城鎮(zhèn)污水廠全流程優(yōu)化運(yùn)行實(shí)踐

馬九利 王偉

摘 要：針對日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，蘇州市某污水處理廠通過開展污水管網(wǎng)低水位運(yùn)行、持續(xù)推進(jìn)查漏修復(fù)等舉措，保障了污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)濃度，其中COD＞300 mg/L、BOD5＞120 mg/L。通過對進(jìn)水水質(zhì)特征分析，掌握進(jìn)水水質(zhì)情況，針對不同的進(jìn)水水質(zhì)特征對全流程工藝進(jìn)行優(yōu)化，最大限度的利用污水中有機(jī)碳源。同時，污水處理廠不斷加強(qiáng)信息化改造，對進(jìn)水泵房進(jìn)行恒水量·恒水位系統(tǒng)改造，改造后總能耗下降2.2%；生物段采用自動化曝氣系統(tǒng)，鼓風(fēng)機(jī)用電量同比下降12.92%，單位耗氧污染物耗電量同比下降15.51%。

關(guān)鍵詞：低水位；全流程優(yōu)化；恒水量·恒水位；自動化曝氣系統(tǒng)

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-9655（2023）0-06

0 引言

城市排水系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著城市生活污水和工業(yè)生產(chǎn)廢水的收集、處理、排放等任務(wù)，是城市水污染防治、排洪防澇的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1，2]。隨著政府對宜居環(huán)境的日益重視和人民群眾環(huán)保意識的增強(qiáng)，社會各界對污水的輸送和處理提出了更高的要求[3，4]。

《“十四五”城鎮(zhèn)污水處理及資源化利用發(fā)展規(guī)劃》提出，在“十四五”規(guī)劃時期，污水處理的主基調(diào)已經(jīng)從“增量建設(shè)為主”逐步轉(zhuǎn)為“系統(tǒng)提質(zhì)增效與結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化并重”，要強(qiáng)化污水處理設(shè)施弱項(xiàng)的同時補(bǔ)齊污水管網(wǎng)短板，有效提升存量、做優(yōu)增量，建設(shè)高質(zhì)量城鎮(zhèn)污水處理體系。因此，污水處理廠需要且有必要對水質(zhì)特征和運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)且深入的分析，制定有針對性的優(yōu)化工藝運(yùn)行策略。

劉禮祥等[5]從污水廠全流程出發(fā)，探討了提升單元、沉砂與初沉池、生化段等工藝段節(jié)能降耗運(yùn)行策略。夏麗彬[6]也提出，為保障污水廠可持續(xù)發(fā)展，要積極開展節(jié)能降耗，關(guān)鍵在于提升系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)及污泥處理系統(tǒng)的優(yōu)化。

蘇州市某污水處理廠進(jìn)水BOD5/COD 比值均值為0.45，可生化性較好，BOD5/TN＞3～5之間的概率高達(dá)76.4%，反硝化碳源相對充足。其依托于集約化、扁平化、專業(yè)化的組織架構(gòu)和信息化工具，創(chuàng)新開展基于低水位運(yùn)行的廠-站-網(wǎng)一體化統(tǒng)一調(diào)度模式；利用智能手段，提升進(jìn)水泵效能，優(yōu)化曝氣系統(tǒng)。不僅保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)蘇州特別排放限值，而且有效提升進(jìn)水水質(zhì)濃度，力爭打造一座現(xiàn)代化的智慧污水處理廠。

（2）全市生活污水處理廠2021年1月1日起按蘇州特別排放限值標(biāo)準(zhǔn)考核。根據(jù)《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》第4.1.4.2款規(guī)定，取樣頻率為至少每2 h一次，取24 h混合樣，以日均值計(jì)。

該污水處理廠采用傳統(tǒng)A/A/O + 轉(zhuǎn)盤過濾工藝，日處理量為4萬t，處理工藝流程如圖1。尾水執(zhí)行《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，以及《DB 32/1072-2018太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》表2標(biāo)準(zhǔn)。2020年至今，尾水水質(zhì)滿足蘇州特別排放限值要求，達(dá)標(biāo)率為100%。

