更嚴格排放標準下我國城市污水處理廠提標改造進展

馬耀宗,武海霞,孟慶宇,李 碩,盧 憶

(南京工業大學城市建設學院,江蘇南京 211816)

改革開放以來,我國經濟的高速發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,城市污水處理廠數量為2 618座,污水處理率達97.53%[1]。2015年,國務院印發《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。重點地區和重點流域的污水處理廠已進行了提標改造,達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)(下文簡稱“國標”)中的一級A排放標準[3],2019年達到此標準的污水處理廠數量占總體的53.2%[4]。《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》等文件的頒布,標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污水處理廠出水指標,江蘇太湖流域、安徽巢湖流域、四川岷沱江流域等陸續發布排放標準,對部分指標提出了更高的去除要求,以滿足水環境整體質量的要求。

為達到地方更嚴格的排放標準,原執行國標一級A或一級B標準的城市污水處理廠必須進行提標改造,從運行管理或技術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準進行對比和解析,提出從管網源頭和污水處理廠工程措施兩方面來應對提標改造。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,其余主要水質指標達到地表Ⅳ類水標準)污水排放標準的技術工藝。楊晨宵等[7]提出TN是“準Ⅳ類”標準下污水處理廠提標改造的主要難點,關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準以及代表性提標改造工程,厘清污水處理廠提標改造的實施現狀,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。可以看出,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展,城市污水排放量將持續增長,城市污水處理廠將面臨污水量增長帶來的挑戰。

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量變化

由于我國各省市城市發展、產業結構、人口數量等各不相同,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。污水處理廠數量最多的省份是廣東省,其次是山東省和江蘇省,華東地區污水處理能力高。單個污水處理廠平均服務人口數最多的是上海市,達57.81萬人,說明該地區的人口聚集程度高,產業聚集程度高。有13個省市的單個污水處理廠平均服務人口數在30萬～40萬人,有10個省市平均服務人口數在20萬～30萬人。區域設施的建設情況與經濟狀況發展情況和人口數量有極大關系[8]。

圖2 2020年我國城市污水處理廠數量與平均服務人口數統計

2 排放標準及指標變化

《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優良比例總體達到75%以上。由于國標一級A排放標準與《地表水環境質量標準》之間存在一定的差距,污水處理廠排放的尾水仍會對水環境產生污染。因此,各流域所在地區的解決措施是制定當地排放標準,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的排放標準如表1所示。

表1 部分地區城市污水處理廠主要排放標準和地表水質量標準

北京是最早執行高標準地標的城市,后天津、太湖、巢湖等重點地區也制定了相應的標準。目前,昆明標準中A級特別排放限值指除TN外達到地表Ⅲ類水標準,是現階段全國范圍內最嚴的排放標準。

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

3 提標改造工藝分析

由上文分析可知,雖然各地區排放標準各不相同,但與一級A對比后可發現提標改造的目標總體為三大類:第一類是降低COD排放限制,出水CODCr質量濃度從50mg/L降至20～40mg/L;第二類是降低氮污染物排放,出水氨氮質量濃度從5mg/L降至1.5～3mg/L,出水TN質量濃度從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個方面討論國內已進行提標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,可通過優化生化系統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,在好氧反應區投加懸浮填料以增大生物池的污泥濃度,出水CODCr平均質量濃度達20.60mg/L[10]。長三角地區某污水處理廠在原有改良式序列間歇反應器(MSBR)的主曝氣區投加懸浮填料,形成改良式序列間歇反應器-移動床生物膜反應器(MSBR-MBBR)工藝,出水CODCr平均質量濃度穩定在(18.40±3.07)mg/L,可達到地表“準Ⅳ類水”的要求[11]。盱眙縣某工業園區污水處理廠通過調整設備、反應流程等條件進而實現改良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工藝可實現出水CODCr質量濃度達20mg/L[14]。孫高升等[15]在針對淮河流域城鎮污水處理廠的升級改造過程中開發了AAO+膜生物反應器(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一級B標準[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”標準[17]。當進水工業廢水比重較高時,部分改造工程采用Fenton高級氧化技術,如浙江某污水處理廠工業廢水占比為60%,提標工程除了將MSBR改造為AAO工藝,還增設了Fenton處理工藝,出水CODCr平均質量濃度為28.82mg/L[18]。天津某開發區工業污水處理廠采用“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組合進行提標改造,出水CODCr質量濃度穩定在20mg/L以下[23]。

由此可見,根據進水水量與水質以及實際運行效果,增加預處理、優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污水處理廠實際運行情況進行優選。

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計、運行中的難點[24]。提升生化處理脫氮效果,可通過調整生化部分運行參數、投加外部碳源、改造生物處理增大污泥量等來實現,不少污水處理廠已經進行了實踐。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聯合MBR工藝,出水TN質量濃度低于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質量濃度為(8.0±0.9)mg/L,達蘇州市地標[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改造,出水TN質量濃度可低于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,生化處理增加了內回流點和最大回流量,提高內外碳源的利用效率[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,低水溫導致的硝化能力下降是達標難點[33],通過前述生化工藝的調整和改造都能使氨氮達到各類排放標準。

