好多數(shù)據(jù)！我國工業(yè)污水集中處理廠運行及水質(zhì)特征
以我國工業(yè)污水集中處理廠的實際運行和監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了我國工業(yè)污水集中處理廠的設(shè)計處理能力、污水處理量、水力負(fù)荷率及使用的主要處理工藝等，研究了COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的進(jìn)出水水質(zhì)特征以及與去除效率的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，我國工業(yè)污水集中處理廠以1萬~5萬m3/d的規(guī)模為主，平均水力負(fù)荷率較低，為43.9%，AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、SBR類、氧化溝類和MBR類為主流工藝，合計占比達(dá)76.2%；進(jìn)、出水濃度值相對偏高，濃度值波動幅度較大，除總氮去除效率較低外，4項污染物的去除效率均高于80%；66.1%的工業(yè)污水集中處理廠進(jìn)水基本能滿足生物除磷的要求，但有56.4%的污水處理廠進(jìn)水可生化性較差，53.6%的污水處理廠反硝化過程需要外加碳源；5項污染物的進(jìn)出水濃度和去除效率與本指標(biāo)的變量均呈顯著相關(guān)性，其中進(jìn)水污染物濃度對出水水質(zhì)、去除效率均為正相關(guān)影響。
0 引言
工業(yè)污水集中處理廠是專門為工業(yè)園區(qū)、連片工業(yè)企業(yè)或周邊企業(yè)處理工業(yè)污水的集中設(shè)施或獨立運營的單位，為社會化有償服務(wù)。隨著我國污水處理行業(yè)的細(xì)分以及工業(yè)企業(yè)向各類工業(yè)園區(qū)的集聚，我國工業(yè)污水集中處理廠的建設(shè)發(fā)展迅速，2017年工業(yè)污水集中處理廠的數(shù)量、污水處理量分別是2007年的3.6倍、3.2倍。
當(dāng)前我國還存在大量依托城鎮(zhèn)污水處理廠處理工業(yè)污水的情況，由于部分工業(yè)污水含有重金屬或難以生物降解的有毒有害污染物，進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理廠可能會對城鎮(zhèn)污水處理廠的出水水質(zhì)、污泥處理處置帶來不良影響。2019年4月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)的《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019-2021年）》中提出，對于不能被城鎮(zhèn)污水處理廠有效處理的污染物或可能影響城鎮(zhèn)污水處理廠出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的工業(yè)企業(yè)的排水，要限期退出城鎮(zhèn)污水處理廠。同時，建設(shè)工業(yè)污水集中處理廠也是工業(yè)集聚發(fā)展、綠色發(fā)展和共享污水處理設(shè)施，降低水環(huán)境污染風(fēng)險的客觀需要和有效舉措。因此利用工業(yè)污水集中處理廠處理工業(yè)污水是發(fā)展趨勢。針對工業(yè)污水集中處理廠的研究主要集中在單個或多個工業(yè)污水集中處理廠的工藝設(shè)計或提升改造以及監(jiān)督管理政策建議等方面，基于全國層面綜合和量化的比對分析較少開展，本研究探討了當(dāng)前我國工業(yè)污水集中處理廠的建設(shè)運行基本情況，分析主要污染物水質(zhì)變化特征及相互關(guān)系，以期能對工業(yè)集聚區(qū)建設(shè)污水集中處理設(shè)施、生態(tài)環(huán)境管理部門監(jiān)管工業(yè)污水集中處理廠提供參考。
1 研究對象和方法
