我国城镇污水处理发展近40年,污水处理能力大大提高。据《城乡建设统计公报》数据显示,到2015年末我国已建有污水处理厂3542座,年处理污水为507.7亿m3,有效地抑制了生态环境的恶化。但随着城镇化水平提高及污水排放量的持续增加,环境水体的污染负荷仍不断加大。虽然已有800多座污水处理厂达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[1]中的一级A标准,但其出水水质仍低于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[2]。为了加强水体保护,在目前的城镇污染物排放水平下,污水处理厂提标改造至GB 3838—2002 Ⅳ类水标准,能够更好地改善生态环境,北京、天津等经济发达地区率先制定了严于GB 18918—2002的类地表Ⅳ类水标准。
青岛是全国蓝色经济发展重点地区,作为其“三城联动”发展战略核心区的胶州湾,污染仍较为严重。2016年青岛市海洋环境公报显示,胶州湾有17.4%的海域属于污染较重的Ⅳ类或劣Ⅳ类水质。因此,青岛市制定了“环湾保护,拥湾发展”战略,全面推进环湾污水处理厂建设,确保出水达到GB 18918—2002中的一级A标准。但GB 18918—2002一级A标准与GB 3097—1997《海水水质标准》[3]的要求差距也较大。2016年青岛市海洋环境监测结果表明,入海排污口临近海域水质不同程度受到陆源入海排污的影响。因此,青岛市污水处理厂在执行GB 18918—2002一级A标准的基础上仍有迫切提标改造的需求。
本文以青岛市某市政污水处理厂为例,首先考察其出水水质对GB 18918—2002一级A、GB 3838—2002 Ⅳ类、GB 3097—1997 Ⅱ类标准的达标情况,进而分析其污染物削减量及排放量,从而指出重点控制指标,并核算出水水质进一步提高的成本,分析提标改造的可行性和再生水应用的经济性,为市政污水处理厂的提标改造提供参考。
本文选取的污水处理厂位于青岛市老城区,市政管网雨污分流较为完善,汇水区内以居民和第三产业为主,进水中占2/3以上为生活污水,是1座典型的城镇居民生活区污水处理厂。该厂设计污水处理量为10万m3/d,处理工艺为改良A2/O工艺,即在厌氧区前设置1个预缺氧区,去除回流污泥中的从而保证厌氧区及后续工艺的正常运行。处理后的污水除少量回用外,主要通过位于胶州湾的排污口排出。
以青岛市某污水处理厂为研究对象,以2015年全年实际进出水水质数据为基础,分析水质指标包括五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、总悬浮颗粒物(SS)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)等。各监测指标按照《水和废水监测分析方法》中规定的标准方法测定。
如前所述,在分析出水水质达标情况时,首先分析目前执行的GB 18918—2002一级A标准,其次从保护地表水环境出发,考察提标到GB 3838—2002 Ⅳ类标准及GB 3097—1997 Ⅱ类标准的达标情况[4]。各标准中污染物的具体限值见表1。
表1 不同标准的指标限值
Table 1 Index values of different criterias mg/L
污染物指标GB 18918—2002一级A标准GB 3838—2002Ⅳ类标准GB 3097—1997Ⅱ类海水标准BOD5≤10≤6≤3COD≤50≤30≤3SS≤10≤51)≤10NH3-N≤5≤1.5≤0.32)TN≤15≤1.5≤0.32)TP≤0.5≤0.3≤0.03
注:1)GB 3838—2002中不包含SS标准,因此对GB 3838—2002 Ⅳ类标准的SS限值,参考北京地方标准(DB 11/890—2012)的A标准(≤5 mg/L);2)GB 3097—1997中仅有无机氮标准,因此NH3-N、TN限值参考无机氮(≤0.3 mg/L)。
2.1.1 进、出水BOD5特征分析
