基于鱼骨图分析枯水期污水厂生产运行成本

王淑芳,梁倩莹,钟周昌

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北武汉 430070;2.东莞市水务集团净水有限公司,广东东莞 523000)

目前,东莞市共计61 家污水处理厂,处理水量达377 万t/d。 进入枯水期后,污水处理厂进水水量减少,水质变差,为保证出水水质的达标排放,常需增加电量和药剂的消耗量,造成生产运行成本增加。本文以东莞市8 家城镇污水厂为研究对象,通过分析其进水水量、进水水质和直接生产成本,将影响污水厂生产成本的因素进行归纳总结,绘制相应鱼骨图,以求更直观、全面地表达出影响枯水期污水厂生产运行成本的重要指标。 并在综合考虑污水处理厂实际情况后,阐述污水处理厂节能降耗措施的要点,为其他低负荷率污水厂的节能降耗提供新思路。

1 研究背景

1.1 研究方法

鱼骨分析法又名因果分析法,是由日本管理大师石川馨先生所发展出来的,分为整理型鱼骨图、原因型鱼骨图和对策型鱼骨图[1],常应用于质量管理和安全系统。 鱼骨分析法能够通过简单的图形展示问题的本质,例如,孙华丽等[2]结合鱼骨分析法和主成分分析(PCA),科学测度了我国各地区公共安全风险的影响因子。 本文以东莞市污水处理厂作为研究对象,利用鱼骨图对污水处理厂生产运行成本进行分析,以求更加直接、系统、清晰地阐明污水处理厂生产效益低的原因。

1.2 污水处理厂处理工艺

8 家污水处理厂设计处理水量合计为27 万m3/d,污水处理厂进水主要由市民生活污水组成,污水处理厂基本情况如表1 所示。

表1 污水处理厂概况Tab.1 Overview of WWTPs

1.3 污水处理厂处理水量

2023 年1 月,8 家污水处理厂共处理水量为538.39 万m3,日均处理水量17.37 万m3/d,平均负荷为64.32%,日均处理水量环比2022 年12 月下降22.21%,较2022 年日均处理负荷率下降19.27%。由于进入枯水期,再加上疫情管控措施的调整,以及春节农民工返乡潮,生活污水产生量大幅减少,管网来水严重不足,污水处理厂整体负荷偏低。 8 家污水处理厂中仅1 家负荷达90%以上,4 家负荷低于60%。 C 厂来水波动较大,前期泵房处于高液位,超污水处理厂处理能力而来水未全接收,后期管网来水严重不足,采取间歇生产,处理负荷在0.68%～123.15%,月平均负荷为35.12%。 E 厂和H 厂的月最大负荷分别为35.38%和24.41%,属于典型的低负荷污水处理厂。 污水处理厂1 月处理负荷如图1所示。

图1 污水处理厂水量负荷Fig.1 Water Load of WWTPs

1.4 污水处理厂进水水质

2023 年1 月各污水处理厂进水浓度月均值如表2 所示,整体较为平稳。 与2022 年进水指标年均值相比,除氨氮下降0.88%外,其余指标均增加。 B厂进水BOD5质量浓度较高,为98.4 mg/L,但是进水TN、TP 浓度偏低,故而B 厂BOD5/TN 和BOD5/TP 比值明显高于其他厂区。 D 厂进水浓度整体低于其他污水处理厂,F 厂和G 厂整体偏高。 F 厂和G 厂隶属于同一个镇区,进水浓度相似,多次出现进水泥沙较多的情况,SS 进水浓度偏高,且G 厂进水TP 波动较大,多次超设计限值(4 mg/L),最高可达21.0 mg/L。

表2 污水处理厂各指标进水浓度月均值Tab.2 Monthly Average Value of Influent Quality of Each Index of WWTPs

