蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運行優(yōu)化策略研究

張 靜 雷 燕 程 飛 江 舸

（中持水務(wù)股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

安徽省蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運營項目的任務(wù)是收集服務(wù)范圍內(nèi)的污水，將污水輸送至蕭縣23個污水處理廠進行處理。該項目的實施可提高蕭縣污水治理率，改善蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)人居環(huán)境，推進蕭縣美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。然而，當前蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠普遍存在進水濃度低、污水收集量不足等問題，嚴重制約了污水處理廠的運行和發(fā)展。為加快推進蕭縣水污染防治，保護和改善蕭縣生態(tài)環(huán)境，圍繞當前蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運行存在的問題進行改造優(yōu)化十分必要。

1 蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運營項目概況

蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運營項目包括蕭縣楊樓鎮(zhèn)污水處理廠、黃口道北污水處理廠、閆集鎮(zhèn)污水處理廠、新莊鎮(zhèn)污水處理廠、黃口道南污水處理廠、劉套鎮(zhèn)污水處理廠、馬井鎮(zhèn)污水處理廠、杜樓鎮(zhèn)污水處理廠、丁里鎮(zhèn)污水處理廠、永堌鎮(zhèn)污水處理廠、官橋鎮(zhèn)污水處理廠、白土鎮(zhèn)污水處理廠、大屯鎮(zhèn)污水處理廠、趙莊鎮(zhèn)污水處理廠、王寨鎮(zhèn)污水處理廠、祖樓鎮(zhèn)污水處理廠、青龍鎮(zhèn)污水處理廠、張莊寨污水處理廠、酒店鄉(xiāng)污水處理廠、孫圩子鄉(xiāng)污水處理廠、石林鄉(xiāng)污水處理廠、莊里鄉(xiāng)污水處理廠及圣泉鄉(xiāng)污水處理廠，共23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠，涉及22個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，管網(wǎng)總長度495.8 km，覆蓋面積1 861 km2。該項目自2021年4月開始試運營。

1.1 設(shè)計水量及進出水水質(zhì)

這23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠設(shè)計水量總規(guī)模為33 200 t/d，其中2個污水處理廠設(shè)計水量分別為4 000 t/d和3 000 t/d、2個污水處理廠設(shè)計水量為600 t/d，其余污水處理廠設(shè)計水量為1 000～2 000 t/d。各污水處理廠進水主要為蕭縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水及部分工業(yè)廢水，經(jīng)污水處理廠處理后將尾水排入附近水體，出水水質(zhì)均執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A標準，設(shè)計進出水水質(zhì)指標如表1所示。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)指標 mg/L

1.2 工藝流程

楊樓鎮(zhèn)污水處理廠、黃口道北污水處理廠采用“物理過濾+氧化溝+濾池+紫外消毒”工藝，莊里鄉(xiāng)污水處理廠、圣泉鄉(xiāng)污水處理廠采用“物理過濾+A2/O一體化設(shè)備+濾池+紫外消毒”工藝，其余19個污水處理廠均采用“物理過濾+A2/O+濾池+紫外消毒”工藝，具體工藝流程如圖1、圖2和圖3所示。

1.3 實際運營情況

1.3.1 進水水量。蕭縣23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠自2021年4月開始試運營。從2021年4月至2022年4月，每天實測23個污水處理廠的進水水量、進水水質(zhì)。根據(jù)上述實測數(shù)據(jù)，計算23個污水處理廠每月日平均進水水量占設(shè)計水量的百分比，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，23個污水處理廠每月日平均實際進水水量為設(shè)計水量的20%～60%，與設(shè)計水量差距較大，夏季和冬季進水水量變化幅度大，季節(jié)性變化明顯。這說明當初設(shè)計人員設(shè)計污水處理廠時未詳細調(diào)研蕭縣居民實際用水、排水狀況，未考慮蕭縣常住人口及其日常用水習慣，污水處理設(shè)施采取“一刀切”的建設(shè)形式，從而導致污水處理規(guī)模與實際規(guī)模不符，造成資源浪費。

1.3.2 進水水質(zhì)。2021年4月至2022年4月，筆者對蕭縣23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠每月日平均進水COD濃度及NH3-N濃度進行了檢測，結(jié)果如圖5所示。23個污水處理廠日平均進水COD濃度為79.3 mg/L，遠小于設(shè)計進水COD濃度（204.1 mg/L）；日平均進水NH3-N濃度為17.4 mg/L，略大于設(shè)計進水NH3-N濃度（16.7 mg/L）。