图1a为进、出水BOD5逐月变化。可知,进水BOD5的各月平均值接近于中间值,为277~397 mg/L。出水BOD5的各月平均值和中间值基本重合,为2.4~3.4 mg/L。由此可见,经处理后的污水水质稳定,月度变化幅度减小。图1b显示出水水质GB 18918—2002一级A标准达标率达到100%,说明该厂工艺对BOD5的去除较彻底。如以GB 3838—2002 Ⅳ类标准和GB 3097—1997 Ⅱ类标准判断,则BOD5达标率分别为99.1%和77.2%。说明该厂工艺对可生物降解有机物的去除效果较为明显,基本达到GB 3838—2002 Ⅳ类水要求。虽然与海水水质相比仍有部分超标,但是BOD5作为用于脱氮除磷的重要碳源,在其他指标提标过程中,其去除达标应可以实现。
—进水平均值; —进水中间值;
—出水平均值; —出水中间值。
图1 进、出水BOD5逐月变化及出水累积概率
Fig.1 Monthly change and cumulative probability of
BOD5 in influent and effluent
2.1.2 进、出水COD特征分析
图2a为进、出水COD逐月变化,可知,进水COD的各月平均值接近于中间值,为656~1016.3 mg/L。可见进水COD含量显著高于其他城市[5]。出水COD的各月平均值和中间值基本重合,为24.2~31.1 mg/L。虽然进水COD的月度变化幅度>360 mg/L,但经过处理后出水水质月度变化幅度<7 mg/L,说明该厂污水处理工艺及管理水平都较高。图2b显示出水水质一级A标准达标率为100%,ρ(COD)最高为49 mg/L,没有极端值出现。而以GB 3838—2002 Ⅳ类标准和GB 3097—1997 Ⅱ类标准判断,则COD达标率分别为72.8%和0.3%。这说明目前的处理水平在全年大部分时间都已满足GB 3838—2002 Ⅳ类标准(≤30 mg/L),但却很难达到GB 3097—1997 Ⅱ类标准对COD的要求(≤3 mg/L)。虽然可以在好氧阶段加强曝气去除COD,但当其浓度低至一定程度时,生化方法难以发挥作用,因此需要考虑在提标改造中加设化学氧化等工艺。
—进水平均值; —进水中间值;
—出水平均值; —出水中间值。
图2 进、出水COD逐月变化及出水累积概率
Fig.2 Monthly change and cumulative probability of
COD in influent and effluent
2.1.3 进、出水SS特征分析
同BOD5和COD的结果类似,图3a中进、出水SS的月度变化不明显,各月平均值接近于中间值。其中,进水各月平均值为366~563 mg/L,出水为7.2~10.0 mg/L,说明处理后污水水质更为稳定。图3b显示出水GB 18918—2002一级A标准保证率为99.4%,监测期内仅有2 d超出限值。若以5 mg/L作为提标出水标准,则达标率仅为0.29%,在样本期仅有1 d达标。而GB 3097—1997水质要求并没有如其他指标一样严于GB 3838—2002 Ⅳ类水,这可能是由海水浊度较高的自身特征决定的。污水处理厂出水SS大多为不可降解有机物,因此,当COD指标能够达到GB 3097—1997 Ⅱ类标准的3 mg/L时,SS的出水指标必将大幅降低。
—进水平均值; —进水中间值;
—出水平均值; —出水中间值。
图3 进、出水SS逐月变化及累积概率
Fig.3 Monthly change and cumulative probability of
SS in influent and effluent
2.1.4 进、出水NH3-N特征分析
图4a为进、出水NH3-N逐月变化,可知,进水NH3-N月度变化幅度较为平缓,各月平均值为45~61 mg/L,且平均值接近于中间值。但出水水质在设计标准内却有较明显波动,平均值为0.3~4.0 mg/L,特别是在1—5月和10—12月温度较低的季节波动较明显。这表明NH3-N的去除受季节温度变化的影响较为显著,需加强管控。图4b显示,出水一级A标准达标率为99.1%,样本期内有3 d未能达到一级A标准。而以GB 3838—2002 Ⅳ类标准和GB 3097—1997 Ⅱ类标准判断,则NH3-N达标率分别为67.2%和31.0%,可见NH3-N是提标改造中需重点关注的指标之一。现有工艺虽能基本满足其出水一级A标准的要求,但进一步提标必然会使NH3-N的达标更加困难。考虑到NH3-N的去除是在COD之后,因此需要大量曝气,且难以保证达到GB 3097—1997 Ⅱ类水质要求,因此现阶段考虑需增加氯化等化学处理工艺。
