2.7 m,曝气水深2.3m,耙速3cm/s,并配设桥式刮砂机2台,圆形旋流式砂水分离器2个。

　　 (3)污水提升泵房:配置潜污泵4台,3用1备,Q=500L/s,H=12m。

　　 (4)初沉池:采用矩形平流式沉淀池,主要用来去除可沉悬浮固体及小部分不可沉悬浮固体并清除浮渣,以减轻后续工艺过程的运行负荷。主要设计参数如下:共分8格,停留时间1.5h,有效水深3m,池宽8m、长43 m,水平流速8 mm/s,设刮泥机8台。

　　 在整个预处理过程中,主要发生的是悬浮固体浓度变化以及由此引发的有机组分和氮磷组分的变化,其变化情况将在下文中作具体考察和分析。

　　 为探讨团岛污水处理厂预处理过程中的水质变化特性,以2015年4月中旬的水质检测数据为依据,对SS、COD、氮、磷等关键水质指标在预处理过程中的沿程变化情况进行了考察。

　　 在预处理过程各工艺单元中会发生不同程度的变化,其变化情况如图2所示。

　　 从图2可以看出,在整个预处理过程中,团岛污水处理厂进水SS与VSS的去除率分别为42.2%和38.1%。

　　 具体来看,进水与厂内污废水混合后形成的曝气沉砂池进水,与进水相比,其SS、VSS浓度分别由进水的416 mg/L、306 mg/L升高至554 mg/L、418mg/L,其VSS/SS比值则由0.73略升至0.75,这说明厂区内污废水特别是泥区回流液含有大量的悬浮固体,因而应考虑厂区内污废水特别是泥区回流液混入对污水处理工艺流程可能带来的不利影响。经曝气沉砂池处理后,曝气沉砂池出水SS、VSS浓度分别降低至463 mg/L、355 mg/L,其VSS/SS比值则略升至0.77,这说明曝气沉砂池对惰性颗粒的去除较为有效,但其对有机物特别是后续生物除磷脱氮所需的快速碳源的影响则需进一步讨论。经平流式初沉池处理后,初沉池出水SS、VSS浓度明显降低,分别降低至240 mg/L、190mg/L,其VSS/SS比值则略升至0.79,这说明该厂初沉池处理单元能够大幅度降低悬浮固体浓度,从而减轻后续生物处理单元的处理负荷,但由于其对悬浮固体中的有机组分也有相当程度的去除,从而会对后续生物处理单元的除磷脱氮产生不利影响,这一点也应予以充分考虑。

　　 随着预处理过程对悬浮固体的去除,悬浮固体本身所含有和吸附的COD组分也将同时随之去除,COD在预处理过程中会发生一定程度的变化,具体如图3所示。

　　 从图3可以看出,在整个预处理过程,团岛污水处理厂进水COD去除率为41.8%,颗粒态COD的去除率更高达57%。

　　 具体来看,进水COD高达923 mg/L,颗粒态COD为444mg/L,溶解态COD(SCOD)为479mg/L,分别占COD总量的48%和52%。曝气沉砂池进水为污水处理厂进水与厂内污废水的混合污水,其颗粒态和溶解态COD的占比分别为58%和42%。经曝气沉砂池处理后,曝气沉砂池出水的COD浓度略有降低,COD组分也略有变化,颗粒态和溶解态COD的占比分别为62%和38%。经平流式初沉池处理后,初沉池出水COD明显降低,由进水的923mg/L降低到537 mg/L,COD去除率高达40%以上,且COD组分也发生较为明显的变化,颗粒态COD和溶解态COD(SCOD)的占比分别变为35%和65%。

　　 上述结果表明,在预处理过程中,COD浓度与组分发生了非常明显的变化,且主要发生在进水与厂内污废水的混合过程以及初沉池处理单元,其中进水与厂区内污废水的混合过程主要是COD组分的变化,这可能是由于厂区内污废水特别是污泥区回流液较高的SS浓度所致;初沉池处理过程的COD变化主要是由于对SS的去除所引起的颗粒态COD的降低所致。这也进一步说明该厂悬浮固体组分中含有相当比例的有机组分,若能合理利用,则会为后续生物除磷脱氮的实现提供良好的有效碳源。

