萧县乡镇污水处理厂运行优化策略研究

张 静 雷 燕 程 飞 江 舸

（中持水务股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

安徽省萧县乡镇污水处理厂运营项目的任务是收集服务范围内的污水，将污水输送至萧县23个污水处理厂进行处理。该项目的实施可提高萧县污水治理率，改善萧县乡镇人居环境，推进萧县美丽乡村建设。然而，当前萧县乡镇污水处理厂普遍存在进水浓度低、污水收集量不足等问题，严重制约了污水处理厂的运行和发展。为加快推进萧县水污染防治，保护和改善萧县生态环境，围绕当前萧县乡镇污水处理厂运行存在的问题进行改造优化十分必要。

1 萧县乡镇污水处理厂运营项目概况

萧县乡镇污水处理厂运营项目包括萧县杨楼镇污水处理厂、黄口道北污水处理厂、闫集镇污水处理厂、新庄镇污水处理厂、黄口道南污水处理厂、刘套镇污水处理厂、马井镇污水处理厂、杜楼镇污水处理厂、丁里镇污水处理厂、永堌镇污水处理厂、官桥镇污水处理厂、白土镇污水处理厂、大屯镇污水处理厂、赵庄镇污水处理厂、王寨镇污水处理厂、祖楼镇污水处理厂、青龙镇污水处理厂、张庄寨污水处理厂、酒店乡污水处理厂、孙圩子乡污水处理厂、石林乡污水处理厂、庄里乡污水处理厂及圣泉乡污水处理厂，共23个乡镇污水处理厂，涉及22个乡镇，管网总长度495.8 km，覆盖面积1 861 km2。该项目自2021年4月开始试运营。

1.1 设计水量及进出水水质

这23个乡镇污水处理厂设计水量总规模为33 200 t/d，其中2个污水处理厂设计水量分别为4 000 t/d和3 000 t/d、2个污水处理厂设计水量为600 t/d，其余污水处理厂设计水量为1 000～2 000 t/d。各污水处理厂进水主要为萧县各乡镇的生活污水及部分工业废水，经污水处理厂处理后将尾水排入附近水体，出水水质均执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准，设计进出水水质指标如表1所示。

表1 设计进出水水质指标 mg/L

1.2 工艺流程

杨楼镇污水处理厂、黄口道北污水处理厂采用“物理过滤+氧化沟+滤池+紫外消毒”工艺，庄里乡污水处理厂、圣泉乡污水处理厂采用“物理过滤+A2/O一体化设备+滤池+紫外消毒”工艺，其余19个污水处理厂均采用“物理过滤+A2/O+滤池+紫外消毒”工艺，具体工艺流程如图1、图2和图3所示。

1.3 实际运营情况

1.3.1 进水水量。萧县23个乡镇污水处理厂自2021年4月开始试运营。从2021年4月至2022年4月，每天实测23个污水处理厂的进水水量、进水水质。根据上述实测数据，计算23个污水处理厂每月日平均进水水量占设计水量的百分比，结果如图4所示。由图4可知，23个污水处理厂每月日平均实际进水水量为设计水量的20%～60%，与设计水量差距较大，夏季和冬季进水水量变化幅度大，季节性变化明显。这说明当初设计人员设计污水处理厂时未详细调研萧县居民实际用水、排水状况，未考虑萧县常住人口及其日常用水习惯，污水处理设施采取“一刀切”的建设形式，从而导致污水处理规模与实际规模不符，造成资源浪费。

1.3.2 进水水质。2021年4月至2022年4月，笔者对萧县23个乡镇污水处理厂每月日平均进水COD浓度及NH3-N浓度进行了检测，结果如图5所示。23个污水处理厂日平均进水COD浓度为79.3 mg/L，远小于设计进水COD浓度（204.1 mg/L）；日平均进水NH3-N浓度为17.4 mg/L，略大于设计进水NH3-N浓度（16.7 mg/L）。

2 萧县乡镇污水处理厂运行存在的问题

2.1 管网系统不畅

对萧县各乡镇污水处理厂及配套管网进行现场调研分析发现，污水处理厂进水浓度低与乡镇污水处理管网系统不畅有较大关系。部分管网存在设计不合理、管道老化等问题，导致管网污水收集率低；部分管网存在堵塞问题，污水难以排入污水处理厂，长时间淤积在管道内发生生物降解反应，导致进水量少、浓度低。各污水处理厂在长期进水浓度低的条件下，会产生一系列运行问题［1］。

2.2 生化段存在的问题

2.2.1 曝风机曝气过量。污水处理厂池容及曝气系统是以设计进水水质指标为标准进行建造的，实际运行中曝气风机功率偏大且不能自动变频调节风量，其末端管路控制阀门仅为普通球阀控制，一旦进水COD浓度远低于设计浓度就易曝气过量。系统曝气过量时，剪切力过强，易导致污泥絮体细微化，絮体粒径减小，沉降速度缓慢，污泥解体上浮，从而影响污水处理厂运行稳定性及处理效果，并增加能源动力消耗，造成能源浪费［2］。同时，曝气过量会影响硝化过程，导致回流液中溶解氧浓度过高，消耗缺氧段的碳源，影响脱氮效果［3］。