1 廠站網(wǎng)一體化低水位運(yùn)行

蘇州作為平原河網(wǎng)城市，有著“東方威尼斯”的美譽(yù)。河道水系復(fù)雜、地下水位高，這對污水管網(wǎng)的運(yùn)行帶來很大的壓力。該污水處理廠以污水不入河、優(yōu)化水生態(tài)為目標(biāo)，在中心城區(qū)污水管網(wǎng)中設(shè)置80個液位計(jì)，24 h監(jiān)控管道液位，將管道內(nèi)污水液位控制在河道液位以下。2019年，該污水處理廠推動區(qū)域協(xié)同調(diào)度[5]，通過有效利用排水管網(wǎng)的內(nèi)部空間和跨區(qū)域調(diào)配協(xié)同調(diào)度，充分挖掘排水管網(wǎng)低水位運(yùn)行、污水處理質(zhì)量以及節(jié)能降耗方面的空間，整合從污水收集、轉(zhuǎn)輸、處理全生態(tài)過程，打通現(xiàn)有的站站之間獨(dú)立運(yùn)行與廠站之間獨(dú)立運(yùn)行的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)污水的錯峰輸排，在保障低水位運(yùn)行的前提下，降低水泵啟停頻次和減少水量沖擊的影響，同時提升污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)濃度。

近年來，隨著蘇州中心城區(qū)污水管網(wǎng)低水位運(yùn)行和查漏修復(fù)工作的持續(xù)推進(jìn)，該污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)保持較高水平（見表2），CODCr、BOD5濃度均滿足《蘇州市城鄉(xiāng)生活污水處理提質(zhì)增效精準(zhǔn)攻堅(jiān)“333”行動實(shí)施方案》相關(guān)要求（CODCr＞260 mg/L，BOD5＞100 mg/L）。城區(qū)污水管道運(yùn)行液位常年低于河道液位，大大減少了污水入河的風(fēng)險，河道水質(zhì)改善明顯。根據(jù)環(huán)保部門對城區(qū)28條河道的監(jiān)測數(shù)據(jù)，大部分河道水質(zhì)的主體指標(biāo)達(dá)到了III 類或優(yōu)于III 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。蘇州老城區(qū)部分區(qū)域地勢較低，特別是實(shí)施改廁工程過后，一些背街小巷排水條件不利，在污水管網(wǎng)保持高水位運(yùn)行時，經(jīng)常發(fā)生污水滿溢、倒灌等現(xiàn)象，居民投訴較多。全面實(shí)行低水位運(yùn)行后，關(guān)于污水滿溢投訴基本消失，柳家浜、齊門下塘74號、龍興橋地區(qū)等地勢低洼地區(qū)排水不暢問題得到徹底的解決，汛期也未發(fā)生污水大面積長時間滿溢，群眾滿意度明顯上升。

2 進(jìn)水水質(zhì)特征分析

污水處理廠是否能夠有效地脫氮除磷，除了與采用的工藝相關(guān)以外，與進(jìn)水水質(zhì)也有一定的關(guān)系，一般將COD、BOD5/COD 、BOD5/TN、SS、SCOD等作為評價進(jìn)水水質(zhì)好壞的指標(biāo)[6]。進(jìn)水BOD5/COD 表示可生化性指標(biāo)，是判斷污水能否進(jìn)行生化處理的重要依據(jù)；BOD5/TN是微生物維持自身生長的重要營養(yǎng)元素之一，反映了廢水中是否有足夠的碳源來滿足反硝化脫氮需求[7]。通過對該廠2020年進(jìn)水水質(zhì)BOD5/COD 與BOD5/TN進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由圖2可以看出進(jìn)水BOD5/COD 比值均值為0.45，中間值0.42，進(jìn)水BOD5/COD ＜0.3的概率為20.1%，由此說明該廠的進(jìn)水中雖然存在一定數(shù)量的難生物降解污染物，但是總體顯示進(jìn)水可生化性較好。由圖3可以看出，BOD5/TN的平均值為4.2，中間值為4.0；BOD5/TN＞3～5的概率高達(dá)76.4%，這說明進(jìn)水反硝化碳源相對充足。

