更嚴格排放標(biāo)準下我國城市污水處理廠提標(biāo)改造進展

馬耀宗,武海霞,孟慶宇,李 碩,盧 憶

(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,江蘇南京 211816)

改革開放以來,我國經(jīng)濟的高速發(fā)展使得城市污水排放量也隨之增加。截至2020年年底,我國城市污水年排放量達5 713 633萬m3,城市污水處理廠數(shù)量為2 618座,污水處理率達97.53%[1]。2015年,國務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動計劃》[2],對污水中污染物的排放濃度提出了更高要求。重點地區(qū)和重點流域的污水處理廠已進行了提標(biāo)改造,達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》(GB 18918—2002)(下文簡稱“國標(biāo)”)中的一級A排放標(biāo)準[3],2019年達到此標(biāo)準的污水處理廠數(shù)量占總體的53.2%[4]。《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案(2019—2021年)》等文件的頒布,標(biāo)志著我國的污水處理進入新階段。北京、天津、河北、昆明等省市制定了地方城鎮(zhèn)污水處理廠出水指標(biāo),江蘇太湖流域、安徽巢湖流域、四川岷沱江流域等陸續(xù)發(fā)布排放標(biāo)準,對部分指標(biāo)提出了更高的去除要求,以滿足水環(huán)境整體質(zhì)量的要求。

為達到地方更嚴格的排放標(biāo)準,原執(zhí)行國標(biāo)一級A或一級B標(biāo)準的城市污水處理廠必須進行提標(biāo)改造,從運行管理或技術(shù)改造方面尋求有效的工藝或措施。陳秀成[5]對長三角三省一市污染物排放標(biāo)準進行對比和解析,提出從管網(wǎng)源頭和污水處理廠工程措施兩方面來應(yīng)對提標(biāo)改造。張鶴清等[6]分析了部分代表性污水處理廠的實際運行效果,提出適用于“準Ⅳ類”(除TN外,其余主要水質(zhì)指標(biāo)達到地表Ⅳ類水標(biāo)準)污水排放標(biāo)準的技術(shù)工藝。楊晨宵等[7]提出TN是“準Ⅳ類”標(biāo)準下污水處理廠提標(biāo)改造的主要難點,關(guān)鍵要解決進水碳源不足的問題。各地城市污水處理廠采用的處理工藝不同,排放標(biāo)準也各不相同,最終的解決方案也會有所差別。本文列舉了近幾年各地的排放標(biāo)準以及代表性提標(biāo)改造工程,厘清污水處理廠提標(biāo)改造的實施現(xiàn)狀,提出存在的問題和建議,為污水處理廠的新一輪出水水質(zhì)提升提供參考。

1 城市污水處理廠概況

圖1為1978年—2020年我國城市年污水排放量、處理量與污水處理廠增長情況?？梢钥闯?年污水排放量呈逐年增長趨勢,從1978年的1.49×1010m3增長到2020年的5.71×1010m3。可以推測,隨著城市化進程的不斷發(fā)展,城市污水排放量將持續(xù)增長,城市污水處理廠將面臨污水量增長帶來的挑戰(zhàn)。

圖1 我國城市年污水排放量、年污水處理量與污水處理廠數(shù)量變化

由于我國各省市城市發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、人口數(shù)量等各不相同,其污水收集處理狀況也有所不同。圖2為我國城市污水處理廠地域分布。污水處理廠數(shù)量最多的省份是廣東省,其次是山東省和江蘇省,華東地區(qū)污水處理能力高。單個污水處理廠平均服務(wù)人口數(shù)最多的是上海市,達57.81萬人,說明該地區(qū)的人口聚集程度高,產(chǎn)業(yè)聚集程度高。有13個省市的單個污水處理廠平均服務(wù)人口數(shù)在30萬～40萬人,有10個省市平均服務(wù)人口數(shù)在20萬～30萬人。區(qū)域設(shè)施的建設(shè)情況與經(jīng)濟狀況發(fā)展情況和人口數(shù)量有極大關(guān)系[8]。

