中國(guó)城鎮(zhèn)污水處理工藝的主要污染物去除效率分析

陳敏敏 劉 杰 張 震 趙銀慧 王軍霞#

(1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；2.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

一般地，城鎮(zhèn)居民生活污水、各種機(jī)構(gòu)及公共設(shè)施排水和部分工業(yè)廢水、初期雨水都經(jīng)城鎮(zhèn)污水收集系統(tǒng)進(jìn)入城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)行集中凈化處理[1-2]。城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)是城市水污染防治的重要一環(huán)，也是改善水環(huán)境質(zhì)量的重要設(shè)施。我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理行業(yè)整體發(fā)展迅速，隨著《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案(2019—2021年)》等政策文件的實(shí)施，城鎮(zhèn)污水收集和處理設(shè)施短板將加快補(bǔ)齊，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水的全收集、全處理[3-5]。

目前，針對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物去除效率的研究較多，但主要集中于使用較多的工藝類(lèi)型[6-7]，基于城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)采用的所有污水處理工藝的綜合研究較少。為此，本研究統(tǒng)整了第二次全國(guó)污染源普查結(jié)果以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的污染源自行監(jiān)測(cè)和執(zhí)法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，資料內(nèi)容基本覆蓋2017年全部城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)，可以較真實(shí)地反映出我國(guó)現(xiàn)階段城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的實(shí)際情況。通過(guò)分析我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的主要污水處理工藝使用情況，結(jié)合不同污水處理工藝的進(jìn)出水濃度、處理規(guī)模等影響因素，探討了不同污水處理工藝下COD、氨氮兩項(xiàng)主要污染物的去除效率差異，以期為推進(jìn)我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)建設(shè)改造，全面提升城鎮(zhèn)污水處理能力提供參考及數(shù)據(jù)支持[8]。

1 我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污水處理工藝使用情況

根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查結(jié)果，2017年我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)有8 969家，設(shè)計(jì)污水處理能力為2.1億m3/d，污水實(shí)際處理量為595.8億m3，城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的數(shù)量占全國(guó)集中式污水處理單位總量的11.5%，設(shè)計(jì)處理能力、實(shí)際處理水量分別占全國(guó)污水處理總量的86.5%、91.4%[9]；由此來(lái)看，城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)是我國(guó)集中處理污水的主體，作為工業(yè)污染源和生活污染源排放污水的主要處理單位，其運(yùn)行情況將關(guān)系到環(huán)境水體的質(zhì)量情況。

我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)基本涵蓋現(xiàn)行主要的廢水處理方法，使用的污水處理工藝有36種，其中包括物理處理工藝7種，化學(xué)處理工藝5種，物理化學(xué)處理工藝3種，好氧生物處理工藝11種，厭氧生物處理工藝4種，穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝6種。

目前城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的污水處理級(jí)別分為一級(jí)處理、二級(jí)處理和深度處理。一級(jí)處理主要去除懸浮物，二級(jí)處理主要去除有機(jī)污染物，深度處理是對(duì)污水二級(jí)處理的出水進(jìn)一步凈化處理的工藝。其中，物理處理、化學(xué)處理、物理化學(xué)處理工藝是以沉淀為主體的處理工藝，是城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)去除懸浮物的污水處理工藝流程，一般作為好氧生物處理工藝、厭氧生物處理工藝和穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝的前后端輔助處理手段[10]。因此，本研究針對(duì)采用好氧生物處理工藝、厭氧生物處理工藝和穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理3個(gè)工藝大類(lèi)的20種工藝小類(lèi)開(kāi)展分析，不同工藝的COD、氨氮去除效果見(jiàn)表1。

表1 城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)不同污水處理工藝下的COD、氨氮去除情況Table 1 COD and ammonia nitrogen removal efficiency of different wastewater treatment processes in municipal wastewater treatment plants

我國(guó)地域遼闊，各地根據(jù)不同的環(huán)境特征、土地資源、投資效益、污水處理工藝技術(shù)發(fā)展、進(jìn)水特征和排放標(biāo)準(zhǔn)的要求等選擇不同的城鎮(zhèn)污水處理工藝。對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)使用的處理工藝按應(yīng)用數(shù)量進(jìn)行排序，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)使用最多的工藝大類(lèi)為好氧生物處理，其中應(yīng)用最多的工藝中類(lèi)為活性污泥法。我國(guó)目前有7 322家城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)使用活性污泥法，占我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)總數(shù)的81.6%，工藝小類(lèi)中A2/O工藝、普通活性污泥法、氧化溝類(lèi)和A/O工藝應(yīng)用最廣泛，4種應(yīng)用占比合計(jì)68.0%。應(yīng)用量居前10位的污水處理工藝小類(lèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，除人工濕地外，其他9項(xiàng)工藝小類(lèi)均歸屬于好氧生物處理工藝。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造工作的持續(xù)推進(jìn)，具有較高脫氮除磷效率的A2/O工藝、氧化溝類(lèi)、SBR類(lèi)、MBR類(lèi)應(yīng)用日益廣泛[11-12]，這4種工藝的設(shè)計(jì)處理能力已占我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)計(jì)總能力的76.9%。

