我国城镇污水中污染物排放现状解析及展望

鲁杨川,张城铭

(1. 成都市排水有限责任公司, 成都 610000; 2. 北海道大学农学大学院, 日本 北海道 札幌 060-0808)

前 言

我国自实行改革开放以来，各种工业化工产品的量产使人们的物质需求得到了极大的满足，城市生活污水中的有机污染物包括氮磷、氨氮、化学需氧量(COD)等指标也在逐年攀升。此外，工业发展使得工业原料和污染物排放需求呈爆发式增长，许多重工业和工矿业产物如重金属、挥发酚等也成为城镇污水污染物中的重要组成部分。近年来，随着国家对环保的重视，特别是党的十八大以来，生态文明建设被列为改革的重点，我国城镇污水污染物得到了有效的控制，但离彻底解决其对环境的压力还具有一定的距离。截止2017年，我国仍有1/3的河流水源因污水排放而达不到饮用标准，严重危害人们的生命健康[1]。对此国家投入了大量的人力和物力进行治理却收效甚微，因此从源头上防控污染物进入水体才是解决这一问题的根本。由于污染物的排放在时空维度上存在诸多复杂性，加之许多污染物处理过程中的问题在国内还未引起重视，造成了防控工作出现诸多困难。对此，本文拟对城镇污水污染物排放的最新现状做出详细梳理，并结合国内外研究挖掘城镇污水污染物泄漏防控工作中可能存在的问题，积极探讨提升城镇污水污染物防控成效切实可行的建议，以期解决现实问题。

1 我国城镇污水污染物时空分布分析

我国拥有960万平方公里的国土面积，幅员辽阔，自然资源、地形地质及气候环境差异巨大。因此城市发展过程中积极采取“因地制宜”的决策，将地区优势最大化，这在一定程度上有效地推动了国家经济发展和国民生活水平提高。从历史渊源来看，我国大部分城市建成时间较为久远，其城镇化建设和区域经济发展具有一定的历史时代背景。因此，城镇污水的污染物成分结构和地区经济的发展具有极其重要地相关性，对于污水处理厂的处理工艺和选址特点都不能一概而论。值得注意的是，随着经济发展，城市功能结构也在不断变化，城镇人口也在不断流动。因此我国城镇污水中污染物的总体特征在时空分布上是复杂的，其形式较为严峻。

1.1 我国城镇污水污染物排放的空间差异

图1展示了我国2017年不同省份地区城镇污水中含有污染物的含量情况。从热图的结果可以看出，不同省份由于其经济发展情况、工业基础建设及城市发展定位的不同，废水中污染物含量呈现极其显著的差异。从污染物的情况可以看出COD、氨氮、总氮和总磷被聚类，镉、砷、铅、汞以及铬等重金属被分别聚类，有机污染物和重金属的排放按地区分组，表明不同地区的工业发展和类型具有明显的区域特色。从区域的情况来看，有机污染物排放量主要集中在东部沿海地区以及西南中南矿区，西北地区排放量较少；但挥发酚的污水排放量在山西、内蒙和甘肃都异常地高于其他部分省份，这可能与煤炭的开采和冶炼有关。东北地区和上海、江苏等东部地区石油类污染物排放量远高于其

注：数据来源[2]图1 我国各省份2017年城镇废水排放污染物质含量情况Fig.1 Contents of pollutants discharged from urban sewage in different provinces of China in 2017

他省份，这可能是由东北重工业区及沿海海运经济造成的。重金属元素在全国各省份之间的差异极其显著，其中铬和六价铬主要集中在东南和中南地区，江苏省总铬含量达到了2.4万kg，是西藏(5.6kg)的4300倍以上；湖北作为矿区，其总铬含量为1万kg，是相邻省份湖南的6倍；河北污水中的较高铬含量也说明了矿区是造成铬超标的重要因素。污水中镉、铅、砷和汞的含量分布相似，主要集中在江西和云南，湖南和广东的污水中也含有较多的三种以上重金属，和我国的矿区分布具有相关性。同时，可以看到在北京、天津和上海等一线城市的污水中污染物明显低于其他经济发达省份，与西北地区相似。这说明我国在大城市中首先进行的工业产业结构的改革是成功的，实现了向低污染经济产业的转型。

我国污水污染物的产生和排放情况呈现了显著的空间差异，主要和地区工业结构发展情况，包括工业发展水平及产业结构(矿区结构)具有重大相关性。

1.2 我国城镇污水污染物排放的时间差异

根据现有数据，整理分析了我国2011～2017年不同年代序列城镇废水排放物质含量情况(图2)。从图中可以看出，城镇废水中各种污染物质排放量趋势是递减的，特别是2015～2016年之间，COD、总氮、总磷、挥发酚、总铬含量均减少50%以上，总磷含量甚至减少了74.5%。这显然与国家为了应对水体富营养化和水污染问题的政策有关，例如无磷洗衣粉的推广。2016～2017年，除石油类和铅污染物有了进一步的显著减少，其他所有废水污染物的变化趋势趋于平稳。值得注意的是，铬和六

