曹業(yè)始：污水稀釋倍數(shù)和污水廠處理量確定污染物溢流排放負(fù)荷
來源：中國(guó)給水排水
2022年12月24日，在三峽集團(tuán)與清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院聯(lián)合舉辦的“2022城鎮(zhèn)溢流污染控制高峰論壇”上，中持新概念環(huán)境發(fā)展宜興有限公司總工藝師、新加坡PUB (公用事業(yè)局，國(guó)家水管理機(jī)構(gòu))前首席專家曹業(yè)始博士，以《污水稀釋倍數(shù)和污水廠處理量確定污染物溢流排放負(fù)荷》為題，分享了一個(gè)國(guó)內(nèi)外專家組織近幾年在中國(guó)城市污水系統(tǒng)提質(zhì)增效研究項(xiàng)目的階段性成果。
曹業(yè)始在新加坡從事多年水業(yè)應(yīng)用研究工作，在論壇上，他介紹了專家組開發(fā)的市政污水系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，包括外水入侵在合流制和分流制管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將國(guó)內(nèi)和歐洲一些國(guó)家的污水廠處理量與同一服務(wù)區(qū)內(nèi)用水量和由此導(dǎo)致的溢流負(fù)荷情況做了對(duì)比，指出國(guó)內(nèi)需要制定因地制宜、具有成本效益的改善城市污水系統(tǒng)效能和城市水環(huán)境的系統(tǒng)規(guī)劃。
提高污水系統(tǒng)性能：四大因素來擔(dān)當(dāng)
污水系統(tǒng)的效率在城市水環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在考慮提高污水管網(wǎng)污染物（如 ＣＯＤ ）濃度和污水處理廠效率時(shí)，應(yīng)同時(shí)關(guān)注污染物溢流排放負(fù)荷對(duì)受納水體水質(zhì)的影響。他們的研究表明，污水管網(wǎng)外來水入侵、管網(wǎng)污水收集率、市政用水量（用水效率）和污水處理廠處理量四個(gè)因素在很大程度上決定了污水系統(tǒng)性能和效率。從某種意義上來說，研究污水系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化就是探索和發(fā)現(xiàn)四個(gè)因素的因地制宜的最佳組合。應(yīng)用四個(gè)因素，可以定量化描述一個(gè)城市的污水系統(tǒng)，包括供水、污水管網(wǎng)、污水處理廠和受納水體的狀況以及下一步如何實(shí)現(xiàn)三部一委要求到2025年城市生活污水廠進(jìn)水COD>250 mg/l,BOD≥100 mg/l和污水集中收集率達(dá)到>70%目標(biāo)。
圖1表示了一個(gè)城市污水的簡(jiǎn)化概念模型，系統(tǒng)包括市政用水、污水系統(tǒng)收集和運(yùn)輸、污水處理廠、溢流排放和受納水體。應(yīng)用質(zhì)量平衡原理，以個(gè)人日負(fù)荷 (120 g COD/(人.天)和個(gè)人日綜合用水 (SCWC,L/ (人.天)作為污染物和水量計(jì)算單位，假設(shè)服務(wù)區(qū)內(nèi)很少的制造業(yè)（污水幾乎都是市政污水）。ＣＯＤ 在線降解忽略不計(jì)，污水流動(dòng)橫截面充分混合，外來水污染可忽略不計(jì)，計(jì)算結(jié)果為在穩(wěn)態(tài)條件下獲得。
