城镇污水厂全流程优化运行实践

马九利 王伟

摘 要：针对日益严格的污水排放标准，苏州市某污水处理厂通过开展污水管网低水位运行、持续推进查漏修复等举措，保障了污水处理厂进水水质浓度，其中COD＞300 mg/L、BOD5＞120 mg/L。通过对进水水质特征分析，掌握进水水质情况，针对不同的进水水质特征对全流程工艺进行优化，最大限度的利用污水中有机碳源。同时，污水处理厂不断加强信息化改造，对进水泵房进行恒水量·恒水位系统改造，改造后总能耗下降2.2%；生物段采用自动化曝气系统，鼓风机用电量同比下降12.92%，单位耗氧污染物耗电量同比下降15.51%。

关键词：低水位；全流程优化；恒水量·恒水位；自动化曝气系统

中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：1673-9655（2023）0-06

0 引言

城市排水系统担负着城市生活污水和工业生产废水的收集、处理、排放等任务，是城市水污染防治、排洪防涝的重要基础设施，在城市建设和经济发展中发挥着重要作用[1，2]。随着政府对宜居环境的日益重视和人民群众环保意识的增强，社会各界对污水的输送和处理提出了更高的要求[3，4]。

《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》提出，在“十四五”规划时期，污水处理的主基调已经从“增量建设为主”逐步转为“系统提质增效与结构调整优化并重”，要强化污水处理设施弱项的同时补齐污水管网短板，有效提升存量、做优增量，建设高质量城镇污水处理体系。因此，污水处理厂需要且有必要对水质特征和运行现状进行详细且深入的分析，制定有针对性的优化工艺运行策略。

刘礼祥等[5]从污水厂全流程出发，探讨了提升单元、沉砂与初沉池、生化段等工艺段节能降耗运行策略。夏丽彬[6]也提出，为保障污水厂可持续发展，要积极开展节能降耗，关键在于提升系统、曝气系统及污泥处理系统的优化。

苏州市某污水处理厂进水BOD5/COD 比值均值为0.45，可生化性较好，BOD5/TN＞3～5之间的概率高达76.4%，反硝化碳源相对充足。其依托于集约化、扁平化、专业化的组织架构和信息化工具，创新开展基于低水位运行的厂-站-网一体化统一调度模式；利用智能手段，提升进水泵效能，优化曝气系统。不仅保障出水水质稳定达标苏州特别排放限值，而且有效提升进水水质浓度，力争打造一座现代化的智慧污水处理厂。

（2）全市生活污水处理厂2021年1月1日起按苏州特别排放限值标准考核。根据《GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》第4.1.4.2款规定，取样频率为至少每2 h一次，取24 h混合样，以日均值计。

该污水处理厂采用传统A/A/O + 转盘过滤工艺，日处理量为4万t，处理工艺流程如图1。尾水执行《GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，以及《DB 32/1072-2018太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》表2标准。2020年至今，尾水水质满足苏州特别排放限值要求，达标率为100%。

1 厂站网一体化低水位运行

苏州作为平原河网城市，有着“东方威尼斯”的美誉。河道水系复杂、地下水位高，这对污水管网的运行带来很大的压力。该污水处理厂以污水不入河、优化水生态为目标，在中心城区污水管网中设置80个液位计，24 h监控管道液位，将管道内污水液位控制在河道液位以下。2019年，该污水处理厂推动区域协同调度[5]，通过有效利用排水管网的内部空间和跨区域调配协同调度，充分挖掘排水管网低水位运行、污水处理质量以及节能降耗方面的空间，整合从污水收集、转输、处理全生态过程，打通现有的站站之间独立运行与厂站之间独立运行的环节，实现污水的错峰输排，在保障低水位运行的前提下，降低水泵启停频次和减少水量冲击的影响，同时提升污水处理厂进水水质浓度。

近年来，随着苏州中心城区污水管网低水位运行和查漏修复工作的持续推进，该污水处理厂进水水质保持较高水平（见表2），CODCr、BOD5浓度均满足《苏州市城乡生活污水处理提质增效精准攻坚“333”行动实施方案》相关要求（CODCr＞260 mg/L，BOD5＞100 mg/L）。城区污水管道运行液位常年低于河道液位，大大减少了污水入河的风险，河道水质改善明显。根据环保部门对城区28条河道的监测数据，大部分河道水质的主体指标达到了III 类或优于III 类水质标准。苏州老城区部分区域地势较低，特别是实施改厕工程过后，一些背街小巷排水条件不利，在污水管网保持高水位运行时，经常发生污水满溢、倒灌等现象，居民投诉较多。全面实行低水位运行后，关于污水满溢投诉基本消失，柳家浜、齐门下塘74号、龙兴桥地区等地势低洼地区排水不畅问题得到彻底的解决，汛期也未发生污水大面积长时间满溢，群众满意度明显上升。

