摘要：自90年代以來，中國在城市衛(wèi)生方面取得了了不起進(jìn)步: 建立了廣泛的污廢水處理基礎(chǔ)設(shè)施，城市污水處理率達(dá)到94.5%, 并且依法在全國范圍內(nèi)實(shí)施了污水營養(yǎng)物去除。但是，市政污水處理廠仍然面臨著源自于獨(dú)特污水水質(zhì)特征的問題。這項(xiàng)研究了比較了中國和其他具有較長的污廢水處理歷史的國家在城市污水處理中的能量回收、營養(yǎng)物去除和污泥產(chǎn)量方面的差異，揭示了中國的污水特性，即高無機(jī)懸浮固體(ISS)濃度，低COD濃度和低碳氮比(C/N)以及與市政污水處理廠性能之間的因果關(guān)系，并提出市政污水處理廠設(shè)計(jì)和操作應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃�質(zhì)特征,給出了具有成本效益的改善市政污水處理可持續(xù)性的措施和方案，并評估了這些措施實(shí)施可能帶來的收益，強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)以結(jié)果導(dǎo)向的市政污水處理應(yīng)用研究的必要性。

導(dǎo)言

自90年代以來，中國在城市衛(wèi)生方面取得了顯著進(jìn)步。2017年市政污水處理能力達(dá)到49.2 x109m³，在城市地區(qū)的覆蓋處理率達(dá)94.5%。去除營養(yǎng)物(氮和磷)已經(jīng)在國家范圍內(nèi)依法實(shí)施。然而，許多市政污水處理廠面臨很少能量回收，脫氮除磷成本高昂，污泥產(chǎn)量高等問題。污水管網(wǎng)滲漏造成中國污/廢水的獨(dú)特特征是市政污水處理廠效率低下的主要原因。最近，中國三部委頒布了題為“城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案(2019—2021年)”文件強(qiáng)調(diào)污水管網(wǎng)修復(fù)在城市環(huán)境衛(wèi)生與生態(tài)關(guān)鍵功能，標(biāo)志著中國城市環(huán)境衛(wèi)生戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)折點(diǎn)�？紤]到污水管網(wǎng)修復(fù)所涉及的繁重任務(wù)，所需的巨大投資和長周期，必須采取具有成本效益的快速行動和措施，以改善中國市政污水處理效率和可持續(xù)性。這項(xiàng)研究有三個(gè)目標(biāo)：(1) 比較中國和其他具有更長的污/廢水處理歷史的國家在市政污水處理廠在能量回收、營養(yǎng)物去除和污泥產(chǎn)生量等方面的差異;(2)揭示市政污水處理廠的污水特征和工藝性能之間的因果關(guān)系;(3)建議適于中國污水水質(zhì)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持續(xù)性。

方法

中國、歐洲、美國和新加坡的污水處理廠均基于使用厭氧消化(AD)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)(以下簡稱AD-CHP)進(jìn)行能源回收基于使用厭氧消化(AD)熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)。中國相當(dāng)部分廠省略初級污泥沉降(PS), 很少有處理廠使用污泥厭氧消化(AD)，污泥的產(chǎn)生主要基于觀察生物產(chǎn)量(系數(shù))和進(jìn)水無機(jī)懸浮固體(ISS)積累。

結(jié)果和討論

市政廢水處理 – 可持續(xù)性

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，這個(gè)比例與歐洲、美國和新加坡相比非常低, 盡管具有較長污水處理歷史的國家在很久之前已經(jīng)廣泛應(yīng)用AD-CHP技術(shù)，但在中國，通過AD-CHP污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)(下稱AD-CHP)途徑技術(shù)進(jìn)行的能量回收非常有限。舍棄使用污泥厭氧消化不僅導(dǎo)致污泥穩(wěn)定化問題，招致二次污染和衛(wèi)生問題，同時(shí)，由于沒有污泥厭氧消化中VSS破壞,加上調(diào)理板框脫水添加石灰還增加了污泥量(由于沒有污泥厭氧消化中VSS破壞,加上調(diào)理板框脫水添加石灰)增加了污泥處理,增加了處置和再利用的困難難度。

