我國城鎮(zhèn)污水處理廠發(fā)展歷程及技術(shù)建議

鄧乂寰， 吳坤， 陽平堅， 趙泉林， 葉正芳

（1.北京大學 環(huán)境科學與工程學院， 北京 100871；

2.中國城市科學研究會， 北京 100835； 3.中國環(huán)境科學研究院， 北京 100012）

根據(jù)住建部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 2019 年我國共有污水處理廠4 140 座， 其中城市2 471 座， 縣城1 669座， 處理能力接近2 億m3／d， 污水處理率達到96%［1］。 近10 年來， 我國污水處理取得了重大進步， 但與發(fā)達國家相比還有一定的差距。 目前歐盟27 個國家， 大約有污水處理設(shè)施22 558 個， 污水處理人口比例達到82%， 其中69%的人口連接三級處理， 13%的人口連接二級處理。 丹麥、 德國、 奧地利、 荷蘭4 個國家三級處理達到90%以上， 其中荷蘭達到99%。 近20 年來日本污水處理人口比例迅速發(fā)展， 從2000 年的71% 增長到目前的92%。 美國接入市政管網(wǎng)處理比例為81%， 剩下的19% 只連接了化糞池， 進行簡易處理［2－4］。

我國污水處理廠的規(guī)模已經(jīng)位列世界第一， 絕大多數(shù)城鎮(zhèn)區(qū)域已經(jīng)覆蓋污水收集及處理設(shè)施，“十四五”規(guī)劃發(fā)展更關(guān)注污水處理廠的高質(zhì)量發(fā)展。 本文總結(jié)了我國污水處理廠的發(fā)展歷程及目前的空間分布和運行費用， 同時對現(xiàn)行主流的污水處理工藝進行分析， 為今后污水處理廠高質(zhì)量發(fā)展提供了建議。

1 污水處理廠建設(shè)情況及空間分布

1.1 建設(shè)情況

我國污水處理發(fā)展起步較晚， 20 世紀50 年代主要依靠水體的自凈能力凈化污水， 60 年代轉(zhuǎn)為將污水用于農(nóng)田灌溉， 70 年代開始利用城郊的坑塘洼地、 廢河道、 沼澤地等稍加整修或圍堤筑壩，改造成簡單的穩(wěn)定塘， 對城市污水進行簡單處理。70 年代末期開始重視引進國外先進技術(shù)和設(shè)備，開展與國外的技術(shù)交流， 逐步探索適合我國國情的工程技術(shù)和設(shè)計， 為以后的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。 進入80 年代后， 隨著城市化進程的加快和對污染防治的逐漸重視， 國家適時調(diào)整政策， 規(guī)定在城市政府擔保還貸條件下， 準許使用國際金融組織、 外國政府和設(shè)備供應商的優(yōu)惠貸款， 由此推動了一大批城市污水處理設(shè)施的興建。 我國污水處理事業(yè)有了較大的發(fā)展， 其中具有里程碑意義的是中國第一座大型城市污水處理廠——天津市紀莊子污水處理廠于1982 年破土動工， 1984 年竣工投產(chǎn)運行， 處理規(guī)模為26 萬m3／d， 采用活性污泥法工藝。 在此成功經(jīng)驗的帶動下， 北京、 上海、 廣東等省市根據(jù)各自的具體情況分別建設(shè)了不同規(guī)模的污水處理廠， 至此正式標志我國進入工業(yè)化污水處理時代［5－7］。

