城鎮污水廠全流程優化運行實踐

馬九利 王偉

摘 要：針對日益嚴格的污水排放標準，蘇州市某污水處理廠通過開展污水管網低水位運行、持續推進查漏修復等舉措，保障了污水處理廠進水水質濃度，其中COD＞300 mg/L、BOD5＞120 mg/L。通過對進水水質特征分析，掌握進水水質情況，針對不同的進水水質特征對全流程工藝進行優化，最大限度的利用污水中有機碳源。同時，污水處理廠不斷加強信息化改造，對進水泵房進行恒水量·恒水位系統改造，改造后總能耗下降2.2%；生物段采用自動化曝氣系統，鼓風機用電量同比下降12.92%，單位耗氧污染物耗電量同比下降15.51%。

關鍵詞：低水位；全流程優化；恒水量·恒水位；自動化曝氣系統

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

0 引言

城市排水系統擔負著城市生活污水和工業生產廢水的收集、處理、排放等任務，是城市水污染防治、排洪防澇的重要基礎設施，在城市建設和經濟發展中發揮著重要作用[1，2]。隨著政府對宜居環境的日益重視和人民群眾環保意識的增強，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”城鎮污水處理及資源化利用發展規劃》提出，在“十四五”規劃時期，污水處理的主基調已經從“增量建設為主”逐步轉為“系統提質增效與結構調整優化并重”，要強化污水處理設施弱項的同時補齊污水管網短板，有效提升存量、做優增量，建設高質量城鎮污水處理體系。因此，污水處理廠需要且有必要對水質特征和運行現狀進行詳細且深入的分析，制定有針對性的優化工藝運行策略。

劉禮祥等[5]從污水廠全流程出發，探討了提升單元、沉砂與初沉池、生化段等工藝段節能降耗運行策略。夏麗彬[6]也提出，為保障污水廠可持續發展，要積極開展節能降耗，關鍵在于提升系統、曝氣系統及污泥處理系統的優化。

蘇州市某污水處理廠進水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76.4%，反硝化碳源相對充足。其依托于集約化、扁平化、專業化的組織架構和信息化工具，創新開展基于低水位運行的廠-站-網一體化統一調度模式；利用智能手段，提升進水泵效能，優化曝氣系統。不僅保障出水水質穩定達標蘇州特別排放限值，而且有效提升進水水質濃度，力爭打造一座現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準考核。根據《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》第4.1.4.2款規定，取樣頻率為至少每2 h一次，取24 h混合樣，以日均值計。

該污水處理廠采用傳統A/A/O + 轉盤過濾工藝，日處理量為4萬t，處理工藝流程如圖1。尾水執行《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，以及《DB 32/1072-2018太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》表2標準。2020年至今，尾水水質滿足蘇州特別排放限值要求，達標率為100%。

1 廠站網一體化低水位運行

蘇州作為平原河網城市，有著“東方威尼斯”的美譽。河道水系復雜、地下水位高，這對污水管網的運行帶來很大的壓力。該污水處理廠以污水不入河、優化水生態為目標，在中心城區污水管網中設置80個液位計，24 h監控管道液位，將管道內污水液位控制在河道液位以下。2019年，該污水處理廠推動區域協同調度[5]，通過有效利用排水管網的內部空間和跨區域調配協同調度，充分挖掘排水管網低水位運行、污水處理質量以及節能降耗方面的空間，整合從污水收集、轉輸、處理全生態過程，打通現有的站站之間獨立運行與廠站之間獨立運行的環節，實現污水的錯峰輸排，在保障低水位運行的前提下，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水水質濃度。

近年來，隨著蘇州中心城區污水管網低水位運行和查漏修復工作的持續推進，該污水處理廠進水水質保持較高水平（見表2），CODCr、BOD5濃度均滿足《蘇州市城鄉生活污水處理提質增效精準攻堅“333”行動實施方案》相關要求（CODCr＞260 mg/L，BOD5＞100 mg/L）。城區污水管道運行液位常年低于河道液位，大大減少了污水入河的風險，河道水質改善明顯。根據環保部門對城區28條河道的監測數據，大部分河道水質的主體指標達到了III 類或優于III 類水質標準。蘇州老城區部分區域地勢較低，特別是實施改廁工程過后，一些背街小巷排水條件不利，在污水管網保持高水位運行時，經常發生污水滿溢、倒灌等現象，居民投訴較多。全面實行低水位運行后，關于污水滿溢投訴基本消失，柳家浜、齊門下塘74號、龍興橋地區等地勢低洼地區排水不暢問題得到徹底的解決，汛期也未發生污水大面積長時間滿溢，群眾滿意度明顯上升。