BOD5/CODCr常用来表征污水处理厂污水的可生化性,由表2 可知,8 家污水处理厂进水BOD5/CODCr均为0.4～0.6,表明污水的可生化性良好,适宜进行生物处理[3-4];然而,7 家污水处理厂进水BOD5/TN<4,不满足生物脱氮处理要求,污水处理厂进水碳源不足,需额外投加碳源调整水质结构[4];污水处理厂生物除磷主要利用系统中的聚磷菌,一般认为,当BOD5/TP>20 时,表明进水可以满足生物除磷的要求[5]。 由表2 可知,8 家污水处理厂进水水质均满足生物除磷的需求。

1.5 异常进水

C 厂2023 年1 月3 日4:00 开始,管网来水受到硫化物冲击,导致生化池活性污泥中毒,污泥活性下降,生化系统硝化功能受到破坏,造成出水氨氮异常上升的情况,突破出水警戒值,但未超出设计限值。 厂区随即采取减少进水、增加曝气量、闷曝等措施。 同日23:00 进水TN 质量浓度升高到74.21 mg/L(设计限值为30 mg/L),1 月4 日9:00—16:00进水TN 质量浓度在27～35 mg/L,实际正常运行进水TN 质量浓度为20 ～30 mg/L,进水TN 超过日常进水浓度。 通过对生化池各段出水氨氮和NO-3-N进行检测,推测进水中可能存在难以降解的有机氮。进水TN 异常期间,因有硫化物影响氨氮,已经采取了减产、加大了内外回流、曝气和投加碳源等措施。

2 污水处理厂生产运行成本分析

污水处理厂的生产运行成本包括人员费用、安全生产费、原材料药耗、动力电费、自来水费、污泥处置费、化验检验费、设备设施日常维护费、设备设施大修费和技术咨询费。 其中,2023 年1 月单位成本(除人员费用、安全费用以外的直接成本)共计363.26 万元,而自来水费、电费、原材料药耗和污泥处置费占单位成本的80%以上。

自来水费、电费、原材料药耗和污泥处置费被称作是污水处理厂生产运行中的直接吨水成本,8 家污水处理厂直接吨水成本均值为0.59 元/m3,相较于2022 年(年平均负荷率为93.89%),直接吨水成本增加3.06%。 为找出影响枯水期污水厂生产运行成本的重要指标,从原材料药耗、电耗、污泥处置3 个方向进行分析,将影响污水厂生产成本的因素进行归纳总结,绘制相应鱼骨图,结果如图2 所示,影响污水处理厂1 月运行成本的重要因素是电耗、碳源、除磷剂和助凝剂等费用的增加。

图2 基于鱼骨图分析的污水处理厂生产运行成本Fig.2 Production and Operation Cost of WWTPs Based on Fishbone Diagram

2.1 单位电耗

对污水处理厂运行工艺段使用的电量进行统计,计算得出8 家污水处理厂电耗均值为0.34 kW·h/m3,远高于罗锋等[6]报道的华南某污水处理厂吨水电耗,但仍在可接受范围内[7]。 污水厂电耗主要取决于污水厂管网进水负荷、进水水质和曝气效果(图2)。

管网进水水量和进水水质对污水处理厂单位电耗有着较大的影响。 2023 年1 月管网来水严重不足,负荷偏低,与2022 年12 月的日均处理水量相比,环比下降22.21%,但由于提升泵、鼓风机、产水泵等基础设备需保持常开状态,在水量较低情况下,计算得出单位电耗偏高。 尤其是E 厂和H 厂,月处理负荷偏低,仅有25.22%和18.73%,但吨水电耗远高于其他厂区,分别为0.68 kW·h/m3和1.68 kW·h/m3。 同时,A 厂、B 厂、C 厂3 厂处理工艺相同(表1),处理负荷率为B 厂>A 厂>C 厂(图1),B厂的进水水质优于A 厂和C 厂(表2),B 厂的单位电耗(0.24 kW·h/m3)低于A 厂(0.31 kW·h/m3)和C 厂(0.44 kW·h/m3)。 由此推断,增加管网进水水量、提升进水水质可在一定程度上降低污水处理厂单位电耗。 肖蓝[8]在对上海市各污水处理厂运营能耗进行分析后得出,提高进水水量和进水水质有利于发挥污水处理厂的处理效能,降低吨水电耗,此结论与本文的结论类似。

