長江經(jīng)濟帶污水處理工藝空間分布研究

王宇喆

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

近年來，隨著城市化進程的加快，工業(yè)污水和生活污水排放量逐年遞增，水污染問題日益嚴重，不僅影響周圍居民生活環(huán)境，還造成了水安全隱患。為系統(tǒng)推進水污染防治，2015年4月國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動計劃》(水十條)，該計劃提出要全面控制污染物排放，通過規(guī)劃、建設(shè)污水集中處理設(shè)施等方式，集中治理工業(yè)集聚區(qū)水污染，污水處理問題逐漸得到重視。目前，已有大量學(xué)者對污水處理工藝進行研究[1～3]，卻并未考慮污水處理工藝的區(qū)域性差異，該差異是城市工業(yè)化和經(jīng)濟發(fā)展水平的體現(xiàn)，因此，探究污水處理工藝區(qū)域性差異，有利于揭示城市污水處理工藝發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。

長江經(jīng)濟帶作為我國生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展主戰(zhàn)場，是我國重要的發(fā)展區(qū)域之一。隨著長江經(jīng)濟帶污水處理能力提升，2016～2020年，長江流域優(yōu)良斷面從82.3%提升至96.3%，2019年，長江經(jīng)濟帶污水處理廠建成率超過99%[4]。然而，長江經(jīng)濟帶覆蓋東、中、西部11省份，具有明顯的區(qū)域性特征，因此，揭示長江經(jīng)濟帶污水處理工藝區(qū)域性差異具有重要的意義。

本研究通過分析長江經(jīng)濟帶沿線11個省市污水處理廠數(shù)量和污水處理工藝，結(jié)合長江經(jīng)濟帶沿線城市經(jīng)濟發(fā)展水平，分析上、中、下游城市污水處理工藝空間分布特征，為長江經(jīng)濟帶區(qū)域污水處理研究提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究對象

研究對象為長江經(jīng)濟帶11個省市1839座城鎮(zhèn)污水廠的處理工藝，上游城市為四川省、重慶市、云南省和貴州省，中游城市為湖北省、湖南省和江西省，下游城市為安徽省、浙江省、江蘇省和上海市。數(shù)據(jù)來源于生態(tài)環(huán)保部公布的全國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施名單。

2.2 分析方法

本研究運用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，運用Excel軟件繪制圖表。

3 結(jié)果與討論

3.1 長江經(jīng)濟帶污水廠數(shù)量及處理工藝

根據(jù)生態(tài)環(huán)保部公布的全國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施名單，2013年，全國投運的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施共4136座，其中，長江經(jīng)濟帶11個省市約有城鎮(zhèn)污水處理廠1839座，長江經(jīng)濟帶面積僅為全國的21%，但污水處理廠占全國的44.5%，可見，長江經(jīng)濟帶污水量較大，污水處理需求較高?？傮w來看，長江經(jīng)濟帶污水廠數(shù)量下游>上游>中游，江蘇省污水廠數(shù)量最多，為512座，上海僅有45座(表1)。將長江經(jīng)濟帶污水廠主體處理工藝進行分類，大多污水處理廠采用A2/O和氧化溝處理工藝，A/O次之(圖1)。

3.2 長江經(jīng)濟帶污水處理工藝分布特征

3.2.1 長江經(jīng)濟帶上游污水處理工藝特征

長江經(jīng)濟帶上游城市污水處理廠共532座，CASS工藝(循環(huán)活性污泥系統(tǒng))和氧化溝工藝是上游城市污水處理廠主要處理工藝。

表1 長江經(jīng)濟帶沿線省市污水處理廠數(shù) 座

圖1 長江經(jīng)濟帶污水廠處理工藝分布

其中，CASS工藝是四川省和云南省的主要處理工藝，該處理工藝分別占總污水廠處理工藝的20.3%和25%。CASS工藝是以SBR工藝裝置為基礎(chǔ)的新型工藝，將反應(yīng)池設(shè)計為生物選擇區(qū)、兼性區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，進行周期循環(huán)運行，加強了微生物對污染物的吸附或釋放[5]。相比于SBR工藝，CASS工藝系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，在建設(shè)費用低、占地面積少、自動化程度高等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，脫氮除磷效果也有所提升[3,6]。CASS工藝使用范圍廣，適合分期建設(shè)，對于資金不足的地區(qū)更占優(yōu)勢?？梢?，四川省和云南省污水處理廠在工藝選擇方面，將經(jīng)濟性考慮其中，優(yōu)先選擇經(jīng)濟性、脫氮除磷效果兼具的處理工藝，同時，不滿足于傳統(tǒng)SBR工藝的低處理效率，利用CASS新型工藝提高污水廠脫氮除磷能力，提高出水水質(zhì)。

