方能峰

(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引 言

污水處理廠是城市基礎(chǔ)設(shè)施之一,增加污水廠的建設(shè)投入對水環(huán)境保護工作有十分重要的意義。根據(jù)《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計年鑒2016》,我國城鎮(zhèn)污水處理廠COD的排放量較“十一五”期間減少了1 264萬t;氨氮的排放量較“十一五”期間減少了118萬噸,同時其他污染物的排放量也同步減少,污水處理廠為實現(xiàn)國家減排目標和污染控制做出了重要貢獻。較好的處理工藝對污水有更好的處理效果,本文對污水處理廠的設(shè)計工藝進行了有關(guān)分析,表明良好的工藝設(shè)計可以降低污水廠的出水濃度,降低氮、磷等污染物的排放濃度,對環(huán)境保護有著重要的作用。

2 污水處理工藝

二級處理階段采用預(yù)缺氧+A2/O鼓風(fēng)曝氣工藝,傳統(tǒng)的A2/O工藝厭氧區(qū)居前,回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區(qū)產(chǎn)生不利影響較大,進入?yún)捬鯀^(qū)后,污水中的碳源被反硝化細菌優(yōu)先利用,聚磷菌難以得到充足的碳源不能充分釋磷,影響好氧階段吸磷。在傳統(tǒng)的A2/O工藝前設(shè)置預(yù)缺氧調(diào)節(jié)池,可以消除回流污泥中硝態(tài)氮對厭氧階段的不利影響,同時還能增強污泥的反硝化作用,提高脫氮效率。在好氧段增加鼓風(fēng)曝氣,曝氣的主要目的是為好氧微生物的生長活動提供足夠的氧氣,使其在好氧階段能夠高效地完成生化反應(yīng)。劉曉奇等[1]指出曝氣效果的好壞將直接影響整個活性污泥法的處理效果和能耗,鼓風(fēng)曝氣可以精確控制污水中氧的濃度,增加氧量供給,同時在氣流的攪動下,污水中的氧可以被分配到各個角落,被反應(yīng)池中各個地方的微生物利用,提高氧的利用率。預(yù)處理工藝流程如圖1所示。

圖1 改良的A2/O工藝流程

深度處理階段采用高效沉淀池+反硝化深床濾池的結(jié)合工藝形式。高效沉淀池采用的是結(jié)合混合、絮凝、沉淀為一體的工藝,通過機械攪拌的方式,使混凝劑與污水充分混合,在沉淀階段,大顆粒的懸浮物在重力作用下沉淀到池的底部,在混凝階段未來得及沉淀的懸浮物,在斜管沉淀池的部分沉淀,斜管沉淀池最大的優(yōu)勢就是延長了沉淀池,提高固體顆粒物的沉淀時間。反硝化深床濾池是集生物脫氮及過濾功能合二為一的處理單元,在反應(yīng)池內(nèi)部鋪設(shè)一定厚度的填料,對污水進行過濾,截留一部分粒徑大的懸浮物,同時,在被填料截留的懸浮物在填料表面附著,形成生物膜,微生物又能進一步去除污水中的氮。本工程采后的是后置反硝化深床濾池,與前置反硝化濾池相比,后置反硝化濾池能夠降低污水的處理費用。李東研究了前置反硝化濾池和后置硝化濾池的生物脫氮效果,試驗證明兩者對污染物的去除效果相當,出水均能達到一級A標準,但是前置反硝化的污水處理費用更高[2]。

3 結(jié)果與討論

污水處理廠設(shè)計規(guī)模10萬m3/d,現(xiàn)已建成運營,采集了2017年1月至2019年12月,為期36個月的數(shù)據(jù),現(xiàn)對COD、NH4+-N、TN、TP指標進行數(shù)據(jù)分析,因為數(shù)據(jù)量較大,所以取每個月的均值進行指標分析。

