污水處理系統問題診斷及提質增效策略

王 寅，周傳庭,2，唐建國

(1.上海市城市建設設計研究總院<集團>有限公司，上海 200127；2.同濟大學環境科學與工程學院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

城鎮污水處理系統由污水收集、處理及再生利用、污泥處理處置等核心單元構成，過去20年，我國城鎮污水處理發展迅速，為經濟的可持續發展做出了重大貢獻。然而在新時期，問題逐漸凸顯[1]：污水處理系統污染物收集率不高、溢流污染控制不到位，“重建設、輕管理”、“重廠輕網”，導致污水廠污染物進水濃度長期上不去，地表水體污染物濃度下不來。

針對新時期城鎮污水處理系統的客觀需求和水生態環境改善的立足點，為進一步提升對城鎮污水處理系統的科學診斷和功能定位，有效提升城鎮污水處理系統的功能，改善進水水質，本論文以實際案例為出發點，探討了河網密布區域污水處理系統提質增效的系統化整治方案[2-3]，對污水處理廠進水濃度長期偏低的問題進行識別，并分析成因，提出可行性整治方案。

1 污水處理廠進水濃度長期偏低問題識別與成因分析

1.1 污水系統概況

本研究以上海市某污水處理廠為研究對象，該污水處理廠服務面積為12.1 km2，片區內以工業用地、城鎮住宅基地、商業服務用地等為主，服務人口約2.5萬人。該污水廠服務片區采用雨污分流的排水體制，污水總管網長度為18.4 km，其中一級污水管網長度為1.8 km。區域工業污水量占比約40%。

1.2 水量變化情況分析

分析2015年—2019年區域給水量和污水量數值，給水和排水量整體上變化趨勢一致，5年間實際給水量平均17.2萬t/月，污水排放系數按0.9考慮，則理論原生污水量應為15.5萬t/月，而實際污水處理量33.4萬t/月，是理論原生污水量的2.15倍。雨季和旱季實際污水量分別為37.3萬t/月和29.5萬t/月，是理論原生污水量的2.33倍和2.04倍。

該污水處理廠2015年—2019年月平均水量波動情況如圖1所示。由圖1可知，每年6月—11月進廠污水量較大。對月水量變化趨勢進行分析，結果如圖2所示。2015年—2019年進水量均值整體呈現下降趨勢；每年6月—9月進水量均值與年均值的比例，整體呈現上升趨勢。年進水量呈現下降趨勢，而6月—9月這4個月的進水量卻呈現明顯的上升趨勢，分析可能原因可能與當地汛期降雨量有關。

圖1 污水廠2015年—2019年月水量變化曲線圖

圖2 水量變化趨勢

由上海市氣象降雨資料分析可知，上海市的汛期是每年的6月—9月，這期間也是全年中降雨最為集中的時段，如圖3所示。從降雨量在全年的分布情況來看，汛期4個月的降雨量最多。通過以上分析可知，興塔水質凈化廠進水量與上海市年降雨分布量呈現一定的相關性，受雨季影響明顯。為進一步分析降雨對進水水量的影響，對2019年日進水量進行更為詳細的研究和分析。篩選2019年發生暴雨、大雨和中雨降雨事件，比較當天進水量與前一天的進水量，并計算差值。在未降雨日期內，進水量與前1 d的差值的平均值為-27.5 m3，表明雖然日進水量有波動，但均值基本保持穩定。而當降雨等級為暴雨、大雨和中雨降雨事件時，進水量與前1 d的差值平均值為5 420.5 m3。因此，從降雨關聯性和降雨前后水量波動情況看，該污水廠進水水量波動受當地降雨情況影響較大。

圖3 上海市年內降雨量分布

以該污水廠2019年數據為研究對象，剔除雨天進水量數據，對旱季進水水量進行分析。統計數據為2019年1月1日—2019年12月23日，合計357 d，去除降雨天數，旱天合計134 d，日進水量最大為15 905 m3，最小值為3 262 m3，日平均進水量為8 494.2 m3。服務區域實際用水量為35萬t/月，合計11 667萬t/d。污水排放系數按0.9考慮，則理論原生污水量應為10 500 m3/d。2019年全年日平均進水量為10 001.6 m3/d，理論為10 500 m3/d，旱季僅為8 494.2 m3/d。由此分析可知，該水廠服務區域旱季污水收集未做到“應收應盡”，外水涌入，導致污水處理廠濃度上不去，處理的不是“真正”的污水。

