环境科学学报  2015, Vol. 35 Issue (11): 3558-3567
大型再生水厂不同工艺的COD、TN和TP去除效果及其影响因素分析    [PDF全文]
郁达伟1, 李亚明2 , 杨敏1, 刘吉宝1, 吕鑑3, 魏源送1     
1. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085;
2. 北京城市排水集团有限责任公司, 北京 100192;
3. 北京工业大学建筑工程学院, 北京 100124
摘要: 以北京某大型再生水厂为研究对象,通过统计分析历史数据,系统研究了2008和2013年不同工艺(倒置A2/O工艺、A2/O工艺、A2/O-MBR工艺)中主要污染物COD、TN和TP去除效果的年际、年内汛期、寒冷季和温暖季的变化特征,并分析了2013年这3种污染物去除效果变化的影响因素.结果表明,同2008年相比,2013年不仅进水的COD浓度升高,TN浓度和TP浓度降低,导致进水的碳/氮/磷比值从2008年的100:14.5:1.4升高到2013年的100:10.1:0.9,而且主要污染物去除效果均有明显改善,改善幅度依次为TP >COD >TN.年内变化特征表现为:汛期进水COD、TN和TP的浓度降低但波动加剧,它们的去除率降低,因此汛期出水COD稳定、TN浓度降低而TP浓度波动;温暖季进水COD、TN和TP的浓度高,它们的去除率有不同程度提高,因此温暖季出水的TN浓度波动较大、COD和TP浓度稳定.冗余分析(RDA)结果表明,一期倒置A2/O工艺的出水TN和TP浓度同步波动,主要受工况变化影响,脱氮除磷的碳源竞争是导致出水TN浓度降低、TP浓度升高的重要原因.二期A2/O工艺的出水COD浓度和TN浓度主要受进水水质波动影响.三期A2/O-MBR工艺的出水水质最稳定,膜运行性能至关重要.
关键词: 大型再生水厂    温暖季    汛期    A2/O工艺    
Long-term performance variation of water pollutants removals in a mega-reclaimed water plant
YU Dawei1, LI Yaming2 , YANG Min1, LIU Jibao1, LÜ Jian3, WEI Yuansong1     
1. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085;
2. Beijing Drainage Group Co. Ltd., Beijing 100192;
3. Beijing University of Technology, Institute of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100124
Abstract: The annual and seasonal variations of three major pollutants removals in a mega-reclaimed water plant with three different A2/O processes in Beijing in 2008 and 2013 was compared by using statistical analysis of COD, TN and TP. The factors affecting COD, TN and TP removals in 2013 were also analyzed by redundancy analysis (RDA). Results showed that the C/N/P ratios of influent were decreased from 100:14.5:1.4 in 2008 to 100:10.1:0.9 in 2013, and all of these three major water pollutants removals had achieved substantial improvement in order of TP >COD >TN in the past 5 years. Decreased concentrations of these three pollutants in the influent accompanied by fluctuation wildly in the flood season, resulting in their decreased removal rates, which ultimately led to higher TP, stable COD, and lower TN concentrations in the effluent. But it was different in the warm season that it had higher concentrations of these three pollutants in the influent, resulting in the increase of their removal rates, fluctuated TN concentration while stable COD and TP concentrations in the effluent. RDA results showed that ① Inverted A2/O process: TN and TP concentrations in the effluent were significantly affected by operational conditions, and improvement of TN removal and deterioration of TP removal may be caused by carbon source competition. ② A2/O process: COD and TN concentrations in the effluent were significantly affected by fluctuation of influent water quality. ③ A2/O-MBR process: The effluent water quality maintained the most stable, and membrane separation performance played the most important role in improving the effluent water quality.
Key words: mega-reclaimed water plant    warm season    flood season    A2/O processes    
1 引言(Introduction)

大型再生水厂作为重要的市政基础设施,面临城市快速发展所需的污染物削减和非常规水源补给任务日益繁重,迫切需要升级改造(郁达伟等,2012).随着《北京市加快污水处理和再生水利用设施建设3年行动方案(2013—2015年)》和《北京市城镇污水处理厂污染物排放标准(DB 11 890—2012)》的实施,现有城市污水处理厂在处理规模深度挖潜扩大的同时(北京市人民政府,2013),不仅需要更好地协同后续再生水深度处理,还需改善和稳定出水水质,挖潜提标面临巨大的双重挑战.

