城市污水处理厂精细化设计的关键因素探讨

孙文刚 孙文博

（1 浙江晖石药业有限公司 浙江绍兴 312300 2 西安星航市政设计研究院有限公司 陕西西安 710061）

引言

随着中国城市建设的发展，水污染问题日益突出，水资源矛盾日益激化，已经开始影响各个领域的可持续发展[1]。因此，废水处理成为水污染控制的首要任务。在全球经济快速发展的背景下，生态理念在环境设计中也逐渐兴起。随着现代社会的快速发展，生态环保在城市污水处理中的应用是一种必然趋势。只有改善传统的环境问题，推动发展模式的转变，引导城市污水处理与生态环保的结合，才能满足可持续发展的要求。环境对人们的生活有着深远影响，因此完善城市污水处理能提高人们的生活质量，真正实现生态环保的价值。随着国家对环境保护的日益重视，中国污水处理行业进入了黄金发展期。根据住房和城乡建设部全国城市污水处理信息管理系统（NUWTIMS）的统计数据，截至2019 年底，中国城市已建成并运行的污水处理厂（WWTPs）超过2000 家，污水日处理能力约1.79 亿吨，处理率达到96.81%[2]。然而，城市污水处理的效果与人们对水环境改善的期望仍有差距，特别是黑臭水已成为一个棘手的水环境污染问题。城市污水处理设施建设要实现由规模增长向质量增效转变，特别是排水网络收集系统建设滞后和不足。这些仍然是困扰污水处理行业的主要问题，需要废水处理设施的建设、运行和管理进行根本性变革。

本研究的主要目的是利用污水处理厂的调查数据，对中国城市污水处理行业的常见问题进行综合分析。针对国内污水处理厂设计与实际运行不匹配的共性问题进行深入研究，同时，有针对性地提出对策建议。本研究的结果可以为污水处理行业提供有价值的启示。

1 中国城市污水处理厂精细化设计行业现状

1.1 污水处理厂管网设计

污水处理与排水管网建设密不可分，在过去的十年中，中国城市水网总量以每年超过5%的速度增长。截至2019 年底，中国城市水系总长度达到743982 公里，服务人口约4.35 亿。然而，与一些发达国家相比，差异是显而易见的。与日本和德国相比，中国的水网长度几乎相同，甚至明显高于美国（12.9 万公里）。然而，中国的下水道普及率只有65%，明显低于其他发达国家。其中，英国和德国的下水道渗透率最高分别为96.5%和98.5%[3]。根据住房和城乡建设部的统计数据，截至2019 年，华东地区水网建设规模最大，已建成水网近293597 公里，占全国水网的39.46%。而它是中国西北地区最短的，只有32857 公里，占4.42%。一般来说，这可能与当地的经济发展和人口密度有关。正如我们所知，中国东部的城市化率、GDP 水平和人口密度均高于西部，东部的水系总量（293597 km）大于西北（32857 km）。此外，各区域人均水系长度与人均用水量没有一定的关系，但与人均GDP 有一定的关系。

1.2 污水处理精细化设计

从2010 年到2019 年，中国城市的污水排放量和处理量逐年显著增加。根据住房和城乡建设部的统计，2010 年中国城市污水排放量为379 亿立方米；截至2018 年，污水排放能力达到521 亿立方米；截至2019年底，污水排放能力达到555 亿立方米，同比增长6.13%。同样，2010 年的污水处理量也只有312 亿立方米；到2018 年，污水处理量达到498 亿立方米；截至2019 年底，污水处理量达到526 亿立方米，同比增长5.32%，污水处理能力大幅提升[4]。统计趋势结果表明，在经济持续稳定增长和城市人口不断增加的情况下，城市污水排放和处理总量将会较大。

中国在污水处理方面取得了显著成绩。到2019年底，每天处理能力达到1.79 亿立方米/天[5]。排水网络的建设也在同时进行，排水网络的总长度明显逐年增加。这离不开地方政府的努力，其越来越重视污水收集处理设施的建设。在过去的几十年里，中国的污水行业取得了高速提升和显著进步，在污水处理厂的建设中，不同污水处理工艺特点（表1），整体设计水平有了明显提高，整体经济效益和社会效益更加突出。