1.3 水質變化情況分析

分析2015年—2019年月平均水質情況，該污水廠自2017年5月始，平均月進水COD和BOD明顯小于行動計劃目標值(圖4)。該污水廠進水CODCr濃度在112.5～325.7 mg/L，BOD5為37.8～107.9 mg/L，COD和BOD的變異系數分別為1.59和1.58，均大于1.5。進水的有機物組成(BOD/COD)變化幅度卻很小，為0.32～0.34，變異系數僅為1.02。

圖4 污水廠進水COD和BOD濃度變化趨勢

由以上分析結果可知，造成以上結果的原因可能是進水存在“集中稀釋”作用，外來水或大量有機物含量低的納管水水量波動，導致進水濃度成比例的上下波動。污水廠進水濃度長期偏低要從“地下水入滲”、“雨污管網錯接、混接”、“河湖水體倒灌”、“進水水質本底情況”4個方面出發追溯根源，以趕出污水管道中的清水為核心目標，制定針對性的措施。

2019年該污水廠服務區域大雨及暴雨事件BOD5進廠平均濃度為37.5 mg/L，中雨事件進廠平均濃度為65.1 mg/L，旱季BOD5進廠平均濃度為53.3 mg/L。在中雨事件發生時，進廠有機物濃度較降雨前一天反而提高，可能是管道長期未清理，管泥較多，存在沖刷效應。降雨為大雨或暴雨時，有機物濃度下降較為明顯，外水入滲嚴重，稀釋效應明顯大于沖刷效應，導致濃度降低。

1.4 原因分析

(1)地下水入滲分析

在地下水位高的情況下，地下水會通過管道的各類結構性缺陷進入管道中，提高污水管道的水位，污水廠進水量增加，BOD5濃度降低。根據旱季給水和排水量分析可知，近5年由于管道的各種缺陷，排水系統內存在大量的地下水入滲量。

(2)雨污混接情況分析

雨污混接主要兩種情況：①污水混接進入雨水管道，會導致污水直排河道，降低污水收集率，應收未收；②雨水混接進入污水管道，會導致雨天時污水廠的負荷超標，進水濃度進而被稀釋。片區內大部分老小區內敷設為合流管道，仍需做實工廠、小區內部的源頭雨污分流改造工作。門面房等污水直排雨水口的情況也是源頭雨污混接工作的重要內容。

(3)河水倒灌分析

在排水口淹沒在常水位以下時，旱天河湖水會通過這些排水口河水倒灌進入排水管道，導致雨水管或合流管水位高。河水倒灌進入污水系統可能途徑：①通過河道沿河截流管倒灌進入污水系統；②通過市政雨污混接點從雨水管道進入污水系統。興塔片區為雨污分流制，根據雨污混接情況的調查可知，片區內不存在市政雨污混接的混接類型。綜上，河水倒灌對進水濃度偏低影響基本不存在。

(4)生活污水水質本底值分析

對1月—2月水質進行分析，該期間為春節期間，工業用水量少，預測生活污水水質本底值情況。通過預測，該區域生活污水的平均本底值為180～210 mg/L。該區域均為老小區，內部為合流管道，設置有化糞池，相關文獻研究表明：經化糞池沉淀厭氧處理后，上清液排入污水管網中，對BOD5的處理效率可達到51.1%。因此，為提高生活污水的進水本底值，建議結合小區雨污分流改造取消化糞池。

2 “一廠一策”制定措施

針對該廠進水濃度長期偏低的問題，應從地表水體水倒灌、地下水及其他水入滲、雨水管錯接或混接入污水管、改善工業廢水有機物濃度降低用水量等多個方面查找具體原因，并有針對性地制定對策措施。

(1)外來水入侵

針對該廠下雨前后水量和水質變化明顯的特性，采取防止外來水入侵收集系統的對策。防止外來水入侵措施包括防止雨水入侵的對策、防止地下水入侵的對策和防止河水倒灌的對策，根據前面的原因分析，本研究主要采取針對雨水入流的情況，主要有以下解決對策。

① 污水收集管網破損導致的雨水入侵。對該區域主要污水管網進行調查，通過CCTV等措施對管道的結構性狀況進行評估，掌握區域建成管網狀況，對管道缺陷進行檢測修復措施，防止雨水入侵。

