污水处理厂化验室建设的思考.docx
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污水处理厂化验室建设的思考
污水处理厂化验室建设的思考
郑波，李俊英，黄伟明，方闻
摘 要：
根据现代化污水处理厂的水质检测趋势，提出了化验室应当具备的四大功能，为污水处理厂化验室水质分析仪表和检测项目的选择提供了参考。
关键词：
污水处理厂；化验室；水质分析仪表；检测项目
随着我国社会和经济的高速发展，环境问题日益突出。
水在自然资源中是最普遍，分布最广泛，对人类最重要的自然资源，日益严重的水污染状况也成了我国不得不面对的问题。
随着国家和地方政府的重视与投入，我国水污染处理行业也不断得到发展，尤其在“十一五”期间，根据建设部的规划目标，我国将新建1000座污水厂，处理能力将达到10000万立方米/日，而实际上到2009年底，已经基本实现了该目标。
2006到2009年我国污水处理行业的发展情况见图1。
图1 2006年到2009年我国污水处理行业发展状况
Figure1.ThedevelopmentofwastewatertreatmentinChinafrom2006to2009
数据来源：
住房和城乡建设部城市建设司
与此同时，各种先进的污水处理工艺，如改进的氧化沟、深井曝气工艺、MBR工艺等得以应用。
国外许多先进、高效的污水处理设备，如微孔曝气机、变频鼓风机等，也进入了我国污水处理行业[1]。
各种先进的在线仪器仪表，如在线ORP、DO、pH等，开始应用于污水处理工艺控制[2]。
但是，关于污水处理厂化验室设备配备和检测指标方面，缺乏统一的标准。
到目前为止，仅在《CJJ31-89城镇污水处理厂附属建筑和附属设备设计标准》中，提到了关于污水处理厂化验室建设的指导性意见，即化验室设备的配置，应根据常规化验项目、污水厂的规模和处理级别等决定，并给出了一张常规配置表。
因此，国内的污水处理厂化验室，一般根据《综合污水排放标准》和《城镇污水处理厂污染物排放标准》中规定的检测项目，来建设自己的化验室。
很多新建污水处理厂化验室的设备配置，与其先进的水处理工艺、自动化控制系统、管理水平等相比，显得格格不入。
事实上，根据国外先进的污水处理厂的经验，化验室是作为一个多功能的检测平台而存在的。
总体而言，污水厂化验室应该具备如下功能：
① 废水特性的研究
② 工艺过程重要参数的检测
③ 排放口水质监测
④ 过程仪表的校正和补充
1.污水处理厂化验室在各个平台中的检测内容
1.1废水特性研究
众所周知，在污水处理厂设计前，应对废水进行检测以了解废水的特性，在此基础上才能进行工艺的选择和设计，并根据水质情况随时调节工艺运行工况。
但是，由于各种原因，污水处理厂的废水进水流量及水质，会发生变化[3,4]，一旦水质、水量超过设计参数，则会严重影响污水处理效果，导致出厂水不达标。
因此，污水厂都在进口选择一些影响处理工艺的重点参数进行监测。
具有代表性的包括：
① 流量 一般采用在线监测仪器。
② pH 由于活性污泥的活性条件、脱氮除磷工艺的条件均对pH值有要求，该指标成为污水厂进水必测的项目。
③ 生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD） 可相对的表示出污水中有机物含量，BOD5/COD的比值可作为污水可生化性指标，从一个侧面去指示污水处理工艺的可行性。
④ 悬浮物SS 代表了可以用沉淀、混凝沉淀或过滤等物理方法去除的污染物，也是影响感官状态的水质指标。
⑤ 营养物质（总氮TN、氨氮NH3-N、总磷TP等） 国内日益严峻的水体富营养化问题，对污水处理厂的处理工艺提出了更高的要求，脱氮除磷将是我国绝大多数污水处理厂必须具备的工艺。
