好多数据！我国工业污水集中处理厂运行及水质特征
以我国工业污水集中处理厂的实际运行和监测数据为基础，分析了我国工业污水集中处理厂的设计处理能力、污水处理量、水力负荷率及使用的主要处理工艺等，研究了COD、BOD5、NH3-N、TN、TP的进出水水质特征以及与去除效率的相关关系。结果表明，我国工业污水集中处理厂以1万~5万m³/d的规模为主，平均水力负荷率较低，为43.9%，AAO工艺、AO工艺、普通活性污泥法、SBR类、氧化沟类和MBR类为主流工艺，合计占比达76.2%；进、出水浓度值相对偏高，浓度值波动幅度较大，除总氮去除效率较低外，4项污染物的去除效率均高于80%；66.1%的工业污水集中处理厂进水基本能满足生物除磷的要求，但有56.4%的污水处理厂进水可生化性较差，53.6%的污水处理厂反硝化过程需要外加碳源；5项污染物的进出水浓度和去除效率与本指标的变量均呈显著相关性，其中进水污染物浓度对出水水质、去除效率均为正相关影响。
0 引言
工业污水集中处理厂是专门为工业园区、连片工业企业或周边企业处理工业污水的集中设施或独立运营的单位，为社会化有偿服务。随着我国污水处理行业的细分以及工业企业向各类工业园区的集聚，我国工业污水集中处理厂的建设发展迅速，2017年工业污水集中处理厂的数量、污水处理量分别是2007年的3.6倍、3.2倍。
当前我国还存在大量依托城镇污水处理厂处理工业污水的情况，由于部分工业污水含有重金属或难以生物降解的有毒有害污染物，进入城镇污水处理厂可能会对城镇污水处理厂的出水水质、污泥处理处置带来不良影响。2019年4月住房和城乡建设部、生态环境部、国家发展改革委联合印发的《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019-2021年）》中提出，对于不能被城镇污水处理厂有效处理的污染物或可能影响城镇污水处理厂出水稳定达标的工业企业的排水，要限期退出城镇污水处理厂。同时，建设工业污水集中处理厂也是工业集聚发展、绿色发展和共享污水处理设施，降低水环境污染风险的客观需要和有效举措。因此利用工业污水集中处理厂处理工业污水是发展趋势。针对工业污水集中处理厂的研究主要集中在单个或多个工业污水集中处理厂的工艺设计或提升改造以及监督管理政策建议等方面，基于全国层面综合和量化的比对分析较少开展，本研究探讨了当前我国工业污水集中处理厂的建设运行基本情况，分析主要污染物水质变化特征及相互关系，以期能对工业集聚区建设污水集中处理设施、生态环境管理部门监管工业污水集中处理厂提供参考。
1 研究对象和方法
研究对象为以第二次全国污染源普查成果为基准依法更新后的2017年污染源统计中的工业污水集中处理厂，研究的水质指标为COD、BOD5、NH3-N、TN和TP。建设运行情况从地区分布、设计处理能力、实际处理污水量、废水处理工艺等角度分析，基于进出水水质情况来评估水质浓度分布特征、污染物去除效率及各水质指标之间的相关性。
2 结果与讨论
2.1 运行情况
2.1.1 设计处理规模及废水实际处理量
我国工业污水集中处理厂有1 520家，设计处理能力为2 328万m³/d，年废水实际处理量为40.75亿m³，工业污水集中处理厂是除城镇污水处理厂外的主要污水集中处理单位，其数量、设计处理能力、年污水实际处理量分别占全国集中式污水处理单位总量的1.9%、9.4%、6.2%。工业污水水质复杂，浓度变化大，作为专门处理复杂工业污水的集中式处理单位，其在污水集中处理中发挥了较大的作用。
将工业污水集中处理厂按设计处理能力分为5类：≥10万m³/d、5万~10万m³/d、1万~5万m³/d、0.5万~1万m³/d、＜0.5万m³/d，分析工业污水集中处理厂的设计处理能力、实际处理水量、水力负荷率等指标的分布情况（见表1）。
