基于魚骨圖分析枯水期污水廠生產(chǎn)運行成本

王淑芳,梁倩瑩,鐘周昌

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,湖北武漢 430070;2.東莞市水務(wù)集團凈水有限公司,廣東東莞 523000)

目前,東莞市共計61 家污水處理廠,處理水量達377 萬t/d。 進入枯水期后,污水處理廠進水水量減少,水質(zhì)變差,為保證出水水質(zhì)的達標排放,常需增加電量和藥劑的消耗量,造成生產(chǎn)運行成本增加。本文以東莞市8 家城鎮(zhèn)污水廠為研究對象,通過分析其進水水量、進水水質(zhì)和直接生產(chǎn)成本,將影響污水廠生產(chǎn)成本的因素進行歸納總結(jié),繪制相應(yīng)魚骨圖,以求更直觀、全面地表達出影響枯水期污水廠生產(chǎn)運行成本的重要指標。 并在綜合考慮污水處理廠實際情況后,闡述污水處理廠節(jié)能降耗措施的要點,為其他低負荷率污水廠的節(jié)能降耗提供新思路。

1 研究背景

1.1 研究方法

魚骨分析法又名因果分析法,是由日本管理大師石川馨先生所發(fā)展出來的,分為整理型魚骨圖、原因型魚骨圖和對策型魚骨圖[1],常應(yīng)用于質(zhì)量管理和安全系統(tǒng)。 魚骨分析法能夠通過簡單的圖形展示問題的本質(zhì),例如,孫華麗等[2]結(jié)合魚骨分析法和主成分分析(PCA),科學測度了我國各地區(qū)公共安全風險的影響因子。 本文以東莞市污水處理廠作為研究對象,利用魚骨圖對污水處理廠生產(chǎn)運行成本進行分析,以求更加直接、系統(tǒng)、清晰地闡明污水處理廠生產(chǎn)效益低的原因。

1.2 污水處理廠處理工藝

8 家污水處理廠設(shè)計處理水量合計為27 萬m3/d,污水處理廠進水主要由市民生活污水組成,污水處理廠基本情況如表1 所示。

表1 污水處理廠概況Tab.1 Overview of WWTPs

1.3 污水處理廠處理水量

2023 年1 月,8 家污水處理廠共處理水量為538.39 萬m3,日均處理水量17.37 萬m3/d,平均負荷為64.32%,日均處理水量環(huán)比2022 年12 月下降22.21%,較2022 年日均處理負荷率下降19.27%。由于進入枯水期,再加上疫情管控措施的調(diào)整,以及春節(jié)農(nóng)民工返鄉(xiāng)潮,生活污水產(chǎn)生量大幅減少,管網(wǎng)來水嚴重不足,污水處理廠整體負荷偏低。 8 家污水處理廠中僅1 家負荷達90%以上,4 家負荷低于60%。 C 廠來水波動較大,前期泵房處于高液位,超污水處理廠處理能力而來水未全接收,后期管網(wǎng)來水嚴重不足,采取間歇生產(chǎn),處理負荷在0.68%～123.15%,月平均負荷為35.12%。 E 廠和H 廠的月最大負荷分別為35.38%和24.41%,屬于典型的低負荷污水處理廠。 污水處理廠1 月處理負荷如圖1所示。

圖1 污水處理廠水量負荷Fig.1 Water Load of WWTPs

1.4 污水處理廠進水水質(zhì)

2023 年1 月各污水處理廠進水濃度月均值如表2 所示,整體較為平穩(wěn)。 與2022 年進水指標年均值相比,除氨氮下降0.88%外,其余指標均增加。 B廠進水BOD5質(zhì)量濃度較高,為98.4 mg/L,但是進水TN、TP 濃度偏低,故而B 廠BOD5/TN 和BOD5/TP 比值明顯高于其他廠區(qū)。 D 廠進水濃度整體低于其他污水處理廠,F 廠和G 廠整體偏高。 F 廠和G 廠隸屬于同一個鎮(zhèn)區(qū),進水濃度相似,多次出現(xiàn)進水泥沙較多的情況,SS 進水濃度偏高,且G 廠進水TP 波動較大,多次超設(shè)計限值(4 mg/L),最高可達21.0 mg/L。

表2 污水處理廠各指標進水濃度月均值Tab.2 Monthly Average Value of Influent Quality of Each Index of WWTPs