由于管网体制、服务对象等原因,大型再生水厂不仅进水水质会有明显的波动,而且对运行工况和出水水质的影响较为突出,受到了研究者的广泛关注.静贺等采用信号处理方法分析了清河厂进水水质、水量的日波动特征,发现水量波动呈1 d,0.5 d和0.33 d 3个周期,水质呈1 d周期性正态随机变化、各参数间同源性强(静贺等,2010);与规律的日变化可以调蓄不同,季节变化往往难以削峰平谷.何媛媛等采用线性回归方法分析了2006—2007年进出水水质的相关性,结果表明进水水质波动与出水水质存在线性相关关系,相关显著性COD>TN>TP(何媛媛等,2013).例如,针对在冷季节(低水温,<14 ℃)和冬春交替时节,在某大型再生水厂出现的污泥膨胀问题,白雪、齐嵘等解析了其微生物种群机理,通过污泥膨胀预警、工艺参数调控和二沉池进水挡墙等技术措施,保障了污泥膨胀期间出水水质的稳定达标(白雪等,2011; 许世伟等,2010).某大型污水厂存在冬季污泥沉降性能恶化甚至上浮的问题,王佳伟等提出在短程反硝化工艺中应避免亚硝酸盐在好氧段出水中的累积(王佳伟等,2010).某大型A2/O工艺溶氧时空误差大、难以准确调控的问题,张荣兵等解析了二期A2/O溶氧分布的空间特征,并采用AVS系统闭环控制,改善了氮磷达标率,实现年节电115.36×104 kW · h(张荣兵等,2012; 张荣兵等,2009).从这些研究来看,运行性能和出水水质的波动具有较为明显的季节特征,其季节性波动规律有待进一步廓清.

因此,本研究的目标是通过深入比较分析北京市某大型再生水厂主要污染物去除效果的长期数据,揭示主要污染物(COD、TN、TP)去除效果的年际、年内季节变化趋势,明确其特征及其需要改进的方向,并阐明主要污染物去除效果的影响因素,为大型再生水厂挖潜提标和工艺选型提供科技支撑.

2 材料与方法(Material and methods) 2.1 研究区域

北京市某大型再生水厂分为污水处理、污泥处理厂和再生水厂3部分,其中污水处理部分为一期工程(2002年建成通水)、二期工程(2004年)和三期工程(2012年).一、二、三期分别采用倒置A2/O(20 万m3 · d-1),A2/O(20 万m3 · d-1)和A2/O-MBR(15 万m3 · d-1)工艺,较为全面地囊括了目前大型再生水厂A2/O工艺的主流形式.A2/O工艺是目前城镇污水生物脱氮除磷的重要工艺之一,因此选择COD、TN和TP三大污染物作为去除效果评价指标.污水处理部分受纳污水主要为服务区生活污水和少部分工业园区废水.一、二、三期共用进水管网,一、二期共用格栅、沉沙预处理后,进入各工艺流程分别处理;因此,各工艺进水相同,适于比较不同A2/O工艺的污染物去除效果.

2.2 数据来源

2008年北京奥运会,该大型再生水厂执行《北京市水污染物排放标准DB11-307—2005》,污染物削减性能得到普遍认可.2012年7月北京市开始执行新的《北京市城镇污水处理厂污染物排放标准(DB 11 890—2012)》,同期处理规模挖潜8 万m3 · d-1,这给该大型再生水厂带来了新的挑战,其污染物削减效果依然是公众关心的问题.因此本研究采用该大型再生水厂的运行监测数据,选择2008年和2013年两个时间节点,以COD、TN和TP为主要指标,比较分析不同A2/O工艺中它们的去除效果特性及其影响因素,其中影响因素研究采用2013年的进水水质、运行参数变化数据.