在“八五”、 “九五”和“十五”規(guī)劃期間， 隨著城市環(huán)境綜合治理的深化及各流域水污染的重視，各地加大了污水處理設(shè)施建設(shè)力度， 到2005 年，我國城市污水處理廠從1990 年的80 個增長到792個， 處理能力達到5 725 萬m3／d， 其中二級以上污水處理廠694 座， 水環(huán)境污染趨勢得到了初步遏制， 部分地區(qū)有所改善［1］； 但我國城鎮(zhèn)水污染情況依然很嚴重， 一些城鎮(zhèn)的集中式飲用水源地污染物不同程度超標， 113 個環(huán)保重點城市飲用水源地水質(zhì)平均達標率只有72%， 縣城污水處理水平還比較低， 1 636 個縣城中只有117 座污水處理廠，設(shè)施覆蓋率僅為14%， 且主要集中在東部發(fā)達地區(qū)［8］。 “十一五”規(guī)劃期間， 地方各級人民政府積極落實國家部署， 污水處理得到進一步發(fā)展。 截至2010 年底， 我國城鎮(zhèn)生活污水設(shè)施處理能力達到1.25 億m3／d， 城市污水處理率達82%， 縣城污水處理率達到60%， 但同時面臨污水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展不均衡、 管網(wǎng)配套建設(shè)相對滯后、 現(xiàn)有設(shè)施升級改造壓力較大、 污泥處理及污水回用等問題［8］?！笆濉钡奈鬯幚斫ㄔO(shè)規(guī)劃中針對這些問題做出了具體部署， 各地和有關(guān)部門認真貫徹落實， 截至2015 年， 我國污水處理水平得到明顯提高， 城鎮(zhèn)污水處理能力已達到2.17 億m3／d， 城市污水處理率達到92%， 縣城污水處理率達到85%。 農(nóng)村地區(qū)污水處理設(shè)施也到了提升， 鎮(zhèn)處理率達到51%。污水回用和污泥處理率得到了一定程度的提高， 但是污水處理設(shè)施建設(shè)仍然存在著區(qū)域分布不均衡、配套管網(wǎng)建設(shè)滯后、 建制鎮(zhèn)設(shè)施明顯不足、 老舊管網(wǎng)滲漏嚴重、 設(shè)施提標改造需求迫切、 部分污泥處置存在二次污染隱患、 再生水利用率不高、 重建設(shè)輕管理等問題。 為此， “十三五”規(guī)劃提出了實現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)由“規(guī)模增長”向“提質(zhì)增效”轉(zhuǎn)變， 由“重水輕泥”向“泥水并重”轉(zhuǎn)變， 由“污水處理”向“再生利用”轉(zhuǎn)變， 全面提升我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的保障能力和服務水平， 改善水環(huán)境質(zhì)量。

1.2 空間分布

我國各區(qū)域污水處理設(shè)施建設(shè)及運行情況如表1 所示［9］。 從表1 可見， 污水處理廠及污水處理能力主要集中在華東地區(qū)， 華東地區(qū)污水處理廠占全國的27%， 年處理能力占總量的33%， 排水管網(wǎng)約占總長度的40%， 這是因為華東地區(qū)分布了約4億人口， 約占全國總?cè)丝诘?9%， GDP 產(chǎn)值也約占全國的38%， 人均生產(chǎn)總值為國內(nèi)最高， 接近9萬元。 華南地區(qū)污水處理設(shè)施排名第二， 年處理能力占總量的16%。 東北和西北地區(qū)最低， 年處理能力分別占9% 和5%。 區(qū)域設(shè)施的建設(shè)情況與經(jīng)濟狀況發(fā)達情況和人口數(shù)量有極大關(guān)系。 目前污水處理廠運行情況最好的地區(qū)為華中地區(qū)， 平均運行負荷達到90%， 西北和東北均不足80%。 在平均單位電耗指標上， 華北地區(qū)最高， 達到0.428 kW·h／m3， 這可能是因為華北地區(qū)對污水排放標準要求較高。 華北地區(qū)污水的再生利用率遠遠高出其他地區(qū)， 達到了36%， 西北地區(qū)最低， 僅為9%。

表1 各區(qū)域污水處理設(shè)施建設(shè)及運行情況Tab. 1 Construction and operation situations of sewage treatment plants in different regions

1.3 運營成本分析

譚雪等［10］對我國污水處理廠的運營成本進行了分析， 結(jié)果顯示平均污水運行成本約為0.81 元／t， 污泥為0.2 元／t， 結(jié)合2019 年各地區(qū)污水處理量， 對污水處理費用進行估算， 年處理費用509 億元， 其中華東地區(qū)年污水處理費用最高， 達到168億元， 占全國總費用的34%， 是中部地區(qū)的2 倍、西部地區(qū)的3 倍。 排名前4 的廣東、 江蘇、 山東、浙江， 均超過30 億元， 其中廣東年投入費用達到68 億元。 最低的省份為青海和寧夏， 年處理費用在3 億元以下。 為了驗證各區(qū)域污水處理費用與人口和GDP 的關(guān)系， 對三者分別進行了擬合， 結(jié)果如圖1 所示。 由圖1 可知， 各區(qū)域人口和GDP 都呈很強的線性關(guān)系（R2≈0.9）， 這是因為人口數(shù)量越多， 產(chǎn)生的污水量也越多， 同時GDP 越高， 污水收集率和人均產(chǎn)生的污水量也會提高。 因此， 未來隨著污水收集能力的提高和經(jīng)濟的增長， 各省的污水處理運行費用將進一步提高。

圖1 各區(qū)域城鎮(zhèn)污水處理運行費用與人口、 GDP 的關(guān)系Fig. 1 Relationship among operation cost of sewage treatment in different regions, population and GDP