此外,還有生物倍增+賽萊默深床反硝化濾池工藝[34]、高濃度復合粉末載體生物流化床[35]等新工藝的探索。總體而言,減少氮排放可通過深挖生化處理來實現,如強化反硝化反應、采用多點進水的方式分配碳源、延長缺氧段水力停留時間,充分開發內部碳源的利用效率,間接減少投藥成本[7]。當生物處理無法保障出水氮達標時,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,起到輔助達標的保障作用。

3.3 降低磷排放

城鎮污水處理廠采用生物除磷工藝可以將出水TP質量濃度控制在 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的影響。

湖南省某污水處理廠采用AAO工藝結合高濃度復合粉末載體生物流化床工藝進行生產性試驗,強化脫氮除磷效果,出水TP質量濃度<0.3mg/L[35]。長春市寬城區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質量濃度<0.3mg/L[36]。深圳市某污水處理廠通過增設磁混凝沉淀池+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類水標準的處理工藝,即AAO生化除磷+高效沉淀+活性焦動態連續多級吸附[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,出水可以穩定達到地表“準Ⅳ類”水中對TP質量濃度≤0.3mg/L的要求[38]。無錫某工業園區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+超濾的工藝對園區污水處理廠進行提標改造,出水TP質量濃度<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改造時都是進行系統改造,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,這樣才能保障出水TP達到排放標準。

3.4 部分改造工程對比

提標改造不應單純考慮工藝的升級,還應探討相關的投資與成本。通過對比各工藝及其達到的指標、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估提供借鑒。表2列舉了部分污水處理廠提標改造的工程概況。

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,執行一級A標準。改造后多數污水處理廠升級為組合工藝,優化了深度處理工藝,達到了更嚴格的地方標準或地表水“準Ⅳ類”標準。值得一提的是,反硝化深床濾池工藝在提標改造工程中得到了較廣泛的應用。

出水水質標準越嚴格,所需的運行成本和占地面積越高。研究者[54]推測,一級B標準單位污水處理成本為0.45～1.40元/m3,一級A標準根據處理設施設備的不同會比一級B增加50%以上。吳斯文等[55]以徐州市某污水處理廠提標改造為例,采用“準Ⅳ類”和“準Ⅲ類”標準相比于一級 A標準,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模在1×104～6.8×105m3/d,經營成本最高達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相關的投資、模塊化裝備的增設,而投資較少的工程多是在原構筑物基礎上進行改造,深度處理多選用的是傳統工藝,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)雖目前近半數地方標準中的COD指標已經優于一級A,達到了地表水Ⅴ類,但與Ⅳ類標準還有距離,CODCr質量濃度降至20～40mg/L是目前多數污水處理廠升級改造的目標。進水水質對COD的去除效果有著較大的影響,若進水中工業廢水比例較高,后續難以通過生化處理進行削減[46]。

(2)國內提標改造重點在于脫氮和除磷[56]。杜林竹等[57]指出,現有城鎮污水處理廠的主要矛盾已從有機物的去除轉到氮磷的去除。脫氮除磷是各大污水處理廠改造時所應針對的一大重點。TN質量濃度若要穩定控制在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,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至國標一級A標準的改造中,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標準提升到新的地方標準,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。而且工藝的復雜程度和設備的維護檢修量都將明顯提高,對污水處理廠經營提出了新的挑戰。

(4)2020年市政污水處理行業耗電約184億kW·h,為我國的耗能大戶[59]。污水處理行業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”目標背景下,多數污水處理廠提標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、除磷藥劑等生產與運輸間接產生了CO2等溫室氣體,這些均與“雙碳”可持續發展相違背。

3.5.2 建議

(1)二級生物處理是污水處理系統的核心單元,其處理效果對污水處理廠出水水質和運行能耗有直接影響[63]。生化系統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,在提標改造中,通過全面分析水質、復核并充分利用生物處理能力,是城市污水處理廠提標和降低后續處理運行成本的最經濟、最有效措施。

(2)提標改造的投資費用與水質提升標準、主體工藝改造密切相關。因此,在進行提標改造時盡量不通過增加深度處理來使得出水達標,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境治理改善的重點,排放標準只會越來越嚴格。經過多輪提標改造后,再采取常用的處理技術不一定能滿足發展的需要,須加大新技術的開發和應用研究。

(4)“碳中和”和“可持續污水處理”是行業今后的發展方向,污水處理廠提標改造應多從節能降碳的角度出發,通過采用低能耗污水處理工藝、減少高能耗設備、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 結語

近40年來,我國排水工程快速發展,2020年年底城鎮污水處理率達到97.53%。目前,我國污水處理進入新階段,在經濟較發達地區與水環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整工藝的運行管理或選擇合適的技術措施進行提標改造。可結合當地排放標準與現有工藝運行效果,綜合考慮進水水質與水量變化,通過二級生化處理改良、增設深度處理等減少污染物排放量。城市污水處理廠提標改造與水環境質量需求和技術發展水平緊密聯系,對水污染防治與水生態保護具有重要意義。