表1匯總了相關(guān)定義、數(shù)據(jù)來源和計(jì)算公式。假設(shè)在污水全收集條件下，人均日綜合用水量即人均日排污水量和管網(wǎng)收集量。稀釋倍數(shù)是表示外來水侵入程度的重要參數(shù)，根據(jù)定義，當(dāng)沒有外來水時(shí)，稀釋倍數(shù)是1。污水處理廠處理量比定義為污水廠處理量與污水管網(wǎng)服務(wù)區(qū)用水量的比（污清比，ＳＱ ＯＵＴ ／ＳＣＷＣ ）。
普遍難題：外來水入侵
在講外來水問題之前，首先談分流制和污流制的外來水的差別，德國(guó)的一套數(shù)據(jù)顯示合流制的平均稀釋倍數(shù)是4，即管網(wǎng)中原污水的比例占25%，意味著如果管網(wǎng)中有10萬噸混合污水，只有2.5萬噸是原污水，7.5萬噸是外來水。分流制外來水平均稀釋倍數(shù)是1.8，意味著管網(wǎng)中10萬噸污水中有5.6萬噸是原污水，4.4萬噸是外來水�？梢钥吹胶狭髦坪头至髦仆鈦硭嬖诤艽蟮牟顒e，但分流制污水管網(wǎng)中仍有相當(dāng)比例的外來水。
如表3，德國(guó)分流制占比約40%，丹麥和芬蘭約70%，最近報(bào)道國(guó)內(nèi)的分流制管網(wǎng)超過80%。從稀釋倍數(shù)上來說，最好的分流制管網(wǎng)稀釋倍數(shù)能做到1.4（德國(guó)北部）。丹麥和芬蘭平均的稀釋倍數(shù)在1.7-2范圍。意味著10萬噸管網(wǎng)中的水，大約6萬噸的原污水和4萬噸的外水，可見外來水是全球性的問題而非是中國(guó)獨(dú)有的�，F(xiàn)在歐洲每年都在花錢修管網(wǎng)。從某種程度上說老管網(wǎng)中的污水有一半是原污水，可算及格。當(dāng)然由于國(guó)內(nèi)用水的效率比西歐和北歐的國(guó)家要低，總的外水比人家要多，盡管稀釋倍數(shù)相當(dāng)。
圖2展示了人均日綜合用水量稀釋倍數(shù)與污水廠進(jìn)水COD濃度的關(guān)系。西歐和北歐COD濃度是400-700 mg/l（當(dāng)量區(qū)間），我們COD濃度100-500 mg/l。人均綜合用水量是可從水務(wù)公司查到的，污水廠進(jìn)水COD濃度也是可以查到的，據(jù)圖2即可找到管網(wǎng)污水稀釋倍數(shù)，根據(jù)圖2，當(dāng)倍數(shù)是1，綜合用水量300mg/l時(shí)，污水廠進(jìn)水COD濃度最高時(shí)也只能夠到400mg/l，所以目前已經(jīng)達(dá)到250mg/l或更高值，再往上升比較難了。與歐洲一些國(guó)家相比，由于有待改進(jìn)污水管網(wǎng)質(zhì)量與管理水平，國(guó)內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)較高的外來水是管網(wǎng)污水COD低濃度的主要因素之一，也是導(dǎo)致污水處理廠較低的運(yùn)營(yíng)效率的主要原因之一。
表4顯示了2018年幾個(gè)城市污水處理和用水量的數(shù)據(jù)，人均日污水處理量和人均日綜合用水量比在0.8-1.2之間，平均約為1，當(dāng)然，國(guó)內(nèi)這兩年經(jīng)過大規(guī)模的城市污水系統(tǒng)改造，有的城市污清比有了增加。2021年《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50014- 2021)已增加了與污水處理廠流量相關(guān)系數(shù)值, 并要求在分流制管網(wǎng)和污水處理廠設(shè)計(jì)中考慮包括雨水在內(nèi)的外來水因素。
表5呈現(xiàn)了西北歐四個(gè)國(guó)家的污水廠污清比數(shù)據(jù)，荷蘭污清比是2.1，瑞典幾個(gè)大的污水廠是2.8，德國(guó)公共設(shè)施的供水量是51億立方米；公共設(shè)施污水處理量是101億，實(shí)際上污清比值約為2。丹麥水協(xié)會(huì)每年都會(huì)發(fā)表報(bào)告，污水廠進(jìn)水量同一個(gè)地區(qū)賣出來的水量平均值是3（相當(dāng)污清比約等于3）。