重慶市和貴州省主要處理工藝為氧化溝，重慶市氧化溝和奧貝爾氧化溝處理工藝的污水處理廠共計33座，占總污水廠處理工藝的37.5%；貴州省氧化溝處理工藝的污水處理廠有53座，占總污水廠處理工藝的50.5%；氧化溝處理工藝在四川省的使用頻率也僅次于CASS工藝。氧化溝作為最早的污水處理法，至今仍被大量使用，氧化溝是跑道型封閉溝渠，通過微孔曝氣設(shè)施，使污水與活性污泥充分混合，加快污水與微生物的接觸反映，進而去除污水中氮磷及有機物[1]。氧化溝工藝池深較淺，占地面積相對較大，工藝流程簡單，方便后期管理維護[7]，貴州省作為氧化溝工藝為主的地區(qū)，由于其用地不緊張，因此，可以選擇占地面積較大、自控需求不高的氧化溝工藝作為污水處理廠主要工藝。

此外，云南省使用SBR和改良SBR工藝的污水廠占比可達到37%。SBR工藝是集調(diào)節(jié)池、曝氣池和沉淀池為一體的單一反應(yīng)器，具有處理效果好、運行費用低、操作靈活等優(yōu)點[7,8]。Ketchum[9]研究表明，相比于普通活性污泥法，SBR工藝可節(jié)省基建投資30%，適合于小水量的企業(yè)廢水使用，可滿足云南省低投入高回報的污水處理需求(圖2)。

3.2.2 長江經(jīng)濟帶中游污水處理工藝特征

長江經(jīng)濟帶中游城市湖北省、湖南省和江西省污水處理廠的主要工藝均為氧化溝工藝，分別占污水廠總量的28.1%、44.6%和45.5%，A2/O工藝使用頻率次之。氧化溝主要原理為連續(xù)循環(huán)曝氣，具有推流式特點，通過溶解氧濃度在池長方形的濃度梯度，形成好氧、缺氧和厭氧條件[1]。該工藝凈化程度高，耐沖擊，運行穩(wěn)定可靠，操作簡便，投資少能耗低，多用于10萬m3/d及以下規(guī)模污水處理廠使用[10]。因此，由于長江經(jīng)濟帶上游和中游城市人口較少，污水量較少，經(jīng)濟欠發(fā)達[11]，技術(shù)水平有限，地域面積廣，氧化溝工藝適合長江經(jīng)濟帶上游和中游城市中、小規(guī)模生活工業(yè)污水處理(圖3)。

3.2.3 長江經(jīng)濟帶下游污水處理工藝特征

長江經(jīng)濟帶下游地區(qū)，A2/O為主要處理工藝，氧化溝次之。江蘇省、浙江省和上海市污水處理廠工藝主要為A2/O，分別占污水廠總數(shù)的41.2%、28.2%和26.7%。A2/O工藝具有良好的同步脫氮除磷效果，污水先后進入?yún)捬醭?、缺氧池和好氧池，進而去除污水中氮、磷和有機物[2]，由于A2/O工藝簡單，易操作，且工藝成熟，運行成本低，污泥產(chǎn)生量少，抗沖擊能力強，較適合于大型污水處理廠、工業(yè)污水量較大的城市，而江蘇、浙江和上海經(jīng)濟發(fā)達，技術(shù)先進，適合采用A2/O作為污水處理廠主要處理工藝。

安徽省則相反，氧化溝處理工藝占總量的42.4%，相比于A2/O工藝，氧化溝具有工藝流程簡單、運行費用低和工程造價低等優(yōu)點[2]，由于安徽省經(jīng)濟能力和技術(shù)水平相比于長三角地區(qū)較落后，污水處理需求量也不高，因此，氧化溝工藝可較好滿足安徽省污水處理需求(圖4)。

