IWA國際水協(xié)會
中國在城市衛(wèi)生方面取得了了不起的進步，但是市政污水處理廠仍然面臨著源自于獨特污水水質特征而引起的問題。為此，由曹業(yè)始博士領銜的研究團隊比較了中國和廢水處理傳統(tǒng)較長國家的市政污水處理在能量回收、營養(yǎng)物去除和污泥產量方面的差異, 揭示了因為下水道滲漏導致的中國市政污水水質特性（高無機懸浮固體（ISS）濃度、低COD濃度和低碳氮比）與市政污水處理廠性能和效率之間的因果關系。鑒于下水道修復工作耗時長久, 改進現(xiàn)有的污水處理廠性能和效率應該與下水道修復同時進行。研究團隊建議結合中國市政污水水質特征，具有成本效益地改善市政污水處理可持續(xù)性的措施和方案，并估計了實施它們可能帶來的收益，研究同時也強調了加強以結果導向的市政污水處理應用研究的必要性。
自90年代以來，中國在城市衛(wèi)生方面取得了顯著進步。2017年市政污水處理能力達到49.2 x109立方米，在城市地區(qū)的覆蓋率達94.5％。去除營養(yǎng)物（氮和磷）已經在國家范圍內依法實施。然而，許多市政污水處理廠面臨能量回收少，營養(yǎng)物去除昂貴，污泥產量高等問題。下水道滲漏造成的中國市政污水獨特的水質特征是市政污水處理廠效率低下的主要原因。最近，中國三部委頒布的題為《城鎮(zhèn)污水處理提質增效三年行動方案（2019—2021年）》文件強調了下水道修復在城市水環(huán)境衛(wèi)生與生態(tài)關鍵功能，標志著中國城市水環(huán)境保護戰(zhàn)略的轉折點。考慮到下水道修復所涉及的繁重任務，所需的巨大投資和長周期，采取具有成本效益的快速行動以改善中國市政污水處理效率和可持續(xù)性，與下水道修復應該同時進行。這項研究有三個目標：(1) 比較中國和其他具有更長廢水處理傳統(tǒng)的國家的市政污水處理在能量回收，營養(yǎng)物去除和污泥產生量的差異；(2)揭示市政污水處理廠的進水水質特征與工藝性能和效率之間的因果關系；(3)建議適合于中國污水水質特性的具有成本效益的措施和解決方案，以提高市政污水處理廠的可續(xù)性。中國、歐洲、美國和新加坡的污水處理廠能源回收基于使用厭氧消化（AD）和熱電聯(lián)產（CHP），而中國相當部分廠省略初級污泥沉降（PS），很少廠使用污泥厭氧消化(AD)，污泥的產生主要基于觀察微生物(剩余污泥)生長量(系數(shù))和進水無機懸浮固體(ISS)積累。表1 顯示，不到5％的中國城市污水處理廠使用污泥厭氧消化，與歐洲、美國和新加坡相比，比例非常低，說明通過污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產（下稱AD-CHP）途徑進行的能量回收非常有限，盡管具有較長污水處理傳統(tǒng)的國家很久之前已經廣泛應用AD-CHP技術。舍棄使用污泥厭氧消化不僅導致污泥穩(wěn)定化問題，招致二次污染衛(wèi)生問題，還大大增加了污泥量（由于沒有污泥厭氧消化過程中VSS破壞, 加上調理板框脫水添加石灰）增加了污泥處理、 處置和再利用的費用和困難。 
表1 | 在中國和其他國家/地區(qū)采用污泥厭氧消化的市政污水處理廠占比（％）為了達到嚴格的營養(yǎng)物排放標準[如中國市政污水處理廠一級A排放標準，TN（總氮）<15mg-N/L，TP(總磷）< 0.5 mg-P/L，和在一些省份敏感地區(qū)實施的TN <10 mg-N/L，TP <0.3 mg-P/L], 盡管舍棄初級污泥沉降, 中國許多污水處理廠采用了外加碳源除氮(和磷)。從根本上講，這是由于進水的低C/N比，因為對于典型的污水，常規(guī)的生物脫氮工藝可以在不添加或添加少量碳的情況下實現(xiàn)出水TN <10-15 mg-N/L�，F(xiàn)今在一些廠中，化學藥品花費僅次于電力, 排名第二。如果實行更嚴格的營養(yǎng)物排放標準（例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L）, 將給工廠運營和地方當局帶來進一步的經濟負擔，此外，考慮初級能源的使用和相應的溫室氣體排放，過量化學物質添加對環(huán)境也是不可持續(xù)的。污水廠活性污泥由微生物(VSS)、惰性有機物顆粒、礦物粒子（ISS）組成，其生長量和組成取決于污水的水質特性、處理工藝和場地環(huán)境。