浅析我国高寒地区污水处理现状及前景*

唐世龙 宗永臣 马德阳 单洪涛 孙奥

西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000

近年来，随着我国经济的快速发展，污水处理过程中产生的污染物对区域生态环境造成了严重的破坏。随着国家的综合国力不断提高，水体污染问题不断被重视，污染物排放要求逐步提高。查阅中国环境状况公报[1]，2020年，我国排放的化学需氧量（COD）和氨氮（NH3-N）分别达到了2564.8 万吨和98.4 万吨，同2013 年相比，NH3-N 排放量大幅度降低，COD 排放量略显提高，全国污水处理厂数量也从2013 年的5364座增至2020 年的11055 座。虽然我国污水处理能力位居世界第二，仅次于美国，但区域污水处理发展仍存在很大程度上的不平衡，主要以我国高寒地区为主，例如，黑龙江（60.8%）、青海（60.4%）和西藏（0.06%）的污水处理效率明显低于全国平均水平[2]。

我国北方地区和西部高原地区属于典型高寒地区，生态系统相对较为薄弱，具有环境容量小、水体的自净能力差且极易受到外界污染等特点。因此，解决当地水污染问题已经成为治理区域生态环境问题的重中之重。因高寒地区特殊的地理位置，存在低温、低溶解氧（DO）、低C/N 比等不利因素，严重影响污水处理效果。根据查阅文献，发现较多学者致力于研究单一外界因素对污水处理效果的影响，例如郭明哲等[3]探究了DO 对A2/O 工艺去除效果的影响；厉智成等[4]探讨了紫外线因素对再生水消毒作用的影响；郝凯越等[5]探究了温度对污染物去除效果的影响。但很少有学者对区域污水处理现状进行综合概述，特别是对高寒地区污水处理现状的相关研究报道。

因此，本文重点回顾了高寒地区污水处理技术现状，并对污水水质特性、污染物的去除、污水排放标准和污水回收和再利用进行概述，以期提出具有成本效益的措施和解决方案，从而提高我国高寒地区污水处理厂的可持续性，达到资源的回收利用和保护生态环境的目的。

1 污水概述

1.1 污水的主要来源

随着人口增长、社会经济发展和消费模式不断变化，预计到2050 年，全球水需求将以每年约1%的速度持续增长，比当前用水水平高出20%～30%[6-9]。我国高寒地区具有丰富的水资源储备量，但时刻受到污水处理不当、排放不达标等情况的威胁。因此如何有效解决高寒地区水污染问题，缓解区域性水资源短缺的现状已经迫在眉睫。目前我国高寒地区污水的主要来源以居民生活污水、养殖废水为主和工业废水等[10]。生活污水主要来源于居住建筑和公共建筑所排放的污水；养殖废水主要包括牲畜禽类的排泄物和圈舍的清洗所用的清洗水等；工业废水主要包括随水流失的工业生产用料、中间产物和产品以及生产过程中产生的各种污染物等[11]。

1.2 污水水质特性

了解污水水质特性对于污水处理工艺的设计和建模至关重要[12]。Cao 等[13]研究指出污水处理效率及成本受污水水质特性的影响，高无机悬浮固体（ISS）、低COD 和低C/N 比是我国独特的水质特性。我国平均挥发性固体分数低于50%，远低于正常的70%～75%，表明污水中存在大量无机固体输入和积累的情况[14，15]。高ISS 进水浓度导致污水处理厂需要额外的容量用于最终沉降和固体处理，造成了在固体处理过程中的能量浪费[16]，而在低COD 和低C/N 比的条件下严格满足我国污水排放标准，往往需要添加外加碳源，因此购买碳源和化学药品已经成为我国污水处理厂运营的沉重负担。同时，污水中含有大量的有机物、无机物和大量病原微生物，工业污水中还可能存在含重金属废水、含多氯联苯和有机氯农药废水等。