3.1 COD指標分析

COD的進水與出水濃度變化如圖2所示。

圖2 COD進水與出水濃度

從圖2中可以看出,COD進水濃度變化幅度較大,最低的為100 mg/L左右,最高的進水濃度達到350 mg/L,這可能是因為人們的生活習(xí)慣以及降雨量等因素有關(guān),在夏季的時候,COD濃度明顯升高,冬季COD的濃度有所降低。但是,從圖2中還可以看出，進水濃度基本保持在150～200 mg/L，低于設(shè)計的進水濃度380 mg/L。這進一步證明了城市污水中碳源不足的事實,需要考慮在污水處理過程中添加碳源,特別是在生化反應(yīng)階段,充足的碳源為反硝化細菌、聚磷菌等異養(yǎng)型微生物提供能量。同時也要注意在碳源較低的情況下,在預(yù)處理階段,越過初沉池,減少COD的損失。出水COD濃度限值為30 mg/L,從圖2中也可以看出,出水的COD的濃度較低,滿足設(shè)計的出水要求。

COD的去除效率如圖3所示。

圖3 COD去除效率

從圖3中可以看出,COD去除效率最高可達94%,最低為81%。保持較高的去除效率,得益于在采用生化處理階段時延長了污泥齡,COD能夠被微生物充分利用,如果污泥齡較短,有機物就難以充分被微生物利用,同時,因為污泥更新的過快,很可能會造成污泥膨脹或是污泥上浮,影響整個生化系統(tǒng)脫氮的效果。

3.2 TP指標分析

TP的進水與出水濃度變化如圖4所示。

圖4 TP進水與出水濃度

從圖4中可以看出,進水的TP的變化區(qū)間為1～4 mg/L,設(shè)計進水TP的含量為6 mg/L,低于設(shè)計進水總磷的值。與COD、BOD5類似,在第16個月的時候達到整個運行周期的峰值,說明在污水處理過程中,各個污染物的指標是相互影響的,甚至出現(xiàn)正相關(guān)。出水總磷的含量有較小變化,TP的濃度均滿足低于0.3 mg/L,滿足出水要求,常規(guī)的生物處理往往難以使污水中的磷降低至較低的濃度,表明通過化學(xué)藥劑與磷反應(yīng),生成難溶的磷酸鹽沉淀,能夠有效降低污水中磷的濃度。

TP的去除效率如圖5所示。

圖5 TP去除效率

從圖5中可以看出,在污水廠運行初期,除磷的效果變化波動較大,在第25個月之后,除磷效果趨于平衡,可能的原因是在污水廠運行初期,聚磷菌還未完全適應(yīng)環(huán)境,除磷效果較差,經(jīng)過一段時間,微生物漸漸適應(yīng)了生存環(huán)境,提高了除磷效果;另一方面,溫度對生物除磷的效果影響較大,有學(xué)者就證明溫度過高(25℃以上)或是過低(15℃以下)都會不利于聚磷菌的生長,造成除磷效果降低[3]。

3.3 NH4+-N、TN指標分析

NH4+-N的進水與出水濃度變化如圖6所示。

圖6 NH4+-N進水與出水濃度

從圖6中可以看出,NH4+-N的進水濃度集中在15～20mg/L,低于設(shè)計的進水濃度35mg/L;出水中氨氮基本被去除完全,滿足出水NH4+-N≤1.5mg/L要求。

TN的進水與出水變化如圖7所示。

圖7 TN進水與出水濃度

從圖7中可以看出,TN進水濃度在15～40mg/L,低于設(shè)計進水TN的數(shù)值50mg/L;出水TN的濃度每月均小于5mg/L,滿足出水水質(zhì)標準。整個污水處理系統(tǒng)中,氮的去除效果非常好,達到此效果的原因是在A2/O工藝前置預(yù)缺氧池,提高了反硝化效果;同時又在污水深度處理階段采用了反硝化深床濾池,多方面保證氮的去除效果。

另外將圖6和圖7兩個圖放在一起,可以很容易發(fā)現(xiàn)NH4+-N和TN的進水濃度變化趨勢幾乎完全一致,說明通過NH4+-N的濃度來反應(yīng)TN的濃度是完全合理的。

