張 萍, 周 甜, 權(quán)秋梅

(西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 南充 637009)

前 言

一直以來水資源問題都是關(guān)注的熱點，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，隨之而來的水污染問題也應(yīng)當(dāng)更加重視。研究表明，污水處理廠能夠有效降低污水中的污染物濃度，相對地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限制而言，污水處理廠尾水污染物濃度依然總體較高[1-2]。如何降低污水處理廠尾水污染物濃度也受到了廣泛關(guān)注，但就城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)時空特征研究相對較少。據(jù)杜娟娟等人研究表明不同排放狀態(tài)對水體具有不同的影響；張亞等人研究表明江蘇省夏季尾水中平均出水濃度指數(shù)較其他季節(jié)明顯偏高，蘇南較蘇北、蘇中的平均出水濃度指數(shù)低[3-4]。不同城市的污水處理廠尾水具有不同的的時空特征，目前廣元正在大力推廣旅游業(yè)發(fā)展，打造世界旅游勝地，對廣元的環(huán)境質(zhì)量極其關(guān)注，而學(xué)術(shù)界對廣元市城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)時空特征的研究幾乎沒有，因此對其展開分析極具意義。

本文利用四川省廣元市8家污水處理廠在2013年第二季度至2015年第三季度例行監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各個污水廠的常規(guī)數(shù)據(jù)，分析了該市城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)的特征。從時間和空間兩個維度來探討污水處理廠尾水排放特征及其影響，利用不同季度、不同地區(qū)污水處理廠尾水中氨氮、總磷、COD的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。

1 研究背景

1.1 廣元市城鎮(zhèn)污水處理現(xiàn)狀

隨著改革開放的逐步深化，市場經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，廣元市人口迅速增長，污水排放量增大，污水處理成為一個不容忽視的問題。到“十一五”末，該市本級、蒼溪縣和劍閣縣三座污水處理廠建成投入正常運行，元壩區(qū)、青川縣、旺蒼縣和利州區(qū)寶輪鎮(zhèn)污水處理廠主體工程建成；2013年初青川縣、旺蒼縣和寶輪鎮(zhèn)污水處理廠投入正常運；2013年底，又新增元壩區(qū)和劍閣縣普安鎮(zhèn)兩座污水處理廠投入正常運行；至今廣元市共有8座污水處理廠在運作。除了劍閣縣縣城污水處理廠、普安鎮(zhèn)城市生活污水處理廠、廣元市昭化區(qū)泉壩污水處理廠這三座污水處理廠執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB18918-2002一級B標(biāo)，其余污水處理廠均執(zhí)行GB18918-2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，有待提升。日處理量廣元大一污水處理有限公司最高，為50 000t/d，其次是寶輪鎮(zhèn)污水處理廠、旺蒼縣城市污水處理廠、蒼溪縣污水處理廠日處理量為15 000t/d，而青川縣污水處理廠、廣元市昭化區(qū)泉壩污水處理廠日處理量最低，為5 000t/d，有待提升。

1.2 廣元市污水處理廠概況(表1)

表1 廣元市城鎮(zhèn)污水處理廠慨況Tab.1 General Situation of Guangyuan Municipal Sewage Treatment Plant

1.3 不同標(biāo)準(zhǔn)比較 (表2)

表2 不同污水排放標(biāo)準(zhǔn)的COD、NH3 -N、TP污染物排放限值比較Tab.2 Comparisons of pollutant emission limits for COD, NH3-N and TP in different sewage discharge standards (mg/L)

2 研究方法

2.1 研究對象與數(shù)據(jù)來源

以四川省廣元市城鎮(zhèn)污水處理廠的污水處理現(xiàn)狀分析為研究目標(biāo)，采用該市8家污水處理廠在2013年第二季度至2015年第三季度例行監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各個污水廠的常規(guī)數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)，其中有2家廠數(shù)據(jù)是從2014年第一季度至2015年第三季度。通過對廣元市城鎮(zhèn)區(qū)域水質(zhì)現(xiàn)狀的調(diào)查與分析，篩選出 TP、NH3-N和COD這 3個具有代表性的營養(yǎng)鹽及有機(jī)物污染指標(biāo)(由于重金屬類指標(biāo)值低于儀器最小檢測濃度，不參與評價)，構(gòu)成污水處理廠水質(zhì)評價指標(biāo)體系。其中COD監(jiān)測的分析方法采用重鉻酸鹽法，檢出限為 10 mg/L，監(jiān)測值為日均值NH3-N監(jiān)測的分析方法均采用納氏試劑光度法，檢出限為0.025mg/L； TP監(jiān)測的分析方法采用鉬銻抗分光光度法，檢出限為0.01mg/L。其中，有6家處理廠各有 30個數(shù)據(jù)，另外2家廠各有21個數(shù)據(jù)，一共222個數(shù)據(jù)。