表6呈現(xiàn)了污水廠污清比、污水稀釋倍數(shù)和污染物溢流負(fù)荷之間的定量關(guān)系。黃色區(qū)域代表國(guó)內(nèi)情況，污清比/稀釋倍數(shù)＜1；綠色區(qū)域代表部分西北歐國(guó)家情況，污清比/稀釋倍數(shù)＞1。由于國(guó)內(nèi)污水廠污清比大大小于西北歐數(shù)據(jù)，在相同稀釋倍數(shù)下污染物溢流負(fù)荷比也較西北歐幾個(gè)國(guó)家高不少。由于雨季雨水侵入導(dǎo)致外來水或稀釋倍數(shù)的增加，污染物的溢流排放負(fù)荷可增加一倍，這往往是夏季河流黑臭的重要原因。因此，合理的污水處理廠處理量（污清比）常是控制污染物溢流負(fù)荷的重要因素。
如表7所示，污水集中收集率也與污水處理廠污清比直接相關(guān)。在許多情況下，污水廠的污清比在控制受納水體水質(zhì)方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。由于目前國(guó)內(nèi)不少污水處理廠低污清比的情況，相當(dāng)部分污染物排放到受納水體。在這種情況下，進(jìn)一步提高污水處理廠的去除效率或者單純依賴提高排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)改善受納水體水質(zhì)的影響可能有限。
他山之石：瑞士蘇黎世污水廠如何應(yīng)對(duì)外來水？
蘇黎世污水廠旱季平均日處理量17萬噸，雨季流量52萬噸，活性污泥泥齡14天，經(jīng)過十幾年的管網(wǎng)改造，污水稀釋倍數(shù)2，設(shè)計(jì)污清比3，在旱季的時(shí)候有200%的流量余度。年均污水排放負(fù)荷小于3%。
圖4顯示雨季時(shí)候的情況，藍(lán)線是進(jìn)水的流量，最大已經(jīng)超過設(shè)計(jì)52萬萬噸/天達(dá)56萬噸/天，超過旱季三倍平均流量17萬噸/天。一天當(dāng)中流量經(jīng)歷了劇烈變化，蓄水槽的水位隨著流量的增加而增加。黃線是氨氮的濃度，除了有三個(gè)數(shù)據(jù)是超過1mg/l以外，整個(gè)氨氮小于0.5mg/l，紅色是硝酸氮數(shù)據(jù)，有個(gè)別最高濃度超過10mg/l。原則上可以做到總氮控制在10mg/l以內(nèi)。它的SRP和水力停留時(shí)間，比國(guó)內(nèi)現(xiàn)在采用的大部分污水廠的活性污泥還要底一些，雨季流量增加主要影響的是物理和化學(xué)過程。
人日均外來水，污水收集率，人日均綜合用水和污清比這四個(gè)參數(shù)對(duì)于描述和理解城市污水系統(tǒng)是非常重要的，這四個(gè)參數(shù)效率的提升將有助于實(shí)現(xiàn)三部一委要求的目標(biāo)。
最后曹總總結(jié)道：“未來為減少污水溢流以消除雨后河流黑臭, 改善城市水環(huán)境，提高現(xiàn)有部分污水廠的處理能力應(yīng)成為城市水環(huán)境保護(hù)議程上一項(xiàng)重要議題和任務(wù).與建造新工廠和大截流比較，對(duì)現(xiàn)有污水廠部分物理和化學(xué)單元進(jìn)行升級(jí)以提高處理能力是可行且更具成本效益，也有助于提高部分管網(wǎng)修復(fù)的效益。當(dāng)前迫切需要找到合適的案例進(jìn)行工程實(shí)驗(yàn), 積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)”。
