污水厂低浓度进水问题分析.pdf

第1期（总第232期）2024 年 2 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.1 (S e r i a l N o.2 3 2)F e d.2 0 2 460污水厂低浓度进水问题分析凌 莉1，李 亮1，张 红 艳2（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381；2.长江生态环保集团有限公司，湖南 岳阳 414000）摘要：随着城镇污水处理提质增效三年行动方案（20192021）年的印发，全国各地积极开展提质增效工作。工程实施后，部分城市污水处理厂进水浓度偏低的问题改善有限，成为提质增效的痛点。基于完成市政排水管网改造工程的情况，对某污水处理厂进水 CODCr浓度仍不足 100 mg/L 的污水分区进行成效评估排查，通过水质水量平衡计算，分析出该新建区存在规划与现状不匹配、非生活用水占比高、雨污混接情况复杂等问题，得出通过工程手段难以彻底解决污水厂低浓度进水问题的结论。为该区域后续提质增效工作提出优化排水结构、强调建管结合、加强排水管理及合理制定提质增效目标的建议。关键词：污水处理厂；提质增效；本底调查；低浓度进水；污染物沉降中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2024）01-0060-05收稿日期：2023-04-03第一作者简介：凌莉(1991)，女，工程师，硕士，主要从事市政给水排水及水污染防治理论与技术的研究工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2024.01.01419992019 年，是我国城镇污水处理水平飞速发展的 20 a，全国污水年处理能力由 1 767 万 m3/d提升至 17 863 万 m3/d，污水处理率由 31.93%提升至 96.81%。徐敏等1调研发现，2017 年大部分城市的污水处理率虽已达到目标要求，但由于污水处理厂进水浓度低导致污水处理及减排效果不佳，水质改善不明显。2019 年 4 月，城镇污水处理提质增效三年行动方案（20192021）年发布，要求对于进水生化需氧量浓度低于 100 mg/L 的污水厂服务片区制定“一厂一策”系统化整治方案，明确目标与措施。2019 年以来，南方城市污水厂低浓度进水问题受到广泛关注，郑凯凯等2研究发现太湖流域某污水处理厂实际原生污水量仅为进厂水量的60%；周乙新等3研究发现无锡某污水处理厂进水浓度降低的主要原因是管网渗漏和雨水混入。全国各地均对城镇污水处理提质增效提出相关实施方案，并开展大量排水管网综合建设改造工程，但根据 2021 年各地上报数据，污水处理厂，特别是南方水系发达城市的污水处理厂浓度提升水平并未达到预期程度。针对污水厂进水浓度提升有限的问题，对已完成市政排水管网改造工程，但未实现提质增效目标的区域进行研究，分析浓度提升的限制因素及问题，为同类项目科学合理制定提质增效工程目标及改造措施提供思路和建议。1 工程案例以长江中游某城市新区污水处理厂为研究对象，该厂设计规模 2.5104 m3/d，纳污面积16 km2，见图 1，污水管网总长度 28 km。该区域 20192021 年响应污水系统提质增效实施方案，开展截污、雨污分流及管网清淤修复工作。工程实施后，污水直排问题得到解决，市政管网基本无地下水、河水入侵的状况，旱季污水厂进水量由 200 m3/d 提升至 6 000 m3/d，与服务范围内供水量相匹配，但 CODCr浓度仍不足 100 mg/L，需对此情况进行进一步研究，给出浓度提升的合理化建议。612024 年第 1 期凌莉，李亮，张红艳：污水厂低浓度进水问题分析2018 年2021 年岳阳县范围2018 年建成区域2018 年污水厂服务范围2021 年建成区域2021 年污水厂服务范围图 1 20182021 年污水厂服务范围对比图该厂纳污范围所在区域东亚季风气候区中，气候带上具有中亚热带向北亚热带过渡的性质，属湿润的大陆性季风气候，多年平均降雨量为 1 341.9 mm，降雨年际分布不均，最多达 1 930.7 mm，降雨少的年份只有 847.5 mm；降雨月分布不均，降雨量最大的月份集中在 47 月，约占全年降雨量的 54%。片区水系丰富，水塘密布，土质以粉质黏土为主，靠近水体位置遇地下水深度普遍小于 2 m。将片区污水管网梳理概化，见图 2。污水管网可划分为两纵两横，纵向主管道是湖滨大道主干管及雷公湖路-滨湖路-喻家山路主干管，可划分为 2 个一级污水分区。甄壁山路湖滨大道黄沙湾路宜登路闲云路五星路穆家坡路黄家坡路金星路大桥湖路虎形山路黄河大道车站路王子坡路增福桥路莲花路滨湖路雷公湖路学府路赶山路枫树山路泵站喻家山路图 2 污水系统管网概化图2 研究方法2.1 本底调查通过排水管网探测数据，对本区域进行排水分区及排水单元划分，通过供水数据调查、流量监测、水质检测，对 44 个排水单元及市政污水管道进行监测检测。流量采用在线超声波流量计进行监测，水质依据相关标准开展CODCr、TN、TP 3个指标的检测。2.2 水质水量平衡预测将污废水在节点-管段网络的每个位置视为 1个完全反应混合器，通过水量和水质平衡计算，测算污水厂进水污染物浓度。见式（1）式（2）。Qi-Qo=dVdt （1）cniQi-cnoQo-kcV=d(cV)dt （2）式中：Qi为进入反应器的流量，m3/s；Qo为流出反应器的流量，m3/s；V 为反应器内水流体积，m3；t 为水流在反应器中的停留时间，s；cni为进入反应器的污染物浓度，mg/L；cno为流出反应器的污染物浓度，mg/L；k 为污染物衰减系数，d-1；c 为反应器内污染物浓度，mg/L。3 问题分析3.1 污染物大量沉降片区属于城市开发热点新区，建设强度高，绿化率高，规划人口数高，但实际居住人口水平与规划发展水平不匹配，市政设施建设按照规划条件建设，造成排水管道、泵站等设施规模与实际排放水量不匹配，设施低效能运行，造成污染物大量沉降。1）新区处于开发建设阶段，规划人口 10.1 万人，根据第七次人口普查数据，新区人口 2.2 万人，远低于规划人口数。