表2列出了中國市政污水處理在2015年、2016和2017年基于COD去除量計算的年平均污泥產量（干固體）。三年平均量為0.69 kg/去除kg COD。鑒于采用初級污泥沉降的污水廠只有10–20％，少于5％污水廠采用污泥厭氧消化，每去除kg化學需氧量產生的污泥量可以視為活性污泥過程定義的表觀產率（系數(shù)）Yobs。運用中國2017年市政污水平均成分，采用的生物脫氮除磷工藝輔助化學除磷（摩爾鐵/磷去除比率為1.5, 80％的磷去除）活性污泥法，污水易于生物降解的COD (RBCOD）分數(shù)為8％，BOD/P為18％，污泥停留時間（SRT）為15天，根據(jù)Paul 等（2001）基于污泥產量系數(shù)和化學除磷計量關系結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)得出的圖表算的污泥產率為0.48 kg/去除kg COD。這數(shù)量比常規(guī)異養(yǎng)活性污泥(VSS/TSS為80％）的污泥產率0.37kg/去除kg COD 多30％。原因是化學除磷添加金屬藥劑導致非揮發(fā)化學污泥的增加。上文提到的中國市政污水廠近三年平均量污泥產率0.69 kg/去除kg COD（見表2）比0.48 kg/去除kg COD高出約44％。對中國江蘇南部部分污水處理廠的調查表明，當進水水質特性大致正常時，污水處理廠污泥產率接近0.48 kg/去除kg COD，而當污水水質特性異常，污泥產率接近0.69 kg/去除kg COD或甚至更高。在法國，39％的污水處理廠具有污泥厭氧消化 (表1)，其平均污泥產率為0.44 kg/去除kg COD。新加坡的污泥產率僅0.24 kg/去除kg COD，為中國的三分之一。新加坡所有市政污水處理廠采用污泥厭氧消化進行能量回收，由此減少約35％的固體，雖然僅在個別活性污泥過程實行生物除磷。通過與法國和新加坡污水污泥產率相比，可以看出進水中無機懸浮顆粒濃度以及厭氧污泥消化對污泥產率系數(shù)的影響，也說明中國目前的市政污水廠污泥產量系數(shù)確實過高。
表2 | 2015年，2016年和2017年中國年度市政污水處理COD去除量和污泥產量以及污泥的觀測產率系數(shù)
污水水質特性對于活性污泥和整個廠工藝的設計至關重要。較早的一項對中國三個城市下水道系統(tǒng)進行的滲漏比估算研究結果顯示，下水道系統(tǒng)滲漏導致了中國市政污水水質的三個基本特征，即高無機懸浮固體濃度(ISS)、低COD、低碳氮比。
盡管需有更多數(shù)據(jù)描述全國情況, 但初步調查顯示，在中國，即便在施工質量及管理維護良好的下水道系統(tǒng)，某些地區(qū)的污水處理廠進水VSS/TSS比在50％ - 70％的范圍，低于60-80％的正常范圍。文獻報告進水低 COD / SS比(<1)和BOD5/SS比(0.3-0.5)較低反映污水含高ISS（砂質、粉土和粘土等）, 表明國內污水廠進水“無機化”特性顯著。如公式（1）所示, 假設在沒有初沉和最終出水中無ISS條件下, 進水的ISS/TSS率直接影響到混合液無機懸浮固體濃度MLISS。其中，ISSIO：進水ISS;Θc：污泥停留時間SRT；τ：水力停留時間。
對于沒有初沉，12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工藝，進水VSS為180 mg/L，ISS為79 mg/L[VSS比率為70％[180/(79+180）]，當進水VSS比率減少10％（ISS增加至120 mg/L）使用公式（1）, 混合液ISS增加大約1,000mg-ISS/L，表明了進水ISS對混合液MLVSS/MLSS分數(shù)的敏感性。模擬顯示，當進水的ISS/TSS增加(VSS/TSS比率減少)10%, MLVSS/MLSS分數(shù)可減少約10-15％。在中國大多數(shù)污水處理廠活性污泥（和污泥厭氧消化進料）中，MLVSS/MLSS比在30至60％范圍。較低的MLVSS/MLSS比通常來自進水高ISS濃度，連結滲漏相對嚴重下水道系統(tǒng)的污水處理廠，而相對較高MLVSS/MLSS比通常出現(xiàn)在進水ISS較低的污水廠，它們或者是管網系統(tǒng)維護較好，或者是位于中國北方。最近報告顯示中國污水廠活性污泥混合液平均揮發(fā)性固體分數(shù)低于50％，遠低于正常的70-75％的范圍, 表明進水含高濃度的無機固體(ISS)在活性污泥系統(tǒng)中的積累影響顯著, 即使和只用化學除磷條件下高化學污泥及礦物的積累形成的混合液低揮發(fā)固體成分(≈60％）相比。