因此，进水相关营养盐物质也成为进水水质的重要检测项目。
⑥ 重金属 污水中很多重金属，如汞、镉、铬、铅等，容易引起对活性污泥的毒性冲击，导致污水处理效率下降。
根据以上，一般针对进水水质化验室仪表的配置如表1：
表1 污水厂进水水质化验室仪表配置
Table1.Labinstrumentconfigurationofwastewatertreatmentplantlaboratoryforinletwater
参数
传统测定方法
所需仪器
推荐配置
小型污水处理厂
中型污水处理厂
大型污水处理厂
pH
玻璃电极法
pH计
HACHsensION1pH电极
HACHHQ11dpH电极
BOD
稀释与接种法
溶解氧测定仪
HACHBODTrakII压差法BOD分析仪
悬浮物
重量法
天平
HACHTSSportable
COD
重铬酸钾法
消极-滴定装置
HACHDR890比色计
HACHDR2800分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计
总氮
碱性过硫酸钾消解-紫外比色法
紫外可见分光光度计
氨氮
蒸馏和滴定法
蒸馏和滴定装置
总磷
钼酸铵分光光度法
分光光度计
重金属
可见分光光度法/火焰原子分光光度法
分光光度计/原子吸收光谱仪
HACHDR5000紫外可见分光光度计/原子吸收光谱仪
1.2工艺过程重要参数的检测
污水处理工艺过程的重要参数，是指那些为保证污水处理工艺正常运行必须检测的指标。
采用不同的污水处理工艺会要求对不同的参数进行监测，以国内应用的最多的具备脱氮除磷工艺的A2/O工艺为例（见图2），在各个工艺段推荐检测的重要参数有：
图2 A2/O工艺流程图
Figure2.TypicalprocessflowdiagramofA2/O
1.2.1厌氧池 原污水与二沉池回流的含磷污泥混合后，在兼性厌氧菌的作用下，部分易生物降解的大分子有机物被转化为小分子的挥发性脂肪酸（VFA），聚磷菌吸收这些小分子有机物合成PHB并储存在细胞内，同时将细胞内的聚磷水解成正磷酸盐释放到水中。
该工艺段的重要参数包括：
① pH 聚磷菌厌氧释磷的适宜pH是6~8。
② 温度在厌氧段，温度对厌氧释磷的影响不太明显，在5~30℃除磷效果均好。
③ DO 在严格的厌氧环境下，聚磷菌才能从体内大量释放出磷而处于饥饿状态，为好氧段的大量吸磷创造了前提，从而才能有效地从污水中去除磷。
④ ORP 由于在厌氧段，一般要求DO<0.2mg/L，传统的DO传感器在该区段无法发挥作用。
而研究表明ORP与厌氧放磷效果存在一定的相关性，因此，通过对该区段ORP的检测，可以很好的指示该系统厌氧放磷的程度[5]。
⑤ 硝酸盐 回流污泥从二沉池回到厌氧池，将部分NOX-N带回厌氧池。
如果硝酸盐浓度过大，会导致反硝化细菌和聚磷菌产生竞争，反硝化细菌抢先消耗掉快速生物降解的有机物进行反硝化，这样虽有利于脱氮但不利于除磷，因此对厌氧区段的硝酸盐氮浓度有一定要求。
⑥ C/P比 在厌氧池段，聚磷菌要吸收低分子有机物合成PHB，因此污水中可生化降解有机物对聚磷菌厌氧释磷起着关键作用。
与此相关的参数有：
COD，大致反映废水中有机物总含量的；BOD，大致反映废水中可生化降解有机物含量；挥发性脂肪酸（VFA），构成了聚磷菌的营养底物，但是，过多的挥发性脂肪酸又会导致引起pH值的降低而导致过程厌氧消化过程的失败；PO4-P，污水中的溶解磷含量；TP，污水中总磷含量。
⑦ 污泥浓度MLSS 通常系统中MLSS越大，则厌氧段的释磷效果越好，并且在缺氧段DPB的吸磷能力也更强。
1.2.2缺氧池 缺氧池的首要功能是反硝化脱氮，硝态氮从好氧池通过内循环回流到缺氧池，反硝化细菌利用污水中的有机物将回流液中的硝态氮还原为氮气。
