水污染防治生物处理技术验证评估方法研究

黄海明，宋乾武，许春莲，王文君，武少伟，戴建坤，田艳丽，赵秀芹

1.中国环境科学研究院工程设计中心，北京 100012

2.北京科技大学，北京 100086

随着我国社会经济的发展，环境污染问题日益突出，技术的创新和推广应用对环境污染防治尤为重要，然而，我国现有的环境技术管理体系及环境技术推广机制难以适应目前环境保护的发展需求［1］。客观、公平、公正和科学的环境技术评价体系是对创新技术进行有效筛选的基础，也是对创新技术起到积极推广和应用作用的保障。环境技术评估(environmental technology verification，ETV)［2-5］是实现环境管理科学化、长效化、市场化、系统化的最佳选择。20世纪90年代以来，我国在环境技术评估方面取得了一定的进展，采用专家评估和合格评定等与当时社会经济发展水平相适宜的环境技术评估模式［6］，较好地促进了我国环境保护事业的发展。但随着近年来经济的快速发展，现有的环境技术评估模式由于在科学性、公正性和客观性方面存在一定的局限性，无法满足环境技术管理的迫切需求。基于国家对污染防治新技术推广的迫切需求，积极开展环境技术验证评估研究，建立客观、公平、公正、科学的验证评估体系，并在此基础上有效地推广应用创新技术，是推动我国环境污染防治技术进步的有效手段。

环境技术验证评估属于环境技术管理体系中的一部分，其目的是通过建立一套客观、科学、公正、透明的评价制度、程序和方法，对各类环境技术在预防、检测、控制和减少环境污染等方面的能力和效果进行评价，按照统计学的方法来评估创新的商业化技术，从而为潜在的用户提供一个可信的信息，为环境污染防治工程提供科学可靠的、成套完整的数据［6-9］。

1 水污染防治生物处理技术验证评估

建立我国水污染防治生物处理技术验证评估体系，其目标是结合中国国情，建立一套科学、公正、客观的水污染防治生物处理技术验证评估方法，指导验证评估工作按照规定的程序、方法和标准对已经完成中试或工业化试验，具有产业化前景的单项技术、工艺以及产品开展实测验证(实证)，重点对其环境保护效果、能耗水平、可靠性、经济性、风险性、先进性［10-11］及持有方自我声明的技术性能进行以实证为主的客观评价，为环境保护技术的创新发展及市场化、产业化提供技术支撑。

1.1 指标体系构建

为有效促进我国环境保护创新技术的推广和应用，在借鉴国外环境验证评估体系发展的经验基础上，确定了水污染防治生物处理技术验证评估指标体系的设计原则:1)符合我国相关法规、政策和技术标准;2)确保验证结果的真实性、可靠性和科学性;3)保护技术开发者的知识产权;4)有利于环境验证评估制度的可持续发展;5)易与国际接轨。

基于上述设计原则，生物处理技术验证评估指标体系由测试指标和参考指标两部分构成。

测试指标包括水质指标、二次污染指标、工艺运行指标及经济技术指标等一级指标，同时下设若干二级及三级指标。水质指标主要是通过对水质中的各种理化及生物指标的测试，反映污水处理技术的污染物去除性能;二次污染指标主要是考察技术在使用过程中是否对环境造成影响及影响程度，包括噪声、空气、固体废物等;工艺运行指标主要是考察污染物消减效果与工艺运行参数之间的相关关系，包括表观指标与运行参数指标两组;经济技术指标包括能源消耗指标、药剂消耗指标、材料消耗指标、水耗指标、资源能源回收利用率等五项。测试指标分为通用指标与特征指标。通用指标具有普遍适用性，适用于各种生物处理技术的验证测试，包括化学需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、生化需氧量(BOD5)、pH等四项;特征指标是反映所验证技术的特异性处理效果或水质污染特征的指标。

参考指标由技术持有方提供，主要为技术的辅助设计参数等。

1.2 验证测试方法

基于验证评估指标体系，根据现有验证测试技术的可靠性与成熟度，确定了以定量测试分析为主，定性描述为辅的原则，并对具体的验证测试方法进行了规定。各评价指标能采用国标法进行定量分析的均优先采用，对于尚无国标法或目前尚不能进行定量分析的指标，则采用验证测试规程推荐方法进行定量或定性评价。

水污染防治生物处理技术验证测试工作分现场验证测试和实验室验证测试两类。现场验证测试是对验证技术在使用现场开展实证，具有方便快捷、数据可靠、评估费用低等特点，主要适用于工业废水和生活污水的现场验证;实验室验证是在环境、温度等条件可以模拟控制的实验室中进行，具有可在短时间内获取大量高质量、可重复的验证数据的优点，但其评估费用相对较高，主要适用于好氧生物反应器、厌氧生物反应器、一体化污水处理设备(包括小型膜生物反应器)、填料、生物助剂等的性能验证测试。