2.3 分析方法

各采样点的样品采集与分析均遵循国标方法进行,数据频率为每日1组.按照进水水质水量特点,北京市污水厂运行通常以6—9月为汛期,水温<14 ℃为寒冷季(10月—4月),水温>17 ℃为温暖季(5月—9月)(白雪等,2011; 许世伟等,2010).采用冗余分析(RDA,Redundancy Analysis)方法分析进水水质、运行参数对出水水质的影响,以进水水质和运行参数作为自变量,出水水质为因变量.数据采用Excel 2010计算,Origin 9.0制图,Canoco 5.0进行RDA分析和作图.

3 结果(Results) 3.1 COD去除效果

图 1a表 1所示,与2008年相比,2013年大型再生水厂一期倒置A2/O、二期A2/O 工艺的COD去除率全年稳定在92%左右,与2008年相比,2013年COD去除率提高了约3%,三期A2/O-MBR工艺比一二期进一步稳定提高了5%(表 1).其中,2008年汛期和春季的COD去除效果低于全年其他季节,介于80%~90%之间且日变化较大.与2008年相比,2013年一二期的COD去除率均有不同程度的提高,可达92%左右;其中,汛期(6月—9月)的去除率提高约3%,且去除率低于80%的较差情况减少,去除更稳定;春季(3月)去除效果得到改善,但汛期和寒冷季节仍然是全年低谷.从工艺来看,一期倒置A2/O工艺与二期A2/O工艺在全年均无明显区别;三期A2/O-MBR工艺则全年稳定提高了5%,寒冷季波动稍大;但在一二期去除率较低的汛期和寒冷季节,三期A2/O-MBR工艺均能维持较稳高的去除率.

图 1 2008和2013年大型再生水厂进水和出水的COD及其去除率的日变化 (a. COD removal rates; b. COD) Fig.1 Temporal variation of COD concentrations and its removal rates in Mega-Reclaimed Water Plant between 2008 and 2013 (a. COD removal rates; b. COD)

表 1 2008年和2013年某大型再生水厂污染物的去除效果* Table 1 Removal performance of major pollutants in mega-reclaimed water plant in 2008 and 2013

表 1图 1b所示,2008年大型再生水厂进水COD全年为(436.7±126.6)mg · L-1,与2008年相比,2013年进水COD均值提高了150 mg · L-1(表 1),且2013年季节性高峰值更突出.与2013年相比,2008年全年进水COD较为稳定,全年波动幅度不大,其中汛期为全年低谷,温暖季略高;2013年进水COD的峰值明显增多,主要出现在夏季,而汛期低谷不明显;汛期的进水COD明显高于2008年同期,且全年进水COD波动较大.

表 1图 1b所示,2008年和2013年大型再生水厂一期倒置A2/O、二期A2/O 工艺的出水COD基本稳定为40 mg · L-1,与2008年相比,2013年出水COD稳定性明显改善(表 1).2008年出水COD波动较大,但基本稳定在50 mg · L-1以下;温暖季节偏高而汛期为全年低谷,与进水水质的大趋势较一致.2013年出水COD稳定性明显提高,5月份加强管理后,其中一期倒置A2/O、二期A2/O 工艺出水COD均稳定在30 mg · L-1,三期A2/O-MBR工艺出水COD全年均稳定在20 mg · L-1,一、二、三期全年波动较小,无明显波动.2013年一、二期出水COD差异明显比2008年减小,三期A2/O-MBR工艺出水COD大幅低于一、二期(约为15 mg · L-1).与2008年相比,2013年进水COD提高了36%,但出水COD保持较低值且稳定性提高,这表明一、二期COD去除效果均较为稳定;三期出水COD比一二期低63%,稳定性也大幅提高,这表明三期A2/O-MBR工艺的COD去除效果突出.