该工艺段的重要参数包括：
① pH 反硝化菌脱氮适宜的pH是6.5~7.5。
② 温度 温度对反硝化速率的影响与法硝化设备类型、硝酸盐负荷率等因素有关，一般适宜温度是15~25℃。
③ DO 由于溶解氧与硝酸盐竞争电子供体，同时还抑制硝酸盐还原酶的合成和活性，影响反硝化脱氮，因此在缺氧段也需要严格控制溶解氧浓度。
④ ORP 由于在缺氧段，一般要求DO<0.5mg/L，传统的DO传感器在该区段依然无法发挥作用，可以利用ORP的变化规律优化硝化与反硝化过程[5]。
⑤ C/N比 在缺氧池段，将硝酸盐硝化还原为氮气需要碳源有机物（一般以BOD5表示）。
如果用实际污水作为碳源，只有其中一部分快速可生物降解的BOD可以作为碳源。
一般认为BOD5/TKN>4~6时碳源充足。
与此相关的参数是五日生化需氧量BOD5和总凯氏氮TKN。
1.2.3好氧池 去除BOD、硝化和吸收磷等反应均在好氧段进行。
该工艺段的重要参数包括：
① pH 在好氧硝化段，对硝化菌适宜的pH为7.5~8.5。
② 碱度 硝化反应每氧化1g氨氮要消耗碱度7.14g（以CaCO3计），因此如果污水中没有足够的碱度，随着硝化反应进行，pH会急剧下降，而硝化细菌的活性对pH非常敏感，一旦超出适宜pH范围，其活性会迅速下降。
因此如果有必要，需要额外投入石灰以增加污水碱度。
③ 温度 好氧段适宜的温度范围是30~35℃。
④ DO DO升高，硝化速度增加，但当DO浓度超过2mg/L后，硝化速度增长趋势减缓。
同时，好氧池过高的溶解氧会随污泥回流和混合液回流分别带至厌氧段和缺氧段，影响聚磷菌的释放和缺氧段的反硝化反应。
所以根据经验，好氧池的DO为2mg/L左右为宜。
⑤ C/N比 C/N比值是影响硝化速率和过程的重要因素。
硝化菌是自养菌，硝化菌产率或增长速率比活性污泥异养菌低得多，若废水中BOD5值太高，将有助于异养菌迅速增殖，从而使微生物中的硝化菌的比例下降，一般认为，只有BOD5低于20mg/L时，硝化反应才能完成。
反硝化过程需要充足的碳源，理论上lgNO2还原为N2需要碳源有机物2.86g。
一般认为，当废水的BOD5/TKN值大于4～6时，可认为碳源充足，不需另外投加碳源，反之则要投加其他易降解的有机物作碳源。
与此相关的参数有五日生化需氧量BOD5、总凯氏氮TKN和污泥浓度MLSS。
⑥ MLSS是衡量反应器中活性污泥数量多少的指标，好氧池的MLSS一般为2-4Kg/m3
⑦ SVI反映污泥的松散程度和凝聚性能，评价活性和吸附能力和污泥结构松散程度，预测污泥膨胀
⑧ 活性污泥的结构和生物相通过镜检检查菌胶团的结构和指示微生物判断活性污泥的状态，防止污泥膨胀
1.2.4沉淀池 二沉池是以沉淀、去除生物处理过程中产生的污泥获得澄清的处理水为其主要目的。
二沉池有别于其它沉淀池，其作用一是泥水分离（沉淀）、二是污泥浓缩，并因水量、水质的时常变化还要暂时贮存活性污泥。
该工艺段的重要参数主要是针对污泥，包括：
污泥浓度MLSS、MLVSS、污泥界面等。
1.2.5消毒池 消毒池是最终处理工艺，消毒后出水即为污水处理厂最终排放水。
监测指标根据实际采用的消毒剂而定，比如余氯、二氧化氯、臭氧等。
根据以上，一般针对工艺过程重要参数的化验室仪表的配置如表2：
表2、针对工艺过程重要参数的化验室仪表的配置
Table2.Labinstrumentconfigurationofwastewatertreatmentplantlaboratoryforprocessparameter
参数
传统测定方法
所需仪器
推荐配置
小型污水处理厂
中型污水处理厂
大型污水处理厂
pH/温度
玻璃电极法