為了達(dá)到嚴(yán)格的營養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)[如中國市政污水處理廠一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，TN(總氮)<15 mg-N/L，TP(總磷)< 0.5 mg-P/L，和在一些省份敏感地區(qū)實(shí)施的TN <10 mg-N/L，TP <0.3 mg-P/L], 盡管舍棄沒有設(shè)置初級污泥沉降,但中國許多污水處理廠仍需要額外采用了外投加碳源除氮(和磷)。從根本上講，這是由于其根本原因歸結(jié)為進(jìn)水的低C/N比，因?yàn)閷τ诘湫偷奈鬯�，常�?guī)的生物脫氮工藝可以在不添加或添加少量碳情況下實(shí)現(xiàn)出水TN <10-15 mg-N/L。現(xiàn)今在一些污水廠中，化學(xué)藥品花費(fèi)僅次于電力。如果實(shí)行更嚴(yán)格的營養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)(例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L),將給工污水廠運(yùn)營和地方帶來進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，此外，考慮初級能源的使用和相應(yīng)的溫室氣體排放, 過量化學(xué)物質(zhì)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，難降解的顆粒和無機(jī)懸浮固體(ISS)組成, 其產(chǎn)量和組成取決于廢水的水質(zhì)特性，處理工藝和場地環(huán)境。表2列出了以中國市政污水處理在2015年，2016和2017年基于COD去除量計(jì)算的年平均污泥產(chǎn)量(干固體(DS))。三年平均量為0.69 kg/去除kgCOD。鑒于采用初級污泥沉降的污水廠只有10%–20%和少于5%污水廠采用污泥厭氧消化, 每去除kg化學(xué)需氧量產(chǎn)生的污泥量可以視為活性污泥過程定義的表觀產(chǎn)率(系數(shù))Yob 。運(yùn)用中國2017年市政污水的平均成分，假設(shè)進(jìn)水VSS/TSS比80%, 采用的生物除氮和除磷工藝與輔助化學(xué)除磷(摩爾鐵/磷去除比率為1.5, 去除了80%的P)，廢水的易于生物降解的COD (RBCOD)分?jǐn)?shù)為8%，BOD/P為18%，污泥停留時(shí)間(SRT)為18天，根據(jù) Paul 等(2001)提議計(jì)算方法算得污泥產(chǎn)率為0.48 kg/去除kg COD。這數(shù)量比傳統(tǒng)生物除氮(BNR)的0.37 kg/去除kg COD 多30%。原因是化學(xué)除磷所添加的金屬藥劑導(dǎo)致化學(xué)污泥量的增加。上文提到的中國市政污水廠近三年平均量污泥產(chǎn)率0.69 kg/去除kg COD(見表2)，比正常進(jìn)水VSS/TSS比率(80%)條件下理論估算值0.48 kg/去除kg COD大約高出44%。

對中國部分污水處理廠的調(diào)查表明, 當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)特性大致正常時(shí)，污水處理廠污泥產(chǎn)率接近0.48 kg/去除kg COD，而當(dāng)污水水質(zhì)特性異常，污泥產(chǎn)率接近0.69或甚至更高。分析認(rèn)為高的污泥產(chǎn)率系數(shù)在很大程度上源自進(jìn)水中高濃度無機(jī)懸浮顆粒。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(chǎn)率為0.44 kg/去除kg COD. 新加坡的污泥產(chǎn)率僅0.24 kg/kg COD，為中國三分之一，新加坡所有市政污水處理廠采用污泥厭氧消化進(jìn)行能量回收由此減少約35%的固體。通過與法國和新加坡污水污泥產(chǎn)率相比，可以看出中國目前的市政污水廠污泥產(chǎn)量系數(shù)確實(shí)過高。

a COD去除，kg x 10 -1 /米 3 ，市政污水處理廠的平均值(CUWA 2016)。

b 去除了COD，kg x 10 9 ，所有市政污水處理廠量，(CUWA 2017)。
 

c 去除所有COTP，kg x 10 9 ，所有污水處理廠量(CUWA 2018)。

d 污泥產(chǎn)生(DS)，kg x 10 -1 /米 3 ，市政污水處理廠的平均值(CUWA 2016)。

e 產(chǎn)生的污泥(DS)，kg x 10 9 ，所有市政污水處理廠量(CUWA 2017)。

f 污泥產(chǎn)生量(DS)kg x 10 9 ，所有市政污水處理廠量(CUWA 2018)。

低性能原因：獨(dú)特的污水水質(zhì)特性

污水水質(zhì)特性對于活性污泥和整個(gè)廠工藝的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。較早的一項(xiàng)對中國和中國三個(gè)城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行的滲漏比估算研究結(jié)果顯示污水管網(wǎng)系統(tǒng)滲漏導(dǎo)致的中國市政污水水質(zhì)具有三個(gè)基本特征，即高的無機(jī)懸浮固體濃度(ISS)，低COD和C/N比。