3.2 TN去除效果

表 1所示,与2008年相比,2013年TN去除率倒置A2/O提高5%达到约70%,但仍低于二期A2/O 4%;二期A2/O与2008年相比,2013年变化不明显,三期A2/O-MBR比二期A2/O降低0.7%.从图 2a来看,2008年温暖季的TN去除效果高于全年其他季节的70%左右,可达75%且较其他季节更稳定.2008年一期倒置A2/O工艺的TN去除率65%低于二期A2/O工艺的74%,且波动较二期A2/O略大,尤以汛期去除率较差. 与2008年相比,2013年一二期的TN去除率多数时间均优于2008年同期,TN去除率全年均有小幅提升,突出表现在①倒置A2/O工艺提高了5%;②一、二期寒冷季(3月下旬)和汛期(6月—9月)的TN去除率更稳定,温暖季(水温>17 ℃)TN去除率稳定提高.从工艺来看,二期A2/O工艺的TN去除率均比一期倒置A2/O工艺更稳定、更高;但与2008年相比,2013年的工艺差距明显减小.三期A2/O-MBR工艺则全年稳定提高了5%,寒冷季(水温<14 ℃)波动稍大;但在一二期去除率较低的汛期和寒冷季节,三期A2/O-MBR工艺均能维持稳定的TN去除率.

图 2 2008和2013年大型再生水厂进水TN和出水TN及其去除率的日变化 (a. TN removal rates, b. TKN/TN) Fig.2 Temporal variation of TN and its removal rates in Wastewater Reclaiming Plant between 2008 and 2013 (a. TN removal rates, b. TN)

表 1图 2b所示,2008年大型再生水厂进水TN浓度全年为(63.6±9.6)mg · L-1,与2008年相比,2013年进水TN浓度降低了4 mg · L-1,但2013年波动较大,且季节性峰值更突出.其中,2008年进水TN较为稳定,汛期的季节性低谷不明显,寒冷季(水温<14 ℃)和10月底略高;2013年进水TN浓度波动较2008年明显,温暖季为全年最高,同期3次出现超过100 mg · L-1的历史高峰值.

表 1图 2b所示,与2008年相比,2013年各工艺的出水TN浓度均有降低,二期A2/O工艺出水TN浓度总体好于一期倒置A2/O和三期A2/O-MBR工艺,出水TN浓度稳定性有所降低,但汛期和温暖季的强波动有明显改善.2008年出水TN浓度均稳定在20 mg · L-1以下,但倒置A2/O工艺的波动较大;具体在寒冷季(3月下旬)、汛期(6月—9月)和寒冷季节偏高,而温暖季节为全年低谷;出水水质的波动,相比进水水质更明显.2008年二期A2/O工艺出水TN浓度比一期倒置A2/O工艺稳定.2013年各工艺的出水TN浓度稳定性均明显提高.具体来看,汛期出水TN浓度均能稳定在15 mg · L-1以下,寒冷季节(水温<14 ℃)、汛期成为新的出水TN浓度全年高峰.三期A2/O-MBR工艺的出水TN浓度全年较为稳定,在寒冷季节、雨季前仍能维持较为稳定的10 mg · L-1左右.与2008年相比,2013年进水总氮浓度降低,而一二期TN去除率仍有不同程度提高,三期A2/O-MBR工艺也维持了较高水平,出水TN浓度稳定.因此,2013年TN去除效果改善,一方面在运行操作的改善,另一方面很重要的是进水COD碳源增加了.

3.3 TP去除效果

表 1图 3a所示,不同于TN去除率的改善,与2008年相比,2013年一期倒置A2/O工艺的TP去除率下降了1.7%,同期二期A2/O工艺的TP去除率提高了12.5%,三期A2/O-MBR工艺的TP去除稳定性大幅提高.其中,2008年汛期、寒冷季TP去除效果均出现了较大的波动,尤以汛期中二期A2/O工艺的TP去除率大幅下降;但其他季节TP去除效果均在90%以上.与2008年相比,2013年二期A2/O工艺的TP去除率稳定在2008年同期之上,总体去除率全年均有明显提高,突出表现在汛期、寒冷季TP去除率稳定性大幅提高.一期倒置A2/O工艺的TP去除率略有降低,稳定性也有所减弱.从工艺来看,2008年一期倒置A2/O工艺比二期A2/O工艺的TP去除率更稳定,多数时间的去除率明显较高;但与2008年相比,2013年的工艺稳定性大幅提高,尤以二期A2/O工艺改善突出,而一期倒置A2/O工艺在汛期出现较大波动.三期A2/O-MBR工艺则全年都较为稳定,特别在一二期去除率容易出现波动的汛期和冷暖交替时节,三期均能维持更稳定的TP去除率.