NH+4-N的去除效率如圖8所示。

圖8 NH+4-N去除效率

從圖8中可以看出。NH4+-N去除效率,可以看出NH4+-N的去除效率很高,去除效果非常好。

TN的去除效率如圖9所示。

圖9 TN去除效率

從圖9中可以看出，大部分月的總氮去除效果達80%以上,在第9個月的時候,去除效果為70%,較整體的去除效率略低,但總體上去除效果較好。

將圖8、圖9對比來看,兩幅圖的去除效率趨勢都與TP的去除效率相似,在污水廠運行后期趨于穩(wěn)定,可能原因就是在污水廠運行初期微生物需要一定的時間適應(yīng)新的生長環(huán)境,對氮、磷的去除效率有較大的波動,后期生物的脫氮除磷效果就漸漸趨于穩(wěn)定。

3.4 項目效益分析

3.4.1 直接經(jīng)濟效益分析

3.4.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1) 污水處理規(guī)模:10萬t/d

(2) 污水廠使用年限:暫定30年。

(3) 總投資:50 000萬元,其中工程費45 897.83萬元，基本預(yù)備費2 557.03萬元、其他費用5 242.69萬元。

(4) 電度電價:0.675元/度,基本電價為每月30元/kVA,變壓器容量為2 050/kVA,電機等設(shè)備功率總和為2 683 kW,效率為0.80。

(5) 職工定員50人,年人均工資45 000元。

(6) PAC投加量:1 500 kg/d為單價:1 000元/t;PAM投加量為150 kg/d,單價:35 000元/t;乙酸鈉投加量為5 700 kg/d,單價500元/t。

(7) 污泥外運處置費:200萬/年。

3.4.1.2 運營成本計算

根據(jù)張勤等[4]的研究,污水運營成本計算公式如下:

F=F1+F2+F3+F4+F5+F6

式中:F1為動力費;F2為藥劑費;F3為員工工資福利費;F4為日常維護費,可以按固定資產(chǎn)投資的1%計算;F5為大修費,可以按固定資產(chǎn)投資的1.7%～2%計算,本工程取2%;F6為管理和其他費用,可取固定資產(chǎn)折舊費、人工費、能耗費、藥劑費和維修費等費用總和的15%計算。其中,固定資產(chǎn)折舊費可以按固定資產(chǎn)投資的5%計算。

計算過程如下:

(1) 動力費:

s=2683×0.8×365×24×0.675+30×12×2050=1342.97萬元/年。

(2) 藥劑費：

PAC:1 500÷1 000×1 000×365=54.75萬元/年；

PAM:150÷1 000×35 000×365=191.63萬元/年；

乙酸鈉:5 700÷1 000×500×365=104.03萬元/年；

藥劑費:54.75+191.63+104.03=350.41萬元/年。

(3) 工資福利費：

45 000×50=225萬元/年。

(4) 日常維護費：

50 000×1%=500萬元/年。

(5) 修理費：

50 000×2%=1000萬元/年。

(6) 管理和其他費用：

折舊費:50 000×(1-5%)÷30=1 583.33萬元/年。

(1 342.97+350.41+225+500+1 000+1 583.3)×10%=750.26萬元/年。

所以本次污水廠的運營成本為:1342.97+350.41+225+500+1000+750.26=4168.64萬元/年。

3.4.1.3 總成本費用

污水廠的總成本為經(jīng)營成本費用,加上折舊費和攤銷費,本工程攤銷費取100萬元/年,得到總成本費用為5 851.97萬元/年。

3.4.1.4 盈虧分析

預(yù)計收取污水處理費用的均值為2.5元/t,則每年的污水收費為9 125萬元/年,每年盈利3 273.03萬元,不計貸款利息,預(yù)計投資回收期為15年。

3.4.2 間接經(jīng)濟效益分析

污水處理廠的間接效益主要是因為出水標準進一步提高,截留出更多的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),也使排入環(huán)境中的水體質(zhì)量更高。盡管污水治理工程并不直接產(chǎn)生經(jīng)濟效益,但項目的實施將對派河水質(zhì)保護有著廣泛的影響,使該地區(qū)的工業(yè)及旅游業(yè)的發(fā)展不受環(huán)境的制約,把社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護目標協(xié)調(diào)好,將給合肥的經(jīng)濟帶來極大的益處,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