2）小区入住率低，造成片区本底浓度低。通过对片区内 44 个主要小区及地块（不含在建项目）排放污水的污染物浓度进行检测分析，检测排水户中包括 13 个高浓度地块（CODCr浓度 180 mg/L）、14 个中浓度地块（CODCr浓度：100180 mg/L）及17 个低浓度地块（CODCr浓度 100 mg/L）。平均排放污水 CODCr浓度 138 mg/L，平均氨氮浓度 24 mg/L。3）新区污水厂旱天进水量不足新区污水厂设计规模的 30%，厂前泵站无法连续运行，加之启泵液位过高，造成上游管道满管运行，见图 3。污水在泵站前池及上游管道内停留时间超过 5 h，导致污染物沉降，SS 大量去除，CODCr浓度明显降低。622024 年第 1 期4）新区现状产生污水量与规划管道管径不匹配，造成污水在管道中充满度低，流速小，停留时间长，大量污染物在管道内沉淀及降解。国内外对污染物在管道中的沉降有大量研究，M.Green 等4研究表明，总长 37 km 的污水管道，平均停留时间超过 10 h，通过增加污泥回流及适当曝气的手段，CODCr去除率达 79.0%80.8%，BOD5去除率达 85%93%，出水 BOD5低于 25 mg/L。Raunkjr等5研究表明 15 重力管道流行 3 h，CODCr去除率约为总 CODCr的 14%。金鹏康等6研究表明，水力停留时间 6 h，平均流速 0.53 m/s 时，充满度为 0.55的管道CODCr去除率为10.79%。孙力平等7研究表明，有氧条件下，下水道中用于生物生长和呼吸的消耗率一般变化在 1030 mg CODCr/h 之间，故在输送距离较长、有氧条件下的重力管道中，管道内污水可生化性大大降低。魏亮亮等8研究表明，管道输送过程中，通过物理沉降、微生物分解等，管道中污水的污染物浓度有不同程度的削减，经过 1 km 的流动，CODCr、BOD5、SS、NH3-N 的平均去除率分别为 9.24%、37.35%、17.00%及 5.08%。经流量监测，湖滨大道主干管内污水平均流速 0.15 m/s，沿程管径为 DN600DN1 500，总长度4.86 km，雷公湖路-滨湖路-喻家山路主干管内污水平均流速 0.3 m/s，沿程管径 DN400DN1 200，总长度 7.56 km。将排水节点及排水管网均视为完全反应混合器，将已完成水质检测与水量调查的源头地块、小区污染物排放情况输入系统（未检测小区参考同类型小区输入水质）。污染物传输需考虑沉降，浓度随时间的变化，并满足一级反应动力学方程；结合国内外研究成果，CODCr、BOD5及氨氮污染物衰减系数分别取 1.19 d-1、1.90 d-1、0.29 d-1。通过混合模型推算，预测泵站进水 CODCr浓度 96 mg/L，BOD5浓度 28 mg/L，氨氮浓度 19.3 mg/L，与实际水质检测结果（见图 4）基本相符。此运行状况下，湖滨片区污水在市政管道中平均停留时间 4.74 h，CODCr平均沉降率 20.9%，BOD5平均沉降率 31.4%，氨氮平均沉降率 5.6%。图 4 片区管网水质情况图1 140 m（异常水位运行管段）680 m（满管运行管段）湖滨泵站太平咀片区进水 DN1 200 管道泵站启泵液位高程/m403836343230282624八仙台片区进水 DN1 500 管道图 3 湖滨泵站启泵时前端管道运行工况图凌莉，李亮，张红艳：污水厂低浓度进水问题分析632024 年第 1 期5）对比其他污水处理厂进水氨氮浓度及CODCr浓度，见图 5 图 6。湖滨污水厂进水氨氮浓度与其他几个污水厂浓度接近，但 CODCr浓度明显低于其他几厂，故确定沉淀和降解是新区晴天 CODCr浓度较低的主要原因。同时可以看出，CODCr生物降解速率受温度的影响，温度越高，降解越快，冬季污水厂进水浓度相对较高。2520151050氮氨/（mg L-1）1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月图 5 目标污水处理厂与其他 3 座污水处理厂进水氨氮浓度对比5004003002001000CODCr/（mgL-1）1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月图 6 目标污水处理厂与其他 3 座污水处理厂进水 CODCr浓度对比3.2 非生活污水排放影响污水厂进水浓度新区属于中心城区开发热点区域，20182021年以来，新区新建地块开发房建项目 15 项，建成区面积由 3.42 km2增至 5.9 km2。新建成或增加在建区域面积 2.48 km2，占建成区总面积的 42%。片区内建设主体多元化，生活污水排放量总量较低，污水厂进水污染物浓度受非生活污水排放情况影响。建设情况变化图见图 7。2018 年建成区域湖滨项目改造区域2018 年建成区域湖滨项目改造区域2018-2021增加建成区域（含在建）图 7 2018 2021 年片区建设情况变化图2021 年片区非居民用水量 86.91 万 m3，占总用水量的 30%，非居民用水量的主体是片区内的工程建设单位。目前片区内新建、在建项目 20 余项，待开发面积为 8.15 km2，是已建成区面积的 1.4 倍，每个新建、在建项目的生产用水排放、基坑降水排放等情况变化都直接影响新区污水厂的进水浓度。现场闭路电视抽查检测时证实，片区存在施工场地临时排水排入污水管道现象。3.3 城市排水管网存在雨污混接、雨污合流针对新区污水厂降雨天气下进水量大幅增长的情况，研究通过实时流量监测、关键节点水质检测、新建管网现场复验等多种手段积极开展新区污水厂配套管网排查工作。新区同步安装 19 支流量设备，前后对 34 处点位进行流量监测，结合供水数据及污水管网拓扑概化分析，以明确雨水混接进入污水管道的范围及问题。以 14.8 mm 降雨为例，关键节点进行实时流量监测，得到污水系统雨水混入情况，见图 8。图中可知，降雨天气时，污水系统中多条管路流量均有不同程度的增加。根据对排水管网运行状况的监测及对问题管段的溯源分析，得出片区雨季低浓度进水主要由以下几个原因造成。1）验收不严。新建道路、小区雨污水管道混接。2）管理不当。