图 3 2008和2013年大型再生水厂进水和出水的TP及其去除率的日变化 (a. TP removal rates; b. TP) Fig.3 Temporal variation of TP and its removal rates in Wastewater Reclaiming Plant between 2008 and 2013 (a. TP removal rates; b, TP)

表 1图 3b所示,不同于进水COD的增加,与2008年相比,2013年TN和TP浓度都有所降低.与2008年相比,2013年大型再生水厂进水TP浓度约6 mg · L-1,与2008年相比,2013年进水TP浓度降低了0.2 mg · L-1,且稳定性变差,其中温暖季的季节性峰值更突出.同时由于进水COD的提高,进水碳/磷比(C/P)从72.0±12.8提高到107.2±53.6.从图 3b来看,2008年进水TP浓度较为稳定,汛期可见季节性低谷,而汛期初期出现全年峰值.2013年进水TP浓度波动较2008年上半年降低、下半年升高,温暖季持续出现超过15 mg · L-1的历史高峰值.

表 1图 3b所示,与2008年相比,2013年二期A2/O工艺的出水TP浓度在0.2 mg · L-1左右,与2008年相比,2013年出水TP浓度降低了0.6 mg · L-1,稳定性大幅提高,三期A2/O-MBR工艺的出水TP浓度稳定性进一步提高;而一期出水TP浓度未能和TN浓度实现同步改善.2008年出水TP浓度稳定在0.3 mg · L-1左右,倒置A2/O工艺的出水TP浓度比二期A2/O工艺稳定,其中一期倒置A2/O工艺全年和二期A2/O工艺上半年的出水TP浓度基本稳定在0.1 mg · L-1左右,但二期A2/O工艺的出水TP浓度下半年波动较大,具体表现在汛期、寒冷季节出水TP浓度偏高.2013年二期A2/O工艺的出水TP浓度稳定性明显提高,主要体现在汛期和寒冷季节的出水TP浓度均能基本稳定在0.2 mg · L-1以下,仅汛期和寒冷季节短期出现波动.三期A2/O-MBR工艺的出水TP浓度全年较为稳定,在主汛期、寒冷季节仍能稳定在0.1 mg · L-1左右.与2008年相比,2013年进水TP浓度略有降低,但二期A2/O工艺的出水TP浓度大幅改善,这表明二期A2/O工艺的TP去除效果明显改善,三期A2/O-MBR工艺的TP去除效果进一步提高了稳定性,这可能与进水碳磷比的提高、工艺优化相关;倒置A2/O工艺的TP去除效果略有降低,而同时期的TN去除却明显改善,原因可能是COD碳源不足.