污水厂曝气系统的曝气效果也是影响吨水电耗的因素之一。 C 厂吨水电耗为0.44 kW·h/m3,仅次于E 厂和H 厂,一是由于C 厂的处理负荷偏低(35.12%);二是C 厂部分曝气管破损导致曝气不均匀、曝气效率较低,再加上异常进水影响了生化池的硝化功能,为确保氨氮的去除率和削减量,污水处理厂适当增加曝气量,最终吨水生化池供风量较上个月增加40.79%,用电量也随之增加。

2.2 药剂费用

1 月污水处理厂原材料费用共计37.43 万元,根据进出水水质的特点,药剂费用主要用于TN、TP等指标的去除,因此,复合碳源、除磷剂和聚丙烯酰胺(PAM)对枯水期污水厂生产运行成本的影响较为明显(图2)。

(1)复合碳源

污水处理厂复合碳源的使用量与进水水质和工艺参数息息相关。 进水碳源不足和气水比过高导致污水处理厂对复合碳源有着较高的依赖。 污水处理厂复合碳源平均投加质量浓度为67.75 mg/L(1 月只有3 家污水处理厂使用复合碳源,故只求3 家污水处理厂的平均投加浓度)。

E 厂和H 厂水处理药耗较高,主要是由于首先E 厂和H 厂食微比较低,需投加大量碳源以增强生物脱氮效果;其次,H 厂缺氧池DO 质量浓度长期高于0.5 mg/L,缺氧池DO 会消耗进水中的易降解CODCr的量,影响污水处理厂反硝化性能[9],因此,需在缺氧池前端投加复合碳源用以确保出水TN 达标排放。 C 厂碳源投加质量浓度为26.05 mg/L,环比增加642.07%,主要是异常进水导致碳源投加量增加。

(2)除磷剂

生化池条件厌氧和进水TP 浓度及进水中无机磷的占比是影响除磷剂投加量的主要因素。 污水处理厂平均除磷剂单耗高达61.81 mg/L。

B 厂由于生化池上清液中TP 浓度大幅度增加,较上个月环比增加142.62%,为保证TP 出水效果,厂区加大了生化池聚合氯化铝铁(PAFC)的投加量。 此外,E 厂和H 厂处理负荷较低,污泥龄过长,气水比长期较高,导致生化池厌氧环境较差,释磷时氧化还原电位(ORP)>-150 mV,生物除磷条件较差,厌氧环境较差,故聚磷菌释磷效果差,且1 月进水TP 波动较大,遂投加大量除磷剂辅助以化学除磷。

(3)绝干泥药耗

进泥浓度和叠螺机压泥效果决定了污水处理厂中用于压泥的PAM 的投加量,污水处理厂的绝干泥药耗为2.69 kg/(t DS)。 C 厂污泥性质变差、进泥浓度不稳定等因素造成绝干泥药耗偏高;D 厂则由于带式机老化,叠螺机叠片磨损需更换,压泥效果差,导致绝干泥药耗偏高。 E 厂和H 厂进泥浓度不高,叠螺机压泥效果较差,需增加PAM 用量,导致其绝干泥药耗较高。

2.3 污泥处置费

8 家污水处理厂1 月的污泥处置费共计134.04万元,在该月单位成本中占比最大。 鱼骨图(图2)清晰地呈现出除磷剂用量增加、过高的生化池污泥浓度和异常进水会造成污水处理厂湿泥产量增加。8 家污水厂化学除磷主要依靠PAC/PAFC,在水处理过程中,PAC/PAFC 可发挥强大的絮凝聚集作用,增加污泥产量。 A 厂、B 厂、F 厂和G 厂月湿泥产量均大于500 t,日均湿泥产量大于15 t,故而污泥处置费较高。 A 厂是管道直接输送污泥混合液,1月运行期间污泥质量浓度较高,为6 450 mg/L,湿泥产量高,污泥处置费用偏高;B 厂原本预计4 月进行生化池大修与清淤工作,为降低生化池内污泥浓度,厂区加大了脱泥量;C 厂在1 月上旬受到异常进水冲击,活性污泥活性降低,故而加大排泥,湿泥产率增加;D 厂污泥浓度高,污泥停留时间过长存在厌氧反硝化上浮的现象,为保证出水水质增加产泥量所致。