　　 与COD类似,随着预处理过程对悬浮固体的去除,悬浮固体本身所含有和吸附的氮组分将同时随之去除,氮浓度在预处理过程中也会发生一定程度的变化,其变化如图4所示。

　　 从图4可以看出,在整个预处理过程,团岛污水处理厂进水TN的去除率为19.4%,颗粒态氮去除率更高达93.5%。

　　 具体来看,进水TN浓度为134mg/L,NH₃-N、溶解态有机氮和颗粒态氮的浓度分别为82.0mg/L和20.8mg/L和31.0mg/L,几乎不含有硝态氮(NO_x^--N)。污水处理厂进水与厂内污废水的混合污水所形成的曝气沉砂池进水,其TN浓度与进水相比有小幅升高,TN浓度为143.0mg/L,NH₃-N、溶解态有机氮和颗粒态氮的浓度分别为84.0mg/L、19.1mg/L和39.6mg/L。经曝气沉砂池处理后,曝气沉砂池出水的TN浓度略有降低,各形态的氮组分也略有变化,NH₃-N、溶解态有机氮和颗粒态氮的浓度分别为80.2 mg/L、20.6 mg/L和32.0mg/L。经平流式初沉池处理后,初沉池出水TN浓度有一定程度的降低,由曝气沉砂池出水的133.0mg/L降低到108.0mg/L,TN去除率为18.8%,且主要是颗粒态氮组分的去除,NH₃-N、溶解态有机氮和颗粒态氮的浓度分别变为83.4mg/L、22.0mg/L和2.0mg/L。

　　 上述结果表明,在预处理过程中,TN浓度与组分也发生了一定程度的变化,但远不如COD浓度和组分变化明显,其变化主要是进水与厂内污废水的混合过程的不同氮组分特别是颗粒态氮组分的变化以及初沉池处理单元的颗粒态氮组分的降低。这也进一步说明该厂悬浮固体组分中含有的氮组分在预处理过程中特别是初沉池处理单元有一定程度的溶解和去除,但考虑到初沉池处理单元对COD的去除,预处理过程对后续生物处理单元TN去除的影响还需进一步讨论。

　　 与COD、氮组分类似,随着预处理过程对悬浮固体的去除,悬浮固体本身所含有和吸附的磷也将同步随之去除,磷浓度在预处理过程中也同样会发生一定程度的变化,其变化如图5所示。

　　 从图5可以看出,在整个预处理过程,团岛污水处理厂进水TP的去除率为16%,颗粒态磷去除率则为36%。

　　 具体来看,进水TP浓度为13.82 mg/L,溶解态PO₄^3--P、溶解态其他磷和颗粒态磷的浓度分别为6.80mg/L、2.46mg/L和4.56 mg/L。由于厂内污废水的混入,曝气沉砂池进水的TP浓度与进水相比有一定程度的升高,TP浓度升高至18.38mg/L,各形态的磷组分特别是颗粒态磷发生了明显变化,溶解态PO₄^3--P、溶解态其他磷和颗粒态磷的浓度分别变为8.05 mg/L、2.51 mg/L和7.82mg/L。经曝气沉砂池处理后,曝气沉砂池出水的TP浓度略降至17.02mg/L,各形态的磷组分也发生变化,溶解态PO₄^3--P、溶解态其他磷和颗粒态磷的浓度分别为6.68 mg/L、1.99 mg/L和8.35mg/L。经平流式初沉池处理后,初沉池出水TP浓度有大幅度降低,由曝气沉砂池出水的17.02mg/L降低到11.60 mg/L,下降幅度达31.8%,且主要是颗粒态磷组分的去除,溶解态PO₄^3--P、溶解态其他磷和颗粒态磷的浓度分别为6.83mg/L、1.87mg/L和2.90mg/L。

　　 上述结果表明,在预处理过程中,TP浓度与组分发生了较为明显的变化,其变化主要是进水与厂内污废水的混合过程颗粒态磷浓度的增大和初沉池处理单元颗粒态磷的降低。这也进一步说明该厂厂区内污泥处理区回流液中含有相当部分的颗粒态磷组分,其进入污水处理流程会在一定程度上增加其磷负荷,但由于初沉池处理单元对颗粒态磷的有效去除,污泥处理区回流液对后续生物处理系统磷负荷增加的影响很小,可不予考虑。

　　 进水SS/COD或SS/BOD₅可在一定程度上反映进水SS对活性污泥产率和污泥活性的影响,而进水中的碳氮磷比例关系也反映了进水中影响除磷脱氮过程可靠进行的有效碳源供给程度^[5,6];同时考虑到BOD₅测试时效性较差而采用COD替代BOD₅进行近似分析,对SS/COD、碳氮比、碳磷比等稳定达标主要水质影响因素在预处理过程中的变化情况进行了分析。