2 进水水质特征分析

污水处理厂是否能够有效地脱氮除磷，除了与采用的工艺相关以外，与进水水质也有一定的关系，一般将COD、BOD5/COD 、BOD5/TN、SS、SCOD等作为评价进水水质好坏的指标[6]。进水BOD5/COD 表示可生化性指标，是判断污水能否进行生化处理的重要依据；BOD5/TN是微生物维持自身生长的重要营养元素之一，反映了废水中是否有足够的碳源来满足反硝化脱氮需求[7]。通过对该厂2020年进水水质BOD5/COD 与BOD5/TN进行统计分析，由图2可以看出进水BOD5/COD 比值均值为0.45，中间值0.42，进水BOD5/COD ＜0.3的概率为20.1%，由此说明该厂的进水中虽然存在一定数量的难生物降解污染物，但是总体显示进水可生化性较好。由图3可以看出，BOD5/TN的平均值为4.2，中间值为4.0；BOD5/TN＞3～5的概率高达76.4%，这说明进水反硝化碳源相对充足。

SCOD为溶解性COD，表征可被微生物快速利用的碳源，SCOD值偏低直接影响厌氧池生物释磷效果。自2019年起，該污水处理厂将进水SCOD作为常规监测指标，用于指导生物池脱氮除磷的调控。由图4进水SCOD/COD比值与降雨量的关系可以看出，降雨对SCOD影响较大，雨量越大，SCOD浓度越低、SCOD/COD越低，因此在雨季要加强TP的调控。通过对进水SS成分进行测定，可以研究进水SS中挥发性有机物和惰性成分占比，作为后续生物池污泥浓度调控的依据之一。对该污水处理厂2020年进水SS成分占比可以看出（见图5），VSS占比74.6%，属于较高比例，说明进水SS可降解性较好。通过与国外典型值及部分中国数据进行对比（见表3）[8]，可以看出，该污水处理厂进水水质成分在国内属于中上水平，与典型值较为一致。

3 信息化改造

3.1 进水泵房恒水量·恒水位改造

该污水处理厂原采用人工手动调度方式调节厂部进水泵频率的过程中，因存在一定滞后性，厂内进水流量会有较大波动，对生物池水质会有较大的冲击，既不利于生物段DO控制，又不利于外管网水量调配。通过对进水泵房恒水量·恒水位自控改造，进水泵根据水量、液位、运行时间进行排序控制，水泵运行时间齐头并进，平衡负荷。在高液位下，进水泵能够稳定保持恒水量运行；在低液位下，进水泵稳定保持恒水位模式；在高液位与低液位之间，模式也可以自行切换，减少对生物处理单元的冲击，减少了人工劳动强度，同时也降低了能耗，有效解决了相关问题。

一般情况，污水处理厂执行恒水量运行来降低管网液位，腾出调蓄空间，应对高峰期；管网中基本无积水情况下，自动切换为恒液位（较低液位）运行，降低能耗。由图6进水泵房改造前后、厂部进水COD负荷变化情况可以看出，改造后进水COD小时负荷波动范围明显收窄。在能耗方面，进水泵房程序改造后水泵能耗较改造前下降2.2%。

3.2 生物池自动化曝气改造

为进一步推进精细化运行管理，2019年10月该污水处理厂自主开展了生物池溶解氧与空气支管阀门及鼓风机运行联动调节的研究，通过更换性能更优的空气支管活塞阀，在线监测溶解氧浓度的变化，主控制柜可根据需氧量自动实时调整风机导叶开度，实现生物池曝气自动化控制的目的，减少了鼓风机和空气支管閥的频繁操作，减少了由人工操作造成的主观性偏差和工作量。完成自动化曝气系统改造后，该污水处理厂鼓风机用电量同比下降12.92%，单位耗氧污染物（以BOD5、NH3-N计）耗电量同比下降15.51%。

随着该污水处理厂工艺运行的不断优化，尾水排放稳定达标苏州特别排放限值。同时，至2017年起，单位污染物耗电量（以BOD5、NH3-N计）逐步降低，由1.85 kW·h/kg降至1.48 kW·h/kg，降幅20%。在药耗方面，除磷药剂全年实现8个月不投加，碳源实现了全年零投加。