以上是我国主要的污水水质特性，同时也是高寒地区的水质特性。我国高寒地区因其特殊的地理位置，其污水水质特性同其他区域相比存在更多不利因素。目前高寒地区污水处理厂中年平均进水温度偏低，生化池中水温一般保持在8℃～9℃左右[17]，较长时间低温会导致微生物菌种活性降低，影响污泥的沉降性能，降低了污水处理工艺脱氮除磷的效果。还有在DO 方面的特殊性，陈相宇等[18]研究表明高寒地区DO 均低于标准大气压区溶解氧含量。另外受当地降水和季节影响，高寒地区污水处理厂进水水质和水量波动幅度较大，如西藏高原地区雨季为每年的5—10月份，其降雨量占全年的80%以上。以上水质特性均是直接导致我国高寒地区污水处理效果不佳的主要原因。

2 污水处理现状

我国高寒地区主要包括西藏自治区、青海省和甘肃省、四川省、云南省、黑龙江省的部分地区。合理利用高寒地区丰富的水资源可以有效缓解我国区域性水资源短缺的现状。因此如何提高高寒地区污水处理效果已经成为我国污水处理行业的重点研究问题。在产业政策的大力扶持和政府财政的积极引导下，近年来我国水环境治理市场规模实现大幅增长。虽然我国的水治理投资建设正在逐年提高，但西藏、青海、甘肃等高寒地区的污水处理建设固定投资总额相比于全国投资建设总额仍相对较少。观察图1 可知，污水处理厂数量与污水处理总量存在明显的正相关性，广东、江苏等经济较发达地区污水处理厂数量较多，而西藏、青海、甘肃等高寒地区污水处理厂数量偏少，且污水处理总量未达到全国平均水平，说明污水处理能力与区域经济发展存在一定的关系。根据中国城市建设统计年鉴数据显示[19]，截至2020年，我国高寒地区已建成330 座城市污水处理厂，总处理能力为54.9 亿m3，占全国污水处理总量的9.9%，而较小的占比说明了高寒地区污水处理能力仍存在严重不足。

图1 2020年我国部分省市污水处理厂数量和污水处理总量

以西藏地区为例，截至2021 年，西藏自治区已建成污水处理厂71座[20]。虽然数量较为可观，但污水处理效果不佳。有研究学者表明，在高寒地区采用A2/O工艺处理生活污水，其各项指标很难达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002）一级A排放标准；如郝凯越等[5,21]研究结果表明，在高原寒冷地区采用A2/O 对生活污水进行处理，总氮（TN）、总磷（TP）出水质量浓度保持在41.83mg/L、1.45mg/L 左右；宗永臣等[22]研究表明，当水温为10℃～16℃时，TN 未达到一级B 排放标准，TP 未达到二级排放标准，COD 也未达到三级排放标准。所以在我国高寒地区很难保证对污染物的同步高效去除，且各项出水水质指标波动极不稳定。

3 污水处理分析

3.1 污水处理工艺分析

目前，最常用的污水处理方法包括化学法、物理法和生物法，与化学、物理法相比较，生物处理具有高去除率、低成本、低能耗等优点[23]，因此生物法已成为我国应用范围最广泛的污水处理方法。其中，生物法主要有传统活性污泥法、A2/O 工艺和氧化沟工艺，超过60%的污水处理厂采用生物法中的活性污泥法[2]。并对以上三种污水处理工艺优缺点、运行成本等进行对比分析，详见表1。

表1 污水处理工艺的对比

目前我国高寒地区普遍采取以上几种污水处理工艺，沈鸿滢等[24]调查表明，西藏自治区昌都污水处理厂采用传统活性污泥法，日处理污水能力在6000m3左右，出水水质指标均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B排放标准，BOD的平均去除率保持在90%以上；曾锦等[25]关于玉溪市某镇污水处理厂改造工程实例研究表明，应用于云南省A2/O工艺运行状况良好，且出水COD、NH3-N、TP、TN 质量浓度可以达到一级A排放标准，同时满足绿化浇灌、冲厕、一级道路浇洒的最高标准。湟中、互助、湟源县三座污水处理厂仅采用改良型氧化沟工艺，一期日处理规模均能达到5000m3/d，出水水质可以达到一级B 排放标准[26]。综上所述，高寒地区主要采用传统活性污泥法、A2/O工艺和氧化沟工艺，这三种污水处理工艺均属于活性污泥法。采用上述污水处理工艺通常是因为它们在日常操作中易于管理，对污水的处理效果较好且相对稳定，同时可以高效去除水中污染物。

