污水处理系统问题诊断及提质增效策略

王 寅，周传庭,2，唐建国

(1.上海市城市建设设计研究总院<集团>有限公司，上海 200127；2.同济大学环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

城镇污水处理系统由污水收集、处理及再生利用、污泥处理处置等核心单元构成，过去20年，我国城镇污水处理发展迅速，为经济的可持续发展做出了重大贡献。然而在新时期，问题逐渐凸显[1]：污水处理系统污染物收集率不高、溢流污染控制不到位，“重建设、轻管理”、“重厂轻网”，导致污水厂污染物进水浓度长期上不去，地表水体污染物浓度下不来。

针对新时期城镇污水处理系统的客观需求和水生态环境改善的立足点，为进一步提升对城镇污水处理系统的科学诊断和功能定位，有效提升城镇污水处理系统的功能，改善进水水质，本论文以实际案例为出发点，探讨了河网密布区域污水处理系统提质增效的系统化整治方案[2-3]，对污水处理厂进水浓度长期偏低的问题进行识别，并分析成因，提出可行性整治方案。

1 污水处理厂进水浓度长期偏低问题识别与成因分析

1.1 污水系统概况

本研究以上海市某污水处理厂为研究对象，该污水处理厂服务面积为12.1 km2，片区内以工业用地、城镇住宅基地、商业服务用地等为主，服务人口约2.5万人。该污水厂服务片区采用雨污分流的排水体制，污水总管网长度为18.4 km，其中一级污水管网长度为1.8 km。区域工业污水量占比约40%。

1.2 水量变化情况分析

分析2015年—2019年区域给水量和污水量数值，给水和排水量整体上变化趋势一致，5年间实际给水量平均17.2万t/月，污水排放系数按0.9考虑，则理论原生污水量应为15.5万t/月，而实际污水处理量33.4万t/月，是理论原生污水量的2.15倍。雨季和旱季实际污水量分别为37.3万t/月和29.5万t/月，是理论原生污水量的2.33倍和2.04倍。

该污水处理厂2015年—2019年月平均水量波动情况如图1所示。由图1可知，每年6月—11月进厂污水量较大。对月水量变化趋势进行分析，结果如图2所示。2015年—2019年进水量均值整体呈现下降趋势；每年6月—9月进水量均值与年均值的比例，整体呈现上升趋势。年进水量呈现下降趋势，而6月—9月这4个月的进水量却呈现明显的上升趋势，分析可能原因可能与当地汛期降雨量有关。

图1 污水厂2015年—2019年月水量变化曲线图

图2 水量变化趋势

由上海市气象降雨资料分析可知，上海市的汛期是每年的6月—9月，这期间也是全年中降雨最为集中的时段，如图3所示。从降雨量在全年的分布情况来看，汛期4个月的降雨量最多。通过以上分析可知，兴塔水质净化厂进水量与上海市年降雨分布量呈现一定的相关性，受雨季影响明显。为进一步分析降雨对进水水量的影响，对2019年日进水量进行更为详细的研究和分析。筛选2019年发生暴雨、大雨和中雨降雨事件，比较当天进水量与前一天的进水量，并计算差值。在未降雨日期内，进水量与前1 d的差值的平均值为-27.5 m3，表明虽然日进水量有波动，但均值基本保持稳定。而当降雨等级为暴雨、大雨和中雨降雨事件时，进水量与前1 d的差值平均值为5 420.5 m3。因此，从降雨关联性和降雨前后水量波动情况看，该污水厂进水水量波动受当地降雨情况影响较大。

图3 上海市年内降雨量分布

以该污水厂2019年数据为研究对象，剔除雨天进水量数据，对旱季进水水量进行分析。统计数据为2019年1月1日—2019年12月23日，合计357 d，去除降雨天数，旱天合计134 d，日进水量最大为15 905 m3，最小值为3 262 m3，日平均进水量为8 494.2 m3。服务区域实际用水量为35万t/月，合计11 667万t/d。污水排放系数按0.9考虑，则理论原生污水量应为10 500 m3/d。2019年全年日平均进水量为10 001.6 m3/d，理论为10 500 m3/d，旱季仅为8 494.2 m3/d。由此分析可知，该水厂服务区域旱季污水收集未做到“应收应尽”，外水涌入，导致污水处理厂浓度上不去，处理的不是“真正”的污水。