圖2 2020年我國城市污水處理廠數(shù)量與平均服務(wù)人口數(shù)統(tǒng)計

2 排放標(biāo)準及指標(biāo)變化

《水污染防治行動計劃》[2]指出,到2030年,全國七大重點流域水質(zhì)優(yōu)良比例總體達到75%以上。由于國標(biāo)一級A排放標(biāo)準與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》之間存在一定的差距,污水處理廠排放的尾水仍會對水環(huán)境產(chǎn)生污染。因此,各流域所在地區(qū)的解決措施是制定當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準,降低污水處理廠主要污染物的排放限值,減少尾水污染物的排放。部分城市污水處理廠主要污染指標(biāo)的排放標(biāo)準如表1所示。

表1 部分地區(qū)城市污水處理廠主要排放標(biāo)準和地表水質(zhì)量標(biāo)準

北京是最早執(zhí)行高標(biāo)準地標(biāo)的城市,后天津、太湖、巢湖等重點地區(qū)也制定了相應(yīng)的標(biāo)準。目前,昆明標(biāo)準中A級特別排放限值指除TN外達到地表Ⅲ類水標(biāo)準,是現(xiàn)階段全國范圍內(nèi)最嚴的排放標(biāo)準。

從排放標(biāo)準的具體數(shù)值來看,各地主要針對COD、氨氮和TP指標(biāo)提出了更高的要求。例如,在所統(tǒng)計的地方排放標(biāo)準中,約77%的COD指標(biāo)高于一級A標(biāo)準。在這77%中,有60%達到了地表水Ⅴ類標(biāo)準,約30%達到了Ⅳ類標(biāo)準,另有其他特殊要求的區(qū)域指標(biāo)不再贅述。對于BOD5指標(biāo),約38%的排放標(biāo)準達到了地表水Ⅳ類及以上標(biāo)準。對于氨氮指標(biāo),約74%的排放標(biāo)準高于一級A標(biāo)準,達到了地表水Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類標(biāo)準。對于TN,大約58%的排放標(biāo)準與一級A標(biāo)準一致,其余排放標(biāo)準中的TN指標(biāo)介于一級A與地表水Ⅴ類標(biāo)準之間。對于TP指標(biāo),約36%的排放標(biāo)準與一級A標(biāo)準相同,其余分別達到了地表水Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ類標(biāo)準,達到地表水Ⅳ類的居多。

3 提標(biāo)改造工藝分析

由上文分析可知,雖然各地區(qū)排放標(biāo)準各不相同,但與一級A對比后可發(fā)現(xiàn)提標(biāo)改造的目標(biāo)總體為三大類:第一類是降低COD排放限制,出水CODCr質(zhì)量濃度從50mg/L降至20～40mg/L;第二類是降低氮污染物排放,出水氨氮質(zhì)量濃度從5mg/L降至1.5～3mg/L,出水TN質(zhì)量濃度從15mg/L降至5～12mg/L;第三類是降低磷污染物排放,出水TP質(zhì)量濃度從0.5mg/L降至0.2～0.4mg/L。下面從這3個方面討論國內(nèi)已進行提標(biāo)改造的污水處理廠所采取的措施。

3.1 降低COD排放

目前城鎮(zhèn)污水處理主要以二級生物處理為主,厭氧-缺氧-好氧(AAO)、氧化溝與序列間歇式活性污泥法(SBR)(含相對應(yīng)的改良工藝)是主要的處理方法,占我國污水處理廠總體工藝的85.6%[9]。進一步降低污水中的COD,可通過優(yōu)化生化系統(tǒng)運行方式或進行工藝改造,在二級處理階段有效降低污染物濃度。太原市城南污水處理廠采用改良AAO工藝,在好氧反應(yīng)區(qū)投加懸浮填料以增大生物池的污泥濃度,出水CODCr平均質(zhì)量濃度達20.60mg/L[10]。長三角地區(qū)某污水處理廠在原有改良式序列間歇反應(yīng)器(MSBR)的主曝氣區(qū)投加懸浮填料,形成改良式序列間歇反應(yīng)器-移動床生物膜反應(yīng)器(MSBR-MBBR)工藝,出水CODCr平均質(zhì)量濃度穩(wěn)定在(18.40±3.07)mg/L,可達到地表“準Ⅳ類水”的要求[11]。盱眙縣某工業(yè)園區(qū)污水處理廠通過調(diào)整設(shè)備、反應(yīng)流程等條件進而實現(xiàn)改良AAO工藝,采用臭氧(O3)接觸氧化池+曝氣生物濾池的深度處理工藝保證難降解有機物的去除[12]。天津某污水處理廠生物處理單元由原來的改良AAO改為分段進水二級AO,一級AO池中投加生物菌劑與碳源,二級AO池中投加活性炭,出水達天津市A標(biāo)準[13]。

