城鎮(zhèn)污水處理廠出水排放限值分級(jí)及提標(biāo)成本研究

蔡木林， 盧延娜， 劉 琰， 趙麗娜， 楊占紅， 魏玉霞， 王海燕

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012

由于快速的城市化和人口增長(zhǎng)，嚴(yán)重的水資源短缺已成為全球關(guān)注的問(wèn)題. 城鎮(zhèn)污水處理廠被認(rèn)為是改善城市水環(huán)境的基本工具，除此之外還在生態(tài)系統(tǒng)資源保護(hù)和水資源循環(huán)利用中起到重要作用[1]. 因此，發(fā)展環(huán)境可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)上可行的水處理技術(shù)，補(bǔ)充有限的水資源，是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)性的一種可行的工程解決方案，這一點(diǎn)已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)同[2-4]. 城鎮(zhèn)污水處理廠既是城鎮(zhèn)污水的治理單位，也是主要的水污染物排放單位之一，是實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量改善必須考慮的污染物減排單位. 目前，中國(guó)擁有世界上數(shù)量最多和處理能力最大的城市污水處理廠. 截至2018年6月底，全國(guó)已建成城鎮(zhèn)污水處理廠 5 222 座，處理能力達(dá)2.28×108m3/d[5]. 我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠普遍執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中針對(duì)常規(guī)污染物根據(jù)不同排放去向規(guī)定了一級(jí)A、一級(jí)B、二級(jí)和三級(jí)4個(gè)不同水平的排放限值. 2006年，原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局在太湖流域推行提標(biāo)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn). 隨著水環(huán)境質(zhì)量改善壓力的加大，各地陸續(xù)出臺(tái)了專(zhuān)門(mén)的城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)或涵蓋其排放控制要求的流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn). 有些地方排放標(biāo)準(zhǔn)的主要污染物排放限值提升至GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類(lèi)或Ⅲ類(lèi)，如北京、浙江和江蘇等地均出臺(tái)了嚴(yán)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的地方城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)[6-13]，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性成為標(biāo)準(zhǔn)制定與實(shí)施的重要基礎(chǔ)和保障. 同時(shí)，我國(guó)圍繞固定源排放管理，逐步建立起以排污許可制為核心的環(huán)境管理制度，如何支撐環(huán)境質(zhì)量改善成為排污許可制設(shè)計(jì)必須面對(duì)的問(wèn)題，其中城鎮(zhèn)污水處理廠為重點(diǎn)關(guān)注的水污染物排放源之一[14]. 因此，該研究系統(tǒng)梳理現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合排污許可提出許可排放濃度和排放量的限值分級(jí)設(shè)計(jì)框架，針對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠主要污染物的不同排放濃度水平，開(kāi)展技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性評(píng)估，以期為城鎮(zhèn)污水處理廠的提標(biāo)改造提供參考.

1 許可排放限值分級(jí)體系設(shè)計(jì)

許可排放限值主要包括許可排放濃度限值和許可排放量限值兩部分:許可排放濃度限值主要依據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)確定；許可排放量限值則一般在排污許可技術(shù)規(guī)范中給出確定方法，最終實(shí)現(xiàn)改善環(huán)境質(zhì)量的目的. 許可排放量的確定方法可以基于排放標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，當(dāng)執(zhí)行此要求仍不能使環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)時(shí)，應(yīng)由環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)倒推來(lái)確定許可排放量. 根據(jù)我國(guó)國(guó)情，目前許可排放量限值仍主要基于排放標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，同時(shí)結(jié)合總量控制目標(biāo)或環(huán)評(píng)批復(fù)要求確定. 因此，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)是許可排放限值確定的重要依據(jù). 針對(duì)水污染物排放控制而言，排放標(biāo)準(zhǔn)主要分為國(guó)家行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)、地方行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)和地方流域排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施順序?yàn)榈胤綐?biāo)準(zhǔn)優(yōu)先于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，流域標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 需要說(shuō)明的是，污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)可視作一種特殊的行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)，適用于無(wú)行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的其他行業(yè). 該研究以水環(huán)境質(zhì)量改善為目標(biāo)，按照從寬松到嚴(yán)格的順序，提出許可排放限值的分級(jí)體系設(shè)計(jì)(見(jiàn)表1)，各地可結(jié)合水環(huán)境質(zhì)量改善需求，選擇執(zhí)行的級(jí)別即確定許可排放限值的方式，直至針對(duì)單個(gè)污染源核定基于水環(huán)境質(zhì)量改善目標(biāo)的許可排放量.