1.2.1 测试周期确定

验证评估测试周期是验证评估过程中需要考虑的关键因素。验证周期直接关系到是否能全面反映验证技术在各种工况条件下的效果，同时也影响到验证测试的经济成本。验证时间过长虽然可完整地体现测试技术在各种工况条件下的效果，但会明显增加验证测试的成本，影响验证评估工作开展的经济可行性;验证时间过短，则难以全面反映各种情况下处理工艺技术的使用效果及可靠性。

在已开展生物处理技术验证评估的发达国家，通常对其验证测试周期都有明确规定，如美国对生活污水生物处理技术的验证测试周期通常为12个月［12-13］，日本对净化槽技术的验证周期为 6个月［14-15］。为确定我国生物处理技术的验证评估测试周期，笔者对国内相关排污单位、环境保护企业及地方环境保护部门等进行了走访调研，并就相关问题向环境保护专家进行了咨询，综合各方意见，基于生物处理技术的特点，得出我国验证评估测试合理的周期为3个月左右。

根据国外制定的生物处理技术验证评估测试周期和国内的调研咨询结果，笔者认为现场验证评估测试周期应根据水质水量及其影响处理效果的环境条件变化周期而决定，通常在变化周期不明显或变化周期较短的情况下，验证评估测试周期应至少保证连续测试3个月，在变化周期较长的情况下，验证测试应至少包括2个变化周期(总测试时间不应小于3个月)。其可最大程度真实地反映验证技术的处理效果，同时也保证验证成本在用户可承受的范围之内。此外，由于生物处理技术的处理效果受水温影响较大，在验证测试期间应至少包括1个月低温期(冬季)。对于实验室验证测试，由于在实验室中开展验证测试工作，条件相对稳定，并可快速调整，周期则可适当缩短，但在污泥培养、驯化工作结束并达到正常处理效果后，应至少连续运行2个月，其中低温运行时间(低于13℃)不少于1个月。在验证测试过程中，故障时间或停运时间不应超过整个验证测试时间的10%，否则测试时间应相应顺延，顺延时间为故障时间或停运时间的1.5倍。

1.2.2 采样频率确定

在通常情况下，分析采样频率应根据水质波动状况而确定，在水质波动较大的情况下可适当增大采样频率，而在水质状况较平稳的情况下则可适当降低采样频率，但为保证测试结果具有统计学意义，对验证测试过程中采集的最低样品数进行了规定。在整个测试周期内，现场验证测试每个采样点采集样品数不少于12次，其中每周不少于1次;实验室测试每个采样点采集样品数不少于16次，每周不少于2次，以确保有足够的样品用于分析测试，保证验证测试结论的科学性、公正性和客观性。

1.2.3 采样点设置的基本原则

采样点的合理设置对于全面真实地反映验证技术的处理效果具有重要意义。为此，在验证评估测试方法中对验证测试过程中设置采样点的基本原则进行了规定:1)采样点应根据工艺特征而确定，采样点的设置在总体上应能反映工艺技术的处理效果及特点;2)设置采样点前，应调查并收集验证技术应用工程的有关水质、水量、工艺流程、设计参数、运行参数、技术特点等基本资料，用作设置具有代表性采样点的依据;3)分析测试采样点应根据工艺流程设置在原水、出水以及工艺中间环节，原水和最终出水为必选采样点，工艺中间环节采样点建议设置在能够反映生物处理环节处理效能的位置，其中创新工艺部分应多设采样点;4)原水采样点应尽可能设置在能反映原水真实水质的位置，对于有多条进水管路，且设有调节池的工艺，原水采样点建议设置在靠近调节池出水口位置。

2 现有测试案例

根据上述制订的验证评估测试方法，对某尼龙化工废水生物处理技术处理的工程应用效果进行了现场实证测试，验证测试周期为3个月。在充分调查并收集验证工艺技术应用工程的有关水质、水量、工艺流程、设计参数、运行参数、技术特点等基本资料的基础上，根据设置采样点的基本原则及废水处理工艺的特点，共设置6个采样点，分别为原水均匀混合段(1个)、厌氧工艺段(2个)、缺氧段(1个)、好氧段(1个)、出水段(1个)。不同指标的测试方法及测试频率如表1所示。

表1 现场实证测试指标及方法Table 1 Index and method for the scene demonstration and testing

实证测试结果显示，在测试过程中工艺运行的操作参数基本保持一致。在3个月的验证期间，水质共发生3次较大的波动，其波动原因基本一致，这说明3个月的测试周期可基本覆盖水质的整个变化周期，并可反映验证技术在各种工况条件下的水质情况。由于该验证工艺的总水力停留时间为50 h，由水质发生重大变化而导致的出水水质的改变，通常需在2～3 d后才得以体现，因此对于水质指标的测试，每周采样测试2次是基本合理的。

二次污染指标是考察验证技术环境效应的指标，该指标的好坏对技术的推广具有重要意义。通常在工艺的实际运行中，产生的噪声和臭味等污染情况是相对稳定的，测试的频率可相对较少。该次验证结果证明，整个测试期间这两项指标的变化基本可忽略。剩余污泥量的统计需在验证期间随时跟踪系统排泥的情况，对每次排泥量进行统计。该指标可通过实际污泥量称量统计，也可通过公式计算得出。通过测试期间两次剩余污泥中重金属浓度分析，发现其变化幅度较小，相对稳定，因此剩余污泥量在整个验证期间测试2次是合理的。

