江苏省城市污水处理厂尾水时空排放特征研究.pdf

江苏省城市污水处理厂尾水时空排放特征研究 * 解宇峰1， 2李文静2， 3李维新2张亚2郭怀成1 1. 北京大学环境科学与工程学院， 北京 100871; 2. 环境保护部南京环境科学研究所， 南京 210042; 3. 河海大学环境学院， 南京 210098 摘要 城市污水处理厂排放的尾水浓度即使达到一级 A 标准， 相对于地表水环境质量标准限值依然过高， 对江河湖泊 等地表水环境仍会产生一定的影响。以江苏省污水处理厂监督性监测结果为对象， 采用聚类分析的方法， 从时间和空 间两个维度来探讨污水处理厂尾水排放特征及其影响。对不同季度、 不同地区污水处理厂尾水中氨氮、 总磷、 COD 的 数据分析发现， 夏季尾水中平均出水浓度指数较其他季节明显偏高， 苏南较苏北、 苏中的平均出水浓度指数低。针对 污水处理厂尾水问题， 介绍了人工湿地深度处理技术， 可为日益增长的尾水排放量与有限的水环境容量之间的矛盾提 供解决途径。 关键词 污水处理厂; 尾水; 排放特征; 人工湿地 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201408009 TEMPOＲAL AND SPATIAL CHAＲACTEＲISTICS OF TAIL WATEＲ FＲOM WASTEWATEＲ TＲEATMENT PLANTS IN JIANGSU PＲOVINCE Xie Yufeng1， 2Li Wenjing2， 3Li Weixin2Zhang Ya2Guo Huaicheng1 1. College of Environmental Sciences and Engineering，Peking University，Beijing 100871，China; 2. Nanjing Institute of Environmental Sciences，MEP，Nanjing 21004，China; 3. College of Environment，Hohai University，Nanjing 21009，China AbstractEven the polutants in tail water from waste water treatment facilities meets the level A standard， its concentration is still higher than the surface water quality standards， which will do harm to the surface water environment of rivers and lakes． Based on the data from the monitoring results of wastewater facilities in Jiangsu Province， it was discussed the characteristic and influence of the treated water in temporal and spatial dimensions，using cluster analysis ． The results show that the concentrations of ammonia nitrogen， total nitrogen and COD，in summer are higher than the other seasons，and in the southern part of Jiangsu are lower than that of the northern and middle parts． It was also introduced a advanced treatment technology， man- made wetland， which would give some advice to solve the contradiction between urban development and limited water capacity． Keywordswastewater treatment plant;tail water;characteristic of discharging;man- made wetland *江苏省环保科研课题 “基于 PHA 缓释材料的工业污水处理厂尾水深 度处理技术研发” 2012014 ; 水体污染控制与治理重大专项课题 2012ZX07506- 007 。 