2.2.2 生化池污泥浓度降低。进水COD浓度低，微生物无法获得足够的养分，增殖速率降低，生物活性变弱，污染物处理能力减弱，污泥易与出水一起排出，导致生化池污泥浓度降低，而出水中悬浮物增多。

2.2.3 除磷效果降低。污水处理厂利用好氧池活性污泥吸收磷，使磷随着活性污泥的排放而排出污水处理系统。但活性污泥浓度降低会导致系统长时间不排泥，从而减少磷的排出量，且长期曝气过量会影响生物除磷效果，甚至出现不吸收磷的现象，严重影响系统除磷效果［4］。

2.2.4 脱氮效果不佳。根据脱氮理论，一般认为进水BOD5浓度与TN浓度的比值大于5时碳源充足，无须外加碳源。通常，污水处理厂进水BOD5浓度与TN浓度的比值宜大于4；当进水BOD5浓度与TN浓度的比值为3～4时，虽然可产生反硝化反应，但反硝化速率较慢。硝态氮和亚硝态氮在缺氧反硝化阶段需要充足的碳源，否则反硝化反应较难进行。长时间低浓度进水，导致污水BOD5浓度与TN浓度比值偏低，微生物可利用的碳源有限，反硝化能力减弱，污水处理系统的脱氮效果不佳。

2.3 运维管理分散

萧县乡镇污水处理厂分布不集中，运营管理难度大，需要用信息化手段提高运营管理效率。同时，运营人员数量过多，且运营操作人员多数年龄较大，缺乏专业知识和技术，运营设施出现问题时难以及时解决［5］。

3 萧县乡镇污水处理厂运营项目改造方案

为提高萧县乡镇污水处理厂运营效率，降低运营成本，笔者从优化运营的角度出发，提出污水处理厂运营项目改造方案。

3.1 优化管网系统

工作人员应加快推进管网维护工作的开展，对老旧破损的管网进行维修或更换，对堵塞管网进行清淤；建设收集支管，提高管网覆盖率，并将化粪池和厕所污水管道接入管网系统，从源头提高进水量和进水中污染物的浓度。

3.2 生化段的优化

3.2.1 对曝气风机进行变频改造。萧县乡镇污水处理厂内曝气风机未安装变频器，生化池曝气量过大，易导致活性污泥絮凝体膨胀、破碎解体、污泥上浮，工作人员只能现场通过调节曝气管末端冷凝水放气阀来调节风量大小，造成了严重的能源浪费。因此，工作人员可在曝气风机上安装变频器，使设备能根据进水浓度调整曝气风量。如此既能提高污水处理效率，达到节能降耗的效果，又能避免因阀门未完全打开出现损坏曝气风机电机的问题。

3.2.2 生化池污泥浓度稳定、外回流系统优化。目前，萧县乡镇污水处理厂的外回流系统设置不合理。例如，采用A2/O工艺的王寨污水处理厂等，目前采用的是污泥外回流方式。具体流程是先利用吸泥机抽取二沉池污泥至污泥渠，污泥沿污泥渠进入污泥泵房，经污泥回流泵二次输送至厌氧池。采用该污泥回流方式时，由于吸泥泵流量与污泥回流泵流量不一致，会导致污泥回流量不稳定，且浪费能源。笔者经现场实地考察及充分论证，发现萧县23个乡镇污水处理厂高程差满足污泥重力式回流的改造要求。因此，工作人员可利用高程差，将污泥机械回流方式改为重力式回流方式，从而节约能源，并实现污泥外回流的连续性，降低出水水质超标风险，并减少电能的浪费，实现节能降耗的环保要求。

3.2.3 除磷效果优化、老化污泥排出。因进水浓度低，生化池污泥浓度低，污水处理厂一般采取长时间不排泥的方式维持生化池的污泥浓度。但是，由于长时间不排泥，生化池污泥老化比较严重，除磷效果变差。为使出水总磷达标，工作人员需要采用化学方式进行除磷，但由此会增加除磷药剂消耗量，加大成本投入。对此，工作人员可采取排出生化系统中老化污泥的方式，根据生化池污泥浓度，定期打开排泥泵进行排泥，以维持生化池的污泥活性，提高污染物去除效果。

3.2.4 脱氮效果改善——碳源投加改造。为保证出水水质达标，尤其是脱氮效果达标，需要人工向污水处理系统中投加一定量碳源。以往工作人员采用人工投加固体碳源——食品级葡萄糖的方式提高C/N比，保证污水处理系统正常运行。但采用该投加方式无法精确把控固体碳源投加量，资源利用率不高，且搬运药剂费时费力，增加了系统运行成本，加大了系统运营管理难度。对此，工作人员可对碳源投加系统进行优化，人工投加碳源时弃用以往的固体碳源——食品级葡萄糖，改用液体碳源——生物质碳源或复合碳源，通过计量泵将液体碳源投加至缺氧池，以满足脱氮需求。液体碳源具备生物利用率高、有效COD含量高、碳源成本低、无毒无害、污泥产量低、产品性能稳定及便于储存等优点，可促进反硝化脱氮异养菌群快速繁殖，节省碳源投加量，降低处理成本，性价比显著优于食品级葡萄糖碳源。