—进水平均值; —进水中间值;
—出水平均值; —出水中间值。
图4 进、出水NH3-N逐月变化及累积概率
Fig.4 Monthly change and cumulative probability of
NH3-N in influent and effluent
2.1.5 进、出水TN特征分析
图5a为进、出水TN逐月变化,可知,进水TN的月度变化与NH3-N类似,平均值接近于中间值,各月平均值为62~83 mg/L。出水TN各月平均值为7.2~12.4 mg/L,平均值与中间值基本重合,说明污水处理工艺对TN的去除较为稳定。图5b显示,出水GB 18918—2002一级A标准达标率达到100%,但对GB 3838—2002 Ⅳ类标准和GB 3097—1997 Ⅱ类标准达标率都为0。综合分析NH3-N与TN之间关系,可以看出TN中大多应为因此认为其控制主要决定于反硝化过程。由于也是地表水与海水富营养化的重要原因之一,且达标难度较大,因此也是进一步提标改造中最需关注的指标之一。
2.1.6 进、出水TP特征分析
图6a为进、出水TP逐月变化,可知,进水TP各月平均值接近于中间值,平均值为7~11 mg/L,出水平均值为0.1~0.4 mg/L,其8—11月的出水波动较大,需加强处理。图6b显示,出水GB 18918—2002一级A标准达标率为98.6%,样本期内有5 d超出限值。以GB 3838—2002 Ⅳ类标准和GB 3097—1997 Ⅱ类标准判断,则达标率分别为75.4%和1.4%。这说明全年有24.6%和98.6%的出水TP无法达到地表Ⅳ类和海水Ⅱ类标准要求。可见TP也是提标改造中亟须解决的问题之一。由于单纯的化学药剂去除难以达到如此严苛的标准,因此加强生化阶段聚磷菌的作用就显得尤为重要。但由于碳源的相对缺乏,聚磷菌所积累的能量可能在缺氧区提前释放用以同步脱氮除磷,造成其在好氧区可能无法完成对磷的去除。因此,磷的去除与反硝化脱氮过程及碳源密切相关。
—进水平均值; —进水中间值;
—出水平均值; —出水中间值。
图5 进、出水TN逐月变化及累积概率
Fig.5 Monthly change and cumulative probability of
TN in influent and effluent
—进水平均值; —进水中间值;
—出水平均值; —出水中间值。
图6 进、出水TP逐月变化及累积概率
Fig.6 Monthly change and cumulative probability of
TP in influent and effluent
以污水处理厂出水水质作为污染物排放负荷的核算依据,对本污水处理厂各污染指标的排放总量进行核算[5],可以得到污水处理厂主要污染物排入环境水体的总量,见表2。
表2 污水处理厂出水各污染物浓度及年排放总量
Table 2 Pollutant concentration and total amount of effluent
污染物指标BOD5CODSSNH3-NTNTP出水浓度/(mg·L-1)2.7828.257.691.479.370.21排污总量/(t·a-1)767702094125554
由表2可看出:经该污水处理厂处理后达到GB 18918—2002一级A标准的出水,但仍会排放大量污染物,给环境水体带来较大负担。其中COD、SS、TN的年总排放量较其他指标更为显著。使用等标污染负荷法进行计算[6],可以量化分析各污染物的排放水平,从而确定主要污染物及重点控制因子,具体见表3。
基于两项标准的污染物等标负荷计算与排序结果见表3。可知:以GB 3838—2002 Ⅳ类水标准计算,污水厂出水的主要污染物是TN,其总污染负荷比为57.47%;其次是SS和NH3-N,总污染负荷比分别为14.15%和9.02%;再次是COD和TP,总污染负荷比分别为8.66%和6.44%;而BOD5的总污染负荷比仅为4.26%。综合来说,TN、SS和NH3-N的总污染负荷比之和为80.64%,可认为是出水中的主要污染物。而以GB 3097—1997 Ⅱ类水质标准计算,污水厂出水的主要污染物同样是TN,总污染负荷比为55.99%;其次是COD和TP,总污染负荷比分别为18.01%和13.39%;再次是NH3-N,总污染负荷比为9.37%;而BOD5和SS的总污染负荷比仅为1.77%和1.47%。3种主要污染物TN、COD和TP的总污染负荷比之和为87.39%。