3.4 COD、TN、TP去除效果的影响因素分析

采用RDA方法分析了2013年进水水质、工艺参数指标对出水水质的影响因素,结果如图 4所示.一期倒置A2/O工艺的分析结果(图 4a)表明,①出水水质:一期倒置A2/O工艺的出水TN和TP浓度显著正相关,但独立于出水COD,这表明脱氮除磷 效果同步性好,且几乎不受出水COD的影响,体现出倒置A2/O工艺的一个重要优点.此外,由于采用的是2013年的数据,当年进水COD ∶ TKN ∶ TP=100 ∶ 10.1 ∶ 0.9,不仅进水COD比2008年更高,而且碳氮磷比也更高,也是一期倒置A2/O工艺脱氮除磷效果改善的重要原因.②影响因素:一期倒置A2/O工艺的出水TN和TP浓度与回流污泥SV、pH、MLSS、曝气池污泥SV和进水磷酸盐等有显著的负相关关系,表明生物量及其沉降性能、碱度是一期倒置A2/O工艺出水中TN和TP脱除的首要影响因素;而进水水质的影响则相对弱于这些工艺参数,比较重要的是进水的磷酸盐浓度.出水COD分别与SVI、温度成显著负相关、正相关,表明出水COD主要受到污泥沉降性能影响.③样品分布:一期倒置A2/O工艺的偏离样品主要出现在主成分2正方向,与TN和TP浓度相关,离群点主要为汛期样品,这与TN和TP去除率的年内变化波动一致;也提示TN和TP浓度可能是一期倒置A2/O工艺波动的重要原因.

图 4 大型再生水厂进水水质和工艺参数对出水水质影响的RDA分析结果 (a. 一期倒置A2/O, b. 二期A2/O, c. 三期A2/O-MBR) Fig.4 RDA analysis of effects of influents and process parameters on effluents of Qinhe WWTP (a. Phase I, b. Phase II, c. Phase III)

二期A2/O的分析结果(图 4b)表明,①出水水质:二期A2/O出水COD和TN浓度显著正相关,表明脱氮受到碳源的一定影响;TP浓度去除稳定,受进出水水质和工艺参数的影响较小.②影响因素:COD和TN浓度在二期A2/O中与曝气池MLSS、MLVSS、SV和回流SV等有显著的负相关关系,表明这些工艺参数对出水水质有较大的影响.与进水SS、COD、BOD5和TP浓度有一定的负相关关系,表明进水水质的影响相对弱于上述工艺参数的影响.同时,2013年进水COD ∶ TKN ∶ TP=100 ∶ 10.1 ∶ 0.9,进水COD碳源充足也是重要的原因.pH值的影响减弱仍然是较为重要的因素,但碱度的限制相对倒置A2/O要弱一些.此外,二期A2/O的进水水质、工艺条件形成较好的聚类,表明二期A2/O在2013年各工艺参数趋势协调、维护稳定.③样品分布:二期A2/O样方分布集中,也表明二期A2/O全年多数进出水、工艺参数指标运行均较为稳定.

三期A2/O-MBR的结果(图 4c)表明,①出水水质:三期A2/O-MBR出水COD、TN和TP浓度显著正相关,表明三期A2/O-MBR的脱氮除磷效果都受进水COD碳源的影响;与出水水质的结果共同分析,表明碳、氮、磷在三期A2/O-MBR能实现较好的协同去除.②影响因素:COD、TN和TP浓度在三期A2/O-MBR中与回流量、水温和剩余污泥量有一定程度的负相关性,表明相对于一二期而言三期出水水质受膜运行性能影响超过进水水质、工艺参数的影响;此外,COD、TN和TP浓度与膜池DO浓度有显著的正相关,表明膜池曝气量对出水水质有明显的正面影响.③样品分布:三期A2/O-MBR偏离样品主要出现在主成分2负方向,与膜池MLSS、曝气池MLSS浓度显著相关,表明膜池污泥浓度升高是三期A2/O-MBR工况波动的首要原因;同时,离群点与出水中的NO2- -N相关,表明三期A2/O-MBR生物处理的工况波动主要影响了出水NO2- -N浓度,而对出水COD、TN和TP浓度等的影响较小.

4 讨论(Discussion)

上述结果表明,一期倒置A2/O工艺同步脱氮除磷效果受进水COD影响小,二期A2/O工艺是全年操作运行最稳定的工艺,三期A2/O-MBR工艺出水水质最稳定.3种工艺面临的主要挑战是倒置A2/O工艺的工况波动大、维护要求高,A2/O工艺的出水水质季节性波动强,A2/O-MBR工艺的出水水质主要受膜运行性能的制约.

