產業密集型城鎮污水處理廠納管監控體系構建與應用

鄒偉國 ，丁永偉 ，徐 春，劉戰廣

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092；2.蘇州市排水管理處，江蘇蘇州 215007;3.蘇州市吳中區河東污水處理有限公司,江蘇蘇州 215124）

0 引言

環太湖地區集中了眾多的工業重鎮，企業數量多，經濟總量大。然而，由于產業布局的高度密集，已經成為城鎮水環境污染負荷的主要來源。對產業密集型地區城鎮污水處理的調研表明，除中心城區基本上以生活污水為主以外，以工業生產為主的區域、特別是高新區和工業園區的污水廠，進水中工業廢水含量普遍較高，很多在40%以上，高的達到70%以上。總體上，該類城鎮污水處理廠普遍存在規模較小、工業廢水比例大、水質水量波動大、處理效果不穩定的問題，成為一類具有特殊代表性的污水廠。在運行的污水廠處理能力多集中在1～5萬t/d，城鎮污水處理廠接納工業廢水的比例最高達到85%，其中主要為印染、電鍍、食品、塑膠、化工等高污染行業的廢水。這類城鎮廢水的突出特點是廢水來源復雜，水質、水量波動大，有機物、色度、TP等含量高，有機組分復雜[1-2]。

與此同時，由于監管手段缺失，監管能力不足，納管企業（排水戶）廢水不定期超標排放和有毒有害組分超標對污水處理廠的穩定運行和達標排放造成了很大的影響。因此，需要強化企業來水的監控和預處理，從工藝改造、技術手段和管理手段等多方面入手加以整改完善，促進納管企業不斷提高運行管理水平。

1 源頭監控技術體系構建

針對環太湖地區產業密集型城鎮中小規模污水處理廠由于進水中工業廢水比例高、水質水量變化大而導致處理效果不穩定的問題，提出了納管排污企業總排放口、中途提升泵站和污水處理廠預處理的三級源頭監控策略。同時，通過簽訂納管協議等管理手段強化排污企業廢水預處理效能和排污許可制度的執行效果，從而穩定和改善污水處理廠的進水水質，增強生化處理穩定性，提升系統的污水處理效能和出水水質。納管源頭監控技術體系的構成如圖1所示，對納管企業排污口、中途泵站和污水廠預處理工藝段等三個影響水質水量穩定性的關鍵環節進行一體化監控。通過GPRS無線網絡與設在污水處理廠的控制平臺連接，實現對生化處理進水源頭的遠程監控取樣、水質水量監控、排污口閥門控制、異常情況報警等功能。同時，由于納管協議的簽訂和納管監控系統的安裝，必將推動上游企業進一步改善工業廢水預處理設施的運行管理水平，為污水處理廠進水水質的穩定提供保障。

1.1 企業預處理設施

企業生產污、廢水須在企業內部的污水處理站凈化處理后才能排入城市下水道，應滿足《污水排入城鎮下水道水質標準》（CJ 343-2010）的規定，其中有行業水污染物排放標準的應執行行業標準。由于不同行業的企業排放的工業廢水水質差異性較大，因此，企業污水處理站的處理工藝應根據企業的生產工藝或廢水的實際水質進行具體分析和合理選擇，為實現納管源頭排污口的達標排放創造有利條件。對于建立源頭監控體系的產業密集型城鎮污水處理廠，納管排污企業總排放口的污染物排放控制要求可由城鎮污水處理廠與企業根據污水廠的總體進水水質和處理能力商定或執行相關標準，并報當地環境保護主管部門備案。

圖1 納管源頭監控技術體系構成圖

1.2 重點納管排污口

重點納管排污口的監控是納管監控體系的核心組成部分，可實現從源頭上阻斷超標工業廢水進入污水處理廠，從而極大地提高城鎮污水處理廠運行的穩定性。已建城鎮污水處理廠對服務面積內接管企業的水量水質特征及企業預處理設施的運行狀況全面分析后，可選定具有代表性的排放點及較不利點等設定重點監控排污口，并與排污企業簽訂納管排污協議，執行排污許可制度[3]。條件允許時，所有有生產廢水產生的接管企業均應納入源頭監控體系。

城鎮污水處理廠應在重點納管總排污口設置完善的源頭監控配套設施，至少應具有自動采樣、自動檢測流量和特征污染因子、自動啟閉總排污口閥門等三項主要監控功能。重點納管總排污口宜設置流量計及特征污染因子自動檢測設備，污水廠內的控制平臺通過無線傳輸自動采集、記錄與分析在線檢測數據，實現重點源頭企業總排污口閥門的自動啟閉和異常情況報警。