表1 許可排放限值分級(jí)體系設(shè)計(jì)

2 城鎮(zhèn)污水處理廠排放濃度限值分級(jí)

目前，全國(guó)多個(gè)省份都出臺(tái)了城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn). 如北京的DB 11/890—2012《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[6]、浙江省的DB 33/2169—2018《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[7]、江蘇省的DB 32/1072—2018《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點(diǎn)工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》[8]，以及河北省的DB 13/2795—2018《大清河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[9]等. 其中北京地方標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)和河北省《大清河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的核心控制區(qū)標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)階段全國(guó)范圍內(nèi)最嚴(yán)的強(qiáng)制性污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)，其主要水污染物排放要求均嚴(yán)于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，主要水質(zhì)指標(biāo)排放限值(除TN外)均達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2). 隨著地方標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施以及再生水資源利用的逐步推廣，大量已建城鎮(zhèn)污水處理廠存在提標(biāo)改造的需求.

參考表2中各排放標(biāo)準(zhǔn)及限值的設(shè)置情況，按照從寬到嚴(yán)的順序，分別將本研究的排放限值設(shè)計(jì)為GB 18918—2002一級(jí)A、GB 3838—2002準(zhǔn)Ⅴ類(lèi)、GB 3838—2002準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)和GB 3838—2002準(zhǔn)Ⅲ類(lèi)的濃度水平，并據(jù)此確定對(duì)應(yīng)的主要水污染物濃度限值分級(jí)設(shè)計(jì)(見(jiàn)表3).

表2 城鎮(zhèn)污水處理廠主要污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及限值比較[6-13]

表3 城鎮(zhèn)污水處理廠排放限值分級(jí)設(shè)計(jì)

3 提標(biāo)改造工藝技術(shù)的選擇

廢水處理工藝通常分為3個(gè)級(jí)別，即一級(jí)處理、二級(jí)處理和三級(jí)處理. 其中，一級(jí)處理主要為格柵、沉沙等預(yù)處理；二級(jí)處理主要為生物處理，包括常規(guī)活化污泥法(CAS)、厭氧/缺氧/好氧法(A2/O)、氧化溝法、SBR法、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)和膜生物反應(yīng)器(MBR)等[15-19]；三級(jí)處理主要為高效過(guò)濾、高級(jí)氧化、膜處理等深度處理技術(shù)，包括活性砂濾池或?yàn)V布濾池、反硝化濾池、臭氧接觸池、超濾、反滲析或電滲析等[20-25]. 對(duì)于排放要求較高的污水處理廠，其處理工藝大多采用預(yù)處理+生化處理+深度處理的組合方式. 例如，廣東某污水處理廠由A/A/O+微曝氧化溝+纖維濾池改造為曝氣生物濾池+高效沉淀池+精密過(guò)濾工藝，出水水質(zhì)指標(biāo)由GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提升至GB 3838—2002 Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[15]. 宋浩亮等[16]在強(qiáng)化二級(jí)處理的基礎(chǔ)上，深度處理單元選用反硝化深床濾池，通過(guò)在濾池進(jìn)水渠投加碳源及聚合氯化鋁(PAC)，達(dá)到反硝化脫氮及化學(xué)除磷的效果，同時(shí)利用濾料的截留作用去除水中懸浮物，使出水達(dá)到準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn). 上海某污水處理廠選用超濾膜作為深度處理工藝提升排放水質(zhì)[17]. 吳軍[18]采用強(qiáng)化生物處理+超濾膜過(guò)濾+臭氧催化氧化工藝將出水排放標(biāo)準(zhǔn)由一級(jí)A提標(biāo)至地表水Ⅳ類(lèi)水. 北京和昆明的再生水廠成功采用A2/O+MBR+臭氧接觸+活性炭濾池工藝穩(wěn)定達(dá)到準(zhǔn)Ⅲ類(lèi)排放標(biāo)準(zhǔn). 典型的各級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)技術(shù)路線示例如圖1所示.