1.3 水质变化情况分析

分析2015年—2019年月平均水质情况，该污水厂自2017年5月始，平均月进水COD和BOD明显小于行动计划目标值(图4)。该污水厂进水CODCr浓度在112.5～325.7 mg/L，BOD5为37.8～107.9 mg/L，COD和BOD的变异系数分别为1.59和1.58，均大于1.5。进水的有机物组成(BOD/COD)变化幅度却很小，为0.32～0.34，变异系数仅为1.02。

图4 污水厂进水COD和BOD浓度变化趋势

由以上分析结果可知，造成以上结果的原因可能是进水存在“集中稀释”作用，外来水或大量有机物含量低的纳管水水量波动，导致进水浓度成比例的上下波动。污水厂进水浓度长期偏低要从“地下水入渗”、“雨污管网错接、混接”、“河湖水体倒灌”、“进水水质本底情况”4个方面出发追溯根源，以赶出污水管道中的清水为核心目标，制定针对性的措施。

2019年该污水厂服务区域大雨及暴雨事件BOD5进厂平均浓度为37.5 mg/L，中雨事件进厂平均浓度为65.1 mg/L，旱季BOD5进厂平均浓度为53.3 mg/L。在中雨事件发生时，进厂有机物浓度较降雨前一天反而提高，可能是管道长期未清理，管泥较多，存在冲刷效应。降雨为大雨或暴雨时，有机物浓度下降较为明显，外水入渗严重，稀释效应明显大于冲刷效应，导致浓度降低。

1.4 原因分析

(1)地下水入渗分析

在地下水位高的情况下，地下水会通过管道的各类结构性缺陷进入管道中，提高污水管道的水位，污水厂进水量增加，BOD5浓度降低。根据旱季给水和排水量分析可知，近5年由于管道的各种缺陷，排水系统内存在大量的地下水入渗量。

(2)雨污混接情况分析

雨污混接主要两种情况：①污水混接进入雨水管道，会导致污水直排河道，降低污水收集率，应收未收；②雨水混接进入污水管道，会导致雨天时污水厂的负荷超标，进水浓度进而被稀释。片区内大部分老小区内敷设为合流管道，仍需做实工厂、小区内部的源头雨污分流改造工作。门面房等污水直排雨水口的情况也是源头雨污混接工作的重要内容。

(3)河水倒灌分析

在排水口淹没在常水位以下时，旱天河湖水会通过这些排水口河水倒灌进入排水管道，导致雨水管或合流管水位高。河水倒灌进入污水系统可能途径：①通过河道沿河截流管倒灌进入污水系统；②通过市政雨污混接点从雨水管道进入污水系统。兴塔片区为雨污分流制，根据雨污混接情况的调查可知，片区内不存在市政雨污混接的混接类型。综上，河水倒灌对进水浓度偏低影响基本不存在。

(4)生活污水水质本底值分析

对1月—2月水质进行分析，该期间为春节期间，工业用水量少，预测生活污水水质本底值情况。通过预测，该区域生活污水的平均本底值为180～210 mg/L。该区域均为老小区，内部为合流管道，设置有化粪池，相关文献研究表明：经化粪池沉淀厌氧处理后，上清液排入污水管网中，对BOD5的处理效率可达到51.1%。因此，为提高生活污水的进水本底值，建议结合小区雨污分流改造取消化粪池。

2 “一厂一策”制定措施

针对该厂进水浓度长期偏低的问题，应从地表水体水倒灌、地下水及其他水入渗、雨水管错接或混接入污水管、改善工业废水有机物浓度降低用水量等多个方面查找具体原因，并有针对性地制定对策措施。

(1)外来水入侵

针对该厂下雨前后水量和水质变化明显的特性，采取防止外来水入侵收集系统的对策。防止外来水入侵措施包括防止雨水入侵的对策、防止地下水入侵的对策和防止河水倒灌的对策，根据前面的原因分析，本研究主要采取针对雨水入流的情况，主要有以下解决对策。

① 污水收集管网破损导致的雨水入侵。对该区域主要污水管网进行调查，通过CCTV等措施对管道的结构性状况进行评估，掌握区域建成管网状况，对管道缺陷进行检测修复措施，防止雨水入侵。