3 应对措施分析

为降低枯水期污水处理厂的直接吨水成本,根据鱼骨图结果进行污水厂节能降耗。 针对其电耗高、药剂投加量大、湿泥产量高等问题,在确保污水处理设施正常稳定运行的基础上,对处理工艺、工艺参数、运行模式等方面进行适当调整,以满足低负荷率污水处理厂节能降耗的要求。

3.1 曝气优化

曝气的优化方式包括优化曝气器的布置方式、启动间歇曝气、增设推流器、增设小风量磁悬浮鼓风机等。 分析污水处理厂的工艺过程参数控制情况可知,部分厂区好氧池存在曝气过量(DO>2 mg/L)的问题,因此,在进水负荷较低的情况下,灵活调整好氧池曝气量,做到精确控制DO 浓度,已成为污水处理厂降低生产成本首要任务。

以H 厂为例,为了尽量降低好氧池DO 浓度,将风机频率调整至最低值,但DO 浓度无明显下降,月均值为3.52 mg/L,气水比为8.29。 同时,H 厂由于其长时间低负荷运行,造成实际内回流比高达500%,高于沈静等[10]和滕荣国等[11]所建议的内回流比。 过量曝气以及极高的内回流比造成回流水中DO 浓度过高,无法形成严格的缺氧环境,影响工艺的脱氮性能,需要额外投加大量复合碳源。 目前,建议H 厂购入小风量磁悬浮鼓风机,以降低好氧池DO 浓度。 同时,H 厂可参考A 厂采取间歇曝气运行模式,即根据瞬时流量和好氧池DO 浓度,及时调整鼓风机的启停,不仅可以降低污水处理厂电耗,还可提高反硝化脱氮性能。 实际运行发现,当A 厂生化池供风量减少21%时,鼓风机电耗可减少11%,1#DO 浓度下降61.59%,2#DO 浓度下降51.60%,TN 去除率由61.9%提升至69.8%。

3.2 外加碳源

由于污水处理厂进水BOD5/TN 大多不满足生物脱氮需求,外加碳源成为最常见的调整措施,然而,碳源价格昂贵,必须充分利用,尽可能将碳源保留到缺氧段,供反硝化菌的生长需要[12]。 H 厂复合碳源成本费偏高,仅次于电耗。 为节省碳源成本,H厂将原有的碳源投加点从提升泵房改为缺氧池前端,且根据当天运行情况,精准地控制投加浓度。 当在线仪表检测显示进水TN 质量浓度连续两个数超过20 mg/L、出水TN 质量浓度维持在11 ～12 mg/L时,开始投加复合碳源,投加流量为20 L/h;当在线仪表检测显示进水TN 质量浓度连续两个数超过30 mg/L 时,复合碳源投加流量可增加至30 L/h。 但污水厂进出水仪表为每2 h 更新一次数据,依照此方法调节复合碳源的投加率仍不够精准,因此,建议在缺氧池末端加装在线NO-3-N 仪表,实时检测缺氧池出口NO-3-N,从而调整碳源的投加。 刘超等[13]的试验证明此方法联合投加复合碳源,大约可降低48%的生物脱氮吨水成本。 此外,还可以将碳源投加点由缺氧池前端改为缺氧池中段,保证反硝化菌对外加碳源的有效利用[14],并降低回流水中DO 浓度对缺氧池反硝化脱氮的负面影响;或是在不新增池体的条件下,将好氧池分割,形成独立消氧区,也可使回流混合液DO 质量浓度降至0.5 mg/L 以下[15]。