pH计
HACHsensION1pH电极
HACHHQ11dpH电极
ORP
玻璃电极法
ORP计
HACHsensION1ORP电极
HACHHQ11dORP电极
DO
膜电极法
溶解氧电化学仪
HACHLDO荧光法溶解氧仪
BOD
稀释与接种法
溶解氧测定仪
HACHBODTrakII压差法BOD分析仪
悬浮物
重量法
天平
HACHTSSportable
污泥界面
-
-
COD
重铬酸钾法
消极-滴定装置
HACHDR890比色计
HACHDR2800分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计
总氮
碱性过硫酸钾消解-紫外比色法
紫外可见分光光度计
氨氮
蒸馏和滴定法
蒸馏和滴定装置
凯氏氮TKN
消解-纳氏试剂法
蒸馏装置和分光光度计
消毒剂含量
滴定法
滴定装置
总磷
钼酸铵分光光度法
分光光度计
重金属
可见分光光度法/火焰原子分光光度法
分光光度计/原子吸收光谱仪
HACHDR5000紫外可见分光光度计/原子吸收光谱仪
挥发性脂肪酸VFA
蒸馏-滴定法
蒸馏和滴定装置
HACHDR2800分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计/电位滴定仪
活性污泥的结构和生物相
镜检观察
显微镜
1.3排放口监测
排口的监测一直以来是最受重视的部分，也有标准可依。
早期的排口监测项目主要根据受纳水体的类型来决定，比如排入江河湖泊的要遵循《GB3838-88地面水环境质量标准》，排入海洋的要遵循《GB3097-82海洋水质标准》等，同时《GB8978-88综合污水排放标准》也指导污水处理厂的污水排放。
1993年，城建部编制了专门针对污水处理行业的《CJ3025-93城市污水处理厂污水污泥排放标准》，首次加入了对排放污泥的检测。
1996年，《GB8978-96综合污水排放标准》作了修订，对城市污水处理厂污水排放执行该标准。
但由于该标准本身偏重工业废水排放管理，在加上城市污水处理技术的突飞猛进，需要一份行业性质标准来规范污水处理厂的排放[6]，《GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》应运而生，该标准对城镇污水处理厂废水、废气和污泥的排放标准作了规定。
现有的污水处理厂化验室检测项目与仪器的采购，大都按照该标准中要求的参数与分析频率确定的。
1.3.1水污染物排放标准
标准中将水污染物控制项目分为两类：
一类是基本控制项目，主要是对环境产生较短期影响的污染物，也是污水处理厂常规处理工艺能去除的污染物，共19项；另一类是选择控制项目，主要是对环境有较长期影响，或者影响生物处理、在城市污水处理厂中不易去除的那些污染物，共43项，各地根据实际情况选择性检测。
1.3.2大气污染物排放标准
污水处理厂在污水污泥处理过程中会产生臭气和其他有毒有害气体。
在该标准中，目前对臭气浓度、氨、硫化氢、甲烷作了规定。
1.3.3污泥控制标准
污水处理过程产生的污泥有栅渣、沉砂池排渣和一沉池、二沉池排泥等。
污泥处理的目的主要是减容和稳定化。
目前我国污泥的处置主要是农业利用，因此根据农用污泥控制标准对重金属的要求，在该标准中也将这些重金属，以及AOX、PCB等作为控制项目，共计4项污泥稳定化控制指标和14项污泥农用时污染物控制项目。
根据以上，一般针对排放口的化验室仪表的配置如表3。
1.4 过程仪表的补充和校正
国内外大量的运行经验表明，在污水处理厂中采用在线过程控制仪表，可以明显提高污水处理厂的运行管理水平[7]。