收稿日期 2013 －11 －20 0引言 近年来， 污水处理厂尾水对地表水环境的污染引 起人们的广泛关注。研究表明， 我国城市污水通过污 水处理厂处理后污染物浓度大大降低， 但是总体上污 水处理厂尾水污染物浓度相对于地表水环境质量标 准限值依然较高 ［1- 3 ］。此外， 污水处理厂尾水中的一 些难降解的有毒有害物质可导致水体富营养化， 影响 了城市水环境功能和生态景观， 甚至危害人体健 康 ［4- 5 ］。如何进行深度污水处理已成为研究的重点。 现阶段， 污水深度处理技术主要包括物化处理技 术、 生化处理技术、 膜分离技术等， 通过深度处理不仅 减少污染物， 还可以进行废水回用以节约水资源。目 前， 我国部分地区污水深度处理技术已经得到成功应 用， 但是由于地域和时间差异， 尾水深度处理技术选 择还很不合理 ［6- 7 ］。相对于污水深度处理技术的研 究， 区域性污水处理厂尾水排放特征的相关文献仍十 33 水污染防治 Water Pollution Control 分缺乏。江苏省地跨内陆、 沿海地区， 河湖众多， 水网 密布， 共有大小河流和人工河道 2900 多条， 尤其是在 长江以南的太湖平原和长江以北的里下河平原， 河流 分布极为稠密。江苏省城镇饮用水源主要以地表水 为主， 地下水为辅， 随着江苏人口的不断增加， 生活用 水量也在持续增加， 而水源地的污染将直接威胁饮用 水的安全， 因此， 污水处理厂尾水排放对江河湖泊的 水环境影响也逐步成为研究重点［8- 9 ］。江苏省城镇污 水处理厂处理的达标尾水一般就近排放到附近的河 流， 其最终去向一般是排入太湖、 长江、 淮河， 有些直 接汇集排入海洋。 本文以江苏省 13 个地级市多家污水处理厂的尾 水排放数据为样本， 从时间和区域两个维度进行对比 分析， 详细介绍了江苏省污水处理厂尾水排放特征， 并在此基础上综述了当前较典型的尾水生态处理 技术 ［10 ］。 1数据收集与研究方法 1. 1数据来源 本研究的数据来自于江苏省环保厅发布的自 2011 年第三季度到 2013 年第二季度对污水处理厂 监督性监测的 8 次数据。各地级市各季度监测的污 水处理厂数目见表 1。 表 1江苏省地级市监测的污水处理厂数量 20112013 Table 1The amount of wastewater treatment facilities in Jiangsu Province 20112013 地区 2011 年 第三季度 2011 年 第四季度 2012 年 第一季度 2012 年 第二季度 2012 年 第三季度 2012 年 第四季度 2013 年 第一季度 2013 年 第二季度 南京2524313333313238 无锡7272737373737270 徐州1415141414131425 常州3030323232323235 苏州109108104104104104101112 南通2525232323242426 连云港1212121212121215 淮安1111131313131314 盐城1014141514141618 扬州1010101010101012 镇江1313202020202020 泰州87101010101116 宿迁1212111212121216 合计351353367371370368369417 分析指标的选取依据“科学全面、 比较分析、 系 统有序” 原则， 保证污水处理厂尾水污染物浓度分析 的全面、 合理、 可靠， 以有限的指标充分代表全面的数 据， 同时要保证比较方法具有可行性及系统性。基于 对当前国内外已有相关研究的调研发现， 总磷、 氨氮、 COD 对水体污染具有较大的影响 ［11 ］， 过量的 N、 P 元 素容易引起水体的富营养化。故本次尾水分析指标 选用总磷、 氨氮、 化学需氧量 COD 。 1. 2研究方法 1. 2. 1单因子指数法 为了避免数据分析的复杂， 采用单因子指数法， 其是在所有参与水质综合评价的水质指标中， 利用实 测数据和标准对比分类， 选取水质最差的类别作为评 价结果， 本文是用污水处理厂尾水排放指标中的总 磷、 氨氮和 COD 分别与其相应的排放限值的比值作 为后期分析数据， 更便于直观分析和对比。水质的单 因子污染指数 Pi的计算公式为 Pi Ci/Si 1 式中 Ci为第 i 种水质指标的尾水浓度， mg/L; Si为第 i 种水质指标的排放限值， mg/L。 1. 2. 2内梅罗指数法 内梅罗指数是一种兼顾极值或突出最大值的计 权型多因子环境质量指数。