BOD5/CODCr常用來表征污水處理廠污水的可生化性,由表2 可知,8 家污水處理廠進水BOD5/CODCr均為0.4～0.6,表明污水的可生化性良好,適宜進行生物處理[3-4];然而,7 家污水處理廠進水BOD5/TN<4,不滿足生物脫氮處理要求,污水處理廠進水碳源不足,需額外投加碳源調(diào)整水質(zhì)結(jié)構(gòu)[4];污水處理廠生物除磷主要利用系統(tǒng)中的聚磷菌,一般認為,當BOD5/TP>20 時,表明進水可以滿足生物除磷的要求[5]。 由表2 可知,8 家污水處理廠進水水質(zhì)均滿足生物除磷的需求。

1.5 異常進水

C 廠2023 年1 月3 日4:00 開始,管網(wǎng)來水受到硫化物沖擊,導致生化池活性污泥中毒,污泥活性下降,生化系統(tǒng)硝化功能受到破壞,造成出水氨氮異常上升的情況,突破出水警戒值,但未超出設(shè)計限值。 廠區(qū)隨即采取減少進水、增加曝氣量、悶曝等措施。 同日23:00 進水TN 質(zhì)量濃度升高到74.21 mg/L(設(shè)計限值為30 mg/L),1 月4 日9:00—16:00進水TN 質(zhì)量濃度在27～35 mg/L,實際正常運行進水TN 質(zhì)量濃度為20 ～30 mg/L,進水TN 超過日常進水濃度。 通過對生化池各段出水氨氮和NO-3-N進行檢測,推測進水中可能存在難以降解的有機氮。進水TN 異常期間,因有硫化物影響氨氮,已經(jīng)采取了減產(chǎn)、加大了內(nèi)外回流、曝氣和投加碳源等措施。

2 污水處理廠生產(chǎn)運行成本分析

污水處理廠的生產(chǎn)運行成本包括人員費用、安全生產(chǎn)費、原材料藥耗、動力電費、自來水費、污泥處置費、化驗檢驗費、設(shè)備設(shè)施日常維護費、設(shè)備設(shè)施大修費和技術(shù)咨詢費。 其中,2023 年1 月單位成本(除人員費用、安全費用以外的直接成本)共計363.26 萬元,而自來水費、電費、原材料藥耗和污泥處置費占單位成本的80%以上。

自來水費、電費、原材料藥耗和污泥處置費被稱作是污水處理廠生產(chǎn)運行中的直接噸水成本,8 家污水處理廠直接噸水成本均值為0.59 元/m3,相較于2022 年(年平均負荷率為93.89%),直接噸水成本增加3.06%。 為找出影響枯水期污水廠生產(chǎn)運行成本的重要指標,從原材料藥耗、電耗、污泥處置3 個方向進行分析,將影響污水廠生產(chǎn)成本的因素進行歸納總結(jié),繪制相應(yīng)魚骨圖,結(jié)果如圖2 所示,影響污水處理廠1 月運行成本的重要因素是電耗、碳源、除磷劑和助凝劑等費用的增加。

圖2 基于魚骨圖分析的污水處理廠生產(chǎn)運行成本Fig.2 Production and Operation Cost of WWTPs Based on Fishbone Diagram

2.1 單位電耗

對污水處理廠運行工藝段使用的電量進行統(tǒng)計,計算得出8 家污水處理廠電耗均值為0.34 kW·h/m3,遠高于羅鋒等[6]報道的華南某污水處理廠噸水電耗,但仍在可接受范圍內(nèi)[7]。 污水廠電耗主要取決于污水廠管網(wǎng)進水負荷、進水水質(zhì)和曝氣效果(圖2)。

管網(wǎng)進水水量和進水水質(zhì)對污水處理廠單位電耗有著較大的影響。 2023 年1 月管網(wǎng)來水嚴重不足,負荷偏低,與2022 年12 月的日均處理水量相比,環(huán)比下降22.21%,但由于提升泵、鼓風機、產(chǎn)水泵等基礎(chǔ)設(shè)備需保持常開狀態(tài),在水量較低情況下,計算得出單位電耗偏高。 尤其是E 廠和H 廠,月處理負荷偏低,僅有25.22%和18.73%,但噸水電耗遠高于其他廠區(qū),分別為0.68 kW·h/m3和1.68 kW·h/m3。 同時,A 廠、B 廠、C 廠3 廠處理工藝相同(表1),處理負荷率為B 廠>A 廠>C 廠(圖1),B廠的進水水質(zhì)優(yōu)于A 廠和C 廠(表2),B 廠的單位電耗(0.24 kW·h/m3)低于A 廠(0.31 kW·h/m3)和C 廠(0.44 kW·h/m3)。 由此推斷,增加管網(wǎng)進水水量、提升進水水質(zhì)可在一定程度上降低污水處理廠單位電耗。 肖藍[8]在對上海市各污水處理廠運營能耗進行分析后得出,提高進水水量和進水水質(zhì)有利于發(fā)揮污水處理廠的處理效能,降低噸水電耗,此結(jié)論與本文的結(jié)論類似。