低混合液MLVSS/MLSS比對市政污水處理廠工藝性能和運行有多方面的不利影響。以活性污泥固體含量70％作為比較基準，為了在反應器中保留相同數(shù)量的生物量, 較低的MLVSS/MLSS-50％則意味著需要活性污泥池的容積增加約40％。另外，混合液中無機顆粒增加導致單位體積活性微生物含量的減少，其影響類似于在設計中忽略了高進水ISS，二者都會影響生化過程性能，比如低水溫硝化污泥齡不足導致冬天出水氨氮高。類似于活性污泥, 污泥厭氧消化池進料中的低揮發(fā)性固體含量，降低了單位有效體積（或每單位污泥）的沼氣產率, 減少沼氣產量。而為了達到預定VSS的削減率和產氣率,需要增加額外容積或延長SRT。沼氣產量降低與泥沙等固體在污泥厭氧消化池沉積，以及泥沙引起材料磨損和管道堵塞在很大程度上限制了污泥厭氧消化在中國的應用。廢水中較高的ISS含量被認為是中國應用污泥厭氧消化的主要技術障礙。進水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的積累導致增加污泥產生量。模擬表明，在有或沒有初沉條件下, 在進水VSS/TSS 35-75%的范圍內, 當進水VSS/TSS比每降低10％，(剩余)污泥產量（DS）降低20-30％。與污泥增加有關, 高ISS導致剩余污泥明顯增加需要額外的二沉池表面積(容量)和固體處理設施容量(比如脫水和泵)，再加之處理固體的能量, 將大大增加市政污水處理廠處理固體所需的投資。綜上所述，當下污水中高ISS對中國市政污水處理廠的績效和運營造成多種不利影響, 極大地影響其可持續(xù)性。2016年中國市政污水處理廠的進水COD濃度平均值僅為267 mg-COD/L，約為表3所列國家污水廠的進水濃度的一半。這歸因于下水道在線生物降解和高滲漏比率。許多污水處理廠進水懸浮固體（SS）濃度在100 mg/L范圍，比污水典型值低約150 mg/L, 顆粒在下水道中沉降和積累可能是原因之一。
表3 | 中國市政污水處理廠和其他地方的進水COD濃度（mg-COD / L）
進水低COD導致活性污泥池低生物量（MLVSS）濃度。進水ISS越高，混合液中的相對于去除單位COD的非揮發(fā)性固體分數(shù)和污泥產量越高。這使得高效除砂在處理COD較低進水時尤其至關重要。這里需要注意的是, 較低的進水COD濃度并不意味著必須廢除污泥厭氧消化(參見下文), 盡管與進水COD較高相比，能量回收的量可能會受到影響。中國城市污水處理廠的進水C/N比在5.4-10.9之間，北京、上海和廣州污水處理廠的進水碳氮比介于7.5（廣州）到8.8（北京）之間，平均8.0, 低于其他地方的典型范圍8到12。低C/N比率導致碳短缺, 尤其是面對高效生物脫氮時。此外, 鑒于潛在的高濃度惰性顆�；瘜W需氧量，與具有類似進水的典型污水(較低比例的惰性顆粒COD)的活性污泥相比，反硝化效率和生物除磷效率可能進一步減少。在中國許多污水處理廠，由于進水COD較低，為增加碳供應，提高生物脫氮(反硝化)效率，省略了初沉池。考慮初沉池去除30–40％進水COD，省略初沉池情況下，則生物池的池容將增加約40％，同時二沉池表面積也須顯著增加，導致設施體積和水力停留時間增加，增加了建設成本。而由于引入了更多可生物降解的顆粒COD, 顆粒的水解速率成為反硝化效率能否提高的決定因素。由于水解和溫度的關系，夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季則未必，所以，省略初沉池的目的并不一定是可以實現(xiàn)的。污水廠因此需要全面詳細分析污水特征，測量在不同溫度范圍下硝酸鹽還原速率等，采用具有靈活性操作策略的的設計。另一方面，為了滿足日趨嚴格的營養(yǎng)物排放標準（例如，TN <10 mg-N/L），外加碳源被越來越普遍地實踐。以當前市場價格粗略估計, 一個100,000 m3/d的污水處理廠為購買相當于20 mg-HAc/L醋酸（HAc）, 每年花費大約300萬元人民幣（約45萬美元）。購買碳源和化學物質正成為工廠運營沉重負擔。