考虑到加权过程的权系 数中主观因素的影响， 可能使得分析不具备代表性， 本文选用内梅罗指数法， 其基本计算公式为 p max2 i ave2 i 槡 2 2 式中 maxi为各单因子环境质量指数中最大者; avei 为各单因子环境质量指数的平均值。 1. 2. 3系统聚类 江苏省 13 个地级市跨度较大， 分布不密集， 不能 直观的归类分析， 为防止以往分类方法中靠经验分类 和分类不明确等弊端， 选用系统聚类分析方法， 其基 本原理是先将 n 个样本看成一类， 然后定义并计算这 43 环境工程 Environmental Engineering n 类之间的距离， 将距离最小的两类合并成为新类， 再在剩下的 n －1 类找出距离最小的两类再次合并， 重复操作， 直至所有的样本都聚成一大类， 最后根据 实际问题的特征进行分类［13- 15 ］。 本文根据各地区的污水处理厂尾水中总磷、 氨 氮、 COD 的排放浓度与排放限值的比值， 对各地区污 水处理厂进行系统聚类， 借助 SPSS 软件处理， 分析了 江苏省不同地区污水处理厂尾水排放特征。 2结果与分析 2. 1不同季度污水处理厂尾水排放特征分析 经计算处理后得到的各季度尾水排放特征如图 1 所示。 图 1江苏省 20112013 各季度平均出水水质指数 Fig．1The water quality index from 1st to 4th quarter in Jiangsu Province 20112013 从图 1 可以看出 江苏省各地区第一季度至第四 季度总磷的平均尾水浓度指数呈递减的趋势， 在第一 季度达到最大， 第四季度达到最小， 两者相差 0. 111。 氨氮和 COD 总体呈下降趋势， 但是均在第二季度达 到最大值， 其中氨氮在第四季度略微升高。 夏季居民生活用水量大， 生活污水排放量增大， 且进水氨氮的浓度升高， 过高的进水氨氮浓度对硝化 反应有一定的抑制作用， 导致硝化反应的速率降低， 最终导致出水氨氮浓度升高; 江苏省降雨量季节分布 明显， 夏季降雨量集中， 进入雨季后， 进水有机物浓度 较低， 污水处理厂活性污泥系统处于低负荷运行状 态， 活性污泥颗粒黏附力变差， 颗粒变小， 细碎污泥流 失， 处于颗粒表面的硝化菌也随之流失， 同样导致出 水氨氮浓度逐渐升高。由于受到进水量、 进水浓度以 及处理工艺的影响， 污水处理厂尾水中总磷、 COD 的 平均浓度也会根据季节发生变化。 2. 2不同区域污水处理厂尾水排放特征分析 本文以 3 项主要指标为自变量， 以地区为因变量 对江苏 13 个市进行划分聚类， 得到的聚类冰柱图见 图 2， 树状图见图 3。 图 2垂直冰柱图 Fig．2The vertical bar graph 图 3聚类分析的树状图 Fig．3The dendrogram of cluster analysis 从聚类分析的树状图可以看出 南京、 苏州、 泰 州、 淮安、 常州相似性强， 最先聚到一起， 同理， 宿迁和 盐城、 无锡和徐州也是， 其次是南京、 苏州、 泰州、 淮 安、 常州、 扬州、 宿迁、 盐城聚为一类， 无锡和徐州又与 南京、 苏州、 泰州、 淮安、 常州、 扬州、 宿迁、 盐城在标度 值接近 5 时聚为一类， 南通和连云港相似性较差， 其 中， 南通的相似性最差， 因此最晚聚到一类。 由于 SPSS 软件仅对样本数据进行单纯的聚类分 类， 主要是定量分析， 容易受到特殊值的影响， 而忽略 一些客观的因素， 因此需要根据具体情况进行调整和 修正。考虑到地理位置靠近， 资源、 交通、 政策等条件 相似， 可以根据实际情况具体分类。 综合考虑， 聚类分析结果为 3 类， 南京、 苏州、 无 锡、 常州、 镇江为一类， 属于苏南地区; 扬州、 泰州、 南 通为一类， 属于苏中地区; 淮安、 连云港、 宿迁、 徐州、 盐城为一类， 属于苏北地区。考察这 3 类地区污水处 53 水污染防治 Water Pollution Control 理厂尾水排放特征。 根据这三类地区的数据得到各类地区的平均出 水水质指数如图 4 所示。 图 4苏南、 苏中、 苏北平均出水水质指数 Fig．4The water quality index in southern，middle，and northern part of Jiangsu Province 由图 4 可以看出 苏南的总磷、 氨氮、 COD 的平 均出水浓度指数最低; 苏北的总磷、 COD 平均出水浓 度最高; 苏中的氨氮平均出水浓度最高。整体趋势是 苏北较苏南高， 苏中居中， 苏北和苏南总磷的平均浓 度指数相差 0. 317。 