3.3 运营管理优化和人员素质提升

为进一步实现萧县乡镇污水处理厂的高效、稳定运行，强化分片区管理，工作人员可运用智慧水务系统，以提高乡镇污水厂的运营管理水平；运用物联网、大数据分析技术，实现污水处理厂的远程操作、数据采集和分析等远程自动化操作，实现污水处理厂的“无人值守，自动运行”。同时，污水处理厂应加强对运营操作人员的专业培训，提高相关人员技术水平。相关部门可结合智慧水务管理平台的建设，优化人员配置，实现人员合理调动，减少人员数量，提高人员利用效率，降低人力成本。

4 萧县乡镇污水处理厂改造施工费用

以王寨污水处理厂为例，分析改造施工费用及改造后污水处理厂日常运行费用节约情况。

4.1 曝气风机变频改造

王寨污水处理厂共设置2台曝气风机（一用一备），单台曝气风机的额定功率为18.5 kW，变频改造后，预计一年可节省15%左右的电量，按照电量单价0.65元/度计算，每年可节约电费18.5×0.8×0.15×24×365×0.65=12 640.68元。两台风机分别加变频器的改造费用约9 000.00元，改造后第一年可节省费用12 640.68-9 000.00=3 640.68元，改造第二年及之后每年都可节约费用12 640.68元。

4.2 外回流系统的改造

外回流系统改造使用的主要材料与设备清单及价格如表2所示。王寨污水处理厂外回流系统改造费用为4 000.00+600.00+120.00+500.00=5 220.00元。

表2 主要改造材料与设备清单及价格

王寨污水处理厂共设置2台污泥回流泵（一用一备），单台污泥回流泵的额定功率为4.0 kW，将污泥外回流改为重力式回流后，每年将节省电费4×0.8×24×365×0.65=18 220.80元。改造后第一年可节省费用18 220.80-5 220.00=13 000.80元，改造第二年及之后每年都可节约费用18 220.80元。

4.3 碳源投加系统改造

改造前王寨污水处理厂碳源投加方式为人工投加固体碳源，食品级葡萄糖实际日投加量为75 kg。改造后采用液体碳源（生物质碳源或复合碳源），通过计量泵投加至缺氧池，碳源投加相关设备就近放置于组合池。经测算，选用COD当量500 000 mg/L，在满足脱氮要求的前提下，液体碳源日投加量为60 L。碳源投加系统主要改造材料与设备清单及价格如表3所示。王寨污水处理厂碳源投加系统改造费用为300.00+1 600.00+500.00+1 000.00=3 400.00元。

表3 主要改造材料与设备清单及价格

碳源投加系统改造前后碳源投加费用如表4所示。王寨污水处理厂碳源投加系统改造后第一年可节省费用119 081.25-35 040.00-3 400.00=80 641.25元，改造第二年及之后每年都可节约费用119 081.25-35 040.00=84 041.25元。

表4 改造前后碳源投加费用

4.4 运营人员优化

萧县乡镇污水处理厂改造项目定编92人，其中项目部管理层2人、综合办公室11人、管网维修部18人、计划财务部2人、生产技术部3人、动力维修部8人、杨庄镇运行管理中心17人、永堌镇运行管理中心13人、张庄寨运行管理中心18人。如按照强化分片区管理，并结合智慧水务平台的建设对人员进行优化配置，预计可减少5个运行管理人员，按照每人每月4 000元工资标准计算，23个污水处理厂每年可节约人工费24万元。

4.5 小结

以王寨污水处理厂改造为例，综合分析曝气风机变频改造、外回流系统改造、碳源投加系统改造后污水处理厂运行节省的费用，除改造第一年外，改造后第二年及之后每年均可节约费用12 640.68+18 220.80+84 041.25=114 902.73元。采用相同方案将萧县23个乡镇污水处理厂全部改造后，预计每年可节约费用264.28万元，且运营人员优化后每年可节约费用24万元。综合以上结果，萧县23个乡镇污水厂改造之后预计每年可节约费用288.28万元，显著降低了污水处理厂运营成本。

5 结语

污水收集率低、污水管网建设不够完善、进水水量不足、进水浓度偏低是我国乡镇污水处理厂普遍存在的问题。笔者在分析萧县乡镇污水处理厂运营项目现有工艺技术的基础上，提出了技术可行的改造方案，以期解决进水浓度低给污水处理厂运行带来的一系列问题，最大限度地发挥乡镇污水处理厂的作用，推动我国乡镇水污染防治，改善乡镇水生态环境。