城市污水處理廠精細(xì)化設(shè)計的關(guān)鍵因素探討

孫文剛 孫文博

（1 浙江暉石藥業(yè)有限公司 浙江紹興 312300 2 西安星航市政設(shè)計研究院有限公司 陜西西安 710061）

引言

隨著中國城市建設(shè)的發(fā)展，水污染問題日益突出，水資源矛盾日益激化，已經(jīng)開始影響各個領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展[1]。因此，廢水處理成為水污染控制的首要任務(wù)。在全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，生態(tài)理念在環(huán)境設(shè)計中也逐漸興起。隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)保在城市污水處理中的應(yīng)用是一種必然趨勢。只有改善傳統(tǒng)的環(huán)境問題，推動發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)城市污水處理與生態(tài)環(huán)保的結(jié)合，才能滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。環(huán)境對人們的生活有著深遠(yuǎn)影響，因此完善城市污水處理能提高人們的生活質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保的價值。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的日益重視，中國污水處理行業(yè)進(jìn)入了黃金發(fā)展期。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部全國城市污水處理信息管理系統(tǒng)（NUWTIMS）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019 年底，中國城市已建成并運(yùn)行的污水處理廠（WWTPs）超過2000 家，污水日處理能力約1.79 億噸，處理率達(dá)到96.81%[2]。然而，城市污水處理的效果與人們對水環(huán)境改善的期望仍有差距，特別是黑臭水已成為一個棘手的水環(huán)境污染問題。城市污水處理設(shè)施建設(shè)要實(shí)現(xiàn)由規(guī)模增長向質(zhì)量增效轉(zhuǎn)變，特別是排水網(wǎng)絡(luò)收集系統(tǒng)建設(shè)滯后和不足。這些仍然是困擾污水處理行業(yè)的主要問題，需要廢水處理設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)行和管理進(jìn)行根本性變革。

本研究的主要目的是利用污水處理廠的調(diào)查數(shù)據(jù)，對中國城市污水處理行業(yè)的常見問題進(jìn)行綜合分析。針對國內(nèi)污水處理廠設(shè)計與實(shí)際運(yùn)行不匹配的共性問題進(jìn)行深入研究，同時，有針對性地提出對策建議。本研究的結(jié)果可以為污水處理行業(yè)提供有價值的啟示。

1 中國城市污水處理廠精細(xì)化設(shè)計行業(yè)現(xiàn)狀

1.1 污水處理廠管網(wǎng)設(shè)計

污水處理與排水管網(wǎng)建設(shè)密不可分，在過去的十年中，中國城市水網(wǎng)總量以每年超過5%的速度增長。截至2019 年底，中國城市水系總長度達(dá)到743982 公里，服務(wù)人口約4.35 億。然而，與一些發(fā)達(dá)國家相比，差異是顯而易見的。與日本和德國相比，中國的水網(wǎng)長度幾乎相同，甚至明顯高于美國（12.9 萬公里）。然而，中國的下水道普及率只有65%，明顯低于其他發(fā)達(dá)國家。其中，英國和德國的下水道滲透率最高分別為96.5%和98.5%[3]。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2019 年，華東地區(qū)水網(wǎng)建設(shè)規(guī)模最大，已建成水網(wǎng)近293597 公里，占全國水網(wǎng)的39.46%。而它是中國西北地區(qū)最短的，只有32857 公里，占4.42%。一般來說，這可能與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和人口密度有關(guān)。正如我們所知，中國東部的城市化率、GDP 水平和人口密度均高于西部，東部的水系總量（293597 km）大于西北（32857 km）。此外，各區(qū)域人均水系長度與人均用水量沒有一定的關(guān)系，但與人均GDP 有一定的關(guān)系。

1.2 污水處理精細(xì)化設(shè)計

從2010 年到2019 年，中國城市的污水排放量和處理量逐年顯著增加。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部的統(tǒng)計，2010 年中國城市污水排放量為379 億立方米；截至2018 年，污水排放能力達(dá)到521 億立方米；截至2019年底，污水排放能力達(dá)到555 億立方米，同比增長6.13%。同樣，2010 年的污水處理量也只有312 億立方米；到2018 年，污水處理量達(dá)到498 億立方米；截至2019 年底，污水處理量達(dá)到526 億立方米，同比增長5.32%，污水處理能力大幅提升[4]。統(tǒng)計趨勢結(jié)果表明，在經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長和城市人口不斷增加的情況下，城市污水排放和處理總量將會較大。