污水廠曝氣系統(tǒng)的曝氣效果也是影響噸水電耗的因素之一。 C 廠噸水電耗為0.44 kW·h/m3,僅次于E 廠和H 廠,一是由于C 廠的處理負荷偏低(35.12%);二是C 廠部分曝氣管破損導致曝氣不均勻、曝氣效率較低,再加上異常進水影響了生化池的硝化功能,為確保氨氮的去除率和削減量,污水處理廠適當增加曝氣量,最終噸水生化池供風量較上個月增加40.79%,用電量也隨之增加。

2.2 藥劑費用

1 月污水處理廠原材料費用共計37.43 萬元,根據(jù)進出水水質(zhì)的特點,藥劑費用主要用于TN、TP等指標的去除,因此,復合碳源、除磷劑和聚丙烯酰胺(PAM)對枯水期污水廠生產(chǎn)運行成本的影響較為明顯(圖2)。

(1)復合碳源

污水處理廠復合碳源的使用量與進水水質(zhì)和工藝參數(shù)息息相關(guān)。 進水碳源不足和氣水比過高導致污水處理廠對復合碳源有著較高的依賴。 污水處理廠復合碳源平均投加質(zhì)量濃度為67.75 mg/L(1 月只有3 家污水處理廠使用復合碳源,故只求3 家污水處理廠的平均投加濃度)。

E 廠和H 廠水處理藥耗較高,主要是由于首先E 廠和H 廠食微比較低,需投加大量碳源以增強生物脫氮效果;其次,H 廠缺氧池DO 質(zhì)量濃度長期高于0.5 mg/L,缺氧池DO 會消耗進水中的易降解CODCr的量,影響污水處理廠反硝化性能[9],因此,需在缺氧池前端投加復合碳源用以確保出水TN 達標排放。 C 廠碳源投加質(zhì)量濃度為26.05 mg/L,環(huán)比增加642.07%,主要是異常進水導致碳源投加量增加。

(2)除磷劑

生化池條件厭氧和進水TP 濃度及進水中無機磷的占比是影響除磷劑投加量的主要因素。 污水處理廠平均除磷劑單耗高達61.81 mg/L。

B 廠由于生化池上清液中TP 濃度大幅度增加,較上個月環(huán)比增加142.62%,為保證TP 出水效果,廠區(qū)加大了生化池聚合氯化鋁鐵(PAFC)的投加量。 此外,E 廠和H 廠處理負荷較低,污泥齡過長,氣水比長期較高,導致生化池厭氧環(huán)境較差,釋磷時氧化還原電位(ORP)>-150 mV,生物除磷條件較差,厭氧環(huán)境較差,故聚磷菌釋磷效果差,且1 月進水TP 波動較大,遂投加大量除磷劑輔助以化學除磷。

(3)絕干泥藥耗

進泥濃度和疊螺機壓泥效果決定了污水處理廠中用于壓泥的PAM 的投加量,污水處理廠的絕干泥藥耗為2.69 kg/(t DS)。 C 廠污泥性質(zhì)變差、進泥濃度不穩(wěn)定等因素造成絕干泥藥耗偏高;D 廠則由于帶式機老化,疊螺機疊片磨損需更換,壓泥效果差,導致絕干泥藥耗偏高。 E 廠和H 廠進泥濃度不高,疊螺機壓泥效果較差,需增加PAM 用量,導致其絕干泥藥耗較高。

2.3 污泥處置費

8 家污水處理廠1 月的污泥處置費共計134.04萬元,在該月單位成本中占比最大。 魚骨圖(圖2)清晰地呈現(xiàn)出除磷劑用量增加、過高的生化池污泥濃度和異常進水會造成污水處理廠濕泥產(chǎn)量增加。8 家污水廠化學除磷主要依靠PAC/PAFC,在水處理過程中,PAC/PAFC 可發(fā)揮強大的絮凝聚集作用,增加污泥產(chǎn)量。 A 廠、B 廠、F 廠和G 廠月濕泥產(chǎn)量均大于500 t,日均濕泥產(chǎn)量大于15 t,故而污泥處置費較高。 A 廠是管道直接輸送污泥混合液,1月運行期間污泥質(zhì)量濃度較高,為6 450 mg/L,濕泥產(chǎn)量高,污泥處置費用偏高;B 廠原本預計4 月進行生化池大修與清淤工作,為降低生化池內(nèi)污泥濃度,廠區(qū)加大了脫泥量;C 廠在1 月上旬受到異常進水沖擊,活性污泥活性降低,故而加大排泥,濕泥產(chǎn)率增加;D 廠污泥濃度高,污泥停留時間過長存在厭氧反硝化上浮的現(xiàn)象,為保證出水水質(zhì)增加產(chǎn)泥量所致。