个人、单位随意对排水系统进行不当改造，如疾控地块建设堵塞原湖滨大道雨水出路，雨水被相关单位直接接入污水系统等。3）设计不足。金星路污水管道预留管留至自凌莉，李亮，张红艳：污水厂低浓度进水问题分析642024 年第 1 期然坑塘等，造成雨天大量雨水通过预留管道流入污水管道。枫树山路设计截断天然水体排水通道，水体无需排放混入污水管道。4）历史遗留。现状砖砌检查井存在渗漏，雨天土壤中含水率升高，水压力增大造成雨水流入污水管道。5）改造困难。雨污合流城中村地块地形复杂，道路狭窄难以分流。4 结语1）旱季进水浓度低的问题，本质上是规划与现状发展不平衡的问题。本底污染物浓度低，污水在管道中流速慢，大颗粒易降解污染物在管道中沉积、降解的情况无法避免。雨季进水浓度低的问题，本质上是改造不彻底、管理不到位造成的，雨水无序混入污水管道，混接错接情况频发。2）后续工程需深入打好污水提质增效攻坚战。合理范围内降低污水厂、泵站运行水位，提高管道流速，避免排水管网系统高水位运行，污染物在管道中沉积；推进精细化雨污分流改造，做到应接尽接，雨水污水各行其道；提高市政排水系统信息化管理能力，基于现有市政排水管网地理信息系统（GIS），深化完善排水户溯源内容，实现全面信息化、账册化管理；强化排水许可管理，新建项目严格进行排水工程功能验收，加强施工降、排水管理，坚决杜绝排入污水管道；强化宣传引导，增强群众、企业水环境治理的责任意识和参与意识，鼓励公众监督治理成效，发现和反馈问题，以实际行动参与污水处理提质增效行动，形成全社会爱水、护水、惜水的浓厚氛围，助力全市水环境质量稳步提升。3）污水处理提质增效是一项系统的、长期的、综合的建管一体化工作，仅依靠工程措施难以实现设计目标。三分建七分管，应强调管理在提质增效工作中的重要作用，根据不同排水系统的不同特点，科学合理制定污水处理提质增效目标。参考文献：1 徐敏,王东,马乐宽,等.关于城镇污水处理厂进水浓度低及污水处理率修正的相关问题探讨 J.环境保护,2020,48(5):38-42.2 郑凯凯,周振,周圆,等.城镇污水处理厂进水中地下水、河水及雨水混入比例研究 J.环境工程,2020,38(7):75-80.3 周乙新,李激,王燕,等.城镇污水处理厂低浓度进水原因分析及提升措施 J.环境工程,2021,39(12):25-30.4 GREEN M,SHELEF G,MESSING A.Using the sewerage system main conduits for biological treatment.greater Tel-Aviv as a conceptual modelJ.Water Research，1985,19(8):1023-1028.5 RAUNKJ R,KAMMA,HVITVED-JACOBSEN,et al.Transformation of organic matter in a gravity sewerJ.Water Environment Research,1995,67(2):181-188.6 金鹏康,郝晓宇,王宝宝,等.城市污水管网中水质变化特性 J.环境工程学报,2015,9(3):1009-1014.7 孙力平,马耀平,侯红娟,等.下水道中污染物质的转化过程 J.中国给水排水,2001(9):67-69.8 魏亮亮,李健菊,陈颜,等.公共建筑、化粪池设置及管道传输对城市生活污水水质参数的影响分析 J.给水排水,2020,56(S2):155-166.a）晴天水量数据 b）雨天水量增加数据图 8 各地块降雨情况下混接雨水量分析图凌莉，李亮，张红艳：污水厂低浓度进水问题分析154ABSTRACTSIn response to the current situation,measures such as drainage pipeline renovation,channel renovation,new pumping station construction,and strengthened management are proposed to reduce pollution and improve the water environment management level in Fengxin.Key words:Fengxin,Jiangxi;water environment;drainage system;comprehensive rectificationComparative Analysis of Two Methods for Predicting Soil Erosion:Taking the First Phase of the Flood Control&Drainage Gate Control Project in the Green Valley Area of Jiashan,Zhejiang as an ExampleLIU Tao(Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:Accurate prediction of soil erosion is a key step in preparing soil and water conservation plans,which directly affects the selection and implementation of soil erosion prevention measures and monitoring methods.Taking the first phase of the flood control and drainage outlet control project in the Green Valley area of Jiashan,Zhejiang as an example,it predicts the amount of soil erosion in the project using SL 7732018 Guidelines for Calculating Soil Erosion Losses in Production and Construction Projects(referred