表1 不同污水处理工艺特点

2 污水处理厂精细化设计常见问题

2.1 设施建设相对不足

设施建设有两种相关情况可以分析。一是部分污水处理厂初期设施建设相对不足，与污染控制任务严重不配套。截至2019 年底，已建成污水处理厂2471个，日处理污水能力约1.79 亿吨。但污水处理厂存量仍不足，远不能满足污水处理的高要求。此外，排水系统与污水处理厂密切相关，不可分割。现有水网总量约743982 公里，服务人口约4.35 亿，库存量同样不足。二是部分污水处理厂设计深度不足、不够精细、缺乏回访机制。本应消除的缺陷再次出现，无法提高设计质量，这些缺陷往往给生产经营带来较大的不便。许多污水处理厂刚投入使用就进行改造，造成资源浪费，甚至永久性的缺陷。大多数污水处理厂，尤其是那些建于20 世纪90 年代的污水处理厂，采用了传统的活性污泥工艺。受到现有工艺技术水平、设备条件和运行管理水平的限制，普遍存在脱氮除磷效率低、污水处理运行稳定性差等技术问题，而且很难达到新环境标准规定的排放要求[5]。

2.2 精细化设计与设备实际操作不匹配

（1）设计规模与实际操作不符。一些污水处理厂的设计处理能力与实际运行不匹配，可以定义为设施冗余大，基础设施缺乏。为深入了解和分析设计规模与实际运行之间的差异，对城市污水处理厂的水力负荷率进行了调查。通常作为污水处理厂的评价指标，运行负荷率（HLR）是来水实际值与设计值的比值。核定运行负荷率基本确定为设计处理能力的80%。

（2）大型设备冗余。大型设施冗余是指污水处理厂实际运行规模大于或远远大于设计建设规模。这主要体现在污水收集能力与设计处理能力不匹配。由于各种原因，污水收集能力小于或远小于设计处理能力。通过调查，国内部分污水处理厂存在这一问题。主要原因有以下几点。

①部分地区水网建设不足、不完善，这导致污水收集率较低，进一步造成污水处理厂的设计值与实际值明显不匹配，设计规模大于实际运行规模，污水处理厂运行负荷较低；

②部分地区为预留发展空间，污水处理厂设计规模过大，但实际污水收集不足，导致运行负荷率较低；

③随着中国城市化进程的加快和人口密度增加，一些污水处理厂的原设计无法有效应对这种变化，因此，污水收集能力降低，实际运行能力远低于设计能力。

2.3 设施设备不完善，处理效率低

目前，大部分污水处理厂预处理设施不完善，设备普遍存在年久失修、老化、变形等问题，部分设施长期关闭或无法正常运行。此外，80%以上的污水处理厂没有配备一次沉淀池，部分污水处理厂处于停工或非正常运行状态。通过现场调查，得出造成污水处理不稳定的因素很多，如渣、砂、泥等引起的堵塞，缠绕，磨损，淤积，工艺和设备的选择不合理，参数配置、单元和工艺配置不合理等。预处理缺陷是造成废水处理不稳定的主要问题，60%以上的不稳定运行问题是由于预处理不足或自身故障引起的。具体表现有两种。

（1）网格问题：细网格的距离至少为1 mm，此时，仍有大量细渣可以通过格栅，漂浮在生化池表面，缠绕在设备上，网格去污机本身也很容易缠绕或堵塞，需要经常维护清洗，干扰正常运行。

（2）沉砂池问题：目前的沉砂池只能清除0.2 mm以上的砾石，大量细砂通过砂池，泥沙淤积，设备磨损，影响砂池正常运行。

此外，稳定的流型是除砂的前提。中小型处理厂污水量变化大，流速变化大，流型不稳定，进一步导致除砂效果恶化。大多数污水处理厂预处理设施不完善，没有初级沉淀池。

3 污水处理厂精细化设计常见问题的对策研究

3.1 污水处理厂的工艺设计

工艺设计是污水处理厂建设中的一个重要环节，精益求精是每一位设计师的优秀品质。废水表征是指废水中污染物的浓度水平、组分特征、安全性、稳定性、时空变化等。水处理工艺方案是一个可以支持水质安全、工艺设计和诊断优化的信息集成（图1）。目前，中国污水处理厂的初步设计仅基于化学需氧量（COD）、生化需氧量、总氮等污染物的综合指标，这些指标难以获得污水处理特性的详细信息，难以为污水处理工艺的选择提供支持。污水水质表征是污水处理厂设计和运行的重要环节，面临着提高水质、效率和精细运行的高要求。