我国工业污水集中处理厂以1万~5万m³/d的规模为主，该规模下的污水处理厂数量、总体设计处理总能力、实际处理水量分别占全国总数的43.9%、55.4%、49.8%；规模为5万~10万m³/d和≥10万m³/d的污水处理厂数量较少，二者数量合计仅占全国总数的6.6%，但以占全国总数35.0%的设计处理能力处理了占全国实际处理水量42.0%的污水；规模为＜0.5万m³/d、0.5万~1万m³/d的两种类型污水处理厂数量合计占比达49.5%，但设计处理能力、实际处理水量仅占全国总数的9.7%、8.2%。
水力负荷率指在运行时段内污水实际处理量与设计处理能力之间的比值，是反映污水处理厂正常稳定运行的基础指标，在城镇污水处理厂中有平均水力负荷率≥60%的规定。在本研究中发现我国工业污水集中处理厂的平均水力负荷率较低，仅为43.9%；水力负荷率还随着设计处理能力的增大而提高，规模较小3种工业污水处理厂水力负荷率差别不大，5万~10万m³/d、≥10 万m³/d的工业污水集中处理厂的水力负荷率比规模相对较小的水力负荷率比例高11.3%以上，说明我国部分工业污水集中处理厂，特别是中小型（＜5万m³/d）的污水处理厂的实际处理水量较设计处理能力较少，污水处理设施设备的利用率还有很大提升空间。
2.1.2 污水处理工艺
工业污水集中处理厂采用的主体工艺为好氧生物处理，厌氧生物处理，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺3种。随着水环境质量改善目标的持续推进，水污染物排放限值逐步加严，有23.2%的工业污水集中处理厂采用了上述两种或以上工艺组合。厌氧生物处理和稳定塘、人工湿地及土地处理两种工艺因其工艺特点，多与好氧生物处理工艺组合使用，采用上述两种工艺的工业污水集中处理厂中，分别有84.6%、84.8%与其他工艺组合。因此，在本文主要针对采用生物处理系统的工业污水集中处理厂进行分析。
好氧生物处理工艺为主体工艺的工业污水集中处理厂数量较多，占比达全国总数的81.6%，其中AAO工艺、AO工艺、普通活性污泥法、SBR类、氧化沟类和MBR类为主流工艺（见表2），占比合计为76.2%。其中AAO工艺、AO工艺、普通活性污泥法、氧化沟类4种工艺的平均设计处理能力比全国平均值高出范围为2.3%~48.3%，且平均水力负荷率相差不大，与全国平均值相近；使用SBR类、MBR类的污水处理厂平均设计处理能力低于全国平均值，MBR类作为膜处理工艺，平均水力负荷率比全国平均值低5.5%，说明在运行过程中处理水量偏少，未能充分发挥效能；SBR类的平均水力负荷率为6种主流处理工艺中最高，比全国平均值高9.2%，说明使用该工艺的污水处理厂污水实际处理量较大，运行率较高。
2.2 进出水水质分析
2.2.1 进出水基本水质指标分析
我国工业污水集中处理厂的污染物进、出水浓度值相对偏高，浓度值波动幅度较大，由于部分污水处理厂的进、出水浓度值较高，整体呈正偏态分布，因此各项污染物的进出水浓度平均值均明显高于中位值，5项污染物的进水浓度平均值与中位值的相对偏差范围为18.6%（TN）~47.4%（TP），出水浓度值两者的相对偏差范围为11.2%（TN）~35.7%（NH3-N）。进出水水质分布如表3所示。除TN的平均去除率为65.7%外，其他污染物的平均去除率较为平均,均在80%~90%。
2.2.2 进水污染物的比例关系
（1）进水BOD5/COD特征。在污水处理厂中可采用BOD5/COD值来反映可生物降解的有机污染物占总有机物的比例。一般来说，当BOD5/COD＜0.3时，进水的可生化性较差，存在难以生化降解的物质；当BOD5/COD≥0.3时，说明进水中适宜生物处理，当比值＞0.45时，生化性良好。本研究中，我国工业污水集中处理厂的BOD5/COD平均值为0.33，中位值为0.22，中位值小于平均值，说明部分污水处理厂的比值较小，其接纳的工业污水可生化有机物占比较低；有43.6%的工业污水集中处理厂比值大于0.3，有31.6%污水处理厂的比值大于0.45，这部分污水处理厂的进水适宜生物处理，而其他56.4%的污水处理厂进水需要调整后再进行生物处理。总体来看，我国大部分工业污水集中处理厂的进水可生化性较差，这与接纳的工业污水中存在大量较难生物降解的污染物有关。