3.2 污染物的去除

污染物的去除效果是污水处理厂运行状况的综合评价指标，同时也可以反映出污水处理厂的环境效益。我国城镇污水处理厂COD 的平均进水质量浓度为202.7mg/L，平均出水质量浓度为26.3mg/L，平均去除率为84.5%，NH3-N的平均进水质量浓度为23.8mg/L，平均出水质量浓度为2.5mg/L，平均去除率高达88.5%［29］，COD和NH3-N平均出水质量浓度均符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 排放标准。黄德才等［30］关于高原温度条件对A2/O 工艺污水处理效果影响研究结果表明，在我国高寒地区COD 的总去除率在69.34%～92.46%之间，TN的总去除率在40.97%～72.14%之间，TP 的总去除率在45.45%～90.50%之间，出水质量浓度相对较为稳定；尤俊豪等［31］研究结果表明，在高原低温环境下，COD的平均去除率可以达到85.50%，出水质量浓度保持在20～50 mg/L 之间，TN 的平均去除率为58.00%～80.00%，出水质量浓度保持在5～15 mg/L 之间，TP 的平均去除率为64.04%～80.92%，出水质量浓度保持在0～2 mg/L 之间，其中COD 和TN 的出水水质满足一级A 排放标准。高寒地区COD 的去除率与我国城镇污水处理厂平均去除率大致相同，分析原因认为高寒地区环境因素对COD 去除率影响较小。虽然我国NH3-N 的平均去除率较高，但是不同区域的去除效果仍存在较大差异，北方地区和西部高原地区NH3-N 的去除率普遍低于全国平均水平。如北方地区NH3-N 的平均去除率在70%左右，西部高原地区NH3-N 的平均去除率在65%左右［30,32］，造成这些差异的主要原因是高寒地区陈旧的污水处理设备和独特的污水特性，其中温度低是影响污水处理效果最主要的因素之一。高寒地区的平均温度在5℃～10℃之间，明显低于我国其他地区；且长时间的低温期会对高寒地区氮、磷等污染物的去除效果造成严重影响。

3.3 污水排放标准

污水综合排放标准GB 8978—1996 代替GB 8978—88，进一步严格要求了我国污水各项指标的出水质量浓度。随着污水排放标准的不断提高，极大改善了我国的污水处理现状，尤其是对氮、磷污染物的去除［33］。国家污水排放标准是全国范围内规定的污水排放基本控制标准，地方污水排放标准是对全国污水排放标准的补充或提升，进一步严格要求了污染物的排放总量，达到更好保护区域生态环境的效果。鉴于我国水环境污染问题存在区域性特征，且不同区域间存在较大的经济、技术差异，因此制定地方污水排放标准可以有效解决区域性和流域性水环境污染问题［34］。北京市2012 年开始实施《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB 11/890—2012），污水排放标准分为A、B两级，A级排放标准要求TN、TP、COD的出水质量浓度分别满足10mg/L、0.2mg/L、20mg/L，B级排放标准要求TN、TP、COD 的出水质量浓度分别满足15mg/L、0.3mg/L、30mg/L；河北省现执行地方标准《大清河流域水污染物排放标准》（DB 13/2795—2018），分为重点控制区和一般控制区标准，要求TN、TP、COD 的出水质量浓度分别满足15mg/L、15mg/L，0.4mg/L、0.5mg/L，40mg/L、50mg/L；昆明市现执行《城镇污水处理厂主要水污染物排放限值》（DB 5301/T 43—2020），执行标准分为A 级、B 级、C 级、D 级、E 级，其中A 级排放标准要求TN、TP、COD 的出水质量浓度分别满足10（15）mg/L、0.05mg/L、20mg/L，昆明市2020年4月发布的污水处理标准是目前我国最严格的城镇污水处理厂水污染物排放标准［35］。制定地方污水排放标准是为了保证当地水环境水质的质量，因此我国部分区域不需要更为严格的污水排放标准即可满足当地需求。目前高寒地区污水处理厂的排放标准一般执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002）一级排放标准，部分污水处理厂执行二级排放标准，少数污水处理厂执行地方标准或行业标准。虽然我国高寒地区存在经济发展落后、气压低、温度低等外界不利条件，但随着国家颁布“水十条”等环境治理相关政策，加强区域环境治理强度，高寒地区的污水排放标准较以前更加严格且污水治理效果得到了显著提高。