SCOD為溶解性COD，表征可被微生物快速利用的碳源，SCOD值偏低直接影響厭氧池生物釋磷效果。自2019年起，該污水處理廠將進(jìn)水SCOD作為常規(guī)監(jiān)測指標(biāo)，用于指導(dǎo)生物池脫氮除磷的調(diào)控。由圖4進(jìn)水SCOD/COD比值與降雨量的關(guān)系可以看出，降雨對SCOD影響較大，雨量越大，SCOD濃度越低、SCOD/COD越低，因此在雨季要加強(qiáng)TP的調(diào)控。通過對進(jìn)水SS成分進(jìn)行測定，可以研究進(jìn)水SS中揮發(fā)性有機(jī)物和惰性成分占比，作為后續(xù)生物池污泥濃度調(diào)控的依據(jù)之一。對該污水處理廠2020年進(jìn)水SS成分占比可以看出（見圖5），VSS占比74.6%，屬于較高比例，說明進(jìn)水SS可降解性較好。通過與國外典型值及部分中國數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（見表3）[8]，可以看出，該污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)成分在國內(nèi)屬于中上水平，與典型值較為一致。

3 信息化改造

3.1 進(jìn)水泵房恒水量·恒水位改造

該污水處理廠原采用人工手動調(diào)度方式調(diào)節(jié)廠部進(jìn)水泵頻率的過程中，因存在一定滯后性，廠內(nèi)進(jìn)水流量會有較大波動，對生物池水質(zhì)會有較大的沖擊，既不利于生物段DO控制，又不利于外管網(wǎng)水量調(diào)配。通過對進(jìn)水泵房恒水量·恒水位自控改造，進(jìn)水泵根據(jù)水量、液位、運(yùn)行時間進(jìn)行排序控制，水泵運(yùn)行時間齊頭并進(jìn)，平衡負(fù)荷。在高液位下，進(jìn)水泵能夠穩(wěn)定保持恒水量運(yùn)行；在低液位下，進(jìn)水泵穩(wěn)定保持恒水位模式；在高液位與低液位之間，模式也可以自行切換，減少對生物處理單元的沖擊，減少了人工勞動強(qiáng)度，同時也降低了能耗，有效解決了相關(guān)問題。

一般情況，污水處理廠執(zhí)行恒水量運(yùn)行來降低管網(wǎng)液位，騰出調(diào)蓄空間，應(yīng)對高峰期；管網(wǎng)中基本無積水情況下，自動切換為恒液位（較低液位）運(yùn)行，降低能耗。由圖6進(jìn)水泵房改造前后、廠部進(jìn)水COD負(fù)荷變化情況可以看出，改造后進(jìn)水COD小時負(fù)荷波動范圍明顯收窄。在能耗方面，進(jìn)水泵房程序改造后水泵能耗較改造前下降2.2%。

3.2 生物池自動化曝氣改造

為進(jìn)一步推進(jìn)精細(xì)化運(yùn)行管理，2019年10月該污水處理廠自主開展了生物池溶解氧與空氣支管閥門及鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行聯(lián)動調(diào)節(jié)的研究，通過更換性能更優(yōu)的空氣支管活塞閥，在線監(jiān)測溶解氧濃度的變化，主控制柜可根據(jù)需氧量自動實(shí)時調(diào)整風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度，實(shí)現(xiàn)生物池曝氣自動化控制的目的，減少了鼓風(fēng)機(jī)和空氣支管閥的頻繁操作，減少了由人工操作造成的主觀性偏差和工作量。完成自動化曝氣系統(tǒng)改造后，該污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)用電量同比下降12.92%，單位耗氧污染物（以BOD5、NH3-N計(jì)）耗電量同比下降15.51%。

隨著該污水處理廠工藝運(yùn)行的不斷優(yōu)化，尾水排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)蘇州特別排放限值。同時，至2017年起，單位污染物耗電量（以BOD5、NH3-N計(jì)）逐步降低，由1.85 kW·h/kg降至1.48 kW·h/kg，降幅20%。在藥耗方面，除磷藥劑全年實(shí)現(xiàn)8個月不投加，碳源實(shí)現(xiàn)了全年零投加。

4 工藝全流程優(yōu)化

4.1 一級處理工藝優(yōu)化

進(jìn)水水質(zhì)成分對后續(xù)生物處理效率影響極大，當(dāng)進(jìn)水VSS/TSS從70%降到50%，污泥量增加80%以上。因此，我們需要重視管網(wǎng)查漏修復(fù)工作，有效提高污水管網(wǎng)的收集率，提升生物池進(jìn)水VSS。