图1 整体污水处理工艺方案

国际水协会（IWA）建立的活性污泥模型（ASMs）对进水COD、氮、磷组分进行细化，是当前精细设计和运行要求所必需的。以COD 为例，首先将进水COD 分为生物降解COD 和非生物降解COD。其中可生物降解COD 又分为快速可生物降解COD（RBCOD）和缓慢可生物降解COD（SBCOD），前者定义为一种可被细胞快速吸收用于生物合成和能量生产的物质，可进一步细分为复杂的快速生物降解COD（可发酵生物降解有机物）和短链脂肪酸形式的快速生物降解COD（发酵产物），后者分为胶体基板和粒状基板，均为生物可降解基板。这些物质通常是复杂的有机分子，需要被细胞外酶分解才能被细胞利用。非生物降解COD 按溶解度可分为溶解度和粒度，前者随沉池出水流出系统，后者在活性污泥系统中积累，与剩余污泥一起排入系统。在不同地区，由于地区、环境和人类生活习惯等因素，废水成分存在较大差异。因此，在污水处理厂的设计中，应加强对污水组分的分类和检测，将污水组分细化并融入设计中。废水表征是模拟废水处理过程运行系统的重要环节，只有了解进水水质的详细特征和组成，才能更准确地设计、模拟和预测污水处理工艺的运行效果。

3.2 污水处理厂的设施优化

预处理装置是污水处理厂稳定运行的关键环节。预处理装置的运行效率直接影响后续生化处理系统的运行。通过调查发现，大部分被调查污水处理厂的预处理单元存在不同程度的问题。对于以预处理单元为代表的操作问题，应加强相关创新技术的开发，提高传统预处理设施和设备的效率。例如，通过创新的预处理技术，可以将废水中的无机渣和砂完全分离，这已在中国一些城市污水处理厂得到应用。一体化设备可完全替代电网机、捕砂器和一次沉淀池。智能化改进污水生态塘工艺不仅实现了通过废水瞬间去除渣砂，而且降低了后续处理单元的污染物负荷（图2）。可有效解决生化池泥沙淤积问题，改善废水处理效果和池容量。相关创新技术的开发，不仅可以帮助污水处理厂实现稳定运行和质量提升，还可以为组合溢流水、黑臭水体、工业废水等的处理提供有效的技术支持。

图2 智能化改进污水生态塘工艺

生化单元的优化策略可从以下几方面进行。

（1）提高生化池的活性污泥性能。当进水水质、水量长期低于或远远低于设计值时，应提高生化池的回流，防止污泥老化。通过合理调整工艺运行参数，提高活性污泥活性。

（2）科学管理好氧储罐的溶解氧，即氧气的供需平衡。氧传递效率（OTE）是反映曝气系统充氧性能和实际运行效率的重要参数，吸氧率（OUR）是指单位时间内微生物在单位体积混合液体中的耗氧量，它是表征活性污泥微生物活性的最佳指标之一。通过综合仪器监测好氧池的OUR 和OTE，可以计算出实际供氧和需氧量，可实现准确的曝气控制，降低返回缺氧池的溶解氧浓度，节约碳源。例如，当进水污染物浓度较低时，应根据OUR 水平及时减少曝气量。科学管理溶解氧不仅可以降低能耗，而且可以降低废水中内部碳源的无效消耗。

（3）合理改造生化池。当污水处理设施设计冗余较大时，可考虑对生化池进行合理改造。

结语

通过对当前城市污水处理行业普遍存在的问题进行分析，可以得出以下结论：在过去的几十年里，中国的污水处理行业虽然取得了高速增长和显著的进步，但仍有许多问题和挑战需要解决。排水系统及污水处理厂等的污水收集处理设施建设存量不足、落后，污水处理厂的设计原则和建设与实际运行不匹配，这些仍然困扰着废水处理行业，污水处理厂的精细化设计、污水处理设施的优化和合理的过程控制是解决这些共性问题的有效措施，展望未来，应该继续增加建设和经营方面的投资，要求污水处理行业有独特的可持续发展路径。