3 應(yīng)對措施分析

為降低枯水期污水處理廠的直接噸水成本,根據(jù)魚骨圖結(jié)果進行污水廠節(jié)能降耗。 針對其電耗高、藥劑投加量大、濕泥產(chǎn)量高等問題,在確保污水處理設(shè)施正常穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,對處理工藝、工藝參數(shù)、運行模式等方面進行適當調(diào)整,以滿足低負荷率污水處理廠節(jié)能降耗的要求。

3.1 曝氣優(yōu)化

曝氣的優(yōu)化方式包括優(yōu)化曝氣器的布置方式、啟動間歇曝氣、增設(shè)推流器、增設(shè)小風量磁懸浮鼓風機等。 分析污水處理廠的工藝過程參數(shù)控制情況可知,部分廠區(qū)好氧池存在曝氣過量(DO>2 mg/L)的問題,因此,在進水負荷較低的情況下,靈活調(diào)整好氧池曝氣量,做到精確控制DO 濃度,已成為污水處理廠降低生產(chǎn)成本首要任務(wù)。

以H 廠為例,為了盡量降低好氧池DO 濃度,將風機頻率調(diào)整至最低值,但DO 濃度無明顯下降,月均值為3.52 mg/L,氣水比為8.29。 同時,H 廠由于其長時間低負荷運行,造成實際內(nèi)回流比高達500%,高于沈靜等[10]和滕榮國等[11]所建議的內(nèi)回流比。 過量曝氣以及極高的內(nèi)回流比造成回流水中DO 濃度過高,無法形成嚴格的缺氧環(huán)境,影響工藝的脫氮性能,需要額外投加大量復合碳源。 目前,建議H 廠購入小風量磁懸浮鼓風機,以降低好氧池DO 濃度。 同時,H 廠可參考A 廠采取間歇曝氣運行模式,即根據(jù)瞬時流量和好氧池DO 濃度,及時調(diào)整鼓風機的啟停,不僅可以降低污水處理廠電耗,還可提高反硝化脫氮性能。 實際運行發(fā)現(xiàn),當A 廠生化池供風量減少21%時,鼓風機電耗可減少11%,1#DO 濃度下降61.59%,2#DO 濃度下降51.60%,TN 去除率由61.9%提升至69.8%。

3.2 外加碳源

由于污水處理廠進水BOD5/TN 大多不滿足生物脫氮需求,外加碳源成為最常見的調(diào)整措施,然而,碳源價格昂貴,必須充分利用,盡可能將碳源保留到缺氧段,供反硝化菌的生長需要[12]。 H 廠復合碳源成本費偏高,僅次于電耗。 為節(jié)省碳源成本,H廠將原有的碳源投加點從提升泵房改為缺氧池前端,且根據(jù)當天運行情況,精準地控制投加濃度。 當在線儀表檢測顯示進水TN 質(zhì)量濃度連續(xù)兩個數(shù)超過20 mg/L、出水TN 質(zhì)量濃度維持在11 ～12 mg/L時,開始投加復合碳源,投加流量為20 L/h;當在線儀表檢測顯示進水TN 質(zhì)量濃度連續(xù)兩個數(shù)超過30 mg/L 時,復合碳源投加流量可增加至30 L/h。 但污水廠進出水儀表為每2 h 更新一次數(shù)據(jù),依照此方法調(diào)節(jié)復合碳源的投加率仍不夠精準,因此,建議在缺氧池末端加裝在線NO-3-N 儀表,實時檢測缺氧池出口NO-3-N,從而調(diào)整碳源的投加。 劉超等[13]的試驗證明此方法聯(lián)合投加復合碳源,大約可降低48%的生物脫氮噸水成本。 此外,還可以將碳源投加點由缺氧池前端改為缺氧池中段,保證反硝化菌對外加碳源的有效利用[14],并降低回流水中DO 濃度對缺氧池反硝化脫氮的負面影響;或是在不新增池體的條件下,將好氧池分割,形成獨立消氧區(qū),也可使回流混合液DO 質(zhì)量濃度降至0.5 mg/L 以下[15]。