2 蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運行存在的問題

2.1 管網(wǎng)系統(tǒng)不暢

對蕭縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠及配套管網(wǎng)進行現(xiàn)場調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，污水處理廠進水濃度低與鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理管網(wǎng)系統(tǒng)不暢有較大關(guān)系。部分管網(wǎng)存在設(shè)計不合理、管道老化等問題，導致管網(wǎng)污水收集率低；部分管網(wǎng)存在堵塞問題，污水難以排入污水處理廠，長時間淤積在管道內(nèi)發(fā)生生物降解反應(yīng)，導致進水量少、濃度低。各污水處理廠在長期進水濃度低的條件下，會產(chǎn)生一系列運行問題［1］。

2.2 生化段存在的問題

2.2.1 曝風機曝氣過量。污水處理廠池容及曝氣系統(tǒng)是以設(shè)計進水水質(zhì)指標為標準進行建造的，實際運行中曝氣風機功率偏大且不能自動變頻調(diào)節(jié)風量，其末端管路控制閥門僅為普通球閥控制，一旦進水COD濃度遠低于設(shè)計濃度就易曝氣過量。系統(tǒng)曝氣過量時，剪切力過強，易導致污泥絮體細微化，絮體粒徑減小，沉降速度緩慢，污泥解體上浮，從而影響污水處理廠運行穩(wěn)定性及處理效果，并增加能源動力消耗，造成能源浪費［2］。同時，曝氣過量會影響硝化過程，導致回流液中溶解氧濃度過高，消耗缺氧段的碳源，影響脫氮效果［3］。

2.2.2 生化池污泥濃度降低。進水COD濃度低，微生物無法獲得足夠的養(yǎng)分，增殖速率降低，生物活性變?nèi)酰廴疚锾幚砟芰p弱，污泥易與出水一起排出，導致生化池污泥濃度降低，而出水中懸浮物增多。

2.2.3 除磷效果降低。污水處理廠利用好氧池活性污泥吸收磷，使磷隨著活性污泥的排放而排出污水處理系統(tǒng)。但活性污泥濃度降低會導致系統(tǒng)長時間不排泥，從而減少磷的排出量，且長期曝氣過量會影響生物除磷效果，甚至出現(xiàn)不吸收磷的現(xiàn)象，嚴重影響系統(tǒng)除磷效果［4］。

2.2.4 脫氮效果不佳。根據(jù)脫氮理論，一般認為進水BOD5濃度與TN濃度的比值大于5時碳源充足，無須外加碳源。通常，污水處理廠進水BOD5濃度與TN濃度的比值宜大于4；當進水BOD5濃度與TN濃度的比值為3～4時，雖然可產(chǎn)生反硝化反應(yīng)，但反硝化速率較慢。硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮在缺氧反硝化階段需要充足的碳源，否則反硝化反應(yīng)較難進行。長時間低濃度進水，導致污水BOD5濃度與TN濃度比值偏低，微生物可利用的碳源有限，反硝化能力減弱，污水處理系統(tǒng)的脫氮效果不佳。

2.3 運維管理分散

蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠分布不集中，運營管理難度大，需要用信息化手段提高運營管理效率。同時，運營人員數(shù)量過多，且運營操作人員多數(shù)年齡較大，缺乏專業(yè)知識和技術(shù)，運營設(shè)施出現(xiàn)問題時難以及時解決［5］。

3 蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運營項目改造方案

為提高蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運營效率，降低運營成本，筆者從優(yōu)化運營的角度出發(fā)，提出污水處理廠運營項目改造方案。

3.1 優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)

工作人員應(yīng)加快推進管網(wǎng)維護工作的開展，對老舊破損的管網(wǎng)進行維修或更換，對堵塞管網(wǎng)進行清淤；建設(shè)收集支管，提高管網(wǎng)覆蓋率，并將化糞池和廁所污水管道接入管網(wǎng)系統(tǒng)，從源頭提高進水量和進水中污染物的濃度。