中國在污水處理方面取得了顯著成績。到2019年底，每天處理能力達(dá)到1.79 億立方米/天[5]。排水網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也在同時進(jìn)行，排水網(wǎng)絡(luò)的總長度明顯逐年增加。這離不開地方政府的努力，其越來越重視污水收集處理設(shè)施的建設(shè)。在過去的幾十年里，中國的污水行業(yè)取得了高速提升和顯著進(jìn)步，在污水處理廠的建設(shè)中，不同污水處理工藝特點(diǎn)（表1），整體設(shè)計水平有了明顯提高，整體經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更加突出。

表1 不同污水處理工藝特點(diǎn)

2 污水處理廠精細(xì)化設(shè)計常見問題

2.1 設(shè)施建設(shè)相對不足

設(shè)施建設(shè)有兩種相關(guān)情況可以分析。一是部分污水處理廠初期設(shè)施建設(shè)相對不足，與污染控制任務(wù)嚴(yán)重不配套。截至2019 年底，已建成污水處理廠2471個，日處理污水能力約1.79 億噸。但污水處理廠存量仍不足，遠(yuǎn)不能滿足污水處理的高要求。此外，排水系統(tǒng)與污水處理廠密切相關(guān)，不可分割。現(xiàn)有水網(wǎng)總量約743982 公里，服務(wù)人口約4.35 億，庫存量同樣不足。二是部分污水處理廠設(shè)計深度不足、不夠精細(xì)、缺乏回訪機(jī)制。本應(yīng)消除的缺陷再次出現(xiàn)，無法提高設(shè)計質(zhì)量，這些缺陷往往給生產(chǎn)經(jīng)營帶來較大的不便。許多污水處理廠剛投入使用就進(jìn)行改造，造成資源浪費(fèi)，甚至永久性的缺陷。大多數(shù)污水處理廠，尤其是那些建于20 世紀(jì)90 年代的污水處理廠，采用了傳統(tǒng)的活性污泥工藝。受到現(xiàn)有工藝技術(shù)水平、設(shè)備條件和運(yùn)行管理水平的限制，普遍存在脫氮除磷效率低、污水處理運(yùn)行穩(wěn)定性差等技術(shù)問題，而且很難達(dá)到新環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放要求[5]。

2.2 精細(xì)化設(shè)計與設(shè)備實(shí)際操作不匹配

（1）設(shè)計規(guī)模與實(shí)際操作不符。一些污水處理廠的設(shè)計處理能力與實(shí)際運(yùn)行不匹配，可以定義為設(shè)施冗余大，基礎(chǔ)設(shè)施缺乏。為深入了解和分析設(shè)計規(guī)模與實(shí)際運(yùn)行之間的差異，對城市污水處理廠的水力負(fù)荷率進(jìn)行了調(diào)查。通常作為污水處理廠的評價指標(biāo)，運(yùn)行負(fù)荷率（HLR）是來水實(shí)際值與設(shè)計值的比值。核定運(yùn)行負(fù)荷率基本確定為設(shè)計處理能力的80%。

（2）大型設(shè)備冗余。大型設(shè)施冗余是指污水處理廠實(shí)際運(yùn)行規(guī)模大于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計建設(shè)規(guī)模。這主要體現(xiàn)在污水收集能力與設(shè)計處理能力不匹配。由于各種原因，污水收集能力小于或遠(yuǎn)小于設(shè)計處理能力。通過調(diào)查，國內(nèi)部分污水處理廠存在這一問題。主要原因有以下幾點(diǎn)。

①部分地區(qū)水網(wǎng)建設(shè)不足、不完善，這導(dǎo)致污水收集率較低，進(jìn)一步造成污水處理廠的設(shè)計值與實(shí)際值明顯不匹配，設(shè)計規(guī)模大于實(shí)際運(yùn)行規(guī)模，污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷較低；

②部分地區(qū)為預(yù)留發(fā)展空間，污水處理廠設(shè)計規(guī)模過大，但實(shí)際污水收集不足，導(dǎo)致運(yùn)行負(fù)荷率較低；

