王淑芳,梁倩瑩,鐘周昌

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢 430070;2.東莞市水務(wù)集團(tuán)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(dá)377 萬t/d。 進(jìn)入枯水期后,污水處理廠進(jìn)水水量減少,水質(zhì)變差,為保證出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)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(jìn)水水量、進(jìn)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(jìn)行歸納總結(jié),繪制相應(yīng)魚骨圖,以求更直觀、全面地表達(dá)出影響枯水期污水廠生產(chǎn)運行成本的重要指標(biāo)。 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(fù)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(xué)測度了我國各地區(qū)公共安全風(fēng)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(fù)荷率下降19.27%。由于進(jìn)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(yán)重不足,污水處理廠整體負(fù)荷偏低。 8 家污水處理廠中僅1 家負(fù)荷達(dá)90%以上,4 家負(fù)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(yán)重不足,采取間歇生產(chǎn),處理負(fù)荷在0.68%～123.15%,月平均負(fù)荷為35.12%。 E 廠和H 廠的月最大負(fù)荷分別為35.38%和24.41%,屬于典型的低負(fù)荷污水處理廠。 污水處理廠1 月處理負(fù)荷如圖1所示。

圖1 污水處理廠水量負(fù)荷Fig.1 Water Load of WWTPs

1.4 污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)

2023 年1 月各污水處理廠進(jìn)水濃度月均值如表2 所示,整體較為平穩(wěn)。 與2022 年進(jìn)水指標(biāo)年均值相比,除氨氮下降0.88%外,其余指標(biāo)均增加。 B廠進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度較高,為98.4 mg/L,但是進(jìn)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(jìn)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(jìn)水濃度相似,多次出現(xiàn)進(jìn)水泥沙較多的情況,SS 進(jìn)水濃度偏高,且G 廠進(jìn)水TP 波動較大,多次超設(shè)計限值(4 mg/L),最高可達(dá)21.0 mg/L。

表2 污水處理廠各指標(biāo)進(jìn)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(jìn)水BOD5/CODCr均為0.4～0.6,表明污水的可生化性良好,適宜進(jìn)行生物處理[3-4];然而,7 家污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN<4,不滿足生物脫氮處理要求,污水處理廠進(jìn)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(rèn)為,當(dāng)BOD5/TP>20 時,表明進(jìn)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(jìn)水水質(zhì)均滿足生物除磷的需求。

1.5 異常進(jìn)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(dǎo)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(jìn)水、增加曝氣量、悶曝等措施。 同日23:00 進(jìn)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(jìn)水TN 質(zhì)量濃度在27～35 mg/L,實際正常運行進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度為20 ～30 mg/L,進(jìn)水TN 超過日常進(jìn)水濃度。 通過對生化池各段出水氨氮和NO-3-N進(jìn)行檢測,推測進(jìn)水中可能存在難以降解的有機氮。進(jìn)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(hù)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(fù)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(biāo),從原材料藥耗、電耗、污泥處置3 個方向進(jìn)行分析,將影響污水廠生產(chǎn)成本的因素進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)水負(fù)荷、進(jìn)水水質(zhì)和曝氣效果(圖2)。

管網(wǎng)進(jìn)水水量和進(jìn)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(yán)重不足,負(fù)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(fēng)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(fù)荷偏低,僅有25.22%和18.73%,但噸水電耗遠(yuǎn)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(fù)荷率為B 廠>A 廠>C 廠(圖1),B廠的進(jìn)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(jìn)水水量、提升進(jìn)水水質(zhì)可在一定程度上降低污水處理廠單位電耗。 肖藍(lán)[8]在對上海市各污水處理廠運營能耗進(jìn)行分析后得出,提高進(jìn)水水量和進(jìn)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(fù)荷偏低(35.12%);二是C 廠部分曝氣管破損導(dǎo)致曝氣不均勻、曝氣效率較低,再加上異常進(jìn)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(dāng)增加曝氣量,最終噸水生化池供風(fēng)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(jìn)出水水質(zhì)的特點,藥劑費用主要用于TN、TP等指標(biāo)的去除,因此,復(fù)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(fù)合碳源

污水處理廠復(fù)合碳源的使用量與進(jìn)水水質(zhì)和工藝參數(shù)息息相關(guān)。 進(jìn)水碳源不足和氣水比過高導(dǎo)致污水處理廠對復(fù)合碳源有著較高的依賴。 污水處理廠復(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)合碳源用以確保出水TN 達(dá)標(biāo)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(jìn)水導(dǎo)致碳源投加量增加。

(2)除磷劑

生化池條件厭氧和進(jìn)水TP 濃度及進(jìn)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(dá)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(fù)荷較低,污泥齡過長,氣水比長期較高,導(dǎo)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(jìn)水TP 波動較大,遂投加大量除磷劑輔助以化學(xué)除磷。

(3)絕干泥藥耗

進(jìn)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(jìn)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(dǎo)致絕干泥藥耗偏高。 E 廠和H 廠進(jìn)泥濃度不高,疊螺機壓泥效果較差,需增加PAM 用量,導(dǎo)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(jìn)水會造成污水處理廠濕泥產(chǎn)量增加。8 家污水廠化學(xué)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(yù)計4 月進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以滿足低負(fù)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(fēng)量磁懸浮鼓風(fēng)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(jìn)水負(fù)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(fēng)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(fù)荷運行,造成實際內(nèi)回流比高達(dá)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(yán)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(fù)合碳源。 目前,建議H 廠購入小風(fēng)量磁懸浮鼓風(fēng)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(fēng)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(dāng)A 廠生化池供風(fēng)量減少21%時,鼓風(fēng)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(jìn)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(fù)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(dāng)天運行情況,精準(zhǔn)地控制投加濃度。 當(dāng)在線儀表檢測顯示進(jìn)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(fù)合碳源,投加流量為20 L/h;當(dāng)在線儀表檢測顯示進(jìn)水TN 質(zhì)量濃度連續(xù)兩個數(shù)超過30 mg/L 時,復(fù)合碳源投加流量可增加至30 L/h。 但污水廠進(jìn)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(fù)合碳源的投加率仍不夠精準(zhǔn),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(fù)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(fù)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(fù)荷低,且處理負(fù)荷受天氣因素影響較大,旱季期間處理負(fù)荷不足30%,雨季期間泵房液位迅速增長,瞬時處理負(fù)荷提升至130%,管網(wǎng)仍有溢流風(fēng)險。 為降低能耗,節(jié)省污水處理成本,可進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)泥質(zhì)量濃度(4 000 ～6 000 mg/L)小于初設(shè)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)],基本滿足污泥脫水設(shè)備的進(jìn)泥含水率要求,隨后進(jìn)入脫水機房進(jìn)一步脫水,預(yù)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(hù)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(dá)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(fēng)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(dǎo)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(jìn)入枯水期后,管網(wǎng)來水不足,進(jìn)水水質(zhì)變差。 8 家污水廠平均負(fù)荷僅為64.32%,且大多數(shù)污水廠面臨著進(jìn)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(dǎo)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(zhǔn)確掌握自身進(jìn)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)。