注：数据来源[2]图2 我国2011～2017年不同年代序列城镇废水排放物质含量情况总览Fig.2 Overviews of pollutant contents from urban sewage in China from 2011 to 2017

价铬显著增加，甚至接近或超过了2015年水平，这说明工业方面的需求仍然在扩大，也可能是污染物防控能力的饱和。

可见，城镇废水中的污染物质的地区分布和年代变化都是差异显著的。因此在发展城镇污水处理工艺过程中，不可忽视这一问题的存在。对于各个不同的地区，由于其产业发展情况的差异，甚至有机物、重金属元素的地球化学循环的不同，其水源中存在的化学污染物质的情况差异也是巨大的。因此在发展相关工艺时，应结合城市的未来发展规划，产业转型，针对该地区实施更切合实际的处理手段以达到再生水重复利用的目标。

2 废水中污染物的处理现状及存在问题

在我国的工业化建设过程中，因污水排放造成的重大水污染事件层出不穷。虽然部分由于工厂泄漏、偷排、标准滞后等原因造成的水污染情况已经得到了治理；但仍有很多水域，如太湖、滇池等，由于污染面积广，污染情况严重，已经对生态造成了不可逆转的危害，进而严重影响人们的身体健康[3～5]。这些污染物一旦进入水体，轻则造成黑臭水等现象，严重影响周边人们生活质量和健康；重则随着食物链的流动引发一系列生态环境问题和群体性中毒事件[6～8]。

城镇污水中污染物的处理主要由污水处理厂实现。随着国家加强对环保的重视，我国城镇污水处理厂的污水处理率已达到了94.5%[9]，基本能够承受污水排放压力，目前的着力点应放在如何将污水高效地处理好的问题上。实际上，我国污水中污染物处理仍存在很大问题，较西方发达国家起步晚起点低，技术革新后劲不足，处理工艺尚不能达到较高标准，与国外差距较大[10]。主要存在以下问题。

2.1 管网系统发展与污染物沉积的生态健康风险

地下排水管道系统的完善是污水处理前期准备的关键，污染物是随着污水在管网系统中汇集后由该区域污水处理厂进行处理。我国的管网系统发展较快，目前的城镇管网接入率已达90%以上，水力输送能力也有了长足的提升[11]。但值得注意的是，针对污染物所形成的沉积物在管网中的迁移和运输方面的研究却存在较大不足[12]。城市污水管网系统纵横交互、错综复杂，由众多主管和支管形成大量的拐点和连结点，造成了这些位点的污水流动速度发生变化；此外，由于污水泵站和污水处理厂建设位置的特殊性，污水在管网中通常是多点汇集、长距离运输，因此污水中大孔径的污染物就很容易在低速的水流中受到重力的作用而向下沉积，附着在管网交界处，造成管网的淤积和堵塞；而部分油脂类污染物又会在产生空气和污水之间形成一层油脂层，吸附到管网壁上。这些情况为管网系统中的部分还原性微生物提供了优质的培养基，借助管网中缺氧潮湿的环境，利用沉积在管网中的污染物(特别是污水中丰富的氮磷元素)进行新陈代谢作用，产生大量如甲烷、硫化物等有害气体，这也是造成管网系统爆炸事故频发的根本原因[13-14]。此外，由于管网的泄漏，高浓度的污染物会随着污水流入农田土壤，污染地下水，造成巨大的健康隐患。

当前已有部分研究试图解答水力和污染物在管网中运输的关系，并且取得了一定的进展，然而现实压力依然巨大。由于我国管网系统地区间接入率和负荷率分布不平衡，许多管网系统老化，亟待更换维修；各省市工业发展侧重点不同，污染物排放情况差异巨大，这对管网系统沉积物问题的解决增加了相当的难度(图1)。不仅如此，季节、昼夜的用水习惯差异同样会影响管网污水流动力，造成污染物的进一步沉积，增强了上述隐患的发生可能性。因此，协调发展城市化建设和管网设施的配置显得尤为重要，污水管道建设和整改是水环境治理的重点任务。

2.2 污染物处理的环境效益压力巨大

工艺上主要采用三级处理，包括物理、生化等方法，将污染物从污水中分离去除。再将污泥沉淀分池浓缩脱水形成污泥后进行无害化处理。为了维护生态环境的健康，《水污染防治行动计划》提出了更加严格的水质要求，特别针对部分重点水域[15-16]，新污水处理厂的建设以及旧污水处理厂的改造需达到Ⅳ类地表水标准，这意味着更精进的污染物控制工艺及能源消耗[17]。因此，污染物处理和环境效益之间的矛盾已成为一个不容忽视的问题。普通的污泥处理手段，如填埋、还田等，可能造成污染物在土壤中扩散，污染农作物和地下水，已经被认为对生态环境具有破坏作用。由于污泥焚烧手段能够对有机物和病原菌产生有效地破坏作用，并且回收热能，已经在污泥处理中占越来越大的比重[18]。然而，由于焚烧所产生的气体中含有大量有机物和重金属微颗粒，如果不加以控制而直接排放到大气中，则对大气环境会造成严重的污染，之后随地球化学循环以降水或沉降的形式长时间沉积到农田土壤和水体中，对地面环境也会造成二次污染。因此在进行污染物焚烧处理的过程中，应配备空气污染控制装置对产生的烟尘气体进行监控和控制，以保证不超过环境承载能力。也可考虑将污泥与其他物质配合焚烧以减轻环境压力，例如Wang等人[19]的研究表明，污泥与生物质按80∶20的配比进行燃烧能够提高燃烧效率，减少污染物排放。此外，地区间不同污染物种类也具有显著差异(图1)，并且随着国家发展对于污染物的种类数量都有时间变化特征(图2)，因此污染物带来的二次污染问题受到地区经济发展水平、地区工业发展门类等诸多因素协同影响。