除了提高污水管網(wǎng)的有效收集率，在污水處理廠內(nèi)加強(qiáng)一級處理工藝，也是一項(xiàng)非常值得研究的工作。該污水處理廠一方面在細(xì)格柵后增加超細(xì)格柵，增加攔截效率，另一方面優(yōu)化曝氣沉砂運(yùn)行方式，停止曝氣，增加出渣設(shè)備的運(yùn)行效率，根據(jù)每天對出渣量統(tǒng)計(jì)，日均產(chǎn)渣量增加50%。國際上一般以表觀產(chǎn)泥率（即污泥絕干產(chǎn)量/COD削減量）來評價污水處理廠污泥產(chǎn)生量[9]。

由圖7可以看出，該污水處理廠通過優(yōu)化一級處理工藝，目前平均表觀產(chǎn)泥率為0.38，處于較低水平。

4.2 全流程分析

通過分析主要污染物在整個污水處理流程中的沿程變化情況，掌握厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)等系統(tǒng)的不同功能區(qū)對污染物的去除效果，從而判定各工藝運(yùn)行環(huán)節(jié)是否處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，最終確定具體的優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)。污水COD 的沿程變化情況如圖8所示，進(jìn)水COD為304 mg/L，進(jìn)水SCOD/COD 為0.48，表明進(jìn)水含有較多可溶性COD。經(jīng)過曝氣沉砂池后，除去少量顆粒態(tài)COD，在厭氧段SCOD 顯著下降。結(jié)合氮和磷的沿程變化，厭氧段聚磷菌發(fā)生釋磷反應(yīng)、缺氧段反硝化細(xì)菌反硝化作用消耗SCOD明顯。

氮的沿程含量變化情況如圖9，可以看出STN/TN=0.95，表明進(jìn)水TN中絕大部分為溶解性氮，而且NH3-N為STN 中的主要成分。NH3-N在好氧段濃度較低，且二沉池出水NH3-N濃度為0.416 mg/L，低于蘇州特別排放限值要求（＜1.5 mg/L），表明好氧段硝化效果良好。

NO3--N濃度由好氧末端3.98 mg/L降到缺氧末端的0.54 mg/L，該工藝段的反硝化效果良好。同時，以NH3-N為依據(jù)，根據(jù)回流點(diǎn)等水質(zhì)濃度進(jìn)行核算，計(jì)算實(shí)際回流比，與理論（水泵流量）進(jìn)行校正，以此輔助判斷設(shè)備運(yùn)行情況。根據(jù)NH3-N計(jì)算，內(nèi)回流比為191%，外回流比為101%，與實(shí)際運(yùn)行情況相符。

磷的沿程含量變化如圖10，可以看出，在厭氧段釋磷倍數(shù)約6.73倍，釋磷效果明顯，同時也說明該工藝段碳源充足，無需額外增加碳源。在缺氧段存在部分吸磷現(xiàn)象，好氧末端PO4--P濃度達(dá)0.107 mg/L，除磷效果較好。

5 結(jié)論

該污水處理廠采用基于低水位運(yùn)行的廠站網(wǎng)一體化調(diào)度模式，保障了污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)濃度。通過對進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行特征分析，不斷地優(yōu)化全流程運(yùn)行工藝，加強(qiáng)一級處理工藝，增加攔截效率，最大限度的挖掘污水中有機(jī)物的利用潛質(zhì)；采用進(jìn)水泵房恒水量·恒水位運(yùn)行，降低能耗2.2%；采用生物段自動化曝氣的智能化控制手段，鼓風(fēng)機(jī)用電量同比下降12.92%，單位耗氧污染物耗電量同比下降15.51%，既保障尾水能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)蘇州特別排放限值，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的。這些舉措期望對排水行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域有一定的借鑒意義。

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Abstract： In response to the increasingly strict sewage discharge standard， a sewage treatment plant in Suzhou has ensured the water quality concentration of the sewage treatment plant by carrying out low-level operation of the sewage pipe network and continuing to promote leak detection and repair. The concentration of COD was more than 300mg/L and BOD5 more than 120mg/L. By analyzing the characteristics of influent water quality， the whole process according to different characteristics of influent water quality would be optimized， so as to maximize the utilization of organic carbon sources in sewage. At the same time， the sewage treatment plant continued to strengthen the information transformation， and carried out the constant water volume and constant water level system transformation of the inlet pump room. After the transformation， the total energy consumption decreased by 2.2%. The biological section adopted an automatic aeration system， and the power consumption of the blower decreased by 12.92%. The electricity consumption of oxygen-consuming pollutants per-unit has decreased by 15.51%.

Key words： low water level; optimization of the whole process; constant water volume; constant water level; automatic aeration system