2 處理工藝及運行情況

20 世紀80 年代及以前我國大部分城市污水處理廠采用普通曝氣法活性污泥處理工藝及其改良工藝， 主要以去除污水中BOD5和SS 為目的， 對污水中氮磷的去除率非常低。 進入90 年代， 隨著化肥、 洗滌劑和農(nóng)藥的普遍應用及GB 8978—1996《污水綜合排放標準》的提高， 對城市污水的排放標準提出了新的要求， 在去除BOD5、 SS 的同時還需要考慮脫氮除磷， 此階段污水處理技術(shù)發(fā)展較快， A／O、 A2／O、 氧化溝、 SBR、 BAF 等工藝因具有較好的脫氮除磷效果開始被運用于城市污水處理［11-12］。 進 入2000 年 后， 隨 著GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的推出， 對出水氮磷濃度有了更明確的要求。 近年來由于污水處理廠出水指標的不斷提高， 原有污水處理工藝逐漸被許多新型工藝和改進型工藝取代， 如A2／O工藝逐漸被改良A2／O 工藝取代， SBR 工藝被改良SBR 工藝取代， CASS 工藝及CAST 工藝在新建污水處理廠中所占的比例逐年升高［13］。 目前我國污水處理廠的設(shè)計處理規(guī)模主要在4 萬t 及以下， 占比77%， 主要采取的污水處理工藝為A2／O、 氧化溝和SBR。

2.1 An／O 工藝

An／O 工藝主要由A／O 工藝和A2／O 工藝組成，這2 種工藝使用最為廣泛， 分別占比4%和33%［14］。A2／O 工藝運用比例隨著污水處理廠規(guī)模增大而增大， 尤其是在日處理能力10～20 萬m3和20～50萬m3規(guī)模的污水處理廠中達到了50%［14］。 A／O 工藝流程簡單、 投資較少， 但是由于沒有獨立污泥回流系統(tǒng)， 不能培養(yǎng)具有獨特功能的污泥， 對污水中存在的難降解污染物的處理效率較低。 A2／O 工藝是A／O 工藝的改進版本， 其對生活污水中氮、COD、 有機物的去除率更高， 在脫氮同時還可以除磷， 這是A／O 工藝所不具備的。 目前采用A2／O 工藝的污水處理廠中60% 執(zhí)行一級A 或更高標準。未來在高排放標準要求的情況下， 具有脫氮除磷綜合優(yōu)勢的A2／O 工藝的應用將進一步增加。

2.2 氧化溝

氧化溝工藝作為一種成熟的活性污泥污水處理工藝已在全國范圍內(nèi)廣泛應用， 該工藝占比29%，主要運用在10 萬m3／d 及以下規(guī)模污水處理廠。 它是活性污泥法的一種變型， 其曝氣池呈封閉的溝渠型。 常見氧化溝工藝有： 卡魯塞爾2000、 DE、 奧貝爾及其改進形式、 一體化氧化溝。 氧化溝工藝利用連續(xù)環(huán)式反應池作生物反應池， 混合液在該反應池中一條閉合曝氣渠道進行連續(xù)循環(huán)。 氧化溝通常在延時曝氣條件下使用。 氧化溝具有推流特性， 使得溶解氧濃度在沿池長方向形成濃度梯度， 形成好氧、 缺氧和厭氧條件。 對系統(tǒng)合理設(shè)計與控制， 可以取得較好的脫氮除磷效果。 目前55.4% 的氧化溝工藝項目執(zhí)行一級A 及更高的標準［14］。

2.3 SBR

SBR 包括傳統(tǒng)SBR、 CASS 及其改進、 CAST、UNITANK 及其改進、 DAT－IAT、 AICS、 CTECH、ZT 廊道交替池工藝等， 目前占比19%， 主要運用在10 萬m3／d 及以下規(guī)模污水處理廠。 SBR 是采用間歇曝氣方式， 最主要的特點是運行上進行有序和間歇操作， 尤其適用于間歇排放和流量變化較大的場合， SBR 工藝可以用在學校生活污水處理、 加工廠間歇排放的工業(yè)污水、 中小型污水處理站。 SBR將有機污染物降解與泥水混合物沉淀集為一體， 無需污泥回流， 不設(shè)二沉池， 在單一曝氣池內(nèi)通過控制曝氣就能達到同時降解有機物和脫氮除磷的效果， 因此該工藝在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應用。 目前采用SBR 工藝的項目中， 41.4% 執(zhí)行一級A 及更高的標準［14］。

我國污水處理廠運行負荷與設(shè)計規(guī)模成正相關(guān)關(guān)系， 40 萬t 及以上規(guī)模的污水處理廠負荷率最髙，達到91%， 10 萬～40 萬t 的為88%， 4 萬～10 萬t的為83%， 4 萬t 及以下的負荷率最低， 為77.3%。污水處理廠的平均進水質(zhì)量濃度如下： COD 275 mg／L、 BOD5118 mg／L、 氨氮26 mg／L、 總氮35 mg／L、總磷4 mg／L， 其中日均值最高的省份為新疆、 內(nèi)蒙古、 甘肅和北京， 這些污染物的去除率大部分達到了90%， 其中COD 90%、 BOD594%、 氨氮91%、 總氮69%、 總磷88%［9］。