面對中國獨特的污水水質特征，污水處理廠設計和運營須綜合考慮當?shù)氐奈鬯|特征、排放要求、地理位置、處理能力，以及能源供給、化學藥品和污泥處置成本. 污水水質特性在污水處理廠的工藝選擇和設計中起著至關重要的作用。傳統(tǒng)生物工藝可能不適用于中國南部部分地區(qū)的低COD濃度進水（例如，COD <100 mg-COD/L）處理, 而基于膜分離的工藝或SANI工藝（硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化）可能是適用的技術。省略初沉池利用可生物降解的顆粒COD提高反硝化效率在溫暖氣候條件下可能會實現(xiàn)，但在寒冷的地區(qū)則未必可行。能源回收應在市政污水處理廠中得到足夠的關注。早在本世紀初，美國許多處理量超過100,000 m3/d的污水處理廠使用污泥厭氧消化就是經濟可行的。最近幾年數(shù)據(jù)顯示，甚至處理量為20,000–40,000 m3/d的工廠使用污泥厭氧消化在經濟上仍然有利。歐洲數(shù)據(jù)是處理量約或超過10,000 m3/d (50,000PE）廠使用污泥厭氧消化經濟上是可行的。中國的條件與美國和歐洲有所不同，研究在當?shù)貤l件和因素情況下市政污水處理廠應用污泥厭氧消化經濟可行性和必要性的迫切性是顯而易見的，包括能量回收與營養(yǎng)物去除兩者之間的平衡和成本-效益分析。鑒于下水道修復耗時長久和當前廣泛存在市政污水處理廠的狀態(tài)，需要找出具有成本效益的措施和解決方案并加以實施，制定整合了各方面因素的污水處理廠設計與運行指南, 以提高污水處理廠的運行績效。下面將談談改進除砂池、污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電回收的應用�？紤]到眾多效益和有限成本，所有污水處理廠，不管規(guī)模多大，提高砂粒去除效率都是值得去做的；而污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產的應用可能適合處理能力相對較大的污水處理廠，并具有較高的進水COD濃度。混合液低揮發(fā)性固體分數(shù)和高污泥產量歸因于：
從簡單到復雜的可行措施包括：研究現(xiàn)有除砂單元的性能，包括ISS質量負荷和清除效率，并定期加以維護。另外，升級現(xiàn)有的常規(guī)除砂設備，例如增加HRT以提高去除效率。一些例子表明，經簡單升級后一些常規(guī)的除砂裝置可能實現(xiàn)55％-60％的混合液揮發(fā)性固體分數(shù)。現(xiàn)場調查能夠去除直徑小于200 μm顆粒物的設備的去除效率也是有幫助的。從根本上說，考慮中國污水中廣泛存在的高濃度的細小無機固體，以及對許多污水處理廠性能的嚴重影響，緊急需要發(fā)起和增強對除砂工藝的研究。
以下是對改進中國污水處理廠除砂行動計劃有關的建議：
最大限度地利用污水中的COD應該是解決生物脫氮工藝中碳短缺問題的首要途徑。在充分利用易生物降解的可溶性COD方面, 可以參考蘇黎世污水處理廠。在充分利用可生物降解的固體COD方面，初沉污泥發(fā)酵是一種被廣泛應用的技術。圖1顯示了中國某地生產規(guī)模污水廠的初沉污泥發(fā)酵數(shù)據(jù), 平均增加40 mg-VFA/L揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。同時，利用回流活性污泥（和在線混合液）發(fā)酵技術改善脫氮除磷效果已在丹麥、瑞典和美國等國家得到廣泛驗證。中國已經有初沉和回流污泥發(fā)酵的工程實例, 但缺乏長期成功運營報告, 因此, 影響了污泥發(fā)酵技術的廣泛應用。忽視足夠長的詳細的現(xiàn)場工程研究的必要性可能是原因之一。
圖1 | 生產規(guī)模初級污泥發(fā)酵中的VFA進出，顯示平均增加40 mg-VFA/L [VFA出 -VFA入]，溫度16–18°C，NH4-N和磷的凈釋放量分別為2mg/L和1mg/L。