由于生化處理降低COD效果有限,目前還會采用深度處理來進一步減少污水中COD,O3氧化是常用的深度處理工藝之一。天津市張貴莊污水處理廠采用降低深度處理負荷 + 新增O3催化氧化工藝,O3工藝可實現(xiàn)出水CODCr質(zhì)量濃度達20mg/L[14]。孫高升等[15]在針對淮河流域城鎮(zhèn)污水處理廠的升級改造過程中開發(fā)了AAO+膜生物反應(yīng)器(MBR)+曝氣生物濾池(BAF)+O3組合工藝,確保難降解有機物的去除。北方某再生水廠除改建多段多級AAO工藝外,還新建了O3接觸池,出水提升至北京市地標(biāo)一級B標(biāo)準[16]。浙江某污水處理廠采用O3接觸氧化和生物濾池來強化對二級出水中難降解COD的去除,出水達到“準Ⅳ類”標(biāo)準[17]。當(dāng)進水工業(yè)廢水比重較高時,部分改造工程采用Fenton高級氧化技術(shù),如浙江某污水處理廠工業(yè)廢水占比為60%,提標(biāo)工程除了將MSBR改造為AAO工藝,還增設(shè)了Fenton處理工藝,出水CODCr平均質(zhì)量濃度為28.82mg/L[18]。天津某開發(fā)區(qū)工業(yè)污水處理廠采用“反硝化濾池 + Fenton 高級氧化法”深度處理工藝,將CODCr質(zhì)量濃度從60mg/L處理至 30mg/L以下[19]。此外,還有活性炭加磁高效沉淀[20]、高效混凝沉淀+深床砂濾[21]、生物活性炭池(BAC)等[22]。

當(dāng)污水處理廠進水中含有大量難降解有機物時,水解酸化等預(yù)處理也可為COD的去除起到促進效果。如義烏市佛堂污水處理廠采用水解酸化+ AAO+反硝化深床濾池+多級流動床吸附塔(ACCA)+除磷一體機的工藝技術(shù)組合進行提標(biāo)改造,出水CODCr質(zhì)量濃度穩(wěn)定在20mg/L以下[23]。

由此可見,根據(jù)進水水量與水質(zhì)以及實際運行效果,增加預(yù)處理、優(yōu)化生化處理運行條件或進行改造、增加高級氧化與活性炭等深度處理均可有效降低出水COD濃度,具體工藝及組合還需根據(jù)污水處理廠實際運行情況進行優(yōu)選。

3.2 降低氮排放

TN的去除依賴進水有機物濃度、可生化性和碳氮比(C/N)[24],而我國城鎮(zhèn)生活污水中的C/N普遍較低,碳源的不足嚴重制約了生物脫氮能力[6]。因此,TN一直是污水處理廠設(shè)計、運行中的難點[24]。提升生化處理脫氮效果,可通過調(diào)整生化部分運行參數(shù)、投加外部碳源、改造生物處理增大污泥量等來實現(xiàn),不少污水處理廠已經(jīng)進行了實踐。例如北京市門頭溝第二再生水廠采用AAO+AO+MBR工藝,兩級缺氧多點投加碳源,出水TN平均質(zhì)量濃度為7.5mg/L,冬季也能維持較好的TN去除率[25]。呼和浩特市班定營污水處理廠將氧化溝改為多級AO聯(lián)合MBR工藝,出水TN質(zhì)量濃度低于10mg/L[26]。