3.3 工艺调整

(1)单边运行

E 厂运行成本高主要是由于处理负荷低,且处理负荷受天气因素影响较大,旱季期间处理负荷不足30%,雨季期间泵房液位迅速增长,瞬时处理负荷提升至130%,管网仍有溢流风险。 为降低能耗,节省污水处理成本,可进行工艺调整,实行单边运行。 运行模式主要分为3 种,即枯水期实行生化池及膜池单边运行模式、雨季前期实行生化池单边运行模式、雨季实行生化池及膜池双边运行模式。 前期试验数据表明,生化池及膜池单边运行与双边运行相比,吨水电耗将减少0.40 kW·h/m3,碳源投加量减少163 mg/L,生产成本可至少减少12.65 万元/月。

(2)磁混凝技术参数优化

磁混凝技术通过投加磁粉,使得混凝剂、污染物和磁粉絮凝三者形成密度更大的絮体,进而提高混凝沉淀的效果,具有沉淀速度快、效率高、磁种可回收利用等优点[16]。 F 厂和H 厂采用AAO+磁混凝系统工艺。 AAO+磁混凝高效沉淀工艺在城镇污水处理厂中较为常见,钟增雄等[17]通过调试发现该技术对于TP 和SS 具有较好的控制效果,可一定程度上降低污水处理厂的助凝剂和絮凝剂药耗。 但磁种、混凝剂、絮凝剂的最佳加药量和加药顺序,仍需污水处理厂进一步优化。

(3)污泥脱水系统技术改造

E 厂脱水机实际进泥质量浓度(4 000 ～6 000 mg/L)小于初设进泥质量浓度(7 000 mg/L),污泥经设备脱水后含水率为85%左右。 进泥浓度不高,脱水后污泥含水率过高,造成其絮凝剂用量增加。为了进一步改善设备脱水效果,可计划增设一套污泥浓缩设备。 根据目前储泥池工作容量增设污泥浓缩罐,污泥浓缩罐通过重力浓缩的方式把含水率从99%以上降低至95%～98%[《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)],基本满足污泥脱水设备的进泥含水率要求,随后进入脱水机房进一步脱水,预期可将E 厂绝干泥药耗由6.25 kg/(t DS)降至2.78 kg/(t DS)。

3.4 设备维护与更换

污水处理厂设备分为Ⅰ类设备(关键设备)、Ⅱ类设备(重要设备)、Ⅲ类设备(一般设备)。 Ⅰ类设备的损坏将会致使生产过程中断或对生产有直接影响;Ⅱ类设备的损坏将会使处理水量减产或处理系统部分功能丧失;Ⅲ类设备的损坏通常不影响生产过程。

由于污水处理厂运行时间较长,设备完好率不能达到100%,部分设备的损坏对厂区能耗造成了较大的影响。 例如,A 厂紫外消毒灯管故障率>5%,造成电耗以及次氯酸钠药耗增加;C 厂曝气管破损造成鼓风器电耗增加;D 厂带式压滤机和叠螺脱水机部分配件损坏,导致污泥含水率居高不下,产泥效率低,绝干泥药耗增加。

4 结论

(1)进入枯水期后,管网来水不足,进水水质变差。 8 家污水厂平均负荷仅为64.32%,且大多数污水厂面临着进水碳源不足的问题。

(2)8 家污水处理厂的直接吨水成本(自来水费、电费、原材料药耗和污泥处置费)较高,为0.59元/m3,通过鱼骨分析法直观地展示出,导致污水处理厂1 月成本增加的原因主要是电耗、碳源、除磷剂和絮凝剂等费用的增加。

(3)为降低枯水期污水处理厂的直接吨水成本,针对鱼骨图分析下的电耗高、水处理药剂投加量大和绝干泥药耗高等问题,污水处理厂需准确掌握自身进水特质,对曝气系统、药剂投加量、工艺运行状况做出及时的调整,灵活控制各种运行参数。