研究對象為以第二次全國污染源普查成果為基準(zhǔn)依法更新后的2017年污染源統(tǒng)計中的工業(yè)污水集中處理廠，研究的水質(zhì)指標(biāo)為COD、BOD5、NH3-N、TN和TP。建設(shè)運行情況從地區(qū)分布、設(shè)計處理能力、實際處理污水量、廢水處理工藝等角度分析，基于進(jìn)出水水質(zhì)情況來評估水質(zhì)濃度分布特征、污染物去除效率及各水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性。
2 結(jié)果與討論
2.1 運行情況
2.1.1 設(shè)計處理規(guī)模及廢水實際處理量
我國工業(yè)污水集中處理廠有1 520家，設(shè)計處理能力為2 328萬m3/d，年廢水實際處理量為40.75億m3，工業(yè)污水集中處理廠是除城鎮(zhèn)污水處理廠外的主要污水集中處理單位，其數(shù)量、設(shè)計處理能力、年污水實際處理量分別占全國集中式污水處理單位總量的1.9%、9.4%、6.2%。工業(yè)污水水質(zhì)復(fù)雜，濃度變化大，作為專門處理復(fù)雜工業(yè)污水的集中式處理單位，其在污水集中處理中發(fā)揮了較大的作用。
將工業(yè)污水集中處理廠按設(shè)計處理能力分為5類：≥10萬m3/d、5萬~10萬m3/d、1萬~5萬m3/d、0.5萬~1萬m3/d、＜0.5萬m3/d，分析工業(yè)污水集中處理廠的設(shè)計處理能力、實際處理水量、水力負(fù)荷率等指標(biāo)的分布情況（見表1）。
我國工業(yè)污水集中處理廠以1萬~5萬m3/d的規(guī)模為主，該規(guī)模下的污水處理廠數(shù)量、總體設(shè)計處理總能力、實際處理水量分別占全國總數(shù)的43.9%、55.4%、49.8%；規(guī)模為5萬~10萬m3/d和≥10萬m3/d的污水處理廠數(shù)量較少，二者數(shù)量合計僅占全國總數(shù)的6.6%，但以占全國總數(shù)35.0%的設(shè)計處理能力處理了占全國實際處理水量42.0%的污水；規(guī)模為＜0.5萬m3/d、0.5萬~1萬m3/d的兩種類型污水處理廠數(shù)量合計占比達(dá)49.5%，但設(shè)計處理能力、實際處理水量僅占全國總數(shù)的9.7%、8.2%。
水力負(fù)荷率指在運行時段內(nèi)污水實際處理量與設(shè)計處理能力之間的比值，是反映污水處理廠正常穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)指標(biāo)，在城鎮(zhèn)污水處理廠中有平均水力負(fù)荷率≥60%的規(guī)定。在本研究中發(fā)現(xiàn)我國工業(yè)污水集中處理廠的平均水力負(fù)荷率較低，僅為43.9%；水力負(fù)荷率還隨著設(shè)計處理能力的增大而提高，規(guī)模較小3種工業(yè)污水處理廠水力負(fù)荷率差別不大，5萬~10萬m3/d、≥10 萬m3/d的工業(yè)污水集中處理廠的水力負(fù)荷率比規(guī)模相對較小的水力負(fù)荷率比例高11.3%以上，說明我國部分工業(yè)污水集中處理廠，特別是中小型（＜5萬m3/d）的污水處理廠的實際處理水量較設(shè)計處理能力較少，污水處理設(shè)施設(shè)備的利用率還有很大提升空間。
2.1.2 污水處理工藝
工業(yè)污水集中處理廠采用的主體工藝為好氧生物處理，厭氧生物處理，穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝3種。隨著水環(huán)境質(zhì)量改善目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，水污染物排放限值逐步加嚴(yán)，有23.2%的工業(yè)污水集中處理廠采用了上述兩種或以上工藝組合。厭氧生物處理和穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理兩種工藝因其工藝特點，多與好氧生物處理工藝組合使用，采用上述兩種工藝的工業(yè)污水集中處理廠中，分別有84.6%、84.8%與其他工藝組合。因此，在本文主要針對采用生物處理系統(tǒng)的工業(yè)污水集中處理廠進(jìn)行分析。