為進一步降低這些污染物含量， 達到更高的排放標準， 投加外部碳源、 除磷藥劑成為一種必要的輔助手段。 在我國城鎮(zhèn)污水處理廠中， 6% 左右的城鎮(zhèn)污水處理廠投加了碳源（主要為甲醇、 葡萄糖、 乙酸、 乙酸鈉）； 35% 以上的城鎮(zhèn)污水處理廠采用了化學除磷（主要為聚合氯化鋁、 聚合硫酸鐵、 硫酸鋁、 三氯化鐵、 聚合氯化鋁鐵）， 主要工藝投加量從高到低為A／O、 A2／O、 氧化溝、 SBR；76% 的污水處理廠投加了脫水藥劑（主要為聚丙烯酰胺）， 實現(xiàn)污泥脫水［15］。 隨著污水處理規(guī)模的增加和排放標準的提高， 污水處理對資源的消耗（尤其是能耗）將進一步提高， 主要污水處理工藝平均單位能耗從大到小為SBR、 A2／O、 A／O、 氧化溝［16］。污水處理平均耗電量為0.317 kW·h／m3， 按照年污水處理總量計算， 2019 年耗電量約為162 億kW·h， 約占全社會總電耗的0.24%。 與2010 年的103億kW·h 相比， 耗電量上漲約60%， 年增長率達到6%［1］。

3 建議

（1） 制定因地制宜的污水處理工藝及排放標準。 目前我國采用的污水處理工藝都是基于活性污泥法進行改良的工藝， 這類處理工藝能夠快速和高效地對污水進行處理， 但由于管網(wǎng)建設(shè)滯后，運行負荷偏低， 雨污未分流， 導致進水濃度低（如ρ（COD）＜150 mg／L）， 同時采用基于活性污泥工藝的改良工藝導致了能耗高、 藥耗高、 建設(shè)成本高，及后期維護成本高， 因此針對中小城市或者西北干旱地區(qū)， 考慮到土地資源多， 可出臺相關(guān)的標準鼓勵采用比較占地的生物處理法， 如土地處理法、 人工濕地、 滴濾池、 接觸氧化法， 這些工藝建設(shè)成本和運行成本低， 對藥劑的依賴程度及對運營人員的專業(yè)水平要求也不高， 即便是低負荷也不會造成資源浪費。 同時這些地區(qū)環(huán)境承載能力大， 可參考農(nóng)田污水回灌標準， 實現(xiàn)污水資源化［17］。

（2） 提高中水的再生利用率和污水中營養(yǎng)物質(zhì)的回收。 目前城市和縣城污水再生利用率分別為17.2% 和9%， 同時一些城市缺乏生態(tài)用水， 這些經(jīng)過高標準處理過的尾水應有效利用起來， 可利用政策引導和市場價格調(diào)節(jié)， 使再生水成為第二補充水源。 污水中含有大量的氮與磷， 目前對于這2 個指標的排放標準正在逐年提高， 意味著大量的氮與磷從污水中轉(zhuǎn)換出來， 同時氮、 磷是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料， 且磷的礦產(chǎn)存量越來越少， 因此可以考慮將從污水中轉(zhuǎn)換出來的氣態(tài)氮和可溶性的磷進行回收轉(zhuǎn)換為肥料， 如可投加鎂源將磷和氮轉(zhuǎn)換成鳥糞石， 作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的緩釋肥［18－19］。

（3） 提高污泥資源化水平和污水處理廠的能源自給率。 2019 年我國污水處理廠污泥產(chǎn)生量為1.4×107t， 處置量為1.3×107t， 處理率達到95%， 主要處理方式為脫水之后填埋， 城鎮(zhèn)污水處理廠基本實現(xiàn)了污泥的初步減量化處理， 但尚未實現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和資源化［1］。 污泥中含有大量有機質(zhì)（51%）及營養(yǎng)物質(zhì)（氮3%、 磷2%、 鉀1%）［20］。 采用厭氧消化工藝可減少污泥接近一半的量， 同時還能產(chǎn)生沼氣， 尤其是熱水解處理技術(shù)預處理后產(chǎn)氣能力還能提高［21］。 污水處理作為一個高耗能行業(yè)， 間接產(chǎn)生大量的溫室氣體。 如果采用高效厭氧消化、 協(xié)同厭氧消化技術(shù)， 一方面能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的穩(wěn)定化及減量化， 另一方面可以產(chǎn)氣發(fā)電以提高污水處理廠的能源自給率， 降低能耗。