因此，在处理污水中污染物的问题时，不可顾此失彼，为了达到水质排放标准而忽略了污染物的处理所带来的一系列环境问题。同时，污染物处理需以牺牲能源为代价，能源的滥用很可能也会造成大气的污染，如何平衡能源与污染物处理的关系显得尤为重要。此外，污染物处理后的再生水的成本和价值相关关系也是值得研究的课题，这方面的平衡还需政策上对国家资源作出一定的市场把控和协调[20]。

3 城镇污水污染物处理的未来趋势及展望

我国具有极强的工业和制造业能力，工业门类丰富，制造业基础健全，在工业发展的过程中对能源的需求极大，甚至部分产能过剩，这也是有机物和氮磷污染的重要来源之一。同时我国也是世界上最大的工业原料产出国之一，稀土、锡、锑等资源的开采和加工位于世界前列。矿产的开发是重金属污染的重要来源之一[21]，再加上矿区分布较广，面积较大，长期以来对环境问题重视程度不足，我国的自然环境面临着极大的挑战，急需进行产业结构调整和环保措施加强。因此，污水处理过程中的污染物无害化不能固守一套标准，而应结合空间地域和时效性分析，及时做出工艺和技术上调整，以适应国家发展和环保的需求。本文在梳理现状的基础上，结合政策法规、管理规划、工艺流程等方面提出以下展望。

3.1 城镇污水中污染物存在明显的时空变化规律，两者的相关性也较为密切，因此面临的问题也存在矛盾的特征。2016年之后，污水中的污染物含量得到了较好的控制，这意味着国家的环保政策取得了较好的效果，部分重污染工矿企业受到了遏制。但2016～2017年间的污染物含量的控制力度明显不足，甚至部分污染物含量出现了反弹。可能与地区发展的再平衡有关，再加之我国的工业发展体量巨大，决策者和执行者都不应放松警惕。尤其是在一些环保重点城市的工业转型过程中，注意污染工矿企业向内陆欠发达地区搬迁过程存在的问题。应在此框架下，严防部分企业偷排工业污染废水的同时，充分落实迁来工矿企业的环保产业配套、政策法规实施等具体问题，建立及时反馈的机制和通道，“因地制宜”地完善政策法规。

3.2 针对不同省份污染物的成分差异，应制定统一但有区别的排放标准，避免一刀切的政策。因不同地区的工业发展门类和环境需求的不同，无法要求全国所有地区在目前阶段能实现0污染。因此部分地区应将0污染作为一个长期目标，当下的重心仍然是发展经济，对于排放标准应该结合产业结构的转型有一定的区别。同时，针对特定污染产物，应在保证合理合法排放的同时，根据地区的情况针对资源化回收利用进行探索和研究，以期变废为宝。例如，氮磷有机物含量较高而其他污染物含量较低的污泥可考虑适当的还田；特定重金属较高的污染物则考虑重金属的提取和纯化，以期实现资源的再利用。

3.3 中国污水处理管网系统发展不完善，地区差异巨大，城市中的管网系统应定期进行排查、维护和更换，特别是管网系统的连接处，应重点检查，尽量避免可能出现的由于污染物的过度堆积和微生物作用而引起的管网爆裂事故的发生。生命周期角度下地区性的污染物特征和自然气候环境也应纳入考虑范畴[22]。例如，经济发达地区石油类有机污染物成分较高，矿区重金属污染物较多；北方地区冬季管网易发生冻结，南方地区温暖的气候适宜微生物的生长和温室气体的产生，以上情况均会增加管网破损、爆炸的几率。因此，管网检修过程中应充分考虑其地区差异做好合理预测，以延长管网铺设的使用寿命。

4 结 语

目前我国对于城镇污水污染物的控制减排已取得了一定成效，但工业化进程的推进和转型也将给污染物的控制带来新的挑战。在环境生态友好的大前提下，污水中污染物的处理标准也有了更专更新的要求，在各个环节都应对污染物的泄漏和排放严防死守，保护人们的生命健康。不同地区、不同时期对于污染和生态两者关系的协调和矛盾都是差异巨大的，只有不断地对污染行业的现状及问题进行梳理，与现实相结合，才能及时调整当下策略，调度社会资源对具体问题进行研究解决，实现污染物防控工作在污水处理行业的核心价值，实现经济和环境协调发展的伟大蓝图，切实地实现可持续发展的核心内涵。