3.4 污泥处理现状

污泥是指含有微生物菌体、有机化合物、碳水化合物及重金属等组成的非均匀体，含水率超过80%［36］。污泥中有机物含量高、含沙量高，并且具有较大的危害性，如果不经过进一步的科学处理，很容易对地下水、土壤等造成二次污染［37］。随着污水处理行业的不断发展，污泥产量也在不断增加，截至2019年，我国污水处理厂产生超过1200 万m3污泥（干物质），相当于超过6000 万m3含有80%水分的污泥，同2015年相比，污泥产量增加了近一倍。剩余污泥未经处理或处理不当均有可能会对当地生态环境造成二次污染。目前我国主要的污泥处理技术包括浓缩脱水、厌氧消化、干化焚烧、热水解等，处理方式主要有污泥填埋、燃烧、土地利用等传统处理方法，同时也有制作建筑材料、制肥等新型处理方法的示范项目。我国不同区域污水处理厂的污泥处理状况和污泥处理技术方面存在较大差异。在北方地区，土地利用已经成为当地普遍应用的污泥处理方式，但是污泥燃烧和建筑材料利用率等仍非常低。例如，黑龙江省污泥90%以上采用土地利用处理，沈阳只有不到1%的污泥采用燃烧法处理，哈尔滨只有2%的污泥被应用于建筑材料［2,38］。青海省、甘肃省剩余污泥处理主要采用土地利用、好氧发酵等技术；内蒙古自治区主要采用焚烧、土地利用、建材利用等技术对剩余污泥进行处理［39］。尤俊豪［23］等研究表明，将剩余污泥和餐厨垃圾共厌氧发酵液作为外加碳源可以显著提高污染物的去除效果。分析得出目前我国高寒地区的污泥处理方式普遍采用土地利用、建材利用和好氧、厌氧发酵等技术。

3.5 再生水的利用

水资源短缺是制约我国经济社会可持续性发展的重要因素之一，提高再生水的利用率可以有效缓解区域性水资源短缺现状、减轻水体污染、改善生态环境和促进我国绿色发展。污水再生利用主要有：重力分离、离心分离、氧化还原、吸附处理、膜分离技术等，再生水的利用途径主要有电厂冷却、冷热能利用、景观用水、绿化浇洒、道路洒水、生态补水等。近年来，我国再生水生产能力和再生水的利用量逐年增加，2020 年全国城市再生水利用量高达146 亿m3，较2015 年增长了三倍。观察图2 可知，我国再生水生产能力与再生水的利用量存在明显的正相关性，因此进一步增强我国再生水生产能力是提高再生水利用量的必要条件。我国2020 年再生水的利用量仅占城市污水处理总量的24.3%，同2013 年相比增加了15.9%，但仍低于欧美发达国家，现阶段我国再生水生产能力和利用量仍不能完全解决我国区域性水资源短缺的现状。此外，我国再生水利用量因区域不同仍存在较大差异，西藏、青海、甘肃等高寒地区再生水的利用量明显低于我国平均水平。分析原因认为我国高寒地区相较于经济发达地区存在一定的技术落后及再生水生产系统不完善等问题。观察图2 可知，西藏、青海、甘肃、四川、云南、黑龙江的再生水的利用量分别为0.0002、0.31、0.57、3.2、3.46、2.68 亿m3，同广东、山东等地相比，高寒地区再生水生产能力和再生水利用量远低于经济较发达的地区。西藏素有“亚洲水塔”之称，是我国重要的水源涵养区和水资源战略储备基地，提高再生水的生产能力和利用量，对保护当地丰富的水资源具有重要意义，同时可以有效缓解我国区域性水资源短缺的现状。