盡管需有更多數(shù)據(jù)描述全國情況, 但初步調(diào)查顯示，在中國, 即便在施工質(zhì)量及管理維護(hù)良好的污水管網(wǎng)系統(tǒng)，某些地區(qū)的污水處理廠的進(jìn)水VSS/TSS比在50% - 70%范圍,低于60%-80%的正常范圍。文獻(xiàn)報(bào)告進(jìn)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(zhì),粉土和粘土等), 表明國內(nèi)污水廠進(jìn)水“無機(jī)化”特性顯著。如式(1)所示, 在假設(shè)沒有初沉和最終出水中無ISS條件下, 進(jìn)水的ISS/TSS率直接影響到混合液非揮發(fā)性固體(MLISS)濃度。

MLISS = ISSIO x(τ/Θc) (1)

其中，ISSIO：進(jìn)水ISS; Θc：污泥停留時(shí)間SRT;τ：水力停留時(shí)間。

對于沒有初沉，12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工藝，進(jìn)水VSS為180 mg/L，ISS為79 mg/L [VSS比率為70%[180/(79+180)]，當(dāng)進(jìn)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1,000 mg-ISS/L，表明了進(jìn)水ISS對混合液MLVSS/MLSS分?jǐn)?shù)的敏感性。

模擬顯示，當(dāng)進(jìn)水的ISS/TSS增加(VSS/TSS比率減少)10%, MLVSS/MLSS分?jǐn)?shù)可減少約10% (見圖 1)。在中國大多數(shù)污水處理廠活性污泥(和污泥厭氧消化進(jìn)料)中，MLVSS/MLSS比在30至60%范圍。較低的MLVSS/MLSS比通常來自進(jìn)水高ISS濃度，連結(jié)滲漏相對嚴(yán)重污水管網(wǎng)系統(tǒng)的污水處理廠，而相對較高M(jìn)LVSS/MLSS比通常來自連結(jié)維護(hù)管理較好管網(wǎng)系統(tǒng)或發(fā)生滲出性滲漏污水管網(wǎng)系統(tǒng)的中國北方污水處理廠，它的進(jìn)水ISS較低。最近報(bào)告顯示中國污水廠活性污泥混合液平均揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)低于50%，遠(yuǎn)低于正常的70%-75%的范圍 , 表明進(jìn)水含高濃度的無機(jī)固體(ISS)在活性污泥系統(tǒng)中的積累影響顯著, 即使考慮到化學(xué)除磷形成的化學(xué)污泥及礦物的積累(揮發(fā)性固體成分60%)。

低混合液MLVSS/MLSS比對市政污水處理廠工藝性能和運(yùn)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(zhǔn)，為了在反應(yīng)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30%。另外，混合液中無機(jī)顆粒增加導(dǎo)致單位體積活性微生物含量的減少. 其影響類似于在設(shè)計(jì)中忽略了高進(jìn)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(dǎo)致冬天出水高氨氮。

類似于活性污泥, 污泥厭氧消化池進(jìn)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(chǎn)率, 減少沼氣產(chǎn)量。而為了達(dá)到預(yù)定VSS的削減率和產(chǎn)氣率,需要增加額外容積或延長SRT。沼氣產(chǎn)量降低與砂子等固體在污泥厭氧消化池沉積，以及砂子引起材料磨損和管道堵塞在很大程度上限制污泥厭氧消化在中國的應(yīng)用。廢水中較高的ISS含量被認(rèn)為是是中國應(yīng)用污泥厭氧消化的主要技術(shù)障礙。

進(jìn)水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的積累導(dǎo)致增加污泥產(chǎn)生量。模擬表明，在有或沒有初沉條件下, 在進(jìn)水VSS/TSS 35%-75%的范圍內(nèi), 當(dāng)進(jìn)水VSS/TSS比每降低10%(剩余)污泥產(chǎn)量(DS)降低20%-30% (見圖 1)。與污泥增加有關(guān), 高ISS導(dǎo)致剩余污泥明顯增加需要二沉池額外的表面積(容量)和固體處理設(shè)施(比如脫水和泵)容量，以及處理固體的能量, 將大大的增加了市政污水處理廠處理固體所需的投資。綜上所述，當(dāng)下污水中高ISS對中國市政污水處理廠的績效和運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