圖1 不同分級(jí)排放限值的達(dá)標(biāo)技術(shù)路線示例

4 各級(jí)排放限值達(dá)標(biāo)成本分析

城鎮(zhèn)污水處理廠排放限值達(dá)標(biāo)技術(shù)的成本組成主要包括投資成本、運(yùn)行成本和新增占地成本等. 投資成本包括構(gòu)筑物建設(shè)和設(shè)備(如膜組件)購(gòu)置所需要的費(fèi)用. 通過(guò)對(duì)各地污水處理廠提標(biāo)改造的實(shí)際案例進(jìn)行研究，并向污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行領(lǐng)域業(yè)內(nèi)資深專(zhuān)家進(jìn)行咨詢(xún)，得到各類(lèi)新建處理單元的成本分析結(jié)果. 從投資成本來(lái)看：MBR的膜組件為700～1 000元/t、反硝化濾池為500元/t、高效沉淀池為200元/t、臭氧接觸池為100元/t、活性砂濾池為300元/t、活性炭濾池為300元/t. 運(yùn)行成本是污水處理設(shè)施在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中所需各項(xiàng)成本的總和，具體包括：①電費(fèi)，通常情況下電費(fèi)占總運(yùn)行費(fèi)用的60%，其中曝氣成本占電力成本的40%～75%[26]；②藥劑費(fèi)，即在對(duì)污水進(jìn)行處理時(shí)添加相關(guān)藥劑(包括絮凝劑、碳源、化學(xué)除磷劑等)產(chǎn)生的費(fèi)用；③修理費(fèi)，主要是設(shè)備專(zhuān)修時(shí)使用的資金；④設(shè)備維護(hù)費(fèi)，即對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)所需要的費(fèi)用；⑤人員工資福利費(fèi)；⑥其他費(fèi)用，主要包括污泥外運(yùn)、處理造成的費(fèi)用等. 此外，由于提標(biāo)改造需要新建處理設(shè)施和安裝新設(shè)備，還可能新增占地成本. 運(yùn)行成本主要核算了電費(fèi)和藥劑費(fèi)，未包括全國(guó)不同地區(qū)和污水處理廠差異較大的人工費(fèi)、修理費(fèi)、維護(hù)費(fèi)等其他費(fèi)用，因此運(yùn)行成本較實(shí)際情況略低，但可為主要運(yùn)行成本核算提供參考.

目前，城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)研究和應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，大多較為成熟，完全可以滿(mǎn)足收嚴(yán)到各級(jí)排放限值的需要，如臭氧活性炭法、超濾+反滲透或電滲析等很多工藝和方法都能使污水處理廠的排放達(dá)到Ⅳ類(lèi)甚至Ⅲ類(lèi)的要求[27-29]. 但相應(yīng)的是，排放限值的收嚴(yán)必然會(huì)增加各項(xiàng)成本. 提標(biāo)改造的關(guān)鍵點(diǎn)在于提升脫氮除磷的水平[30-31]，該研究以執(zhí)行GB 18918—2002一級(jí)A的一座10×104t/d規(guī)模的城鎮(zhèn)污水處理廠為例，分別計(jì)算達(dá)到這4個(gè)排放限值分級(jí)所需的各項(xiàng)成本[32-36]，估算結(jié)果如表4所示. 由表4可以看出，一座10×104t/d規(guī)模的城鎮(zhèn)污水處理廠在GB 18918—2002一級(jí)A的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加嚴(yán)到各級(jí)別的排放限值，需要增加的投資成本和運(yùn)行成本均有大幅增加. 排放限值從四級(jí)提升到最嚴(yán)格的一級(jí)，需要增加投資成本1.1×108～1.4×108元，增加運(yùn)行成本1.6～1.8元/t，增加土地占用面積 2 000 m2.