综上可知,不论执行GB 3838—2002 Ⅳ类水标准还是GB 3097—1997 Ⅱ类水质标准,达标的关键指标为TN,其总污染负荷比都在50%以上。具体来说,出水TN全年均值为9.37 mg/L,与GB 3838—2002
表3 以GB 3838—2002的Ⅳ类水和GB 3097—1997的Ⅱ类海水为标准的污染物等标负荷计算及排序
Table 3 Calculation results of equal standard pollution load values and ratios in terms of
GB 3838—2002 Class Ⅳ and GB 3097—1997 Second Class
标准CODBOD5SSNH3-NTNTP年平均出水浓度/(mg·L-1)28.252.787.691.479.370.21GB 3838—2002Ⅳ类标准30651.51.50.3Pi1/(万t·a-1)2555.371257.334173.622659.4016951.391899.57Ki1/%8.664.2614.159.0257.476.44Pi/(万t·a-1)29496.68注污染物排序462315GB 3097—1997Ⅱ类标准33100.30.320.03Pi1/(万t·a-1)25553.682514.662086.8113296.9679459.5218995.66Ki1/%18.011.771.479.3755.9913.39Pi/(万t·a-1)141907.29注污染物排序256413
注:Pi1表示第1个污染源第i种污染物的等标污染负荷,万t/a,其值为该种污染物的出水浓度与标准限值浓度之比乘以出水排放量;Pi为该污染源的污染物总负荷,万t/a;Kij为等标污染负荷比,即第i种污染物的等标污染负荷与污染总负荷之比(Pij/Pi)。2015年该污水处理厂全年污水排放总量为2714万t,即74347 t/d。
Ⅳ类水(1.5 mg/L)和GB 3097—1997 Ⅱ类水(0.3 mg/L)标准差距较大。目前北京、天津、合肥等地高标准污水处理要求和提标改造实践中,COD、BOD5、NH3-N、TP等指标均与地表类Ⅳ类水标准相同,但对TN的要求则远低于地表Ⅳ类水标准,一般为5~10 mg/L[7-10]。可见TN的处理难度较大,但为了最大限度地降低污水排放对环境的影响,TN控制仍然是关键问题。
《山东省落实〈水污染防治行动计划〉实施方案》提出,沿海地级以上城市,须实施TN排放总量控制,以加强海洋生态保护与修复。而现有A2/O以及其他工艺对TN的去除难以满足高标准的环境要求。因此,污水处理领域亟须开发新型高效低成本的脱氮工艺。目前,国内外大量研究及工程实践都希望利用厌氧氨氧化工艺解决硝氮去除的问题。与传统的生物脱氮工艺相比,厌氧氨氧化技术具有节能,无需外加碳源,且污泥产生量少等特点,具有很好的应用前景。但该工艺目前距离大范围推广应用还较远,需要进一步研究实践。
目前我国大部分城镇污水处理厂均以A2/O及其改造工艺为主[11],如果进一步提标改造,必然涉及地方财政投入力度、征地建设等问题,从而在选择升级改造方案时可能有很大差异,因此本文不考虑基建设备等一次性投入费用,仅讨论日常运行中为了进一步优化水质而加大的常规运行成本。李波等[8]分析了7座不同规模和不同处理工艺的污水处理厂的运行经济成本,认为电耗和药耗占比最大,其中电耗占比为71.2%~85.1%,药耗占比为14.8%~29.8%。而本研究中进出水水质分析中同样发现,提标过程中需重视的指标包括TN、NH3-N和TP,其与曝气电耗及脱氮除磷药耗有密切关系。因此,本研究主要考虑出水水质提标中电耗和药剂费用的增加。
2.3.1 提标改造电耗成本分析
杨凌波等[12]对全国城镇污水处理厂能耗规律进行了统计分析和定量识别,得出污染物实际去除量与单位污染物电耗的回归方程,并指出污染物去除均存在“规模效应”,即去除量越大,单位电耗越小。根据此方法,计算得出去除各单位污染物的电耗,如表4所示。