除充分利用二級生化處理除氮外,生物膜法等深度處理也是常用的提標(biāo)改造方法。蘇州市胥口污水處理廠除了在AAO池中增加生物填料外,還新建反硝化深床濾池,出水TN質(zhì)量濃度為(8.0±0.9)mg/L,達蘇州市地標(biāo)[27]。深圳橫嶺污水處理廠改造工程采用新建兩級曝氣濾池+反硝化濾池+高負荷混凝沉淀池工藝,出水TN<15mg/L[28]。成都某污水處理廠采用改良AAO+MBR+高效沉淀工藝對污水處理廠進行提標(biāo)改造,出水TN質(zhì)量濃度可低于8.6mg/L[29]。浙江某污水處理廠采用多段強化脫氮改良型AAO工藝,通過生物濾池和深床反硝化濾池并投加碳源來強化TN去除,出水TN質(zhì)量濃度小于12mg/L[17]。河南省三門峽市某縣城污水處理廠將循環(huán)式活性污泥法(CAST)工藝改造成Bardenpho(AAO+AO)工藝,增加反硝化濾池和BAF,出水TN質(zhì)量濃度由14.85 mg/降至10.53mg/L[30]。

可以看出,反硝化濾池是常用的深度處理工藝,但去除效果在各污水處理廠中各不相同,如天津津沽污水處理廠深床濾池僅對部分顆粒態(tài)氮起截留作用,96.9%的TN由多點進水多點回流改進型多級AAO去除,生化處理增加了內(nèi)回流點和最大回流量,提高內(nèi)外碳源的利用效率[31];而巢湖流域某污水處理廠將V型濾池改造為混凝反應(yīng)池+斜板沉淀池+反硝化深床濾池,反硝化深床濾池TN平均去除率為61.7%[32]。說明同一種工藝在不同的污水處理廠去除污染物效率有所不同。氨氮的去除主要靠硝化過程來完成,低水溫導(dǎo)致的硝化能力下降是達標(biāo)難點[33],通過前述生化工藝的調(diào)整和改造都能使氨氮達到各類排放標(biāo)準。

此外,還有生物倍增+賽萊默深床反硝化濾池工藝[34]、高濃度復(fù)合粉末載體生物流化床[35]等新工藝的探索?？傮w而言,減少氮排放可通過深挖生化處理來實現(xiàn),如強化反硝化反應(yīng)、采用多點進水的方式分配碳源、延長缺氧段水力停留時間,充分開發(fā)內(nèi)部碳源的利用效率,間接減少投藥成本[7]。當(dāng)生物處理無法保障出水氮達標(biāo)時,反硝化深床濾池等生物膜法深度處理工藝能進一步增加氮的去除,起到輔助達標(biāo)的保障作用。

3.3 降低磷排放

城鎮(zhèn)污水處理廠采用生物除磷工藝可以將出水TP質(zhì)量濃度控制在 0.5～1.0mg/L[24],要滿足出水低于 0.3mg/L的難度較大。必須在充分利用生物除磷的前提下,增加深度化學(xué)除磷。目前常用的深度處理工藝有多種,效果亦有所差別,且深度處理效果易受二級出水水質(zhì)的影響。