5 研究成果應(yīng)用

以我國(guó)某中等城市為例，該城市共建有34座城鎮(zhèn)污水處理廠，總設(shè)計(jì)處理規(guī)模為222.1×104t/d，實(shí)際處理水量為171.8×104t/d. 處理工藝以A2/O、MBR和氧化溝+高效沉淀池或微絮凝過(guò)濾為主，目前全部執(zhí)行GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，此類(lèi)情況在全國(guó)具有一定代表性. 由于該市水環(huán)境容量小，水質(zhì)改善目標(biāo)考核壓力較大，因此該市計(jì)劃制定城鎮(zhèn)污水處理廠整體提標(biāo)方案，并制定配套的地方標(biāo)準(zhǔn). 各污水處理廠需要在原有處理工藝的基礎(chǔ)上增加深度處理技術(shù). 采用表4所示的各項(xiàng)成本評(píng)估方法，估算該城市城鎮(zhèn)污水處理廠的整體技術(shù)改造所需的成本，結(jié)果如表5所示. 從表5可以看出，如需在GB 18918—2002一級(jí)A的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提標(biāo)到各級(jí)別的排放限值，需要增加的各項(xiàng)成本均有不同程度地增加. 達(dá)到最嚴(yán)格的一級(jí)限值最高需要增加投資成本24.4×108～31.1×108元，增加運(yùn)行成本13.0×108～14.6×108元/a，增加占地面積約6.8×104m2. 該市相關(guān)管理部門(mén)通過(guò)參考成本分析的結(jié)果并綜合評(píng)估后，對(duì)地方污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)限值的設(shè)置方案進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整.

表4 城鎮(zhèn)污水處理廠排放限值分級(jí)與成本分析

表5 某中等城市所有城鎮(zhèn)污水處理廠技術(shù)改造成本估算

6 結(jié)論與建議

a) 對(duì)于一座處理能力為10×104t/d的城鎮(zhèn)污水處理廠，將其排放濃度限值由GB 18918—2002一級(jí)A(四級(jí))分別提標(biāo)到GB 3838—2002中準(zhǔn)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(三級(jí))、準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(二級(jí))和準(zhǔn)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(一級(jí))的濃度水平，成本與占地面積逐步增加. 當(dāng)排放限值從四級(jí)提高到一級(jí)時(shí)，成本與占地面積均大幅增加，其中投資成本增加1.1×108～1.4×108元，運(yùn)行成本增加1.6～1.8元/t，土地占用面積增加約2 000 m2. 以我國(guó)某中等城市為例，達(dá)到最嚴(yán)格的一級(jí)限值需要增加投資成本為24.4×108～31.1×108元，增加運(yùn)行成本13.0×108～14.6×108元/a，增加占地面積約6.8×104m2.

b) 通過(guò)排放限值分級(jí)設(shè)計(jì)，評(píng)估單個(gè)污水處理廠或城市區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造，達(dá)到各級(jí)排放限值的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，是優(yōu)化城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造方案或規(guī)劃決策的重要依據(jù). 地方在制定城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造方案或制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌考慮水環(huán)境質(zhì)量改善需求和提標(biāo)改造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，根據(jù)各地自身?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)能力確定合理目標(biāo)，因地制宜制定實(shí)施適合本地區(qū)的地方標(biāo)準(zhǔn).