4 工艺全流程优化

4.1 一级处理工艺优化

进水水质成分对后续生物处理效率影响极大，当进水VSS/TSS从70%降到50%，污泥量增加80%以上。因此，我们需要重视管网查漏修复工作，有效提高污水管网的收集率，提升生物池进水VSS。

除了提高污水管网的有效收集率，在污水处理厂内加强一级处理工艺，也是一项非常值得研究的工作。该污水处理厂一方面在细格栅后增加超细格栅，增加拦截效率，另一方面优化曝气沉砂运行方式，停止曝气，增加出渣设备的运行效率，根据每天对出渣量统计，日均产渣量增加50%。国际上一般以表观产泥率（即污泥绝干产量/COD削减量）来评价污水处理厂污泥产生量[9]。

由图7可以看出，该污水处理厂通过优化一级处理工艺，目前平均表观产泥率为0.38，处于较低水平。

4.2 全流程分析

通过分析主要污染物在整个污水处理流程中的沿程变化情况，掌握厌氧区、缺氧区和好氧区等系统的不同功能区对污染物的去除效果，从而判定各工艺运行环节是否处于最佳运行状态，最终确定具体的优化关键点。污水COD 的沿程变化情况如图8所示，进水COD为304 mg/L，进水SCOD/COD 为0.48，表明进水含有较多可溶性COD。经过曝气沉砂池后，除去少量颗粒态COD，在厌氧段SCOD 显著下降。结合氮和磷的沿程变化，厌氧段聚磷菌发生释磷反应、缺氧段反硝化细菌反硝化作用消耗SCOD明显。

氮的沿程含量变化情况如图9，可以看出STN/TN=0.95，表明进水TN中绝大部分为溶解性氮，而且NH3-N为STN 中的主要成分。NH3-N在好氧段浓度较低，且二沉池出水NH3-N浓度为0.416 mg/L，低于苏州特别排放限值要求（＜1.5 mg/L），表明好氧段硝化效果良好。

NO3--N浓度由好氧末端3.98 mg/L降到缺氧末端的0.54 mg/L，该工艺段的反硝化效果良好。同时，以NH3-N为依据，根据回流点等水质浓度进行核算，计算实际回流比，与理论（水泵流量）进行校正，以此辅助判断设备运行情况。根据NH3-N计算，内回流比为191%，外回流比为101%，与实际运行情况相符。

磷的沿程含量变化如图10，可以看出，在厌氧段释磷倍数约6.73倍，释磷效果明显，同时也说明该工艺段碳源充足，无需额外增加碳源。在缺氧段存在部分吸磷现象，好氧末端PO4--P浓度达0.107 mg/L，除磷效果较好。

5 结论

该污水处理厂采用基于低水位运行的厂站网一体化调度模式，保障了污水处理厂进水水质浓度。通过对进水水质进行特征分析，不断地优化全流程运行工艺，加强一级处理工艺，增加拦截效率，最大限度的挖掘污水中有机物的利用潜质；采用进水泵房恒水量·恒水位运行，降低能耗2.2%；采用生物段自动化曝气的智能化控制手段，鼓风机用电量同比下降12.92%，单位耗氧污染物耗电量同比下降15.51%，既保障尾水能够稳定达标苏州特别排放限值，又达到节能降耗的目的。这些举措期望对排水行业相关领域有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1] 孙永利. 城镇污水处理提质增效的内涵与思路[J]. 中国给水排水， 2020， 36 （2）： 9-14.

[2] 尹海龙， 廉勍.生活和工业融合区污水处理厂运行评估分析[J].中国给水排水， 2020， 36 （21）： 87-92.

[3] 赵俊， 陆超. 城市污水处理厂进水泵房区域优化改造[J]. 工程建设与设计， 2017 （12）： 95-96.

[4] 金鹏康， 王斌. 城市污水管网对水质的生化改善特性[J]. 环境工程学报， 2016， 10 （7）： 3401-3408.

[5] 張俊， 尤岚， 黄继会， 等. 泵站区域协同调度用于苏州城区污水管网低水位运行[J]. 中国给水排水， 2021， 37 （4）： 106-109， 116.

[6] 卢汉清， 张莺， 沈浩， 等. 宁波市基于污水厂工艺全流程分析及优化运行模式的实践[J]. 中国给水排水， 2019， 35 （14）： 24-31.

[7] 徐美倩. 废水可生化性评价技术探讨[J]. 工业水处理， 2008（5）：17-20.

[8] 刘明昊， 沙超， 庞子山， 等.除砂率对污泥有机质含量的影响分析[J]. 中国给水排水， 2017， 33 （1）： 98-101.

[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