表4 单位污染物去除电耗与实际去除量的方程计算
Table 4 Calculation function and results of unit pollutant power consumption and actual removal amount
污染物指标单位污染物电耗回归方程污染物总去除量/(kg·d-1)单位污染物电耗/(kW·h·m-3)GB 18918—2002一级AGB 3838—2002 Ⅳ类GB 3097—1997 Ⅱ类CODY1=37.374X-0.377158715.730.242—0.241BOD5Y2=71.680X-0.398224625.290.242——SSY3=78.050X-0.432332141.060.2350.235—NH3-NY4=139.195X-0.32843905.460.2640.2640.263TNY5=181.305X-0.36554805.060.2680.2660.266TPY6=1019.828X-0.4806653.510.2540.2540.253
由表4可知:以GB 3838—2002 Ⅳ类水质要求来看,除TN和SS外,污水处理厂出水中的其他4项指标均达到GB 3838—2002 Ⅳ类水要求(参考DB11/890—2012,SS标准为5 mg/L),因此仅需对TN和SS加强处理。ρ(TN)由9.37 mg/L下降至1.5 mg/L,每天需多去除585.11 kg,单位电耗由0.268 kW·h/m3下降到0.266 kW·h/m3,总电耗为19797.01 kW·h/d,比原来下降95.77 kW·h/d,成本基本与原来持平。SS出水由7.69 mg/L下降至5 mg/L,每天需多去除199.89 kg,计算可知SS的单位电耗仍保持在0.235 kW·h/m3,总电耗为17488.29 kW·h/d,与原有持平。故提标至GB 3838—2002 Ⅳ类水质标准的总电耗为111691.24 kW·h/d,与GB 18918—2002一级A标准的111798.73 kW·h/d相差甚微。若以GB 3097—1997 Ⅱ类标准判断,则除BOD5、SS之外的其他指标均需加强处理。如表4所示,各指标单位电耗与一级A标准下的单位电耗相近,总电耗为111592.88 kW·h/d,与一级A标准下的总电耗相比同样稍有下降。因此仅就电耗而言,提标改造能够充分利用污染物去除的规模效应,提高污水处理设施的利用效率,成本无明显增加,故电耗成本变化基本可以忽略。
2.3.2 提标改造药耗成本分析
药耗方面,由于强化脱氮除磷的需求,需要投加外部碳源和除磷药剂,这是目前城镇污水处理厂稳定达标的关键措施[13],同时也是药剂消耗的主要原因。张维等[14]对我国城镇污水处理厂运行药耗的分析表明,我国6%左右的城镇污水处理厂投加了碳源,其中投加厂规模占比最大的碳源为乙酸钠。本研究选用乙酸钠作为外加碳源,反硝化需要外部碳源5 mg(以COD计)[15],乙酸钠的COD当量为0.78 mg,商品乙酸钠固体纯度为60%,每吨价格以1600元计。以GB 3838—1997 Ⅳ类标准要求,需外加碳源去除ρ(TN)为7.87 mg/L,每天需多投加乙酸钠6.25 t,单项成本增加0.13元/m3。若以GB 3097—1997 Ⅱ类标准要求,则需外加碳源去除的TN为9.05 mg/L,每天需多投加乙酸钠7.19 t,单位成本增加0.15元/m3。
具体到本文研究的污水处理厂的实际情况,其进水ρ(TN)年均值为74 mg/L,出水ρ(TN)年均值为9.37 mg/L,去除的TN为64.63 mg/L。运行中投加的乙酸钠用量为4 t/d左右,单位成本约为0.08元/m3,这明显低于上述提标改造中对碳源成本增加的估计。这主要是由于该厂进水可生化性较好,处理过程充分利用了进水碳源,而外加的乙酸钠仅作为反硝化过程中的少量补充碳源。因此,估算的0.13~0.15元/m3的碳源成本增加可作为最大参考值。实际运行过程中,可通过优化反硝化工艺,充分利用进水碳源,降低成本。