② 雨污混接导致的雨水入侵。该污水厂区域采用分流制排水系统，采用自下游至上游、先主管后支管的措施，对检查井不明管道进行排查，判断是否为雨水管道，进行改接驳整改。收集关键节点管网水位信息，通过识别雨天管网水位异常值，判断重点整改区域。

③ 截污系统雨水入侵。该区域部分小区采用合流制排水系统，并未彻底就行雨污分流。系统梳理合流制小区，排查重复截污点，对截污点的截留量进行评估，防止截污工程导致的雨水入侵。同时，考虑后续住宅小区合改分的可能性。

通过对污水收集系统进行排查，查找具体原因，并分析河湖水倒灌、外水入渗、管道错接混接3个方面导致进水有机物浓度偏低的贡献率，找准具体问题再追溯根源。

(2)工业废水措施

对该水厂污水来源进行调查发现，片区工业废水占比较大，且大部分企业纳管废水有机物浓度低。依据《国家水污染物排放标准制订技术导则》(HJ 945.2—2018)中的指导内容：对于可生化性较好的农副食品加工工业等污水，可执行协商限值。对该厂服务区域内企业水质进行详细分析排查，对于满足条件的企业污水可执行协商限值，提高进水有机物浓度。但协商限值企业排放前，需在排水管道整治和充分论证的基础上进行，避免高浓度污水渗漏排入水体，污染环境。同时对于有机物浓度低、用水量大的企业，提倡采取节水措施。

(3)厂网一体化协调管理

开展污水系统整治工作是改善水环境、消除劣V类水体工作的核心内容之一。提高水厂BOD只是阶段考核指标，而最终的目的是改善城市水环境。从长远来看，应加强排水管网的管理和整治，形成厂网协调管理的长效机制。

上海市排水体制多以分流制为主，合流制为辅，新建区域多采用分流制，建成的合流制体制区域设置截污系统。2015年上海市水务局开展了分流制排水地区的雨污混接调查和治理工作，2018年该水厂区域对一级管网进行了检测估，并采取了相应的措施进行修复整改。“一厂一策”是在提质增效的范畴内，建议在排查完成后，要建立周期性检测制度，维护污水收集系统的正常运行。同时，将管网的运营维护纳入污水厂管理体制，保证有专业的维护队伍和前后统一的数据管理，形成长效厂网一体化协调管理机制。

3 提质增效技术路线

河网密布区域提质增效技术路线如图5所示。

注：灰色填充部分为本案例推荐实施方案

河网密布区域，河湖和地下水位高，因地表水体水等地表水体水位高于污水直排口、雨水排水口和地下埋设管道，地表水体水倒灌进入污水处理系统；污水管道实际上是埋设在地下水中的，管道断裂、塌陷、错口等结构性缺陷，导致污水管道、截流管道“清污不分”。地下水等入渗进入污水管道中，稀释了污水处理厂进水污染物浓度[4]。同时，设计、施工错误，管理不到位等，导致污水错接、混接进入雨水排水系统[5]，雨季雨水也会进入污水系统，污水管在雨天冒溢和污水处理厂超负荷溢流。

因此，“一厂一策”的制定应根据厂区具体情况，查找原因，再对区域污水收集系统进行针对性排查，对于确定的主要原因追溯根源，再制定相应的措施。

4 结语

精准摸排出污水收集系统的具体病灶所在，是污水处理系统提质增效解决污水厂有机物浓度低的主要途径。根据水质水量等问题分析，该区域系统内的外来水量大、工业废水量和生活污水本底浓度值低，源头雨污合流、雨污混接等，降低了进厂污染物浓度。通过问题识别，该区域污水系统确定的治理思路为“调限值、改分流、强管理”。近期以“挤外水”为主要目标，提高进水浓度本底值，重点推进源头治理，远期建立长效管理机制，持续推进污水处理提质增效。

污水收集管网是系统提质增效的关键，根据排水管网主要节点之间或排口出水的污染物浓度对比，快速确定需要检测的排水管网和定位附近需要排除的污水来源。根据调查内容，制定“一厂一策”系统化解决方案，是水环境系统提质增效的主要途径；同时通过制定长期监测评估方案、治理方案和综合监督方案，形成长久管理模式，是提质增效的根本。