3.2 生化段的優(yōu)化

3.2.1 對曝氣風機進行變頻改造。蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠內(nèi)曝氣風機未安裝變頻器，生化池曝氣量過大，易導致活性污泥絮凝體膨脹、破碎解體、污泥上浮，工作人員只能現(xiàn)場通過調(diào)節(jié)曝氣管末端冷凝水放氣閥來調(diào)節(jié)風量大小，造成了嚴重的能源浪費。因此，工作人員可在曝氣風機上安裝變頻器，使設(shè)備能根據(jù)進水濃度調(diào)整曝氣風量。如此既能提高污水處理效率，達到節(jié)能降耗的效果，又能避免因閥門未完全打開出現(xiàn)損壞曝氣風機電機的問題。

3.2.2 生化池污泥濃度穩(wěn)定、外回流系統(tǒng)優(yōu)化。目前，蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的外回流系統(tǒng)設(shè)置不合理。例如，采用A2/O工藝的王寨污水處理廠等，目前采用的是污泥外回流方式。具體流程是先利用吸泥機抽取二沉池污泥至污泥渠，污泥沿污泥渠進入污泥泵房，經(jīng)污泥回流泵二次輸送至厭氧池。采用該污泥回流方式時，由于吸泥泵流量與污泥回流泵流量不一致，會導致污泥回流量不穩(wěn)定，且浪費能源。筆者經(jīng)現(xiàn)場實地考察及充分論證，發(fā)現(xiàn)蕭縣23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠高程差滿足污泥重力式回流的改造要求。因此，工作人員可利用高程差，將污泥機械回流方式改為重力式回流方式，從而節(jié)約能源，并實現(xiàn)污泥外回流的連續(xù)性，降低出水水質(zhì)超標風險，并減少電能的浪費，實現(xiàn)節(jié)能降耗的環(huán)保要求。

3.2.3 除磷效果優(yōu)化、老化污泥排出。因進水濃度低，生化池污泥濃度低，污水處理廠一般采取長時間不排泥的方式維持生化池的污泥濃度。但是，由于長時間不排泥，生化池污泥老化比較嚴重，除磷效果變差。為使出水總磷達標，工作人員需要采用化學方式進行除磷，但由此會增加除磷藥劑消耗量，加大成本投入。對此，工作人員可采取排出生化系統(tǒng)中老化污泥的方式，根據(jù)生化池污泥濃度，定期打開排泥泵進行排泥，以維持生化池的污泥活性，提高污染物去除效果。

3.2.4 脫氮效果改善——碳源投加改造。為保證出水水質(zhì)達標，尤其是脫氮效果達標，需要人工向污水處理系統(tǒng)中投加一定量碳源。以往工作人員采用人工投加固體碳源——食品級葡萄糖的方式提高C/N比，保證污水處理系統(tǒng)正常運行。但采用該投加方式無法精確把控固體碳源投加量，資源利用率不高，且搬運藥劑費時費力，增加了系統(tǒng)運行成本，加大了系統(tǒng)運營管理難度。對此，工作人員可對碳源投加系統(tǒng)進行優(yōu)化，人工投加碳源時棄用以往的固體碳源——食品級葡萄糖，改用液體碳源——生物質(zhì)碳源或復(fù)合碳源，通過計量泵將液體碳源投加至缺氧池，以滿足脫氮需求。液體碳源具備生物利用率高、有效COD含量高、碳源成本低、無毒無害、污泥產(chǎn)量低、產(chǎn)品性能穩(wěn)定及便于儲存等優(yōu)點，可促進反硝化脫氮異養(yǎng)菌群快速繁殖，節(jié)省碳源投加量，降低處理成本，性價比顯著優(yōu)于食品級葡萄糖碳源。

3.3 運營管理優(yōu)化和人員素質(zhì)提升

為進一步實現(xiàn)蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的高效、穩(wěn)定運行，強化分片區(qū)管理，工作人員可運用智慧水務(wù)系統(tǒng)，以提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠的運營管理水平；運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)污水處理廠的遠程操作、數(shù)據(jù)采集和分析等遠程自動化操作，實現(xiàn)污水處理廠的“無人值守，自動運行”。同時，污水處理廠應(yīng)加強對運營操作人員的專業(yè)培訓，提高相關(guān)人員技術(shù)水平。相關(guān)部門可結(jié)合智慧水務(wù)管理平臺的建設(shè)，優(yōu)化人員配置，實現(xiàn)人員合理調(diào)動，減少人員數(shù)量，提高人員利用效率，降低人力成本。