② 雨污混接導致的雨水入侵。該污水廠區域采用分流制排水系統，采用自下游至上游、先主管后支管的措施，對檢查井不明管道進行排查，判斷是否為雨水管道，進行改接駁整改。收集關鍵節點管網水位信息，通過識別雨天管網水位異常值，判斷重點整改區域。

③ 截污系統雨水入侵。該區域部分小區采用合流制排水系統，并未徹底就行雨污分流。系統梳理合流制小區，排查重復截污點，對截污點的截留量進行評估，防止截污工程導致的雨水入侵。同時，考慮后續住宅小區合改分的可能性。

通過對污水收集系統進行排查，查找具體原因，并分析河湖水倒灌、外水入滲、管道錯接混接3個方面導致進水有機物濃度偏低的貢獻率，找準具體問題再追溯根源。

(2)工業廢水措施

對該水廠污水來源進行調查發現，片區工業廢水占比較大，且大部分企業納管廢水有機物濃度低。依據《國家水污染物排放標準制訂技術導則》(HJ 945.2—2018)中的指導內容：對于可生化性較好的農副食品加工工業等污水，可執行協商限值。對該廠服務區域內企業水質進行詳細分析排查，對于滿足條件的企業污水可執行協商限值，提高進水有機物濃度。但協商限值企業排放前，需在排水管道整治和充分論證的基礎上進行，避免高濃度污水滲漏排入水體，污染環境。同時對于有機物濃度低、用水量大的企業，提倡采取節水措施。

(3)廠網一體化協調管理

開展污水系統整治工作是改善水環境、消除劣V類水體工作的核心內容之一。提高水廠BOD只是階段考核指標，而最終的目的是改善城市水環境。從長遠來看，應加強排水管網的管理和整治，形成廠網協調管理的長效機制。

上海市排水體制多以分流制為主，合流制為輔，新建區域多采用分流制，建成的合流制體制區域設置截污系統。2015年上海市水務局開展了分流制排水地區的雨污混接調查和治理工作，2018年該水廠區域對一級管網進行了檢測估，并采取了相應的措施進行修復整改。“一廠一策”是在提質增效的范疇內，建議在排查完成后，要建立周期性檢測制度，維護污水收集系統的正常運行。同時，將管網的運營維護納入污水廠管理體制，保證有專業的維護隊伍和前后統一的數據管理，形成長效廠網一體化協調管理機制。

3 提質增效技術路線

河網密布區域提質增效技術路線如圖5所示。

注：灰色填充部分為本案例推薦實施方案

河網密布區域，河湖和地下水位高，因地表水體水等地表水體水位高于污水直排口、雨水排水口和地下埋設管道，地表水體水倒灌進入污水處理系統；污水管道實際上是埋設在地下水中的，管道斷裂、塌陷、錯口等結構性缺陷，導致污水管道、截流管道“清污不分”。地下水等入滲進入污水管道中，稀釋了污水處理廠進水污染物濃度[4]。同時，設計、施工錯誤，管理不到位等，導致污水錯接、混接進入雨水排水系統[5]，雨季雨水也會進入污水系統，污水管在雨天冒溢和污水處理廠超負荷溢流。

因此，“一廠一策”的制定應根據廠區具體情況，查找原因，再對區域污水收集系統進行針對性排查，對于確定的主要原因追溯根源，再制定相應的措施。

4 結語

精準摸排出污水收集系統的具體病灶所在，是污水處理系統提質增效解決污水廠有機物濃度低的主要途徑。根據水質水量等問題分析，該區域系統內的外來水量大、工業廢水量和生活污水本底濃度值低，源頭雨污合流、雨污混接等，降低了進廠污染物濃度。通過問題識別，該區域污水系統確定的治理思路為“調限值、改分流、強管理”。近期以“擠外水”為主要目標，提高進水濃度本底值，重點推進源頭治理，遠期建立長效管理機制，持續推進污水處理提質增效。

污水收集管網是系統提質增效的關鍵，根據排水管網主要節點之間或排口出水的污染物濃度對比，快速確定需要檢測的排水管網和定位附近需要排除的污水來源。根據調查內容，制定“一廠一策”系統化解決方案，是水環境系統提質增效的主要途徑；同時通過制定長期監測評估方案、治理方案和綜合監督方案，形成長久管理模式，是提質增效的根本。