论坛投稿选登|北京清环智慧:基于水量水质数据的污水浓度提升方案测算
发布时间:2024-03-19 09:29:39 来源:中国给水排水 作者:本站编辑 浏览次数:

编者按:2024年《中国给水排水》第三届智慧水务融合创新技术论坛自发布征文通知以来,先后收到了延安水务环保集团自来水公司、延安水务集团检测技术服务公司、长江生态环保集团有限公司、上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司、北京亚控科技发展有限公司、中国市政工程华北设计研究总院有限公司、青岛思普润水处理股份有限公司、青岛思普润智能系统有限责任公司、辽宁省城乡建设规划设计院有限责任公司、广州市自来水公司、广东龙泉科技有限公司、天津创业环保集团股份有限公司、北京清环智慧水务科技有限公司、上海临港供排水发展有限公司、中南大学、湖南三友环保科技有限公司等单位的投稿,另外有些投稿因为选题方向等未能接收,特此致歉。感谢所有投稿作者的关注、信任和大力支持!

此次选登北京清环智慧水务科技有限公司的投稿论文。该研究聚焦于基于水量水质监测数据测算设计污水提升浓度达标方案,并致力于解决污水提质增效设计方案目标可达性分析。相信此项原创工作将对智慧水务获取数据的进一步深层次开发利用产生重要影响,并为读者带来有价值的见解。

本次论坛将于329—31日在武汉举行,会期一天半,大会报告30多个,参展企业约20家,参观项目2个。欢迎参会交流!

嘉宾简介|2024《中国给水排水》第三届智慧水务融合创新技术论坛第2轮通知(链接)



摘要:城镇排水片区污水有机物浓度低的成因主要包括排水户出水浓度不足、市政管网有机物沉积降解以及外水入流入渗三大因素。为实现污水提质增效的目标,需要系统调查各因素的本底情况,分析各因素对低浓度的影响贡献。提出一套污水浓度提升目标可达性分析框架,首先通过片区出口和排水户出口的水量水质监测获取关键数据。基于水量水质数据量化排水户出口浓度低、沉积降解和入流入渗三大因素对进水浓度的影响占比。最后结合各片区实际情况提出针对性的改造方案,明确各影响因素的改造目标以实现片区出口浓度达标。在南方某城市提质增效项目中应用此分析框架,对不同特征的片区提供了因地制宜的改造方案。

 

关键词:污水浓度提升;水量水质监测;目标可达性;系统性方案




01

背景

近年来,我国城镇污水处理能力不断增加[1],污水处理量持续增长,但污水处理厂进水浓度却呈下降趋势,城镇排水系统运行效能较低[2]。目前,许多城市开展了以污水厂进水浓度提升为目标的污水处理提质增效类项目[3],近一年也逐渐进入了目标考核的攻坚阶段。随着项目的推进,部分城市投入大量的资金和人力开展了市政管网的新建、修复或改造工作,可末端污水厂进水浓度却没有显著提升或提升幅度仍达不到考核目标。一般而言,造成片区污水出水浓度低的因素主要包括:(1)管网本底质量较差,外水入流入渗现象严重;(2)有机物在污水管网长距离输送过程中存在一定的沉积降解;(3)排水户纳管排放污水有机物浓度偏低等[4]。部分城市的提质增改造方案往往只考虑其中的部分因素,而没有进行系统性的分析和诊断,因此容易忽略主要矛盾而使得最终改造效果不理想。


为解决上述问题,提出一套污水片区浓度提升目标可达性分析框架,基于系统性水量水质监测数据评估排水户浓度、市政管网入流入渗和沉积降解三个部分对污水低浓度的影响大小,在此基础上,结合实施难度合理分配排水户浓度提升、外水剥离、管网沉积降解改善三大类改造工程的投入比重,为最终目标可达提供数据支撑。



02

研究方法

2.1目标可达性分析框架

目标可达性分析框架主要包括基础工作、本底分析、低浓度成因诊断、目标可达性方案设计4个主要环节,如图1所示。基础工作环节通过资料整理、现场踏勘等工作确定监测方案,并通过在线监测设备或人工采样化验的方式获取相关水量水质数据。数据需求包括片区出口水量水质数据、排水户水量水质数据、外水水质等。本底分析环节,统计分析各片区出口有机物(CODBOD5)浓度、外水浓度以及排水户出口有机物浓度情况,结合水量数据进行入流入渗和沉积降解的测算。低浓度成因诊断环节重点考察排水户浓度、外水入流入渗以及沉积降解这三大关键因素对片区出口浓度的贡献占比。目标可达性方案设计环节基于前述分析结果,结合各片区实际情况和改造难度,对源头浓度提升、外水剥离、沉积降解改善三个方面的投入力度和目标进行科学分配,设计系统性方案保障片区污水有机物浓度提升目标可达。