3.4.2.1 降低肥料的損失

進入污水處理廠的有機物、無機物被大量的處理,出水氮、磷等物質(zhì)的含量均保持在較低的水平,處理過的氮、磷大量殘留在剩余污泥中,對整個污水處理廠產(chǎn)生的污泥進行充分的利用,有著十分重要的意義。

3.4.2.2 減少疾病,增進健康

污水治理工程的實施將減少細菌的滋生,減少疾病,減少水污染導(dǎo)致對居民身體健康的嚴重損害,從而降低醫(yī)藥費開支,提高城市衛(wèi)生水平及人民健康水平。楊永泰等[5]評估了城市污水凈化帶來的環(huán)境效益和環(huán)境影響,其估算公式見下:

C=L+P

L=LC+LW+LD+OC,OC=LC×Ri

L=PO+PW+PV+OP,OP=P×Ri

式中：C為水污染健康損失;L為健康損害費用;P為公益防護費用;LC為水污染疾病治療費;LW為因水污染疾病喪失工作的經(jīng)濟損失;LD為因疾病早逝造成的經(jīng)濟損失;OC為LC的機會損失成本;Ri為每百元資金的利潤和稅收之和;PO用于防治水污染疾病的公益事業(yè)費用;PW為水污染造成的自來水費用的增加的損失;PV為農(nóng)村改水費用;OP為P的機會損失。

3.4.2.3 改善生態(tài)環(huán)境

污水處理工程實施后,將大大改善江河水域的生態(tài)環(huán)境,減少水污染對農(nóng)業(yè)、漁業(yè)的收成影響。西部組團污水處理廠工程的實施使水質(zhì)改善后,河道可增加漁業(yè)產(chǎn)量和質(zhì)量,同時對農(nóng)業(yè)灌溉有益,可提供符合衛(wèi)生標準的灌溉水,提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量,因此可促進農(nóng)業(yè)及漁業(yè)的發(fā)展。

3.4.2.4 實現(xiàn)土地增值

由于本工程的實施,使得城市排污設(shè)施更加完善,解決了地塊開發(fā)的污水出路問題,區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量也得到改善,該區(qū)域的土地利用價值會顯著提高,一些非生產(chǎn)性用地轉(zhuǎn)為生產(chǎn)用地,低產(chǎn)出利潤率用地轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)出利潤率用地,區(qū)域內(nèi)土地資源將得到增值。

由此可見,進行西部組團污水處理廠建設(shè)具有巨大的經(jīng)濟效益。污水處理廠是城市基礎(chǔ)設(shè)施,以服務(wù)社會為主要目的,項目產(chǎn)生的效益除比較小的一部分可以用貨幣來衡量,其余大部分不能用金錢衡量,所以,應(yīng)從系統(tǒng)觀點出發(fā),與人民生活水

準的提高和健康條件的改善、與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的加速發(fā)展等宏觀效果結(jié)合在一起評價。

4 結(jié)論與建議

(1) 污水處理廠二級處理模塊設(shè)置了生化池+二沉池,深度處理模塊設(shè)置的高效沉淀池+反硝化深床濾池。二級處理中生化池采用預(yù)缺氧+A2/O鼓風(fēng)曝氣的工藝形式,前置預(yù)缺氧池,有效避免回流硝酸鹽對聚磷菌的影響,提高了脫氮效果;深度處理階段設(shè)計的是高效沉淀池和反硝化深床濾池的組合,高效沉淀池提高SS去除效率,反硝化深床濾池能在過濾的同時進行反硝化,再一次提高脫氮效率,保證最終的出水中氮的濃度處于較低水平。

(2) 對污水處理廠的實際運營效果進行分析,各類污染物均能達到出水要求,SS的去除效率為94%左右,COD的去除效率為81%～94%,BOD5的去除效率為92%～97%,TP的去除效率為86%～97%,NH4+-N的去除效率為95%左右,TN的去除效率為70%～90%。對整個污水水廠的運行進行了經(jīng)濟效益分析,預(yù)計投資回收期為15年。

(3) 提高污水的出水標準對水環(huán)境的保護有著至關(guān)重要的作用,在實際的污水廠建設(shè)工程中,可以考慮進一步提高出水標準。