　　 团岛污水处理厂SS/COD在预处理过程各单元的变化情况如图6所示。

　　 从图6可以看出,在整个预处理过程中,SS/COD始终低于0.6,特别是经初沉池处理后,该比值进一步降低至0.45以下。上述结果表明,该厂进水、进水与厂内污废水的混合污水SS中无机固体组分所占比例都不高;另外,生物除磷脱氮的进行离不开充足的有效碳源供给,而初沉池在去除悬浮无机物的同时会出现有机物的过度去除,从而影响后续生物处理单元的除磷脱氮效果^[7]。因此,从后续生物处理单元氮磷去除的角度考虑,似无必要设置初沉池等构筑物来强化进水无机悬浮固体的去除从而提高生物处理系统的运行效能和稳定性,因而应进一步考虑采取部分(全部)超越初沉池或强化初沉池协同发酵功能等技术措施来保障后续处理单元的高效稳定运行。

　　 团岛污水处理厂预处理过程的碳氮比沿程变化情况如图7所示。

　　 一般认为,只有当反硝化反应器污水的BOD₅/TKN大于4~6(折合成COD/TN为6~9),才可以认为碳源充足^[5]。从图7可以看出,该厂进水COD/TN为6.9,经与厂内污废水混合后的曝气沉砂池进水略降至6.7,曝气沉砂池处理后的出水则进一步略升至6.9,但经初沉池处理后,其出水COD/TN大幅度下降至5.0,其下降幅度与进水相比为27.8%,与初沉池进水相比为27.5%。从SCOD/STN来看,从进水到初沉池出水的整个预处理过程,SCOD/STN一直保持在3~4,且变化幅度不大。

　　 上述结果再次表明,该厂进水中的碳源是基本充足的,且经过厂区内污废水混入后仍能够保持相对充足的碳源,进水以及厂区内污废水中的固体颗粒中含有相当部分的可利用碳源,预处理单元特别是初沉池在去除悬浮颗粒的同时,也在一定程度上降低了进入生物处理系统的碳氮比,这可能会对后续生物处理所需的碳源供给产生不利影响,需要引起注意和综合考虑。

　　 有研究发现,BOD₅/TP高于20~25时出水溶解性磷浓度可低于1.0mg/L^[5],按照团岛污水处理厂BOD₅/COD=0.49考虑,则该厂实现磷的有效去除所需COD/TP应高于41~51。图8反映了团岛污水处理厂预处理过程的碳磷比沿程变化情况。

　　 从图8可以看出,进水COD/TP、SCOD/STP分别为66、52,经与厂内污废水混合后的曝气沉砂池进水这两个比值则分别降低至52、38,曝气沉砂池处理后的出水分别略升至54、40,但经初沉池处理后,这2个比值则变为46、40,其COD/TP下降幅度与进水相比为30.0%,与初沉池进水相比则为10.6%。

　　 上述结果表明,该厂进水中的碳源相对除磷而言也是基本充足的,且经过厂区内污废水混入后仍能够保持相对充足的碳源,进水以及厂区内污废水中的固体颗粒中含有相当部分的可利用碳源和磷组分,预处理单元特别是初沉池在去除悬浮颗粒的同时,也在一定程度上降低了进入生物处理系统的碳磷比,但与碳氮比相比,下降幅度较小,对后续生物处理单元的生物除磷效能的影响也相对较小。

　　 (1)预处理过程中污水水质的变化主要发生在厂外进水与与厂内污废水的混合过程以及初沉处理过程,沉砂处理过程中的污水水质变化较小,且厂外进水与厂内污废水混合过程主要是厂区内污废水混入引起的污染物浓度增大的过程,初沉处理过程主要是悬浮固体去除引起的颗粒态污染物浓度降低的过程。

　　 (2)预处理过程对各污染物指标的去除程度差异较大;对进水SS、COD有较大幅度去除,其去除率分别为42.2%、41.8%;对进水TN、TP的去除幅度较小,其去除率分别为19.4%和16.0%;对颗粒态COD、氮、磷的去除率则分别为57.0%、93.5%和36.0%。

　　 (3)预处理过程对各污染物指标去除程度的差异导致了SS/COD、碳氮比、碳磷比等影响稳定达标主要水质因素不同程度的变化,SS/COD变化幅度较小且基本保持在0.6以下;COD/TN降低27.8%,COD/TP降低30.0%。

　　 (4)经过初沉池处理后污水碳氮比、碳磷比均有下降,但碳氮比下降幅度更大,COD/TN、COD/TP分别下降至5、46,下降幅度分别为27.5%、10.6%,这会在一定程度上对后续生物处理所需的碳源供给产生不利影响,需要引起水厂的注意和综合考虑。