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1 污水厂浓度提升目标可达性分析框架


2.2本底分析

本底分析需全面考察各片区的出口水质水量、排水户浓度、外水浓度、入流入渗率及沉积降解率等关键指标。为确保分析的准确性和可靠性,需明确各部分所需的数据类型、数据来源及注意事项,详见表1。其中,入流入渗率的测算方法可参考《污水管网入流入渗的不同指标的定量化分析》[5],该指标反映了片区内外水入流入渗量在污水量中的占比。沉积降解率则可通过经验值、典型管段测算、模型模拟计算等方式得到。在进行本底分析时,应确保数据来源的准确性和可靠性,同时注意各指标之间的相互影响和关联,以得出全面、客观的分析结果。


各片区监测数据本底分析内容

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2.3低浓度成因诊断

以常规污水排水户BOD5浓度作为初始值,以污水片区现状出口BOD5浓度作为最终值,两者的差距为污水在该片区内通过排放、转输、反应等各种过程之后的浓度下降值。通过排水户出口浓度监测,以及片区外水入流入渗量和沉积降解率的测算结果,可以得到排水户内部因素(如居民习惯、小区内部外水入侵等)、市政管入流入渗、市政管沉积降解三大影响因素分别导致的有机物浓度下降值,进而可测算各自的贡献。具体计算公式如下:

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式中:Ca为只考虑入流入渗的片区出口BOD5浓度,mg/L Cw为现状排水户出水BOD5浓度,mg/LCi为外水BOD5浓度,mg/LCb为理论排水户BOD5浓度,本研究中取120mg/LC为片区出口BOD5浓度,mg/LI为入流入渗率,%d为排水户低浓度影响占比,%r为入流入渗影响占比,%p为沉积降解影响占比,%


2.4目标可达方案测算

在全面掌握各片区本底状况及低浓度成因的基础上进行目标可达性方案的设计。依据公式(5)进行方案设计和测算,该公式涵盖了现状排水户出水浓度(Cw)、入流入渗(I)和沉积降解(D)这三个核心因素。结合各因素在实际操作中的改造实施难度,通过对这三个参数的分配调整与设计试算,力求使(Cm)值达到既定的目标值。通过这一迭代试算的过程,最终得出符合各片区实际情况的目标可达性方案。

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式中:Cm为片区出口BOD5目标浓度,mg/LD为片区内沉积降解率,%



03

案例结果与讨论

3.1案例概况

在南方某城市提质增效项目中,城市污水片区提质增效BOD5目标浓度为100mg/L,但现状污水片区BOD5浓度普遍偏低,达不到目标值。其中ABC片区为合流制排水体制,排水系统内均包含多条雨水箱涵,现状片区出口浓度均低于65mg/L。针对这3个片区,在9个片区出口、18个排水户出口开展了水量水质监测。其中水量采用在线监测,片区出口监测时长为14天,排水户出口监测1天,数据频次为每分钟1个数据;水质采用人工采样化验,片区出口采集2个旱天,排水户采集1个旱天,采样频次为早中晚3次。此外,为进一步了解外水对水质的影响,在各片区分别选取了2个河道点位进行水质采样化验工作。水质化验指标为CODBOD5。考虑到排水管网的复杂性,本项目采用了国内一线品牌的智慧排水监测流量仪,以确保监测数据的准确性和可靠性。

3.2本底分析结果

通过实测数据得到各片区的排水户出水浓度、外水浓度、片区出口浓度和片区总出水量,结果如表2所示。

2 各片区监测数据统计结果

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其中,A片区的总流量最大,为70563m3/d,现状出口浓度为33mg/LC片区的总流量最小,为15979m3/d,现状出口浓度为63mg/LA片区和B片区的排水户出口浓度低于100mg/LC片区排水户出口浓度高于100mg/L。进一步测算各片区市政管网中入流入渗和沉积降解的情况,结果如表3所示。