表2 城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污水處理工藝小類(lèi)前10位占比Table 2 The proportion of top 10 wastewater treatment subdivision processes in municipal wastewater treatment plants

2 不同污水處理工藝的主要污染物去除效率

污染物的去除效率是評(píng)價(jià)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)運(yùn)行效果、效率和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，能夠反映出城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的環(huán)境效益。

2.1 COD去除效率分析

我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)COD進(jìn)水質(zhì)量濃度在30.0～977.5 mg/L，平均值為202.7 mg/L，中位值為182.5 mg/L，80%分位數(shù)為265.0 mg/L，COD的進(jìn)水濃度與其他典型污水處理廠(chǎng)基本持平[13-14]，平均出水質(zhì)量濃度為26.3 mg/L，COD平均去除率為84.5%。

采用好氧生物處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度為202.8 mg/L；出水COD平均質(zhì)量濃度為25.8 mg/L，COD平均去除率為84.6%，略高于全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)總體平均值。包含8個(gè)工藝小類(lèi)的活性污泥法進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度為205.5 mg/L，比好氧生物處理工藝平均值高1.3%，出水COD平均質(zhì)量濃度為25.3 mg/L，COD平均去除率為85.0%，比好氧生物處理工藝平均值高0.4百分點(diǎn)。包含3個(gè)小類(lèi)工藝的生物膜法進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度為180.9 mg/L，比好氧生物處理工藝平均值低10.8%，出水COD平均質(zhì)量濃度為28.7 mg/L，COD平均去除率為81.2%，比好氧生物處理工藝平均值低3.4百分點(diǎn)。

厭氧生物處理工藝不在我國(guó)城鎮(zhèn)污水生物處理工藝的推薦工藝中，但也約有5.4%的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)采用厭氧水解、厭氧生物濾池等厭氧生物處理工藝。采用厭氧生物處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度為193.9 mg/L，出水COD平均質(zhì)量濃度為28.4mg/L，COD平均去除率為82.9%，比全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)平均值低1.6百分點(diǎn)。

穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理是利用土壤和植物的凈化能力去除污水中的污染物的自然凈化工藝，需要占用土地資源，約有9.6%的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)采用該類(lèi)污水處理工藝。采用穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD平均質(zhì)量濃度為195.6 mg/L，出水COD平均質(zhì)量濃度為29.6 mg/L，COD平均去除率為82.7%，比全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)平均值低1.8百分點(diǎn)。3個(gè)中類(lèi)工藝比較，人工濕地、土地滲濾對(duì)COD的去除率相近，分別為83.5%、83.1%，高于穩(wěn)定塘79.0%的去除率。

通過(guò)上述分析可知，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)不同污水處理工藝的進(jìn)水COD濃度較為平均，差異不顯著；進(jìn)水COD濃度普遍較低，全國(guó)僅有約20.6%的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水COD能達(dá)到260 mg/L的要求。從COD去除效果上看，3個(gè)污水處理工藝大類(lèi)對(duì)COD的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝；活性污泥法對(duì)COD去除效果較好，所屬的8個(gè)工藝小類(lèi)對(duì)COD的去除效果差距不大，去除率最大值與最小值僅相差2.3百分點(diǎn)，生物膜法的3個(gè)工藝小類(lèi)對(duì)COD的去除效果差距較大，去除率最大值與最小值相差高達(dá)5.2百分點(diǎn)，COD平均去除率低于全國(guó)平均值，另外兩個(gè)工藝大類(lèi)對(duì)COD的去除率也低于全國(guó)平均值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同的污水處理工藝的去除率與進(jìn)水COD濃度有正向相關(guān)的趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)水COD濃度較高時(shí)，COD的去除效率較高；因此未來(lái)新建污水處理廠(chǎng)建議選用活性污泥法污水處理工藝、提高進(jìn)水COD濃度以保證有機(jī)負(fù)荷維持較高的水平，從而提升COD的去除效率。