但是，一方面由于在线仪表对制造工艺有较高的要求，有很多重要的参数没有办法实现在线化，比如进水的BOD、重金属，工艺段的TKN、VFA，排放口的众多指标等；另一方面由于在线仪表采用固定安装，从成本角度考虑，一般污水处理厂只能选择在关键点设计在线仪表；这使得必须采用实验室仪器作为过程仪表的补充。
此外，在线仪表准确度的保证需要实验室/便携式仪表对其进行校正[8]。
目前，在国内污水处理厂使用较广泛的在线仪表及可选择的实验室校验仪表见表4。
表4、污水处理厂常用在线仪表及对应的实验室仪表
Table4.Commonprocessinstrumentsandcorrespondinglabinstrumentsinwastewatertreatmentplant
位置
参数
代表性在线仪器
代表性实验室/便携式仪表
进
水
pH
HACHpHDpH差分电极
HACHSensION1/HQ11dpH计
氨氮
HACHAmtaxcompact
HACHDR2800/DR5000分光光度计
总氮
HACHNPW-150总磷/总氮/COD分析仪
总磷
COD
HACHCODmax
悬浮物SS
HACHSOLITAXsc
HACHTSSPortable
工
艺
过
程
DO
HACHLDO+SC100或ZulligDOS-14
HQ30dLDO荧光法溶解氧仪
MLSS
HACHSOLITAXsc
HACHTSSPortable
PH
HACHpHDpH差分电极
HACHSensION1/HQ11dpH计
ORP
HACHpHDORP差分电极
HACHSensION1/HQ11dORP计
PO4-P
HACHPhosphaxsc正磷分析仪
HACHDR2800/DR5000分光光度计
NH4-N
HACHNH4Dsc/AmtaxCompact
NO3-N
HACHNITRATAXsc
污泥界面
HACHSONATAXsc
HACHTSSPortable
余氯
CL17余（总）氯分析仪
HACHDR2800/DR5000分光光度计
排
放
口
pH
HACHpHDpH差分电极
HACHSensION1/HQ11dpH计
氨氮
HACHAmtaxcompact
HACHDR2800/DR5000分光光度计
总氮
HACHNPW-150总磷/总氮/COD分析仪
总磷
COD
HACHCODmax
悬浮物SS
HACHSOLITAXsc
HACHTSSPortable
表3、针对排放口的化验室仪表的配置
Table3.Labinstrumentconfigurationofwastewatertreatmentplantlaboratoryforoutletwater
类别
参数
传统测定方法
所需仪器
推荐配置
小型污水处理厂
中型污水处理厂
大型污水处理厂
水污染排放
基本控制项目
pH
玻璃电极法
pH计
HACHsensION1pH电极
HACHHQ11dpH电极
BOD
稀释与接种法
溶解氧测定仪
HACHBODTrakII压差法BOD分析仪
悬浮物SS
重量法
天平
HACHTSSportable
动植物油
红外分光光度法
红外测油仪
石油类
红外分光光度法
红外测油仪
色度
稀释倍数法
-
COD
重铬酸钾法
消极-滴定装置
HACHDR890比色计
HACHDR2800分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计
总氮
碱性过硫酸钾消解-紫外比色法
紫外可见分光光度计
氨氮
蒸馏和滴定法
蒸馏和滴定装置
总磷
钼酸铵分光光度法
分光光度计
阴离子表面活性剂
亚甲兰分光光度法
分光光度计
重金属
可见分光光度法/火焰原子分光光度法
分光光度计/原子吸收光谱仪
HACHDR5000紫外可见分光光度计/原子吸收光谱仪
粪大肠菌群数
多管发酵法
生化培养箱