（2）进水BOD5/TN特征。在污水处理厂中可采用BOD5/TN值反映反硝化菌是否有足够的碳源，保证反硝化过程的顺利进行，促进生物脱氮，同时满足微生物生长繁殖和好氧段有氧呼吸的碳源消耗。一般来说，BOD5/TN＞2.86时可实现硝酸盐的完全反硝化，比值＞4时则进水碳源充足，脱氮率可保证。本研究中的BOD5/TN的平均值为5.39，中位值为2.69，不同工业污水处理厂的BOD5/TN比值差异较大，有53.6%的污水处理厂该比值小于2.86，而有36.8%的污水处理厂该比值大于4，部分污水处理厂总氮去除碳源非常充足，而大部分污水处理厂需要外加碳源才能满足反硝化过程所需，这点与总氮去除率相对较低也相互呼应。
（3）进水BOD5/TP特征。在污水处理厂中可采用BOD5/TP值反映生物除磷的可行性，一般来说，BOD5/TP＞20可保证聚磷菌对除磷系统的基质要求。在本研究中，BOD5/TP的平均值为52.07，中位值为28.71，有66.1%的污水处理厂该项比值大于20，说明大部分工业污水集中处理厂的进水能基本满足生物除磷的要求。
2.2.3 进出水污染物的相关性分析
采用斯皮尔曼相关系数法对进水、出水水质和污染物去除率之间的相关性进行定量分析。进、出水水质浓度和污染物去除效率三者互为成对出现的变量，使用该方法计算上述3组数据两两之间的相关系数，分别计算各污染物的进水水质浓度与出水浓度及污染物去除效率的相关系数，衡量相关影响关系的高低，计算结果见表4~表6。
根据计算结果，不同污染物的进、出水浓度和去除效率仅与本指标的变量呈显著相关性。按照经验相关系数程度的划分，不同指标的相关系数也存在高低的差异。从进水浓度角度来看，进水浓度对出水水质、去除效率均为显著正相关影响。从去除效率与出水水质的相关系数来看，去除效率与出水水质的影响均为显著负相关。
根据分析，在一定程度上提高进水COD、BOD5可以更大程度的提高污染物的去除效率，也能使出水浓度值达到排放限值的要求；选择NH3-N去除效率更高的污水处理工艺更能有助于出水浓度的降低，TN、TP的出水浓度受到进水浓度和去除效率的共同影响，TN、TP要达到较低的排放水平需要较高的运行管理水平。
3 结论与建议
我国工业污水集中处理厂规模总体偏小，以1万~5万m³/d为主，总体平均水力负荷率仅为43.9%，水力负荷率有一定的规模效应，规模≥5万m³/d的污水处理厂较规模＜5万m³/d的平均水力负荷率比例高11.3%以上。好氧生物处理工艺为工业污水集中处理厂的主流工艺，使用数量达全国总数的81.6%，其中AAO工艺、AO工艺、普通活性污泥法、SBR类、氧化沟类和MBR类6种占比为76.2%。
我国工业污水集中处理厂的污染物进、出水浓度值相对偏高，整体呈正偏态分布，浓度值波动幅度较大，去除效率除TN为65.7%外，其他4项污染物的去除效率范围为80%以上。
从进水BOD5/COD、BOD5/TN、BOD5/TP比值分析表明，有56.4%的污水处理厂进水可生化性较差，53.6%的污水处理厂反硝化过程需要外加碳源，66.1%的污水处理厂进水基本能满足生物除磷的要求。5项污染物的进、出水浓度和去除效率与本指标的变量呈显著相关性，其中进水污染物浓度对出水水质、去除效率均为正相关。
针对工业集中污水处理厂总体水力负荷率偏低的情况，建议在提升污水收集管网配套、减少管网漏损造成的污水漏排、鼓励排污单位将预处理后的污水排入工业集中污水处理厂的同时，可考虑将工业园区初期雨水纳入污水的处理范围。
该研究仅对我国运行的工业集中污水处理厂开展水质特征总体分析，鉴于获取数据的局限性，建议后续同类研究继续加强对不同类型的工业园区处理工艺、不同出水排放标准限值的数据分析及研讨，形成针对多种行业类型和进出水水质特征的典型工艺路线，推动工业园区污水处理厂排放标准的出台，提升工业集中处理厂出水水质达标稳定性。
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