图2 2020年我国部分省市再生水利用量和生产能力

4 问题与建议

我国高寒地区污水处理主要存在以下问题：第一，低温已经成为影响高寒地区污水处理效果最重要的因素之一。目前，高寒地区污水处理主要采取活性污泥法，污水处理过程中需要活性较高的微生物菌种，而低温往往会抑制硝化菌的生长繁殖，降低其活性，从而影响脱氮的效果，再加上其进水特性存在低C/N 比，因此很难做到同步高效脱氮除磷。尤俊豪等［40］的研究表明不同的进水特性会影响污染物去除效果的性能。因此高寒地区污水处理厂往往需要对设备实施保温、防冻措施和添加外加碳源等处理，增加了污水处理成本，目前迫切需要对现有污水处理工艺和技术进行改进以抵抗污水特性对处理效果造成的不利影响，确定适合高寒地区的污水处理工艺。第二，低溶解氧也是造成高寒地区污水处理效果不佳的主要原因之一。活性污泥法主要利用好氧微生物技术去除污染物，因此，曝气池中含有足够溶解氧是高效去除污染物的技术关键。溶解氧过低则会造成微生物活性降低，同时也会导致丝状菌大量滋生，产生污泥膨胀，进而影响污染物的去除效果，降低出水水质。第三，污泥中含有大量的重金属、病原体和持久性的有机物，如果处理或处置不当会对当地环境保护造成了严重威胁［41］。我国高寒地区污水处理厂污泥处理设备的配置率不高，且存在设备闲置的情况。目前我国主要污泥处置方式主要采用传统的填埋法，此种需要占用大量土地，不利于高寒地区城镇化建设发展，而且很容易对当地环境造成二次污染；污泥中同样含有大量短链脂肪酸等营养物质可以进行提取再利用，因此填埋法在本质上属于资源浪费。第四，废水回收远远不够，作为我国水资源储备最丰富的地区，严格要求当地的环境治理标准是有必要的。目前高寒地区再生水的利用量低于全国平均水平，且再生水的生产能力较弱，如果不进一步提高再生水的利用量，很有可能会对当地丰富的水资源造成严重污染，从而加剧我国区域性水资源短缺的现状。因此，有必要对现有的污水处理厂进行改造，以实现中水回用的深度处理。

针对以上存在的问题，建议高寒地区可以积极探索AOA-MBR、A2/O-MBBR、AO-MBR 等组合工艺，以实现高效脱氮除磷的效果；电化学技术具有装置简单、工艺灵活等优点，积极探究电催化氧化和电吸附等电化学技术有助于提高我国高寒地区污水处理效果。同时可以培养具有良好脱氮除磷效果的耐冷菌种，减少污水处理成本，提高对污染物的去除效果。低C/N 比作为高寒地区重要的污水特性，适当添加外加碳源有助于提高污染物的去除率，目前多数污水处理厂采用向进水中加入以甲醇、乙醇、乙酸钠、葡萄糖等为主的传统外加碳源，成本较高。因此，我们可以采用西藏当地的牛粪作为外加碳源，也可以将餐厨垃圾同污泥共同发酵的产物和提取剩余污泥中的短链脂肪酸等营养物质作为外加碳源，从而解决高寒地区低C/N 比的情况。针对高寒地区低溶解氧的污水特性，培养低溶解氧条件下的优势菌种、调节爆气装置等技术提高污染物去除效果。我们可以将污水处理厂中剩余污泥进行土地利用、建筑材料利用等，提高剩余污泥的利用率，实现资源的回收利用。提倡当地污水处理厂加大中水回用力度，提高再生水的利用率，既可以有效解决我国区域性水资源短缺的问题，又能避免对环境造成二次污染。

5 结论

综上所述，为了满足我国高寒地区的污水处理需求，需要对现有污水处理厂和处理工艺进行技术改造。然而，高寒地区的污水处理由于受区域环境因素影响较为严重，且评价指标各不相同，所以在对污水处理厂和处理工艺进行技术改造时，应综合考虑污水排放标准、污水特性、污泥的再利用和再生水的利用等因素对其进行研究，只有这样才能更好地提升污水处理系统的处理效果，才能保证各项污染物的同步高效去除和对资源进行更好的回收利用，从而达到保护我国高寒地区生态环境的效果。