由于近年来苏南地区提倡发展绿色经济， 大批的 污染型企业转向苏北地区， 造成苏北地区环境污染日 趋严重， 苏北地区工业化进程依然在依赖土地、 水、 煤 炭等自然资源推动工业发展， 消耗大量资源换取经济 增长， 同时排污染严重， 对资源和环境构成巨大威胁。 苏北人口较多， 经济发展水平较低， 污水处理设施相 对落后， 污水处理厂处理能力较差， 故污水厂尾水中 总磷、 氨氮、 COD 的平均浓度较高; 而苏南经济较发 达， 污水处理设施和工艺先进， 污水处理厂尾水中总 磷、 氨氮、 COD 的平均浓度较低; 苏中则处于中间位置。 3讨论 苏北地区较苏南和苏中地区经济相对落后， 2011 年苏南地区的人均 GDP 为 5 660 元， 苏中为 2 633 元， 苏北为 2 405 元; 2012 年苏南地区的人均 GDP 为 6 815元， 苏中为 3 572 元， 苏北为 2 640 元。建议在 经济基础较薄弱的苏北地区加大投资， 完善污水处理 设施和管理; 在苏南、 苏中地区加强重视， 预防为主。 同时， 要加强江苏省各地区污水处理厂尾水的深度 处理。 一般城镇污水处理厂尾水排放按一级 A 标准， 但是， 对受纳水体仍然具有一定的污染［16- 17 ］。城镇 污水处理厂尾水中含有一些难于被生物吸收降解的 有毒有害物， 如果直接排入地表水体中会严重危害人 类的健康 ［18- 19 ］。因此， 污水处理厂尾水深度处理也 备受关注。近年来， 我国大部分地区尾水深度处理技 术已经得到广泛应用， 比较发现， 人工湿地具有效率 高、 投资能耗低、 操作维护方便的优点， 不但能够直接 处理污水， 也适于对污水处理厂尾水进行深度处 理 ［20- 21 ］。人工湿地的基本原理是在一定的填料上种 植特选的植物， 然后将污水投放到人工建造的类似于 沼泽的湿地上 ［22 ］。当富营养化水流过人工湿地时， 经沙石、 土壤过滤， 植物根际的多种微生物活动， 使水 质得到净化。人工湿地的显著特点之一是其对有机 污染物有较强的降解能力。废水中的不溶性有机物 通过湿地的沉淀、 过滤作用， 可以很快地被截留， 进而 被微生物利用， 废水中可溶性有机物则可通过植物根 系生物膜的吸附、 吸收及生物代谢降解过程而被分 解、 去除。人工湿地根据污水在湿地中水面位置的不 同， 可以分为两类 自由水面人工湿地和潜流型人工 湿地 ［23 ］。 江苏作为我国的经济发达省份， 人口密集， 污水 处理厂较多， 苏北部分沿海地区的滩涂资源丰富， 可 以因地制宜对滩涂进行多种形式的利用， 而规划建设 人工湿地是合理利用和保护沿海滩涂资源的重要途 径， 可以实现保护、 利用相结合。苏南地区河网密布， 湖泊众多， 气候和地质环境都很适合建造人工湿地， 按照规划建设的人工湿地， 不但改善水环境， 防止水 体富营养化， 还可以种草养鱼， 塑造优异的景观环境， 达到治污和景观的和谐统一。在考虑引入人工湿地 技术时， 要对污水处理厂尾水进行分析， 结合所处位 置及季节变化特征， 适时调整优化人工湿地配置。 4结论 对不同季度污水处理厂尾水中氨氮、 总磷、 COD 的数据分析发现， 夏季尾水中平均出水浓度较其他季 节明显偏高， 苏南较苏北、 苏中的平均出水浓度低。 对不同地区污水处理厂尾水氨氮、 总磷、 COD 数 据分析发现， 苏北地区尾水中平均出水浓度较苏南和 苏中地区明显偏高， 苏南地区最低， 苏中居中。 根据各地区的实际情况， 建议合理改扩建污水处 理厂， 同时强化用水意识， 加强节约用水的宣传， 保证 污水处理厂的达标排放， 推荐选择人工湿地对污水处 理厂尾水进行深度处理。 参考文献 ［1］管策， 郁达伟， 郑祥， 等． 我国人工湿地在城市污水处理厂尾水 脱氮除磷中的研究与应用进展［J］． 农业环境科学学报， 2012， 31 12 2309- 2320. 63 环境工程 Environmental Engineering ［2］康琳琦， 朱亮， 汤颖， 等． 污水处理厂尾水排放形式对河流水质 的影响研究［J］ ． 人民长江， 2012， 43 19 85- 89. ［3］李德生， 范太兴， 申彦冰， 等． 污水处理厂的电化学脱氮技术 ［J］． 化工学报， 2013， 64 3 1084- 1090. ［4］杨长明， 马锐， 汪盟盟， 等． 潜流人工湿地对污水厂尾水中有机 物去除效果［J］ ． 同济大学学报， 2012， 40 8 1206- 1210. ［5］周遗品， 雷泽湘， 李迪武， 等． 河源城南污水处理厂尾水深度处 理效果的研究［J］ ． 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