進(jìn)水低COD導(dǎo)致活性污泥池低生物量(MLVSS)濃度。進(jìn)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?jǐn)?shù)和污泥產(chǎn)量越高。這使得高效除砂在處理COD較低進(jìn)水時(shí)尤其至關(guān)重要。這里需要注意的是, 較低的進(jìn)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(jìn)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(jìn)水C/N比在5.4到10.9之間，北京,上海和廣州污水處理廠的進(jìn)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(dǎo)致碳短缺, 尤其是面對高效生物脫氮時(shí)。此外, 鑒于潛在的高濃度惰性顆�；瘜W(xué)需氧量，與具有類似進(jìn)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(jìn)一步減少 。

在中國許多污水處理廠,由于進(jìn)水COD較低，為增加碳供應(yīng)，提高生物脫氮(反硝化)效率, 而省略了初沉池�？紤]初沉池去除30%–40%進(jìn)水COD，在省略初沉池情況下，則生物池的池容將增加約40%，同時(shí)二沉池表面積也須顯著增加,導(dǎo)致設(shè)施體積和水力停留時(shí)間增加，增加了建設(shè)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的提高決定因素,由于水解和溫度的關(guān)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(shí)現(xiàn)的。需要全面詳細(xì)分析污水特征，測量在不同溫度范圍下硝酸鹽還原速率等，以及具靈活性操作策略的的設(shè)計(jì)。

另一方面，為了滿足日趨嚴(yán)格的營養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)(例如，TN <10 mg-N/L)，外加碳源被越來越普遍地實(shí)踐。以當(dāng)前市場價(jià)格粗略估計(jì), 一個(gè)100,000 m³/d的污水處理廠為購買相當(dāng)于20 mg-HAc/L醋酸(HAc), 每年花費(fèi)大約300萬元人民幣(約45萬美元)。購買碳和化學(xué)物質(zhì)正成為工廠運(yùn)營沉重負(fù)擔(dān)。
 

潛在的解決方案

綜合污水水質(zhì)特征考慮市政污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行

面對中國獨(dú)特的污水水質(zhì)特征，污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)營須綜合考慮當(dāng)?shù)匚鬯�水質(zhì)特征，排放要求，地理位置，處理能力以及能源供給，化學(xué)藥品和污泥處置成本。污水水質(zhì)特性在污水處理廠的工藝選擇和設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)生物工藝可能不適用于中國南方部分地區(qū)的低COD濃度進(jìn)水(例如，COD <100 mg-COD/L)處理, 而基于膜分離的技術(shù)或SANI(硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化)可能是適用的技術(shù)。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可行，但在寒冷的地區(qū)則未必可行。

能源回收應(yīng)在市政污水處理廠議程得到足夠的關(guān)注。早在在世紀(jì)之交的美國，基于其經(jīng)濟(jì)上的可行性, 許多處理規(guī)模大約或超過100,000 m³/d的污水處理廠使用污泥厭氧消化。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(jīng)濟(jì)上仍然有利。歐洲數(shù)據(jù)則顯示處理量大約或超過10,000 m³/d (50,000 PE)廠使用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)上是可行的。中國的條件與美國和歐洲有所不同,研究在當(dāng)?shù)貤l件和因素情況下市政污水處理廠應(yīng)用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)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。

建議措施

鑒于污水管網(wǎng)修復(fù)耗時(shí)長久和當(dāng)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(shí)施，以及制定整合了各個(gè)方面因素的污水處理廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行指南, 以提高污水處理廠的運(yùn)行績效。下面將談及除砂池的改進(jìn),污泥發(fā)酵,污泥厭氧消化和熱電回收的應(yīng)用。考慮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(chǎn)的應(yīng)用可能適合處理能力相對較大、且具有較高的進(jìn)水COD濃度的污水處理廠。

增強(qiáng)除砂池除砂效率。從上面討論可以明顯看出，混合液低揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)和高污泥產(chǎn)量歸因于：

i. 很多情況下除砂裝置的設(shè)計(jì)存在技術(shù)缺陷，如停留時(shí)間不足(低估)和運(yùn)營中缺乏必要維護(hù)。

ii. 在中國的許多地方，污水中的ISS濃度很高，且含相當(dāng)部分直徑遠(yuǎn)小于200微米的微細(xì)無機(jī)固體(這部分微細(xì)無機(jī)固體難以被常規(guī)除砂單元去除)。