1.3 中途提升泵站

城鎮污水處理廠外的中途提升泵站，宜設液位計、液位差計、液位開關和流量計等計量、控制設備及相關配套設施，并通過無線傳輸與污水廠內的中控平臺對接。中控平臺通過編譯程序自動采集、記錄和分析在線檢測數據，智能調控中途泵站輸送流量，避免中途泵站集水井水位過高時上游污水輸送管道出現壅水，保障污水廠外污水管線運行安全性和穩定性，并可實現污水輸送設備節能降耗。

產業密集型城鎮污水處理廠在條件允許時，可在中途泵站集水井設置pH值自動檢測設備，中控平臺通過無線傳輸自動采集、記錄和分析在線檢測的pH值。

1.4 污水廠預處理

蘇州市城鎮污水處理廠由于工業廢水比例高，水質水量變化大，在生化處理之前需設置調節池、混凝沉淀池、水解酸化池等預處理設施。污水廠預處理設施的運行與接管企業排放工業廢水的水質水量等關系密切，因此應納入納管監控體系形成一體化監控策略。

調節池對于后續混凝沉淀池加藥系統的精確運行和水解酸化池進水水質的保障具有重要意義，因此調節池需設置設液位計、液位差計、液位開關及流量計等計量和控制設備，對水位和水量進行精確控制。水質指標的監測應根據進水水質和后續工藝的要求進行篩選和確定，一般應設置pH值調節裝置。當廢水堿度和營養鹽（N、P）等不夠需要補充時，可采用計量泵自動投加酸、堿和營養鹽藥劑。

初次沉淀池應根據廢水的具體水質，如廢水的懸浮固體濃度、色度和有機物濃度等，考慮是否需要設置混凝劑加藥系統，強化初次沉淀池的物化預處理效果。混凝加藥系統可根據實際運行情況啟動三個不同等級的工作模式。初級工作模式為混凝劑定量投加，中級工作模式根據進水流量的變化按比例投加混凝劑，高級工作模式根據進水流量和監測水質指標的變化按比例投加混凝劑。

產業密集型城鎮污水處理廠進水含有較高比例的工業廢水，其中經常含有難生物降解的大分子物質或有毒有害有機物，通過設置水解酸化池改善廢水的可生化性，降低廢水的微生物毒性，以利于后續的生物處理[4-5]。由于水解酸化反應對水量、水質的波動具有較強的敏感性，水解酸化池應建立完善的檢測控制系統，一般應由在線監測、現場監測和實驗室檢測等組成。檢測項目根據水解、酸化微生物菌群的生理活動特征進行確定，合理分配在線監測、現場監測和實驗室檢測項目。此外，污泥界面對于判斷污泥性能具有一定意義，水解反應池宜設置污泥界面儀和剩余污泥排放流量計。

2 監控模式

納管監控系統工作模式如圖2所示，包括感知層、網絡層和應用層。感知層包括自動取樣設備、監測儀表和自控裝置等，對排污口、中途提升泵站和污水廠預處理工藝段自動完成參數分析、數據采集和通訊傳輸，并可識別監測中心的命令，實現排污閥門的自動啟閉。網絡層完成監測點和監測中心之間控制信號和監測數據的傳輸。應用層完成遠程數據接收、存儲、處理和顯示，并對各個監測點進行控制指揮。

圖2 納管監控系統工作模式示意圖

應用層是控制系統核心，直接決定控制質量與效果。課題組建立的綜合監控平臺如圖3所示，包括：（1）在線控制系統，收集在線數據，發送控制指令，對監測點進行現場監控；（2）數據管理系統，實現數據的實時顯示和統計分析功能；（3）運行管理系統，幫助污水廠提高運行管理水平；（4）輔助支持系統，幫助接管企業提高污水管理能力。

3 工程應用

3.1 工程實施

該納管監控系統已在蘇州市河東工業園的河東污水處理有限公司應用，該污水處理廠總處理能力8.0萬m3/d。其中，工業污水占70%左右，主要為印染、紡織、電子、機械、化工等行業排放的廢水。由于長期以來對接管企業缺乏有效的監管手段，該廠進水水質、水量一度非常不穩定，對污水廠的穩定運行和達標排放造成了較大影響。