可以考慮采用像BCFS（生物化學除磷和除氮）、SANI (綜合硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化)和MABR（膜曝氣生物反應器）等可在低碳情況下去除營養(yǎng)物的工藝。BCFS和MABR已被行業(yè)規(guī)模應用，SANI處于中試規(guī)模，應用仍然有待工程尺度驗證。為了在中國其他地方實現(xiàn)應用，最近報告的西安第四藥廠污水處理廠部分硝化和厭氧氨氧化去除氮值得進一步研究。對于那些具有適當處理能力和較高進水COD（例如 > 300 mg / L）的污水處理廠，污泥混合液揮發(fā)性固體分數(shù)是應用污泥厭氧消化的關鍵。相對于初始混合液揮發(fā)性固體分數(shù)55％，揮發(fā)性固體分數(shù)增加10％可以使沼氣產量增長20％。同時，顯著減少了金屬材料磨損和管道堵塞，大大消除了技術上應用污泥厭氧消化的障礙。通過熱電聯(lián)產從污泥厭氧消化回收的電能可為污水處理廠節(jié)省30％的運營所需電力。上海白龍港污水處理廠(處理量2, 000, 000 m3/d)進水COD濃度約為250 mg/L，蘇黎世污水處理廠初沉污水COD濃度約為250 mg/L，兩個廠都使用污泥厭氧消化用于能量回收。中國大約一半的市政污水由處理量超過100, 000 m3/d的工廠處理，即使這些大型污水處理廠中只有一半應用了污泥厭氧消化來做能量回收，其對污水處理廠運行效率都會有很大的提高。對于較小的污水處理廠，脫水污泥可以送到大型污泥工廠或區(qū)域污泥處理中心進行能量回收。 目標是通過污泥發(fā)酵獲得凈25 mg-COD/ L。這相當于最終出水硝態(tài)氮濃度降低了約5 mg-N/L，有助于實現(xiàn)在幾乎不外加碳源或添加少量碳的情況下實現(xiàn)出水總氮濃度少于10 mg-N / L。 通過增進進水沙礫去除，提高10%進水VSS/TSS分數(shù)，可將污泥產量減少約20%。結合污泥這意味著如果在約一半的污水處理廠實現(xiàn)了ISS減少并應用污泥厭氧消化，則全國范圍內污泥產生量可能減少約25%。連同能量回收的增加，以及購買化學品成本的減少，落實降低ISS并應用污泥厭氧消化將在很大程度改善污水處理廠的可持續(xù)性。強大的研發(fā)能力對于去除市政廢水處理瓶頸并實現(xiàn)可持續(xù)性目標而言必不可少。污水廠從開始就需要制定詳細可行的研究計劃。過程效率優(yōu)化、控制、維護等只能在現(xiàn)場動態(tài)條件下進行。污水特性，尤其是難生物降解的顆粒COD百分率、 降解速率和硝酸鹽還原速率等指標上的測試，將有助于從技術上確定是否需要初沉池，生化揮發(fā)物脂肪酸潛力（BVFAP）測試將用以評估初級和活性污泥發(fā)酵的可行性。最近幾年中國在水科學研究方面取得了很大的進步，但一般來說，針對實際條件下的過程設計，對市政污水處理現(xiàn)實問題的研究似乎相對薄弱�，F(xiàn)在正是時候進一步加強可持續(xù)的市政污水處理應用研究。自90年代以來，中國在城市衛(wèi)生工程方面取得了顯著進步。但是，市政污水處理仍然面臨著低效率的能量回收、高營養(yǎng)物去除成本和高污泥量問題。這些難題源于獨特的污水水質特性: 高ISS、低COD和低碳氮比。曹業(yè)始博士團隊的研究揭示了污水水質特性和市政污水處理廠的低效率表現(xiàn)之間的因果關系。提出需要根據(jù)當?shù)氐乃|特性進行污水處理廠的設計和運行。鑒于下水道修復工作耗時長久, 污水處理廠的可持續(xù)性改進可以與下水道修復并行。為此需選擇具有成本效益的措施和解決方案，以便迅速采取行動。這項研究提出了高效除砂，污泥發(fā)酵和應用低碳生物脫氮工藝，并估算了實施這些技術可能帶來的收益。同時，研究強調了加強以結果導向的市政污水處理應用研究的必要性。
文章作者：曹業(yè)始 （CSD新概念環(huán)境發(fā)展宜興有限公司）、Mark van Loosdrecht（代爾夫特理工大學）、Glan Daigger （密歇根大學）
（本文原文《The bottlenecks and causes, and potential solutions for municipal sewage treatment in China》，刊載于IWA期刊《Water Practice and Technology》, https://doi.org/10.2166/wpt.2020.006)
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