好氧生物處理工藝為主體工藝的工業(yè)污水集中處理廠數(shù)量較多，占比達(dá)全國總數(shù)的81.6%，其中AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、SBR類、氧化溝類和MBR類為主流工藝（見表2），占比合計為76.2%。其中AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、氧化溝類4種工藝的平均設(shè)計處理能力比全國平均值高出范圍為2.3%~48.3%，且平均水力負(fù)荷率相差不大，與全國平均值相近；使用SBR類、MBR類的污水處理廠平均設(shè)計處理能力低于全國平均值，MBR類作為膜處理工藝，平均水力負(fù)荷率比全國平均值低5.5%，說明在運行過程中處理水量偏少，未能充分發(fā)揮效能；SBR類的平均水力負(fù)荷率為6種主流處理工藝中最高，比全國平均值高9.2%，說明使用該工藝的污水處理廠污水實際處理量較大，運行率較高。
2.2 進(jìn)出水水質(zhì)分析
2.2.1 進(jìn)出水基本水質(zhì)指標(biāo)分析
我國工業(yè)污水集中處理廠的污染物進(jìn)、出水濃度值相對偏高，濃度值波動幅度較大，由于部分污水處理廠的進(jìn)、出水濃度值較高，整體呈正偏態(tài)分布，因此各項污染物的進(jìn)出水濃度平均值均明顯高于中位值，5項污染物的進(jìn)水濃度平均值與中位值的相對偏差范圍為18.6%（TN）~47.4%（TP），出水濃度值兩者的相對偏差范圍為11.2%（TN）~35.7%（NH3-N）。進(jìn)出水水質(zhì)分布如表3所示。除TN的平均去除率為65.7%外，其他污染物的平均去除率較為平均,均在80%~90%。
2.2.2 進(jìn)水污染物的比例關(guān)系
（1）進(jìn)水BOD5/COD特征。在污水處理廠中可采用BOD5/COD值來反映可生物降解的有機污染物占總有機物的比例。一般來說，當(dāng)BOD5/COD＜0.3時，進(jìn)水的可生化性較差，存在難以生化降解的物質(zhì)；當(dāng)BOD5/COD≥0.3時，說明進(jìn)水中適宜生物處理，當(dāng)比值＞0.45時，生化性良好。本研究中，我國工業(yè)污水集中處理廠的BOD5/COD平均值為0.33，中位值為0.22，中位值小于平均值，說明部分污水處理廠的比值較小，其接納的工業(yè)污水可生化有機物占比較低；有43.6%的工業(yè)污水集中處理廠比值大于0.3，有31.6%污水處理廠的比值大于0.45，這部分污水處理廠的進(jìn)水適宜生物處理，而其他56.4%的污水處理廠進(jìn)水需要調(diào)整后再進(jìn)行生物處理。總體來看，我國大部分工業(yè)污水集中處理廠的進(jìn)水可生化性較差，這與接納的工業(yè)污水中存在大量較難生物降解的污染物有關(guān)。
（2）進(jìn)水BOD5/TN特征。在污水處理廠中可采用BOD5/TN值反映反硝化菌是否有足夠的碳源，保證反硝化過程的順利進(jìn)行，促進(jìn)生物脫氮，同時滿足微生物生長繁殖和好氧段有氧呼吸的碳源消耗。一般來說，BOD5/TN＞2.86時可實現(xiàn)硝酸鹽的完全反硝化，比值＞4時則進(jìn)水碳源充足，脫氮率可保證。本研究中的BOD5/TN的平均值為5.39，中位值為2.69，不同工業(yè)污水處理廠的BOD5/TN比值差異較大，有53.6%的污水處理廠該比值小于2.86，而有36.8%的污水處理廠該比值大于4，部分污水處理廠總氮去除碳源非常充足，而大部分污水處理廠需要外加碳源才能滿足反硝化過程所需，這點與總氮去除率相對較低也相互呼應(yīng)。
（3）進(jìn)水BOD5/TP特征。在污水處理廠中可采用BOD5/TP值反映生物除磷的可行性，一般來說，BOD5/TP＞20可保證聚磷菌對除磷系統(tǒng)的基質(zhì)要求。在本研究中，BOD5/TP的平均值為52.07，中位值為28.71，有66.1%的污水處理廠該項比值大于20，說明大部分工業(yè)污水集中處理廠的進(jìn)水能基本滿足生物除磷的要求。
2.2.3 進(jìn)出水污染物的相關(guān)性分析