③隨著中國城市化進(jìn)程的加快和人口密度增加，一些污水處理廠的原設(shè)計無法有效應(yīng)對這種變化，因此，污水收集能力降低，實(shí)際運(yùn)行能力遠(yuǎn)低于設(shè)計能力。

2.3 設(shè)施設(shè)備不完善，處理效率低

目前，大部分污水處理廠預(yù)處理設(shè)施不完善，設(shè)備普遍存在年久失修、老化、變形等問題，部分設(shè)施長期關(guān)閉或無法正常運(yùn)行。此外，80%以上的污水處理廠沒有配備一次沉淀池，部分污水處理廠處于停工或非正常運(yùn)行狀態(tài)。通過現(xiàn)場調(diào)查，得出造成污水處理不穩(wěn)定的因素很多，如渣、砂、泥等引起的堵塞，纏繞，磨損，淤積，工藝和設(shè)備的選擇不合理，參數(shù)配置、單元和工藝配置不合理等。預(yù)處理缺陷是造成廢水處理不穩(wěn)定的主要問題，60%以上的不穩(wěn)定運(yùn)行問題是由于預(yù)處理不足或自身故障引起的。具體表現(xiàn)有兩種。

（1）網(wǎng)格問題：細(xì)網(wǎng)格的距離至少為1 mm，此時，仍有大量細(xì)渣可以通過格柵，漂浮在生化池表面，纏繞在設(shè)備上，網(wǎng)格去污機(jī)本身也很容易纏繞或堵塞，需要經(jīng)常維護(hù)清洗，干擾正常運(yùn)行。

（2）沉砂池問題：目前的沉砂池只能清除0.2 mm以上的礫石，大量細(xì)砂通過砂池，泥沙淤積，設(shè)備磨損，影響砂池正常運(yùn)行。

此外，穩(wěn)定的流型是除砂的前提。中小型處理廠污水量變化大，流速變化大，流型不穩(wěn)定，進(jìn)一步導(dǎo)致除砂效果惡化。大多數(shù)污水處理廠預(yù)處理設(shè)施不完善，沒有初級沉淀池。

3 污水處理廠精細(xì)化設(shè)計常見問題的對策研究

3.1 污水處理廠的工藝設(shè)計

工藝設(shè)計是污水處理廠建設(shè)中的一個重要環(huán)節(jié)，精益求精是每一位設(shè)計師的優(yōu)秀品質(zhì)。廢水表征是指廢水中污染物的濃度水平、組分特征、安全性、穩(wěn)定性、時空變化等。水處理工藝方案是一個可以支持水質(zhì)安全、工藝設(shè)計和診斷優(yōu)化的信息集成（圖1）。目前，中國污水處理廠的初步設(shè)計僅基于化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量、總氮等污染物的綜合指標(biāo)，這些指標(biāo)難以獲得污水處理特性的詳細(xì)信息，難以為污水處理工藝的選擇提供支持。污水水質(zhì)表征是污水處理廠設(shè)計和運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，面臨著提高水質(zhì)、效率和精細(xì)運(yùn)行的高要求。

圖1 整體污水處理工藝方案

國際水協(xié)會（IWA）建立的活性污泥模型（ASMs）對進(jìn)水COD、氮、磷組分進(jìn)行細(xì)化，是當(dāng)前精細(xì)設(shè)計和運(yùn)行要求所必需的。以COD 為例，首先將進(jìn)水COD 分為生物降解COD 和非生物降解COD。其中可生物降解COD 又分為快速可生物降解COD（RBCOD）和緩慢可生物降解COD（SBCOD），前者定義為一種可被細(xì)胞快速吸收用于生物合成和能量生產(chǎn)的物質(zhì)，可進(jìn)一步細(xì)分為復(fù)雜的快速生物降解COD（可發(fā)酵生物降解有機(jī)物）和短鏈脂肪酸形式的快速生物降解COD（發(fā)酵產(chǎn)物），后者分為膠體基板和粒狀基板，均為生物可降解基板。這些物質(zhì)通常是復(fù)雜的有機(jī)分子，需要被細(xì)胞外酶分解才能被細(xì)胞利用。非生物降解COD 按溶解度可分為溶解度和粒度，前者隨沉池出水流出系統(tǒng)，后者在活性污泥系統(tǒng)中積累，與剩余污泥一起排入系統(tǒng)。在不同地區(qū)，由于地區(qū)、環(huán)境和人類生活習(xí)慣等因素，廢水成分存在較大差異。因此，在污水處理廠的設(shè)計中，應(yīng)加強(qiáng)對污水組分的分類和檢測，將污水組分細(xì)化并融入設(shè)計中。廢水表征是模擬廢水處理過程運(yùn)行系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，只有了解進(jìn)水水質(zhì)的詳細(xì)特征和組成，才能更準(zhǔn)確地設(shè)計、模擬和預(yù)測污水處理工藝的運(yùn)行效果。