湖南省某污水處理廠采用AAO工藝結(jié)合高濃度復(fù)合粉末載體生物流化床工藝進行生產(chǎn)性試驗,強化脫氮除磷效果,出水TP質(zhì)量濃度<0.3mg/L[35]。長春市寬城區(qū)某污水處理廠采用固定生物膜活性污泥工藝(IFAS)工藝(原生化池改造)+浸沒式超濾+O3接觸氧化的工藝,實際運行均滿足TP質(zhì)量濃度<0.3mg/L[36]。深圳市某污水處理廠通過增設(shè)磁混凝沉淀池+超濾膜的組合深度處理工藝進一步去除 TP,改造后TP質(zhì)量濃度為(0.07±0.02)mg/L[37]。義烏佛堂污水處理廠探索出TP達Ⅲ類水標(biāo)準的處理工藝,即AAO生化除磷+高效沉淀+活性焦動態(tài)連續(xù)多級吸附[23]。聊城市某污水處理廠將一組高效沉淀池改造為SediMag磁絮凝沉淀系統(tǒng),出水可以穩(wěn)定達到地表“準Ⅳ類”水中對TP質(zhì)量濃度≤0.3mg/L的要求[38]。無錫某工業(yè)園區(qū)污水處理廠采用水解酸化+AO池+高效沉淀池+濾布濾池+O3催化氧化系統(tǒng)+超濾的工藝對園區(qū)污水處理廠進行提標(biāo)改造,出水TP質(zhì)量濃度<0.2mg/L,符合Ⅳ類要求[39]。

由此可見,單一的深度處理工藝并不能決定除磷效果,很多污水處理廠在提標(biāo)改造時都是進行系統(tǒng)改造,即二級處理工藝與深度處理工藝同步改造,研究最佳組合方式及參數(shù),這樣才能保障出水TP達到排放標(biāo)準。

3.4 部分改造工程對比

提標(biāo)改造不應(yīng)單純考慮工藝的升級,還應(yīng)探討相關(guān)的投資與成本。通過對比各工藝及其達到的指標(biāo)、工程投資及運行成本,可為其他污水處理廠改造時工藝的選用和成本預(yù)估提供借鑒。表2列舉了部分污水處理廠提標(biāo)改造的工程概況。

可以看出,污水處理廠原工藝多為二級生化處理,部分有深度處理工藝,執(zhí)行一級A標(biāo)準。改造后多數(shù)污水處理廠升級為組合工藝,優(yōu)化了深度處理工藝,達到了更嚴格的地方標(biāo)準或地表水“準Ⅳ類”標(biāo)準。值得一提的是,反硝化深床濾池工藝在提標(biāo)改造工程中得到了較廣泛的應(yīng)用。

出水水質(zhì)標(biāo)準越嚴格,所需的運行成本和占地面積越高。研究者[54]推測,一級B標(biāo)準單位污水處理成本為0.45～1.40元/m3,一級A標(biāo)準根據(jù)處理設(shè)施設(shè)備的不同會比一級B增加50%以上。吳斯文等[55]以徐州市某污水處理廠提標(biāo)改造為例,采用“準Ⅳ類”和“準Ⅲ類”標(biāo)準相比于一級 A標(biāo)準,工程占地面積分別增加了10%和53%,工程費用分別提高了35%和73%,水處理成本分別提高了54%和118%。本表列舉的污水處理廠規(guī)模在1×104～6.8×105m3/d,經(jīng)營成本最高達4.03元/m3,新增運行費用最高為0.709元/m3。投資較高的工程多涉及高級氧化系統(tǒng)相關(guān)的投資、模塊化裝備的增設(shè),而投資較少的工程多是在原構(gòu)筑物基礎(chǔ)上進行改造,深度處理多選用的是傳統(tǒng)工藝,其增加的費用也較少。運行成本較高的原因多是新增了O3等高級氧化工藝、藥劑等的費用,其中高級氧化工藝對運行成本的影響較為明顯。

3.5 存在問題與建議

3.5.1 存在問題

通過對目前污水處理廠的提標(biāo)改造實例的分析,可以看出存在以下幾方面問題。

(1)雖目前近半數(shù)地方標(biāo)準中的COD指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于一級A,達到了地表水Ⅴ類,但與Ⅳ類標(biāo)準還有距離,CODCr質(zhì)量濃度降至20～40mg/L是目前多數(shù)污水處理廠升級改造的目標(biāo)。進水水質(zhì)對COD的去除效果有著較大的影響,若進水中工業(yè)廢水比例較高,后續(xù)難以通過生化處理進行削減[46]。