3.3 工藝調(diào)整

(1)單邊運行

E 廠運行成本高主要是由于處理負荷低,且處理負荷受天氣因素影響較大,旱季期間處理負荷不足30%,雨季期間泵房液位迅速增長,瞬時處理負荷提升至130%,管網(wǎng)仍有溢流風險。 為降低能耗,節(jié)省污水處理成本,可進行工藝調(diào)整,實行單邊運行。 運行模式主要分為3 種,即枯水期實行生化池及膜池單邊運行模式、雨季前期實行生化池單邊運行模式、雨季實行生化池及膜池雙邊運行模式。 前期試驗數(shù)據(jù)表明,生化池及膜池單邊運行與雙邊運行相比,噸水電耗將減少0.40 kW·h/m3,碳源投加量減少163 mg/L,生產(chǎn)成本可至少減少12.65 萬元/月。

(2)磁混凝技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

磁混凝技術(shù)通過投加磁粉,使得混凝劑、污染物和磁粉絮凝三者形成密度更大的絮體,進而提高混凝沉淀的效果,具有沉淀速度快、效率高、磁種可回收利用等優(yōu)點[16]。 F 廠和H 廠采用AAO+磁混凝系統(tǒng)工藝。 AAO+磁混凝高效沉淀工藝在城鎮(zhèn)污水處理廠中較為常見,鐘增雄等[17]通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對于TP 和SS 具有較好的控制效果,可一定程度上降低污水處理廠的助凝劑和絮凝劑藥耗。 但磁種、混凝劑、絮凝劑的最佳加藥量和加藥順序,仍需污水處理廠進一步優(yōu)化。

(3)污泥脫水系統(tǒng)技術(shù)改造

E 廠脫水機實際進泥質(zhì)量濃度(4 000 ～6 000 mg/L)小于初設(shè)進泥質(zhì)量濃度(7 000 mg/L),污泥經(jīng)設(shè)備脫水后含水率為85%左右。 進泥濃度不高,脫水后污泥含水率過高,造成其絮凝劑用量增加。為了進一步改善設(shè)備脫水效果,可計劃增設(shè)一套污泥濃縮設(shè)備。 根據(jù)目前儲泥池工作容量增設(shè)污泥濃縮罐,污泥濃縮罐通過重力濃縮的方式把含水率從99%以上降低至95%～98%[《室外排水設(shè)計標準》(GB 50014—2021)],基本滿足污泥脫水設(shè)備的進泥含水率要求,隨后進入脫水機房進一步脫水,預期可將E 廠絕干泥藥耗由6.25 kg/(t DS)降至2.78 kg/(t DS)。

3.4 設(shè)備維護與更換

污水處理廠設(shè)備分為Ⅰ類設(shè)備(關(guān)鍵設(shè)備)、Ⅱ類設(shè)備(重要設(shè)備)、Ⅲ類設(shè)備(一般設(shè)備)。 Ⅰ類設(shè)備的損壞將會致使生產(chǎn)過程中斷或?qū)ιa(chǎn)有直接影響;Ⅱ類設(shè)備的損壞將會使處理水量減產(chǎn)或處理系統(tǒng)部分功能喪失;Ⅲ類設(shè)備的損壞通常不影響生產(chǎn)過程。

由于污水處理廠運行時間較長,設(shè)備完好率不能達到100%,部分設(shè)備的損壞對廠區(qū)能耗造成了較大的影響。 例如,A 廠紫外消毒燈管故障率>5%,造成電耗以及次氯酸鈉藥耗增加;C 廠曝氣管破損造成鼓風器電耗增加;D 廠帶式壓濾機和疊螺脫水機部分配件損壞,導致污泥含水率居高不下,產(chǎn)泥效率低,絕干泥藥耗增加。

4 結(jié)論

(1)進入枯水期后,管網(wǎng)來水不足,進水水質(zhì)變差。 8 家污水廠平均負荷僅為64.32%,且大多數(shù)污水廠面臨著進水碳源不足的問題。

(2)8 家污水處理廠的直接噸水成本(自來水費、電費、原材料藥耗和污泥處置費)較高,為0.59元/m3,通過魚骨分析法直觀地展示出,導致污水處理廠1 月成本增加的原因主要是電耗、碳源、除磷劑和絮凝劑等費用的增加。

(3)為降低枯水期污水處理廠的直接噸水成本,針對魚骨圖分析下的電耗高、水處理藥劑投加量大和絕干泥藥耗高等問題,污水處理廠需準確掌握自身進水特質(zhì),對曝氣系統(tǒng)、藥劑投加量、工藝運行狀況做出及時的調(diào)整,靈活控制各種運行參數(shù)。