to as Guidelines)and analogical analysis method,and compares the prediction results of the two methods.The results show that the new(structural)building area and temporary soil stacking area are the main areas of soil erosion in the project,and most of the soil erosion occurs during the construction period.The prediction results of the two methods are close,and the relative error of the Guidelines is less than 25%compared to the analogical analysis method.The prediction results of the Guidelines are relatively conservative,but the accuracy is generally controllable,which can be well applied to water conservancy point-like projects.Key words:soil erosion prediction;Guidelines;analogy analysis method;point-like engineeringAnalysis of Low Concentration Inflow in Wastewater Treatment PlantsLING Li1,LI Liang1,ZHANG Hong-yan2(1.China North China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300381,China;2.Yangtze River Ecological Environmental Protection Group Co.,Ltd.,Yueyang,414000,China)Abstract:With the issuance of the Three Year Action Plan for Improving the Quality&Efficiency of Urban Sewage Treatment(2019 2021),various parts of the country are actively carrying out quality and efficiency improvement work.After the implementation of the project,the problem of low influent concentration in some urban sewage treatment plants has been limited in improvement,becoming a pain point for improving quality and efficiency.Based on the completion of the municipal drainage network renovation project,an effectiveness evaluation and investigation were conducted on the sewage zoning of a certain sewage treatment plant where the influent CODCr concentration was still less than 100 mg/L.Through water quality and quantity balance calculation,it was analyzed that there were problems in the new construction area,such as mismatch between planning and current situation,high proportion of non-domestic water,and complex situation of rainwater and sewage mixing.The conclusion was drawn that it is difficult to completely solve the low concentration influent problem of the sewage plant through engineering 155ABSTRACTSmeans.Provide suggestions for optimizing the drainage structure,emphasizing the integration of construction and management,strengthening drainage management,and reasonably setting quality and efficiency improvement goals for the subsequent work in the region.Key words:sewage treatment plant;improve quality and efficiency;background investigation;low concentration influent;sedimentation of pollutantsResearch on the Long-Term Operational Efficiency Evaluation of Pollution Reduction,Energy Conservation,&Carbon Reduction in a Certain Sewage Treatment PlantJIANG Fu-hai1,TANG Yan-dong2,CHEN Ya-song3,ZHANG Xian-zhong4(1.Zhongzhi Water Co.,Ltd.,Beijing 100192,China;2 Foreign Cooperation and Exchange Center of the Ministry of Ecology&Environment,Beijing 100035,China;3.Yangtze River Ecological Environment Engineering Research Center of China Three Gorges Group Co.,Ltd.,Beijing 100038,China;4.Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:Based on the annual operating cycle of sewage treatment plants,a relatively standardized and quantified accounting and evaluation system for energy consumption and carbon emission intensity indicators per unit of treatment load is established.Through a 3-year long-term analogy,the actual carbon emission intensity per unit of treatment capacity of a sewage treatment plant is 0.600.93 kgCO2/m3,and the carbon emission intensity per unit of COD reduction is 1.982.49 kgCO2/kgCOD,which is similar to the carbon emission intensity per unit of comprehensive oxygen consumption pollutant reduction.The carbon emission intensity per unit of TN reduction reaches 12.915.8 kgCO2/kgTN.The carbon emission intensity per unit of processing capacity may not necessarily show a consistent correlation with the carbon emission intensity per unit of pollutant reduction.The main source of emissions from the factory comes from indirect carbon emissions,with the indirect carbon emission intensity of chemicals and electricity accounting for more than 60%of the total.It is recommended to focus on nitrogen removal carbon sources and chemical phosphorus removal for optimal consumption and carbon reduction of chemicals.Due to the uncertainty in the selection of carbon emission factors,it may lead to a lack of quantitative comparability in the evaluation of carbon emission intensity and efficiency among different sewage treatment plants.Key words:sewage treatment plant;economic energy consumption;carbon emissions;carbon emission intensity;carbon reduction&pollution reduction;energy saving Research on Rapid Physical Treatment Technology for Initial RainwaterJIANG Li1,ZHU Hao-chuan1,BAI Hai-long2,XU Wei-jie2,WEI Yuan-yuan1,TONG Meng2(1.Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China;2.Shanghai Shiputai Membrane Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201599,China)Abstract:Two ultrafiltration membrane rapid treatment processes,coagulation sedimentation ultrafiltration and coagulation ultrafiltration,were used to conduct pilot experiments on initial rainwater.The experimental results showed that the ultrafiltration membrane process had good removal effects on pollutants such as CODCr,