2.2 評價方法

2.2.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法操作簡單，能夠直接反應(yīng)每一種污染物的超標(biāo)情況，其是在所有參與水質(zhì)綜合評價的水質(zhì)指標(biāo)中，利用實測數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對比分類，選取水質(zhì)最差的類別作為評價結(jié)果，用污水處理廠尾水排放指標(biāo)中的總磷、氨氮和 COD 分別與其相應(yīng)的排放限值的比值作為后期分析數(shù)據(jù)，更便于直觀分析和對比。水質(zhì)的單因子污染指數(shù)Pi的計算公式為[5～7]:

pi=ci/si

(1)

式中: Ci為第 i 種水質(zhì)指標(biāo)的尾水濃度，mg/L; Si為第i 種水質(zhì)指標(biāo)的排放限值，mg / L。

2.2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)是一種兼顧極值和平均值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。考慮到加權(quán)過程的權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，可能使得分析不具備代表性，本文選用內(nèi)梅羅指數(shù)法，其基本計算公式為[8-9]:

(2)

式中: maxi為各單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)中最大者; avei為各單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的平均值。

2.2.3 系統(tǒng)聚類

廣元市8個城鎮(zhèn)污水處理廠跨度較大，分布不密集，不能直觀的歸類分析，為防止以往分類方法中靠經(jīng)驗分類和分類不明確等弊端，選用系統(tǒng)聚類分析方法，其基本原理是先將n個樣本看成一類，然后定義并計算這n類之間0的距離，將距離最小的兩類合并成為新類，再在剩下的n-1類找出距離最小的兩類再次合并，重復(fù)操作，直至所有的樣本都聚成一大類，最后根據(jù)實際問題的特征進(jìn)行分類[10～12]。本文根據(jù)各地區(qū)的污水處理廠尾水中總磷、氨氮、COD 的排放濃度與排放限值的比值，對各地區(qū)污水處理廠進(jìn)行系統(tǒng)聚類，借助EXCIE 軟件處理，分析廣元市不同地區(qū)污水處理廠尾水的排放特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同季度污水處理廠尾水排放特征分析

由圖1可知2013～2015年各污水處理廠的pH值和TP濃度變化不大，均能達(dá)標(biāo)，尾水大多呈弱堿性。2014年劍閣縣縣城污水處理廠和旺蒼縣城市污水處理廠四個季度pH值有上升趨勢，且劍閣縣縣城污水處理廠的上升趨勢更為顯著；2015年普安縣城市生活污水處理廠和昭化區(qū)泉壩污水處理廠四個季度pH值有下降趨勢。2013年普安縣城市生活污水處理廠的1季度pH值最高，2014年劍閣縣縣城污水處理廠的4季度pH值最高，2015年劍閣縣縣城污水處理廠的2季度pH值最高。2013年昭化區(qū)泉壩污水處理廠2季度的COD排放濃度最高，2014年普安縣城市生活污水處理廠的2季度COD排放濃度最高，2015年旺蒼縣城市污水處理廠的2季度COD排放濃度最高。市中區(qū)寶輪鎮(zhèn)污水處理廠氨氮濃度和總氮濃度逐年上升，旺蒼縣城市污水處理廠COD濃度和TSS濃度降低趨勢顯著，青川縣污水處理廠2014年的氨氮濃度顯著高于2013年和2015年，蒼溪縣污水處理廠BOD濃度呈下降趨勢。2013年昭化區(qū)泉壩污水處理廠的2季度和4季度BOD排放濃度最高，2014年寶輪鎮(zhèn)污水處理廠的1季度BOD排放濃度最高，2015年寶輪鎮(zhèn)污水處理廠的1季度和昭化區(qū)泉壩污水處理廠的1季度BOD 排放濃度最高。2013年市區(qū)大一污水處理廠的尾水排放整體優(yōu)于其他污水處理廠，2014年最好的是青川縣污水處理廠，2015年是劍閣縣城污水處理廠。

圖1 不同季度污水處理廠尾水排放特征分析Fig.1 Analysis of tail water discharge characteristics of sewage treatment plants in different seasons

3.2 污水處理廠尾水排放特征變化及處理效率

利用四川省廣元市污水處理廠在2013～2015年的例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，取各處理廠每年4個季度的pH、COD、BOD、TSS、FC、氨氮、總磷、總氮監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值，根據(jù)公式：處理效率=(進(jìn)口濃度-出口濃度)×100/進(jìn)口濃度，計算出每年各污水處理廠的平均效率，得到表3～表5。

由表3～表5可知，2013～2015年的pH、COD、TSS、BOD、總磷5項指標(biāo)均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，其中pH在7.01～7.75之間，COD在9.75～35.25mg/L之間,TSS在1.17～15之間，BOD在1.5～14.15之間，總磷在0.14～0.88之間，均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；2013年的8項指標(biāo)均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。2014年和2015年寶輪鎮(zhèn)污水處理廠均有三項指標(biāo)未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，分別是FC、氨氮和總氮，2014年FC 超標(biāo)嚴(yán)重有三個污水處理廠均不達(dá)標(biāo)，分別是寶輪鎮(zhèn)污水處理廠、蒼溪縣污水處理廠和普安縣城市生活污水處理廠，其中寶輪鎮(zhèn)污水處理廠的FC指標(biāo)2015年(125 450mg/L)比2014年(97 760mg/L)嚴(yán)重；蒼溪縣污水處理廠在2014年的FC指標(biāo)超標(biāo)；普安縣城市生活污水處理廠在2014年和2015年的FC指標(biāo)超標(biāo)；相較2014年蒼溪縣污水處理廠2015年尾水排放中FC有了明顯降低，2015年的FC從2014年的50 558個/L降低到了1 375個/L。