綜上所述，長江經(jīng)濟帶上、中、下游城市，根據(jù)人口數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展水平等差異，污水處理工藝也表現(xiàn)出明顯的分布特征，長江經(jīng)濟帶上、中游城市污水處理廠工藝以CASS和氧化溝工藝為主，長江經(jīng)濟帶下游城市以A2/O工藝為主。各城市污水處理工藝間接反映該城市經(jīng)濟發(fā)展水平，鄧乂寰等[10]研究表明，由于華東地區(qū)人口眾多，GDP產(chǎn)值較高，而人口、GDP和污水量呈正相關(guān)關(guān)系，因此，華東地區(qū)污水處理廠數(shù)量和處理效率高于其他地區(qū)，該結(jié)論與本研究結(jié)果一致，長江經(jīng)濟帶下游由于經(jīng)濟發(fā)達、技術(shù)水平較高，污水處理需求量較大，污水廠工藝以污染物去除效率較高的A2/O工藝為主。劉夢等[12]對2015年中國城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)達標(biāo)率進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，水質(zhì)達標(biāo)率具有一定區(qū)域性，水資源匱乏和經(jīng)濟較落后的西部地區(qū)省份達標(biāo)率低于東部省份，而水質(zhì)達標(biāo)率與污水處理工藝有直接關(guān)系，長江經(jīng)濟帶上、中游城市由于污水量較少，經(jīng)濟欠發(fā)達，在污水處理工藝選擇方面多考慮經(jīng)濟性，以適合于中、小規(guī)模企業(yè)廢水處理的CASS和氧化溝工藝為主，但由于存在污泥膨脹、污泥上浮等問題，該工藝氮磷處理效率受到一定限制。

圖2 長江經(jīng)濟帶上游城市污水廠處理工藝分布

圖3 長江經(jīng)濟帶中游城市污水廠處理工藝分布

圖4 長江經(jīng)濟帶下游城市污水廠處理工藝分布情況

3.3 長江經(jīng)濟帶污水廠處理工藝和去除率

根據(jù)污水類型不同，目前，污水處理廠從單一處理工藝逐步向多種工藝疊加轉(zhuǎn)變，能更有針對性地去除污染物，進一步提高污染物去除效率。收集長江經(jīng)濟帶污水處理廠相關(guān)文獻，整理污水處理工藝和污染物去除率，結(jié)果如表2所示，整體來看，各污水廠對COD、BOD5、SS、TN、氨氮和TP的去除效率均較高，尤其是原有工藝疊加MBR工藝的污水處理廠，雖然該工藝處理廠占地面積小，但價格昂貴、能耗高，因此，該工藝在使用方面具有一定限制性。如表2所示，大多污水廠對污水COD和BOD5的去除可達到80%以上，SS去除效率更高，可達到90%以上，對于TN來說，各污水處理廠的去除效率較低，大多在70%左右，重慶市以CAST處理工藝為主的污水處理廠TN去除率僅為38.5%，可能由于進水水質(zhì)碳氮比較低，反硝化能力較弱，進而影響污水生物脫氮效率。氨氮和TP處理效率也較高，均在90%左右波動。

表2 長江經(jīng)濟帶污水廠處理工藝和去除率

續(xù)表2

4 結(jié)論

(1)2013年長江經(jīng)濟帶沿線城鎮(zhèn)污水廠共1839座，數(shù)量表現(xiàn)出下游>上游>中游，江蘇省污水廠數(shù)量最多，為512座。

(2)長江經(jīng)濟帶污水廠主要處理工藝為A2/O和氧化溝處理工藝，A/O次之。其中，上游城市主要以CASS和氧化溝工藝為主，中游城市為氧化溝工藝，下游城市為A2/O工藝，污水廠工藝選擇與各城市經(jīng)濟發(fā)展水平有密切聯(lián)系。

(3)長江經(jīng)濟帶污水廠對污水COD和BOD5的去除可達到80%以上，SS、氨氮和TP去除效率在90%左右波動，TN去除率較低。根據(jù)污水類型不同和處理工藝的差異，多種工藝疊加提高污水處理效率是今后發(fā)展的必然方向。