3.2 污水處理廠的設(shè)施優(yōu)化

預(yù)處理裝置是污水處理廠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。預(yù)處理裝置的運(yùn)行效率直接影響后續(xù)生化處理系統(tǒng)的運(yùn)行。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分被調(diào)查污水處理廠的預(yù)處理單元存在不同程度的問題。對于以預(yù)處理單元為代表的操作問題，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)，提高傳統(tǒng)預(yù)處理設(shè)施和設(shè)備的效率。例如，通過創(chuàng)新的預(yù)處理技術(shù)，可以將廢水中的無機(jī)渣和砂完全分離，這已在中國一些城市污水處理廠得到應(yīng)用。一體化設(shè)備可完全替代電網(wǎng)機(jī)、捕砂器和一次沉淀池。智能化改進(jìn)污水生態(tài)塘工藝不僅實(shí)現(xiàn)了通過廢水瞬間去除渣砂，而且降低了后續(xù)處理單元的污染物負(fù)荷（圖2）。可有效解決生化池泥沙淤積問題，改善廢水處理效果和池容量。相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)，不僅可以幫助污水處理廠實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和質(zhì)量提升，還可以為組合溢流水、黑臭水體、工業(yè)廢水等的處理提供有效的技術(shù)支持。

圖2 智能化改進(jìn)污水生態(tài)塘工藝

生化單元的優(yōu)化策略可從以下幾方面進(jìn)行。

（1）提高生化池的活性污泥性能。當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)、水量長期低于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值時，應(yīng)提高生化池的回流，防止污泥老化。通過合理調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)，提高活性污泥活性。

（2）科學(xué)管理好氧儲罐的溶解氧，即氧氣的供需平衡。氧傳遞效率（OTE）是反映曝氣系統(tǒng)充氧性能和實(shí)際運(yùn)行效率的重要參數(shù)，吸氧率（OUR）是指單位時間內(nèi)微生物在單位體積混合液體中的耗氧量，它是表征活性污泥微生物活性的最佳指標(biāo)之一。通過綜合儀器監(jiān)測好氧池的OUR 和OTE，可以計算出實(shí)際供氧和需氧量，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的曝氣控制，降低返回缺氧池的溶解氧濃度，節(jié)約碳源。例如，當(dāng)進(jìn)水污染物濃度較低時，應(yīng)根據(jù)OUR 水平及時減少曝氣量?？茖W(xué)管理溶解氧不僅可以降低能耗，而且可以降低廢水中內(nèi)部碳源的無效消耗。

（3）合理改造生化池。當(dāng)污水處理設(shè)施設(shè)計冗余較大時，可考慮對生化池進(jìn)行合理改造。

結(jié)語

通過對當(dāng)前城市污水處理行業(yè)普遍存在的問題進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：在過去的幾十年里，中國的污水處理行業(yè)雖然取得了高速增長和顯著的進(jìn)步，但仍有許多問題和挑戰(zhàn)需要解決。排水系統(tǒng)及污水處理廠等的污水收集處理設(shè)施建設(shè)存量不足、落后，污水處理廠的設(shè)計原則和建設(shè)與實(shí)際運(yùn)行不匹配，這些仍然困擾著廢水處理行業(yè)，污水處理廠的精細(xì)化設(shè)計、污水處理設(shè)施的優(yōu)化和合理的過程控制是解決這些共性問題的有效措施，展望未來，應(yīng)該繼續(xù)增加建設(shè)和經(jīng)營方面的投資，要求污水處理行業(yè)有獨(dú)特的可持續(xù)發(fā)展路徑。