工艺运行指标是分析污染物去除机理的重要参数。测试结果发现异常状况及流量的统计频率相对过高，该指标通常比较稳定，频率过高将增大测试工作量，应适当降低。

经济性指标是反映验证技术经济效果的重要指标，在验证中发现工艺运行的药剂消耗量相对稳定，每天记录即可全面掌握各种药剂的消耗情况。耗电量在测试期间主要通过对厂区内部电表进行统计计算，每月抄录电表1次，可获得用电量的实际情况。

此外，该次现场实证发现，在验证工艺的中间环节设置采样点可有效地分析污染物的去除规律及机理，在出现异常状况时能迅速分析出原因，其对全面了解技术的性能具有重要意义。在实际操作过程中需根据不同技术特点合理设置，过多的采样点将增大工作量及验证成本。

该次示范性实证测试可为我国生物处理技术验证评估测试指标体系及方法的建立提供以下有益建议:

(1)在验证评估测试前，需对工艺工程进行详细了解，并制定详细的实施方案，充分考虑各种可能发生的因素;在验证评估测试期间需与污水厂运行人员密切沟通，及时全面地掌握污水厂运行参数的变化和维护、检修等情况。

(2)验证评估方法，建议以国标法为主，但是考虑到现场的实际情况，可以适当结合快速分析测试方法;当技术持有方持有的历史数据与测试数据吻合性很好时，可以适当减少验证测试时间，但不宜低于2个月，其中至少有1个月为冬季;废水调节时间大于24 h，分析样品可以采用瞬时样。

(3)对于投加碱剂的污水处理工程，应定期测试进、出水的碱度指标;对于投加磷剂的污水处理工程，应定期测试进、出水的TP浓度指标，以便评估药剂的投加量是否合理;对于有厌氧、缺氧工艺的工程，可在工艺运行指标测试中增加氧化还原电位指标;对有机氮浓度较高的工业废水，建议增加凯氏氮指标。

3 结语

目前我国的ETV体系尚处于初步探索研究阶段，水污染防治生物处理技术是水环境污染防治技术体系当中最为重要的一类，选择其作为我国ETV制度建立的试点研究具有重要示范作用。水污染防治生物处理技术验证评估体系的构建应以我国实际国情为基础，并遵循一定的科学方法来实现其科学性和合理性。依据构建的生物处理技术验证评估方法，开展第三方实验室或现场实证测试，以定量的实证数据客观而真实地反映验证技术效能，为技术使用者提供可靠的技术信息，这不仅对我国环境保护技术的创新发展和推广应用起到积极的推动作用，同时也为我国环境技术管理体系的建立奠定了良好的基础。

［1］许春莲，宋乾武，黄海明，等.我国环境技术验证评估体系(ETV)建设研究［J］.环境工程技术学报，2011，1(5):396-402.

［2］李莹，王学军.美国环境技术认证(ETV)计划简介［J］.中国人口·资源与环境，2001(3):123-124.

［3］路远.美国环境技术管理之借鉴［J］.环境教育，2004(2):59-60.

［4］ETV Canada.Environmental technology verification program［EB/OL］.［2010-11-30］.http://www.etvcanada.ca/overview.asp.

［5］KAMITA K.Environmental technology verification program in Japan［R］.Washington DC:ETV International Forum，2005.

［6］易斌，杨艳.中国环境技术评价体系发展概况［J］.中国环保产业，2003(6):30-32.

［7］赵英民.国家环境技术管理体系的构建与实施［J］.环境保护，2007(8):4-7.

［8］王玉红，易斌，李宝娟，等.我国环境保护产业发展状况［J］.中国环保产业，2004(10):36-40.

［9］王凯军.国外环境技术管理对我国的启示［J］.环境保护，2007(8):32-36.

［10］US EPA Office of Research and Development.Environmental technology verification program(ETV)guidelines for proper use of theETV name and logo(EPA/600/K-96/029)［R］.Washington DC:US EPA，2008:1-10.

［11］DINDAL A，BILLETS S.Experimental design considerations for verifying the performance of screening technologies for dioxin and dioxin-like compounds in soils and sediments［J］.Chemosphere，2008，73(Suppl 1):66-71.

［12］NSF International.Environmental technology verification report:evaluation of a decentralized wastewater treatment technology(06/28/WQPC-SWP)［R］.Washington DC:US EPA，2006:18-25.

［13］US EPA Office of Research and Development.Environmental technology verification strategy(EPA/600/K-96/003)［R］.Washington DC:US EPA，1997:1-14.

［14］日本環境衛生センター.小規模事業場向け有機性排水技術実証試験要領［R］.東京:日本環境衛生センター，環境省水·大気環境局，2010:8-18.

［15］環境省水·大気環境局.非金属元素排水処理技術(ほう素等排水処理技術)実証試験要領［R］.東京:環境省水·大気環境局，2006:1-22.○