采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法對進(jìn)水、出水水質(zhì)和污染物去除率之間的相關(guān)性進(jìn)行定量分析。進(jìn)、出水水質(zhì)濃度和污染物去除效率三者互為成對出現(xiàn)的變量，使用該方法計算上述3組數(shù)據(jù)兩兩之間的相關(guān)系數(shù)，分別計算各污染物的進(jìn)水水質(zhì)濃度與出水濃度及污染物去除效率的相關(guān)系數(shù)，衡量相關(guān)影響關(guān)系的高低，計算結(jié)果見表4~表6。
根據(jù)計算結(jié)果，不同污染物的進(jìn)、出水濃度和去除效率僅與本指標(biāo)的變量呈顯著相關(guān)性。按照經(jīng)驗相關(guān)系數(shù)程度的劃分，不同指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)也存在高低的差異。從進(jìn)水濃度角度來看，進(jìn)水濃度對出水水質(zhì)、去除效率均為顯著正相關(guān)影響。從去除效率與出水水質(zhì)的相關(guān)系數(shù)來看，去除效率與出水水質(zhì)的影響均為顯著負(fù)相關(guān)。
根據(jù)分析，在一定程度上提高進(jìn)水COD、BOD5可以更大程度的提高污染物的去除效率，也能使出水濃度值達(dá)到排放限值的要求；選擇NH3-N去除效率更高的污水處理工藝更能有助于出水濃度的降低，TN、TP的出水濃度受到進(jìn)水濃度和去除效率的共同影響，TN、TP要達(dá)到較低的排放水平需要較高的運行管理水平。
3 結(jié)論與建議
我國工業(yè)污水集中處理廠規(guī)模總體偏小，以1萬~5萬m3/d為主，總體平均水力負(fù)荷率僅為43.9%，水力負(fù)荷率有一定的規(guī)模效應(yīng)，規(guī)模≥5萬m3/d的污水處理廠較規(guī)模＜5萬m3/d的平均水力負(fù)荷率比例高11.3%以上。好氧生物處理工藝為工業(yè)污水集中處理廠的主流工藝，使用數(shù)量達(dá)全國總數(shù)的81.6%，其中AAO工藝、AO工藝、普通活性污泥法、SBR類、氧化溝類和MBR類6種占比為76.2%。
我國工業(yè)污水集中處理廠的污染物進(jìn)、出水濃度值相對偏高，整體呈正偏態(tài)分布，濃度值波動幅度較大，去除效率除TN為65.7%外，其他4項污染物的去除效率范圍為80%以上。
從進(jìn)水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP比值分析表明，有56.4%的污水處理廠進(jìn)水可生化性較差，53.6%的污水處理廠反硝化過程需要外加碳源，66.1%的污水處理廠進(jìn)水基本能滿足生物除磷的要求。5項污染物的進(jìn)、出水濃度和去除效率與本指標(biāo)的變量呈顯著相關(guān)性，其中進(jìn)水污染物濃度對出水水質(zhì)、去除效率均為正相關(guān)。
針對工業(yè)集中污水處理廠總體水力負(fù)荷率偏低的情況，建議在提升污水收集管網(wǎng)配套、減少管網(wǎng)漏損造成的污水漏排、鼓勵排污單位將預(yù)處理后的污水排入工業(yè)集中污水處理廠的同時，可考慮將工業(yè)園區(qū)初期雨水納入污水的處理范圍。
該研究僅對我國運行的工業(yè)集中污水處理廠開展水質(zhì)特征總體分析，鑒于獲取數(shù)據(jù)的局限性，建議后續(xù)同類研究繼續(xù)加強對不同類型的工業(yè)園區(qū)處理工藝、不同出水排放標(biāo)準(zhǔn)限值的數(shù)據(jù)分析及研討，形成針對多種行業(yè)類型和進(jìn)出水水質(zhì)特征的典型工藝路線，推動工業(yè)園區(qū)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺，提升工業(yè)集中處理廠出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)穩(wěn)定性。
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