2.2 氨氮去除效率分析

我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)氨氮的進(jìn)水質(zhì)量濃度在1.6～192.9 mg/L，平均值為23.8 mg/L，中位值為22.6 mg/L，80%分位數(shù)為30.6 mg/L，進(jìn)水氨氮濃度比其他典型污水處理廠(chǎng)略高；出水氨氮平均值為2.5 mg/L，氨氮平均去除率為88.5%。

采用好氧生物處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為23.7 mg/L，出水氨氮平均質(zhì)量濃度為2.3 mg/L，氨氮平均去除率為88.8%，比全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)平均值高0.3百分點(diǎn)。包含8個(gè)工藝小類(lèi)的活性污泥法進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為23.7 mg/L，與好氧生物處理工藝平均值相同，出水氨氮平均質(zhì)量濃度為2.2 mg/L，氨氮平均去除率為89.4%，比好氧生物處理工藝平均值高0.6百分點(diǎn)。包含3個(gè)工藝小類(lèi)的生物膜法進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為23.3 mg/L，比好氧生物處理工藝平均值低1.7%；出水氨氮平均質(zhì)量濃度為3.1 mg/L；氨氮平均去除率為84.8%，比好氧生物處理工藝的平均值低4.0百分點(diǎn)。

采用厭氧生物處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為24.5 mg/L，出水氨氮平均質(zhì)量濃度為3.0 mg/L，氨氮平均去除率為87.1%，比全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)平均值低1.4百分點(diǎn)。

采用穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝的城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為24.0 mg/L，出水氨氮平均質(zhì)量濃度為4.1 mg/L，氨氮平均去除率為83.4%，比全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)平均值低5.1百分點(diǎn)。3種中類(lèi)工藝比較，人工濕地、土地滲濾對(duì)氨氮的去除率相近，分別為85.4%、85.6%，高于穩(wěn)定塘的平均氨氮去除率(78.9%)。

通過(guò)上述分析可知，不同污水處理工藝中進(jìn)水氨氮濃度最大的工藝小類(lèi)為AB法，最小的為土地滲濾法，各工藝進(jìn)水氨氮濃度波動(dòng)不大。AB法、好氧氧化塘的出水氨氮能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2012)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，其他18個(gè)工藝小類(lèi)的出水氨氮可達(dá)到GB 18918—2012一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。從氨氮去除效果上看，3個(gè)污水處理工藝大類(lèi)對(duì)氨氮的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝；活性污泥法對(duì)氨氮去除效果較好，所包含的8個(gè)工藝小類(lèi)中，5個(gè)工藝小類(lèi)的氨氮去除率超過(guò)全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)平均值；而生物膜法、厭氧生物處理法以及穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝對(duì)氨氮的去除率均低于全國(guó)平均水平；與COD不同的是，氨氮去除率與進(jìn)水氨氮濃度有負(fù)向相關(guān)的趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)水濃度低時(shí)去除率較高，當(dāng)進(jìn)水濃度高時(shí)去除率較低；這是因?yàn)榘钡娜コ饕ㄟ^(guò)硝化細(xì)菌的硝化作用實(shí)現(xiàn)，當(dāng)氨氮濃度低時(shí)，硝化反應(yīng)能相對(duì)徹底地去除氨氮，使氨氮的去除效率提高。

3 結(jié)論和建議

(1) 城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)在我國(guó)集中式污水處理設(shè)施中的數(shù)量占比僅11.5%，但設(shè)計(jì)處理能力、實(shí)際污水處理量占比分別達(dá)86.5%、91.4%，是我國(guó)當(dāng)前集中式污染治理設(shè)施處理污水的主體。我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)使用的污水處理工藝相對(duì)集中，好氧生物處理工藝大類(lèi)中的活性污泥法使用最多，占城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)總數(shù)的81.6%，其中的A2/O工藝、普通活性污泥法、氧化溝類(lèi)和A/O工藝4種工藝應(yīng)用占比合計(jì)68.0%。

(2) 在城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)3種大類(lèi)工藝中，對(duì)COD的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝；對(duì)氨氮的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩(wěn)定塘、人工濕地及土地處理工藝?；钚晕勰喾ǖ母鱾€(gè)小類(lèi)工藝相較于其他工藝類(lèi)型，對(duì)COD和氨氮均有較好的去除效果。

(3) 隨著我國(guó)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善需求的增加和城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值的加嚴(yán)，城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)建設(shè)改造時(shí)建議選擇活性污泥法等污染物去除效率高、運(yùn)行管理技術(shù)更成熟的處理工藝，同時(shí)盡可能提高進(jìn)廠(chǎng)污水中易降解碳源的含量，以達(dá)到更低的排放濃度和更高的達(dá)標(biāo)率，滿(mǎn)足水環(huán)境治理改善的需要。