HACHMELMPN微生物实验室
选择控制项目
总氰化物
吡啶-巴比妥酸分光光度法
分光光度计
HACHDR2800分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计
挥发酚
蒸馏后-4氨基安替比林分光光度法
分光光度计
硫化物
亚甲基兰分光光度法
分光光度计
其他有机物
气相色谱法/液相色谱法
气相色谱/液相色谱
气相色谱/液相色谱
重金属
可见分光光度法/原子吸收分光光度法
HACHDR5000紫外可见分光光度计/原子吸收光谱仪
大
气
污
染
物
氨
水杨酸分光光度法
分光光度计
HACHDR890比色计
HACHDR2800分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计
硫化氢
气相色谱法
气相色谱
臭气浓度
三点比较法臭袋法
-
甲烷
气相色谱
污泥控制指标
污泥特性
有机物降解率
重铬酸钾法
消解-滴定装置
含水率
烘干法
天平
水分测定仪
蠕虫卵死亡率
显微镜法
显微镜
粪大肠菌群菌值
多管发酵法
生化培养箱
HACHMELMPN微生物实验室
污泥农用指标
重金属
可见分光光度法/原子吸收分光光度法
分光光度计/原子吸收分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计/原子吸收光谱仪
硼
姜黄素比色法
分光光度计
HACHDR5000紫外可见分光光度计
石油类
红外分光光度法
红外测油仪
其他有机物
气相色谱法
气相色谱
2．污水处理厂化验室建设的建议
综上所述，一座污水处理厂，其化验室的检测应该具备全方面的能力。
如果要建设先进的污水处理厂化验室，还应该在以下两方面有所尝试：
2.1先进的水质分析仪表的应用
随着水处理事业的发展，越来越多的先进水质分析仪表开始走入普通的污水处理厂。
这些高端的分析仪器，可以帮助污水处理厂扩展分析检测项目，在《GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》中，有多项指标需要用到这类仪器，比如用于测定多氯代二苯并二恶英/多氯代二苯并呋喃的高分辨毛细管色谱/高分辨质谱，用于测定可吸附有机卤化物的离子色谱。
一些先进的水质分析仪表可以大大提高分析检测的效率，比如流动注射分析仪可以帮助分析人员大批量的检测挥发酚、氰化物、阴离子表面活性剂等操作复杂的参数，专业的磷氮分析仪可以方便快捷的测定各个工艺段营养盐的含量。
2.2一些新颖而有意义参数的监测
随着科学研究的进展与人们对水污染问题的深入研究，一些新颖的监测项目出现在人们面前。
这些参数或者可以更好的指导污水处理工艺，或者可以更好的保护水环境。
比如总有机碳（TOC），相比于COD更能全面地反应水体中有机物的含量；生物毒性这个指标可以直观的显示出污水处理厂的排水是否会对受纳水体的生物造成毒害，等等。
化验室可以根据需要采购相应的分析仪表来检测这些指标。
因此，污水处理厂化验室的分析仪表的配置建议如表5。
3、结论
作为污水处理厂多功能检测平台的化验室，应当具备全方位的检测能力：
① 针对污水处理厂进水，应该能够通过检测pH、BOD、悬浮物、COD、总氮、氨氮、总磷等参数，了解进水水质特点，为后续的污水处理工艺提供反馈信息与预警。
② 针对污水处理厂各个工艺段，应该能够检测DO、MLSS、pH、ORP、营养盐、VFA等参数，为工艺参数的调整提供及时有效的信息，达到优化工艺、节能减排的目的。
③ 针对污水处理厂的排放口，应该能够检测《GB18918-2002城镇污水处理厂污
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