为了强化除磷效果,我国目前有35%的城镇污水处理厂将化学除磷作为保障高排放标准下总磷稳定达标的必备手段。药剂使用以聚合氯化铝最多,投加厂规模占比61.08%,投药量系数均值为2.33。本文以聚合氯化铝作为除磷剂,工业用聚合氯化铝含量为28%,按每吨1800元计。考虑到本厂出水ρ(TP)均值为0.21 mg/L,GB 3038—2002 Ⅳ类水TP达标率为75.4%。计算未达标的24.6%的样本出水ρ(TP)平均值为0.49 mg/L,需外加除磷药剂去除的TP为0.19 mg/L,因此TP超标时平均每天需多投加0.12 t除磷药剂,平均到全年则单位成本增加0.0007元/m3,基本可以忽略。若要达到GB 3097—1997 Ⅱ类标准,则目前出水TP达标率仅为1.45%。计算不达标的98.55%的样本出水TP平均值为0.21 mg/L,提标改造至0.03 mg/L的要求,则全年平均单位成本增加0.002元/m3,同样可以忽略。
成本分析结果表明,污水处理厂由目前的GB 18918—2002一级A标准提高到GB 3038—2002 Ⅳ类水标准、GB 3097—1997 Ⅱ类水质标准,最关键的均为TN去除,成本提高最大部分也是外加碳源费用[16-17]。
该污水处理厂采用混凝-沉淀-过滤工艺对二级出水进行深度处理,即再生水处理的“老三段”工艺,以达到一级A标准。因此,在本提标改造的研究中,不需针对再生水进行工艺上的改造。青岛市的再生水价格为1元/m3,再生水利用率约为35%,则销售再生水的平均收益为0.35元/m3。综上所述,该污水处理厂进一步提标,重点在TN的去除,成本增加最大为0.13~0.15元/m3,低于改造前的再生水收益,可认为是“保本提标”。由于提标后的出水水质进一步提高,且再生水价格与自来水价格相比有较大优势,在相关政策的引导下,再生水的利用率未来预计会明显增加。根据《青岛市落实水污染防治行动计划实施方案》的规划,到2020年,再生水利用率要达到50%,则该污水处理厂的再生水销售平均收益也将提高至0.50元/m3。扣除提标改造成本,利润仍将在0.35元/m3以上。且由于水质进一步提高,用户对再生水利用的感官评价亦会提升,其社会效益明显。
1)青岛市某市政污水处理厂全年进、出水各指标稳定,处理工艺可以达到GB 18918—2002一级A设计标准,出水中BOD5、COD、SS、NH3-N、TN、TP的达标保证率分别为100%、100%、99.4%,99.1%、100%、98.6%。为了更好地保护环境,提高海洋水环境质量并考虑出水回用,分别以GB 3838—2002 Ⅳ类、GB 3097—1997 Ⅱ类水质标准作为提标改造目标,则上述6项指标的达标保证率分别为:99.1%、72.8%、0.29%、67.2%、0%、75.4%和77.2%、0.3%、99.4%、31.0%、0%、1.4%。综合来说,在提标改造中需加强对TN、NH3-N和TP等的去除。
2)目前,经处理后达到GB 18918—2002一级A标准的出水,该污水处理厂每年仍向接纳海域排放COD 770 t,BOD5 76 t,SS 209 t,NH3-N 41 t,TN 255 t,TP 54 t,给海洋环境带来较大负担。使用等标污染负荷法量化污染水平发现,如参照GB 18918—2002 Ⅳ类出水标准,污水厂出水的主要污染物为TN,总污染负荷比为57.47%,其次是SS和NH3-N,三者的总污染负荷比之和分别为80.64%。如参照GB 3097—1997 Ⅱ类出水标准,出水主要污染物仍为TN,总污染负荷比为55.99%,其次是COD和TP,三者的总污染负荷比之和为87.39%。
3)出水标准要提高到GB 3838—2002 Ⅳ类或GB 3097—1997 Ⅱ类水质标准,重点要加强TN的去除,成本增加主要为药耗费用。TN从目前出水的9.37 mg/L,分别下降到1.5,0.3 mg/L,单位运行成本增加最大分别为0.13,0.15元/m3。
[1] 国家环境保护总局.城镇污水处理厂污染物排放标准:GB 18918—2002[S].北京: 中国环境科学出版社,2002.
[2] 国家环境保护总局.地表水环境质量标准:GB 3838—2002[S].北京: 中国环境科学出版社,2002.
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