建議性措施包括:

研究現(xiàn)有除砂單元的性能，包括ISS固體負(fù)荷和去除效率，并定期加以維護(hù)。另外，升級或改造現(xiàn)有的常規(guī)除砂設(shè)備，例如增加水力停留時(shí)間以提高效率。一些例子表明, 經(jīng)簡單升級后, 一些常規(guī)的除砂裝置性能提升后可能將生物池混合液揮發(fā)性固體MLVSS/MLSS提高到55%至60%�？傊�，現(xiàn)場調(diào)查認(rèn)真評估除砂設(shè)施對小于200微米顆粒物的去除效率非常必要的�？紤]中國污水中廣泛存在的高濃度的細(xì)小無機(jī)固體(ISS)，以及ISS對許多污水處理廠運(yùn)行性能產(chǎn)生的的負(fù)面影響，國內(nèi)亟需開展對進(jìn)水除砂尤其是ISS高效去除技術(shù)方面的研究或者設(shè)備開發(fā)。

基于上述分析，對改善中國污水處理廠除砂工藝運(yùn)行性能提供如下的建議：

i. 對城市污水處理廠污水中和混合液中的揮發(fā)性固體成份進(jìn)行廣泛調(diào)查;測量和估算不同類型除砂工藝的除砂性能，尤其是粒徑低于200微米砂礫去除效率;

ii. 通過提高除砂裝置的效率來減少過程中的ISS積累：通過提高除砂效率可使混合液中的揮發(fā)性固體成分增加約10%，有望將小型污水處理廠的混合液中的揮發(fā)性固體成分提高到55%-60%，中大型污水處理廠(≥50,000 m³/d)提高到60 %- 65%，

污泥發(fā)酵。最大限度地利用污水所含有的COD應(yīng)該是解決生物脫氮除磷工藝中的碳短缺的首要途徑。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(yīng)用的技術(shù)。圖2顯示了中國某地生產(chǎn)規(guī)模污水廠初沉污泥發(fā)酵數(shù)據(jù),從進(jìn)料到出料，平均增加40 mg-VFA/L揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。同時(shí)，利用回流活性污泥(和在線混合液)發(fā)酵技術(shù)改善脫氮除磷效果已在丹麥、瑞典和美國和歐洲等國家得到廣泛應(yīng)用。中國已經(jīng)有初沉污泥和活性污泥發(fā)酵的工程實(shí)例, 但缺乏長期成功運(yùn)營報(bào)告, 因此, 影響了污泥發(fā)酵技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這可能是由于國內(nèi)對這些污泥發(fā)酵項(xiàng)目后期長周期跟蹤性研究不夠所致。

低碳要求的營養(yǎng)物去除工藝�？梢钥紤]采用像BCFS(生物化學(xué)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(yīng)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)�；瘧�(yīng)用，SANI處于中試規(guī)模,仍然有待工程尺度的應(yīng)用驗(yàn)證。此外，西安四污出現(xiàn)的主流厭氧氨氧化現(xiàn)象也值得進(jìn)一步關(guān)注和研究。

未來

增加能量回收。對于那些具有適當(dāng)處理能力和較高的進(jìn)水COD的濃度(例如 > 300 mg / L)的污水處理廠，污泥混合液揮發(fā)性固體組份(MLVSS/MLSS比)是應(yīng)用污泥厭氧消化的關(guān)鍵。根據(jù)計(jì)算，如果將混合液MLVSS/MLSS由55%提高到65%，揮發(fā)份只是提高10%，就可以增加20%沼氣產(chǎn)率。污泥揮發(fā)份的提升也有效提高了生物池的污泥活性，提高了池容利用效率，同時(shí)，顯著減少了金屬材料磨損和管道堵塞，大大消除了技術(shù)上應(yīng)用污泥厭氧消化的障礙。通過熱電聯(lián)產(chǎn)從污泥厭氧消化回收的電可節(jié)省經(jīng)營污水處理廠電力的大約30%。上海白龍港污水處理廠(產(chǎn)能2,000,000 m³ / d )，進(jìn)水COD濃度為250 mg/L，蘇黎世污水處理廠初沉池出水COD濃度約為250 mg / L，兩個(gè)廠都使用污泥厭氧消化用于能量回收。對于中國處理能力超過100,000 m³ /d的污水廠，即便只有一半的應(yīng)用了污泥厭氧消化進(jìn)行能量回收，其對污水處理廠運(yùn)行效益和環(huán)境可持續(xù)也有很大的提高。對于規(guī)模較小的污水處理廠，可以考慮脫水污泥合并送到大型污泥工廠或區(qū)域污泥處理中心進(jìn)行能量回收。