2011年下半年至2012年，污水處理廠開始逐步對工業園有生產廢水排放的接管企業安裝智能排水監管系統。截至2012年底，已在100多家接管企業中選擇34家進行了監控裝置的示范安裝（如圖3左所示），并建有1個監控中心，今后擬要求所有有生產廢水產生的新接管企業在接管前必須安裝該系統。此外，在分析該污水處理廠預處理工藝段的藥耗水平與運行現狀基礎上，建立了初沉池智能加藥設備和控制平臺系統（見圖3），初步實現了納管監控系統的建設。

該系統可對接管企業的廢水排放情況和污水處理廠預處理設施運行情況實時監測和自動控制，其基本功能包括實時監控接管企業的廢水排放情況，如流量、總量、pH、COD等指標；對企業排放的廢水實現遠程控制自動采樣，實現了采樣時間的全覆蓋，減輕了外管巡查的工作量，并且可以給企業同步留樣，減少爭議；遠程和現場對企業排放口閥門進行開關控制，提高了污水廠發現企業超標排放和偷排時的處置能力和應急能力。此外，該系統可以對企業排水進行總量控制，遠期還可以實現排污超標收費功能。

圖3 在線監控設施實景及其示意圖

3.2 實施效果

納管監控系統的安裝成功，增加了該污水處理廠控制外圍水質沖擊的管理手段。系統運行以來，污水廠已根據納管協議對多家超標嚴重和涉嫌偷排的企業進行了關閥處理，從而增加了企業違規排放的顧慮和成本，促進一批企業新建和改造預處理設施，提升了接管企業預處理水平，進而明顯提升了污水處理廠的進水水質和運行穩定性。

3.2.1 接管企業排放水質提升

該污水處理廠進水中工業污水占70%左右，接管的100多家企業中主要為印染、紡織、電子、化工等重污染企業。由于接管企業的生產特征差異，不同企業的重點監控污染因子有所差異。圖4所示為三家企業2011至2013年間的重點污染物排放濃度隨時間的變化情況。受企業生產變化和企業內部污水處理設施運行水平等因素的影響，部分企業排水水質的提升經歷了較長時間和一定的波折，但大部分企業的排水水質均得到一定改善。對圖4中的數據按年份取平均值，結果如表1所列。

目前該污水廠的接管標準為COD≤500 mg/L、氨氮≤25 mg/L、TP≤1 mg/L，由表1可見，三家企業在2011年的TP或COD排放濃度均達不到接管標準。但隨著納管監控體系的實施，三家企業的排放水質均逐步提升，不僅污染物濃度下降，水質波動性也大大減小。到2013年，甲企業的TP和丙企業的COD排放濃度均可達到接管標準。乙企業受行業生產影響，TP排放濃度過高，但2013年比2011年的TP排放濃度下降了72.4%，水質提升效果明顯。

3.2.2 污水廠進出水水質提升

2011年至2014年，該污水廠的進出水COD和TP濃度隨時間的變化情況如圖5所示。對圖5中的數據按年份取平均值，結果如表2所列。實施納管監控之前的進水COD和TP濃度處于高位波動，經常出現超過設計進水水質的情況，直接導致污水處理廠運行穩定性下降，出水COD濃度僅能勉強達到一級B標準，超標風險較大，出水TP濃度更是僅達到二級標準。2011年下半年實施納管監控之后，進水水質迅速改善，2012年進水COD和TP濃度較2011年分別下降了15.2%和44.7%。由于進水水質的改善和優化運行措施的實施，2012年出水濃度均已可穩定達到一級A標準，大大提升了污水處理廠的運行效益。2013至2014年，出水COD和TP濃度進一步下降，超標風險進一步減小。

圖4 三家企業納管監控前后進出水水質曲線圖

表1 三家接管企業年平均排水水質一覽表（單位：mg/L）

圖5 污水廠納管監控前后進出水水質曲線圖

4 結語

產業密集型城鎮污水處理廠普遍存在由于進水中工業廢水比例高、水質水量變化大導致運行效果不穩定的問題，上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司提出了納管排污企業總排放口、中途提升泵站和污水處理廠預處理的三級監控策略，通過GPRS無線網絡與綜合控制平臺連接，配合納管協議的簽訂，形成納管監控體系。在蘇州市某污水處理廠的應用表明，構建的納管監控體系實現了對納管企業排水和污水處理廠進水水質的實時監控，明顯提升了污水處理廠的進水水質和運行穩定性，出水水質可穩定達到一級A標準。納管監控系統的應用，還可增加區域環境應急管理能力，有利于區域環境風險的防范。

表2 污水廠年平均進出水水質一覽表（單位：mg/L）

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