(2)國內(nèi)提標(biāo)改造重點在于脫氮和除磷[56]。杜林竹等[57]指出,現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠的主要矛盾已從有機物的去除轉(zhuǎn)到氮磷的去除。脫氮除磷是各大污水處理廠改造時所應(yīng)針對的一大重點。TN質(zhì)量濃度若要穩(wěn)定控制在10～12mg/L以下,僅靠二級生物處理有一定難度。目前工程中多在深度處理段增加反硝化深床濾池作為最后的把關(guān),但實際運行中的效果還要取決于碳源的精準控制[5]。

(3)在前期污水處理廠提標(biāo)至國標(biāo)一級A標(biāo)準的改造中,普遍采用二級生物改良處理單元擴容、增加深度處理單元[58],已使污水處理廠流程增大,電耗、藥耗等水處理成本增加。要從一級A標(biāo)準提升到新的地方標(biāo)準,將進一步增加處理流程,工程用地、工程投資、運營成本都將相應(yīng)提高。如表2列舉的部分工程實例,其運行成本均有不同程度的提高。而且工藝的復(fù)雜程度和設(shè)備的維護檢修量都將明顯提高,對污水處理廠經(jīng)營提出了新的挑戰(zhàn)。

(4)2020年市政污水處理行業(yè)耗電約184億kW·h,為我國的耗能大戶[59]。污水處理行業(yè)碳排放水平占全社會碳排放水平的1%～2%[60],污水處理廠的“碳中和”勢在必行[61-62]。在我國目前“雙碳”目標(biāo)背景下,多數(shù)污水處理廠提標(biāo)改造工程增加了電耗和藥耗,增加了NxO、CH4等溫室氣體的排放,碳源、除磷藥劑等生產(chǎn)與運輸間接產(chǎn)生了CO2等溫室氣體,這些均與“雙碳”可持續(xù)發(fā)展相違背。

3.5.2 建議

(1)二級生物處理是污水處理系統(tǒng)的核心單元,其處理效果對污水處理廠出水水質(zhì)和運行能耗有直接影響[63]。生化系統(tǒng)的挖潛能提高生物段處理效果,例如碳源的精準投加可高效生物脫氮。因此,在提標(biāo)改造中,通過全面分析水質(zhì)、復(fù)核并充分利用生物處理能力,是城市污水處理廠提標(biāo)和降低后續(xù)處理運行成本的最經(jīng)濟、最有效措施。

(2)提標(biāo)改造的投資費用與水質(zhì)提升標(biāo)準、主體工藝改造密切相關(guān)。因此,在進行提標(biāo)改造時盡量不通過增加深度處理來使得出水達標(biāo),要綜合投資、運行管理及處理成本等多方面因素來選擇方案。

(3)城市污水處理廠排放的污水是水污染物減排和水環(huán)境治理改善的重點,排放標(biāo)準只會越來越嚴格。經(jīng)過多輪提標(biāo)改造后,再采取常用的處理技術(shù)不一定能滿足發(fā)展的需要,須加大新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用研究。

(4)“碳中和”和“可持續(xù)污水處理”是行業(yè)今后的發(fā)展方向,污水處理廠提標(biāo)改造應(yīng)多從節(jié)能降碳的角度出發(fā),通過采用低能耗污水處理工藝、減少高能耗設(shè)備、藥劑精細化投加等,探索出符合我國國情的污水處理新模式。

4 結(jié)語

近40年來,我國排水工程快速發(fā)展,2020年年底城鎮(zhèn)污水處理率達到97.53%。目前,我國污水處理進入新階段,在經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)與水環(huán)境敏感的重要流域提出了更為嚴格的排放限值,與地表水Ⅳ類甚至Ⅲ類接近。城市污水處理廠需要通過調(diào)整工藝的運行管理或選擇合適的技術(shù)措施進行提標(biāo)改造?？山Y(jié)合當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準與現(xiàn)有工藝運行效果,綜合考慮進水水質(zhì)與水量變化,通過二級生化處理改良、增設(shè)深度處理等減少污染物排放量。城市污水處理廠提標(biāo)改造與水環(huán)境質(zhì)量需求和技術(shù)發(fā)展水平緊密聯(lián)系,對水污染防治與水生態(tài)保護具有重要意義。