減少碳支出。目標(biāo)是通過污泥發(fā)酵獲得凈25 mg-COD/ L。這相當(dāng)于最終出水硝酸氮濃度降低了約5 mg-N/L，有助于實(shí)現(xiàn)在幾乎沒有或添加少量碳情況下實(shí)現(xiàn)出水總氮濃度少于10 mg-N / L。

減少污泥量。通過增進(jìn)進(jìn)水砂粒去除, 提高10%進(jìn)水VSS / TSS分?jǐn)?shù)，可將污泥產(chǎn)量減少約20%。

結(jié)合污泥厭氧消化去除大約40%VSS(Grady等，1999)污泥量減少可達(dá)約50%。

這意味著如果在約一半的污水處理廠實(shí)現(xiàn)了ISS減少并應(yīng)用污泥厭氧消化，則全國范圍內(nèi)污泥產(chǎn)生量可能減少約25%。連同能量回收增加的和購買化學(xué)品成本減少，落實(shí)減少ISS并應(yīng)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。

加強(qiáng)結(jié)果導(dǎo)向的應(yīng)用研究。要大力加強(qiáng)針對克服或解決中國污水水質(zhì)特性形成的技術(shù)瓶頸進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效污水處理目標(biāo)的可持續(xù)性研究與技術(shù)開發(fā)，從開始就需要制定詳細(xì)的可行性研究計(jì)劃，針對污水特性，尤其是進(jìn)水ISS，和硝酸鹽還原速率等研究與實(shí)際測試，將有助于從技術(shù)確定是否需要初沉池。通過生化揮發(fā)物脂肪酸潛力(BVFAP)等指標(biāo)測試可用于評估初沉污泥和活性污泥發(fā)酵的可行性。目前看來，現(xiàn)在針對實(shí)際水質(zhì)特征條件下的污水廠設(shè)計(jì)，針對解決獨(dú)特中國污水水質(zhì)相關(guān)的市政污水處理現(xiàn)實(shí)問題的研究仍然相對薄弱。最近幾年中國在水科學(xué)研究方面取得了出色的進(jìn)步，現(xiàn)在也正是時(shí)候，可進(jìn)一步加強(qiáng)在可持續(xù)市政污/廢水處理應(yīng)用領(lǐng)域的研究。

結(jié)束語

自90年代以來，中國在城市衛(wèi)生工程方面取得了顯著進(jìn)步。但是，市政污水處理仍然面臨著低效率的能量回收，營養(yǎng)物去除高成本和高污泥量問題. 這些難題源于獨(dú)特的污水水質(zhì)特性: 高ISS，低COD和C / N比。這項(xiàng)研究揭示了污水水質(zhì)特性和市政污水處理廠的低效率之間的因果關(guān)系。進(jìn)一步提出建議，要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際水質(zhì)特性，進(jìn)行污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。鑒于管網(wǎng)完善需要一定周期, 污水處理廠的可持續(xù)性改進(jìn)可以與管網(wǎng)提質(zhì)增效、管網(wǎng)修復(fù)等工作并行。提供具有成本效益的措施和解決方案的建議，即高效除砂、污泥發(fā)酵和應(yīng)用低碳生物脫氮除磷工藝，并估算了實(shí)施可能帶來的收益。強(qiáng)調(diào)了未來加強(qiáng)以結(jié)果導(dǎo)向的市政污水處理應(yīng)用研究的必要性。

致謝

楊向平(中國城鎮(zhèn)供水與排水協(xié)會)，張悅(中國水工業(yè)協(xié)會)，鄭興燦(中國市政工程華北設(shè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司)，甘一蘋(中國城鎮(zhèn)供水和排水協(xié)會)，王洪臣(中國人民大學(xué)),王佳偉(北京排水集團(tuán))，胡維杰(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司)，吳遠(yuǎn)遠(yuǎn) (北京首創(chuàng))，楊岸明(北京排水集團(tuán))，李金河(天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保)，丁永偉(蘇州水務(wù)集團(tuán)公司)，李 激(江南大學(xué)), 王 燕(江南大學(xué))和呂 貞(常州市排水管理處)等提供了有用的信息和觀點(diǎn).