表3 各片区入流入渗及有机物沉积降解测算结果 %

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其中A片区的入流入渗率最大,达到85.86%BC片区入流入渗率较接近,分别为29.99%27.37%A片区的沉积降解率最大,为33.8%,推测由于该片区外水量大,管网中溶解氧较高,从而导致沉积降解率也相对较高,C片区沉积降解率最小,为11.8%

3.3低浓度成因诊断结果

三个案例片区中,各影响因素对有机物浓度下降的贡献比例测算过程及结果如表4所示,其中对A片区影响最大的因素为入流入渗,贡献占比达43.50%,其次是排水户低浓度,贡献占比达37.40%。对B片区影响最大的因素是排水户低浓度,贡献占比达56.50%,其次是入流入渗,贡献占比为29.60%。对C片区影响最大的因素为入流入渗,贡献占比达49.40%,其次是沉积降解,贡献占比41.30%。可见,不同片区导致污水管网中有机物浓度下降的主要原因有所差异,在编制各片区提质增效系统性方案时应分别予以考虑。


4 片区各影响因素影响占比分析

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3.4目标可达方案测算结果

基于本底分析和低浓度成因诊断的成果,对各个片区开展了更加细致的现场调研和摸排工作。以片区污水出口BOD5浓度达到100mg/L为目标,通过式(5)对各个影响因素的改造提升目标进行测算,结果如表5所示。


5 各片区目标浓度提升方案分析结果

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其中,对A片区出口浓度影响最大的因素是外水入流入渗。在现场摸排中,发现A片区市政管网存在自来水爆管汇入污水井以及多处山水下泄汇入污水管网的情况,这类集中入流的大量外水相对容易采取措施进行剥离。剥离后,管网中的溶解氧将会减少,从而使得沉积降解率相应降低。此外,片区排水户出口浓度普遍偏低也是导致片区出口浓度低的重要原因之一。考虑到A片区的实际情况,若将A片区的入流入渗率由85.86%降到15%,排水户出口BOD5浓度提升到134mg/L,同时片区沉积降解率降低到14.00%A片区的片区出口BOD5浓度可以达到100.5mg/LB片区出口浓度低主要原因是排水户出口浓度低,当排水户出口BOD5浓度由87mg/L提升到133mg/L,片区入流入渗率降低到17.00%,片区沉积降解率保持在11.80%时,B片区的片区出口BOD5浓度可以达到100.5mg/LC片区出口浓度低主要原因是入流入渗和沉积降解,现场摸排中发现外水主要来自两个低浓度合流箱涵,箱涵上游通过清污分流可以实现外水剥离,沉积降解也会有一定程度的降低,当C片区入流入渗率降低到10.00%,片区沉积降解率降低到15.00%,排水户出口BOD5浓度提升到130mg/L时,C片区的片区出口BOD5浓度可以达到100.7mg/L



04

结论

污水厂进水浓度受到入流入渗、沉积降解以及排水户排放本底浓度等多个因素的影响,在开展提质增效方案设计或施工前,应该先对排水系统的现状进行评估诊断,抓住问题的主要矛盾,找到问题根源再对症下药。排水管网水量水质在线监测以及基于实测数据的分析诊断,是提质增效类项目前期进行评估和排查的重要手段之一。研究提出一套污水浓度提升目标可达性分析框架,通过监测工作开展、本底数据分析、低浓度成因诊断、目标可达方案测算4个环节,为片区污水浓度提升方案设计提供系统科学的分析框架和量化数据的支撑。

参考文献:

[1]张伟,潘芳,张海行,等.污水处理提质增效一厂一策方案的编制思考[J].中国给水排水,2023, 39(2):32-37.

[2]凌莉,李亮,张红艳.污水厂低浓度进水问题分析[J].中国市政工程,2024(1):60-64+154-155.

[3]郭紫波,栗玉鸿,吕红亮,等.基于监测评估的北方丘陵城市污水提质增效研究[J].中国给水排水,202339(16):116-123.

[4]谢家强,胡军,颜莹莹,等.长江经济带典型污水收集系统提质增效量化研究[J].中国给水排水,202238(19)28-34.

[5]杨婷婷,李志一,李萌,等.污水管网入流入渗的不同指标的定量化分析[J].水电能源科学,202240(6)127-129+57.


作者简介:庄梦娟(1993- ),女,湖北当阳人,硕士,主要研究方向为水量水质在线监测数据分析。
E-mail854077316@qq.com


作者:庄梦娟 张旭东(北京清环智慧水务科技有限公司)

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