2 進水水質特征分析

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以外，與進水水質也有一定的關系，一般將COD、BOD5/COD 、BOD5/TN、SS、SCOD等作為評價進水水質好壞的指標[6]。進水BOD5/COD 表示可生化性指標，是判斷污水能否進行生化處理的重要依據；BOD5/TN是微生物維持自身生長的重要營養元素之一，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年進水水質BOD5/COD 與BOD5/TN進行統計分析，由圖2可以看出進水BOD5/COD 比值均值為0.45，中間值0.42，進水BOD5/COD ＜0.3的概率為20.1%，由此說明該廠的進水中雖然存在一定數量的難生物降解污染物，但是總體顯示進水可生化性較好。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76.4%，這說明進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，該污水處理廠將進水SCOD作為常規監測指標，用于指導生物池脫氮除磷的調控。由圖4進水SCOD/COD比值與降雨量的關系可以看出，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TP的調控。通過對進水SS成分進行測定，可以研究進水SS中揮發性有機物和惰性成分占比，作為后續生物池污泥濃度調控的依據之一。對該污水處理廠2020年進水SS成分占比可以看出（見圖5），VSS占比74.6%，屬于較高比例，說明進水SS可降解性較好。通過與國外典型值及部分中國數據進行對比（見表3）[8]，可以看出，該污水處理廠進水水質成分在國內屬于中上水平，與典型值較為一致。

3 信息化改造

3.1 進水泵房恒水量·恒水位改造

該污水處理廠原采用人工手動調度方式調節廠部進水泵頻率的過程中，因存在一定滯后性，廠內進水流量會有較大波動，對生物池水質會有較大的沖擊，既不利于生物段DO控制，又不利于外管網水量調配。通過對進水泵房恒水量·恒水位自控改造，進水泵根據水量、液位、運行時間進行排序控制，水泵運行時間齊頭并進，平衡負荷。在高液位下，進水泵能夠穩定保持恒水量運行；在低液位下，進水泵穩定保持恒水位模式；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，減少了人工勞動強度，同時也降低了能耗，有效解決了相關問題。

一般情況，污水處理廠執行恒水量運行來降低管網液位，騰出調蓄空間，應對高峰期；管網中基本無積水情況下，自動切換為恒液位（較低液位）運行，降低能耗。由圖6進水泵房改造前后、廠部進水COD負荷變化情況可以看出，改造后進水COD小時負荷波動范圍明顯收窄。在能耗方面，進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

為進一步推進精細化運行管理，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機運行聯動調節的研究，通過更換性能更優的空氣支管活塞閥，在線監測溶解氧濃度的變化，主控制柜可根據需氧量自動實時調整風機導葉開度，實現生物池曝氣自動化控制的目的，減少了鼓風機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改造后，該污水處理廠鼓風機用電量同比下降12.92%，單位耗氧污染物（以BOD5、NH3-N計）耗電量同比下降15.51%。

隨著該污水處理廠工藝運行的不斷優化，尾水排放穩定達標蘇州特別排放限值。同時，至2017年起，單位污染物耗電量（以BOD5、NH3-N計）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，除磷藥劑全年實現8個月不投加，碳源實現了全年零投加。

4 工藝全流程優化

4.1 一級處理工藝優化

進水水質成分對后續生物處理效率影響極大，當進水VSS/TSS從70%降到50%，污泥量增加80%以上。因此，我們需要重視管網查漏修復工作，有效提高污水管網的收集率，提升生物池進水VSS。

除了提高污水管網的有效收集率，在污水處理廠內加強一級處理工藝，也是一項非常值得研究的工作。該污水處理廠一方面在細格柵后增加超細格柵，增加攔截效率，另一方面優化曝氣沉砂運行方式，停止曝氣，增加出渣設備的運行效率，根據每天對出渣量統計，日均產渣量增加50%。國際上一般以表觀產泥率（即污泥絕干產量/COD削減量）來評價污水處理廠污泥產生量[9]。

由圖7可以看出，該污水處理廠通過優化一級處理工藝，目前平均表觀產泥率為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、缺氧區和好氧區等系統的不同功能區對污染物的去除效果，從而判定各工藝運行環節是否處于最佳運行狀態，最終確定具體的優化關鍵點。污水COD 的沿程變化情況如圖8所示，進水COD為304 mg/L，進水SCOD/COD 為0.48，表明進水含有較多可溶性COD。經過曝氣沉砂池后，除去少量顆粒態COD，在厭氧段SCOD 顯著下降。結合氮和磷的沿程變化，厭氧段聚磷菌發生釋磷反應、缺氧段反硝化細菌反硝化作用消耗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，根據回流點等水質濃度進行核算，計算實際回流比，與理論（水泵流量）進行校正，以此輔助判斷設備運行情況。根據NH3-N計算，內回流比為191%，外回流比為101%，與實際運行情況相符。

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象，好氧末端PO4--P濃度達0.107 mg/L，除磷效果較好。

5 結論

該污水處理廠采用基于低水位運行的廠站網一體化調度模式，保障了污水處理廠進水水質濃度。通過對進水水質進行特征分析，不斷地優化全流程運行工藝，加強一級處理工藝，增加攔截效率，最大限度的挖掘污水中有機物的利用潛質；采用進水泵房恒水量·恒水位運行，降低能耗2.2%；采用生物段自動化曝氣的智能化控制手段，鼓風機用電量同比下降12.92%，單位耗氧污染物耗電量同比下降15.51%，既保障尾水能夠穩定達標蘇州特別排放限值，又達到節能降耗的目的。這些舉措期望對排水行業相關領域有一定的借鑒意義。

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[9] Iaconi C D， MD Sanctis， Altieri V G. Full-scale sludge reduction in the water line of municipal wastewater treatment plant[J]. Journal of Environmental Management， 2020（269）： 110714.

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