根據(jù)平均值計算出的COD處理效率在2013～2015年分別為84.56%、91.33%、84.38%；氨氮的處理效率在分別為82.31%、80.70%、77.40%。

表3 2013年污水處理廠尾水排放特征變化及處理效率Tab.3 Change of Tailwater Discharge Characteristics and Treatment Efficiency of Sewage Treatment Plant in 2013

表4 2014年污水處理廠尾水排放特征變化及處理效率Tab.4 Change of tail water discharge characteristics and treatment efficiency of sewage treatment plants in 2014

表5 2015年污水處理廠尾水排放特征變化及處理效率Tab.5 Change of tail water discharge characteristics and treatment efficiency of sewage treatment plants in 2015

3.3 污水處理廠處理效率

利用四川省廣元市污水處理廠在2013～2015年的例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，將各處理廠每年四個季度的COD、氨氮的監(jiān)測數(shù)據(jù)取平均值，并根據(jù)公式：處理效率=(進(jìn)口濃度-出口濃度)×100/進(jìn)口濃度，計算出每年各污水處理廠的處理效率，得到如圖2～圖4。

圖2 2013年各污水處理廠處理效率Fig.2 Treatment efficiency of sewage treatment plants in 2013

圖3 2014年各污水處理廠處理效率Fig.3 Treatment efficiency of sewage treatment plants in 2014

圖4 2015年各污水處理廠處理效率Fig.4 Treatment efficiency of sewage treatment plants in 2015

圖2～圖4中VVTP-1為寶輪鎮(zhèn)污水處理廠；VVTP-2為廣元大一污水處理有限公司；VVTP-3為旺蒼縣城市污水處理廠；VVTP-4為青川縣污水處理廠；VVTP-5為劍閣縣縣城污水處理廠；VVTP-6為蒼溪縣污水處理廠；VVTP-7為普安縣城市生活污水處理廠；VVTP-8為市昭化區(qū)泉壩污水處理廠。

如圖2～圖4所示，2013～2015年COD處理效率最高、氨氮處理效率最低的污水處理廠均是寶輪鎮(zhèn)污水處理廠，而寶輪鎮(zhèn)污水處理廠采用的處理工藝為改良型A2/O工藝，2013年～2015年COD處理效率、氨氮處理效率均較高的是蒼溪縣污水處理廠，而蒼溪縣污水處理廠采用的處理工藝是曝氣生物濾池(BAF)工藝，說明不同的工藝對處理效率有影響，曝氣生物濾池(BAF) 工藝處理COD和氨氮相比于其他工藝更優(yōu)。就廣元市目前情況而言，當(dāng)前改良型A2/O工藝在COD處理效率上有較好的結(jié)果，而在氨氮的處理上結(jié)果不是很理想，而早前就有在研究中表明此工藝有較好的處理效果，如朱云鵬等[13]學(xué)者將改良型A2/O分段進(jìn)水工藝用于污水廠升級改造，經(jīng)改良后生物池對COD、NH4+-N和TN的去除率分別能夠穩(wěn)定維持在86.25%、95%和66%以上。采用改良A2/O工藝+深度處理工藝 (高密度沉淀池+微濾機(jī)+紫外線消毒) ，能夠讓出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 18918—2002) 的一級A標(biāo)準(zhǔn)[14]。改良A2/O-MBBR適用于處理生活污水，具有良好的發(fā)展前景和推廣價值[15]。說明不同的工藝對處理效率有明顯影響，可再嘗試不同的改良方式來提高各廠的處理效率。

4 結(jié) 論

4.1 2013～2015年各污水處理廠的pH值和TP濃度變化不大，均能達(dá)標(biāo)，尾水大多呈弱堿性。不同污水處理廠和不同季度的污染物排放濃度也有所不同。2013年市區(qū)大一污水處理廠的尾水排放整體優(yōu)于其他污水處理廠，2014年最好的是青川縣污水處理廠，2015年是劍閣縣城污水處理廠。

4.2 2013年的8項指標(biāo)均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，2013～2015年的pH、COD、TSS、BOD、總磷5項指標(biāo)均達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。COD處理效率在2013～2015年分別為84.56%、91.33%、84.38%；氨氮的處理效率在分別為82.31%、80.70%、77.40%。

4.3 寶輪鎮(zhèn)污水處理廠采用的處理工藝為改良型A2/O工藝，說明改良型A2/O工藝對于COD處理效率比其他工藝更好。不同的工藝對處理效率有影響，曝氣生物濾池(BAF) 工藝處理COD和氨氮相比于其他工藝更優(yōu)。