4 蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠改造施工費用

以王寨污水處理廠為例，分析改造施工費用及改造后污水處理廠日常運行費用節(jié)約情況。

4.1 曝氣風機變頻改造

王寨污水處理廠共設(shè)置2臺曝氣風機（一用一備），單臺曝氣風機的額定功率為18.5 kW，變頻改造后，預(yù)計一年可節(jié)省15%左右的電量，按照電量單價0.65元/度計算，每年可節(jié)約電費18.5×0.8×0.15×24×365×0.65=12 640.68元。兩臺風機分別加變頻器的改造費用約9 000.00元，改造后第一年可節(jié)省費用12 640.68-9 000.00=3 640.68元，改造第二年及之后每年都可節(jié)約費用12 640.68元。

4.2 外回流系統(tǒng)的改造

外回流系統(tǒng)改造使用的主要材料與設(shè)備清單及價格如表2所示。王寨污水處理廠外回流系統(tǒng)改造費用為4 000.00+600.00+120.00+500.00=5 220.00元。

表2 主要改造材料與設(shè)備清單及價格

王寨污水處理廠共設(shè)置2臺污泥回流泵（一用一備），單臺污泥回流泵的額定功率為4.0 kW，將污泥外回流改為重力式回流后，每年將節(jié)省電費4×0.8×24×365×0.65=18 220.80元。改造后第一年可節(jié)省費用18 220.80-5 220.00=13 000.80元，改造第二年及之后每年都可節(jié)約費用18 220.80元。

4.3 碳源投加系統(tǒng)改造

改造前王寨污水處理廠碳源投加方式為人工投加固體碳源，食品級葡萄糖實際日投加量為75 kg。改造后采用液體碳源（生物質(zhì)碳源或復(fù)合碳源），通過計量泵投加至缺氧池，碳源投加相關(guān)設(shè)備就近放置于組合池。經(jīng)測算，選用COD當量500 000 mg/L，在滿足脫氮要求的前提下，液體碳源日投加量為60 L。碳源投加系統(tǒng)主要改造材料與設(shè)備清單及價格如表3所示。王寨污水處理廠碳源投加系統(tǒng)改造費用為300.00+1 600.00+500.00+1 000.00=3 400.00元。

表3 主要改造材料與設(shè)備清單及價格

碳源投加系統(tǒng)改造前后碳源投加費用如表4所示。王寨污水處理廠碳源投加系統(tǒng)改造后第一年可節(jié)省費用119 081.25-35 040.00-3 400.00=80 641.25元，改造第二年及之后每年都可節(jié)約費用119 081.25-35 040.00=84 041.25元。

表4 改造前后碳源投加費用

4.4 運營人員優(yōu)化

蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠改造項目定編92人，其中項目部管理層2人、綜合辦公室11人、管網(wǎng)維修部18人、計劃財務(wù)部2人、生產(chǎn)技術(shù)部3人、動力維修部8人、楊莊鎮(zhèn)運行管理中心17人、永堌鎮(zhèn)運行管理中心13人、張莊寨運行管理中心18人。如按照強化分片區(qū)管理，并結(jié)合智慧水務(wù)平臺的建設(shè)對人員進行優(yōu)化配置，預(yù)計可減少5個運行管理人員，按照每人每月4 000元工資標準計算，23個污水處理廠每年可節(jié)約人工費24萬元。

4.5 小結(jié)

以王寨污水處理廠改造為例，綜合分析曝氣風機變頻改造、外回流系統(tǒng)改造、碳源投加系統(tǒng)改造后污水處理廠運行節(jié)省的費用，除改造第一年外，改造后第二年及之后每年均可節(jié)約費用12 640.68+18 220.80+84 041.25=114 902.73元。采用相同方案將蕭縣23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠全部改造后，預(yù)計每年可節(jié)約費用264.28萬元，且運營人員優(yōu)化后每年可節(jié)約費用24萬元。綜合以上結(jié)果，蕭縣23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水廠改造之后預(yù)計每年可節(jié)約費用288.28萬元，顯著降低了污水處理廠運營成本。

5 結(jié)語

污水收集率低、污水管網(wǎng)建設(shè)不夠完善、進水水量不足、進水濃度偏低是我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠普遍存在的問題。筆者在分析蕭縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運營項目現(xiàn)有工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了技術(shù)可行的改造方案，以期解決進水濃度低給污水處理廠運行帶來的一系列問題，最大限度地發(fā)揮鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的作用，推動我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)水污染防治，改善鄉(xiāng)鎮(zhèn)水生態(tài)環(huán)境。