比较一二期去除效果及其影响因素的结果,一期倒置A2/O工艺出水COD与TN浓度的相关系数较小,表明倒置A2/O工艺减弱了进水COD碳源的影响,这与现有研究相符(张智等,2009);TN和TP浓度的正相关更显著,表明倒置A2/O工艺脱氮除磷的同步性更好,现有研究表明碳源分配的优化可能是一个重要原因(张波和高廷耀,2000).但与2008年相比,2013年一期倒置A2/O工艺的TN去除效果改善而TP去除效果变差,表明该工艺可能仍然存在碳源竞争的问题.二期A2/O工艺的进水水质及工艺参数较好地聚集(及样方分布),表明A2/O工艺进水水质的变化主要影响了出水水质(何媛媛等,2013),而倒置A2/O工艺进水水质的变化更多地带来运行参数的波动,因此倒置A2/O工艺在进水水质季节变化时要更注重工况的调整和维护,如季节性逐步调节稳定工况(胡澄等,2012);进水pH对倒置A2/O工艺脱氮效果的影响强于二期A2/O工艺,表明倒置A2/O脱氮更易受碱度的影响.倒置A2/O偏离样品主要出现在主成分2正方向与TN、TP和温度相关,其他象限也出现了围绕中心区域较大的随机点,全年工况点与A2/O工艺相比在更大的范围内波动,表明倒置A2/O工艺的稳定运行仍然是一个重要挑战,对运行维护提出了更高要求.而二期A2/O工艺的样方分布集中,表明A2/O工艺全年工况运行较为稳定.

比较二三期主要污染去除效果及其影响因素的分析结果,三期A2/O-MBR工艺的出水COD、TN和TP浓度的相关性大幅增强,结合去除率结果,这表明增加膜过滤明显降低了出水COD(郑祥和魏源送,2013),稳定了全年的TP去除率(Zuthi et al., 2013).影响因素在三期A2/O-MBR工艺中也有明显变化,进水水质不再是一个明显聚集的负相关因素;标志污泥沉降性能的SV从显著负相关变化为与进水TN和TP浓度无关,与COD有部分正相关关系,表明活性污泥沉降性能对出水TN和TP浓度的影响很小(郑祥等,2001),对COD的影响也大幅减小,显示膜截留性能而非污泥沉降分离是关键因素(黄霞等,2008).出水COD、TN和TP与膜运行性能相关指标表现出的负相关性,表明三期A2/O-MBR工况受膜性能影响超过进水水质、工艺参数的影响(Ersu et al., 2010).偏离中心的样本主要分布第IV象限,主要受膜池MLSS、曝气池MLSS等波动的影响.综上,二三期结果比较表明,A2/O-MBR工艺的出水水质和运行稳定性主要受到膜运行性能和污泥浓度的影响.

与2008年相比,2013年北京某大型再生水厂进水出现了COD增加、TN浓度和TP浓度降低的趋势,碳氮比和碳磷比均有明显升高,从2008年的COD ∶ TKN ∶ TP=100 ∶ 4.5 ∶ 1.4升高到COD ∶ TKN ∶ TP= 100 ∶ 10.1 ∶ 0.9,其原因可能是①服务对象变化:主要表现为服务人口增加、且生活水平提高,以及区域经济的发展;②管网的变化:包括区域部分管网的雨污分流及河岸截污项目的实施.

5 结论(Conclusions)

1)总体来看,与2008年相比,2013年进水COD提高,TN浓度和TP浓度降低,从而导致碳氮比和碳磷比同步提高.出水水质稳步提高,三种主要污染物的去除效果均有一定幅度的改善.同2008年相比,2013年一期倒置A2/O工艺、二期A2/O工艺的COD、TN和TP平均去除率分别提高了3.3%,1.6%和3.7%,改善幅度依次为TP>COD>TN.

2)从年变化来看,与2008年相比,2013年进水水质波动的幅度加大、频率提高,一、二、三期主要污染物COD、TN和TP的去除率均在汛期较低,温暖季较高,并且汛期出水COD稳定、TN浓度降低、TP波动,而温暖季出水COD和TP浓度稳定、TN波动较大.

3)2013年主要污染物去除效果的影响因素分析表明:一期倒置A2/O出水TN和TP浓度的波动主要受工况变化影响;二期A2/O出水COD和TN浓度主要受进水水质变化的影响;三期A2/O-MBR出水水质最稳定,主要受膜运行性能的影响.

6 建议(Recommendations)

为了在今后达到《北京市城镇污水处理厂污染物排放标准(DB 11 890—2012)》和《城镇污水处理能源消耗限额DB11/T 1118—2014》的要求,更好地发挥大型再生水厂市政基础设施的作用,应进一步加强大型再生水厂精细化运营和升级改造.建议主要如下:①加强制订进水水质波动的运行预案,有序应对季节和突发的进水水质波动;②根据进水水质变化,适时推进TN深度处理技术应用,降低脱氮能耗并稳定脱氮效果.

参考文献
[1] 白雪, 张荣兵, 顾剑, 等. 2011. 大型污水处理厂污泥膨胀原因分析及其控制方法[J]. 中国给水排水, 27(23): 31-35
[2] 北京市人民政府. 2013. 北京市人民政府关于印发北京市加快污水处理和再生水利用设施建设三年行动方案(2013-2015年)的通知[Z]. 北京: 北京市人民政府, 17
[3] Ersu C B, Ong S K, Arslankaya E, et al. 2010. Impact of solids residence time on biological nutrient removal performance of membrane bioreactor[J]. Water Research, 44(10): 3192-3202
[4] 何媛媛, 吕鑑, 张涛, 等. 2013. 污水处理厂进水水质变化对污水处理效率的影响分析[J]. 北京水务, (2): 29-31
[5] 胡澄, 何强, 徐志恒, 等. 2012. 基于季节性气温变化的倒置A2/O工艺运行调控[J]. 中国给水排水, 28(23): 126-129
[6] 黄霞, 曹斌, 文湘华, 等. 2008. 膜-生物反应器在我国的研究与应用新进展[J]. 环境科学学报, 28(3): 416-432.
[7] 静贺, 邱勇, 沈童刚, 等. 2010. 城市污水处理厂进水动态特性及其影响研究[J]. 给水排水, 36(8): 35-38
[8] 王佳伟, 郑江, 李亚明, 等. 2010. 短程硝化反硝化对污泥沉降性能的影响及其控制措施[J]. 中国给水排水, 26(13): 22-24; 28
[9] 许世伟, 张荣兵, 顾剑, 等. 2010. 大型城市污水处理厂活性污泥法污泥膨胀防控对策[J]. 给水排水, 36(11): 43-45
[10] 郁达伟, 于淼, 魏源送, 等. 2012. 1980-2010年温榆河的水环境质量时空演变特征[J]. 环境科学学报, 32(11): 2803-2813
[11] 张波, 高廷耀. 2000. 倒置A2/O工艺的原理与特点研究[J]. 中国给水排水, 16(7): 11-15
[12] 张荣兵, 文洋, 鲍海鹏, 等. 2009. A2/O工艺DO的空间分布及控制品质评价指标研究[J]. 中国给水排水, 25(9): 70-74
[13] 张荣兵, 鲍海鹏, 白雪, 等. 2012. AVS系统在A2/O工艺稳定运行及节能优化中的应用[J]. 中国给水排水, 28(12): 71-74
[14] 张智, 陈杰云, 李勇, 等. 2009. 处理低碳源污水的倒置A2/O工艺强化脱氮技术研究[J]. 中国给水排水, 25(13): 7-9; 12
[15] 郑祥, 朱小龙, 樊耀波. 2001. 膜生物反应器处理毛纺废水的中试研究[J]. 环境科学, 22(4): 91-94
[16] 郑祥, 魏源送. 2013. 中国水处理行业可持续发展战略研究报告--膜工业卷[M]. 北京: 中国人民大学出版社
[17] Zuthi M F R, Guo W S, Ngo H H, et al. 2013. Enhanced biological phosphorus removal and its modeling for the activated sludge and membrane bioreactor processes[J]. Bioresource Technology, 139: 363-374