更严格排放标准下我国城市污水处理厂提标改造进展

马耀宗,武海霞,孟庆宇,李 硕,卢 忆

(南京工业大学城市建设学院,江苏南京 211816)

改革开放以来,我国经济的高速发展使得城市污水排放量也随之增加。截至2020年年底,我国城市污水年排放量达5 713 633万m3,城市污水处理厂数量为2 618座,污水处理率达97.53%[1]。2015年,国务院印发《水污染防治行动计划》[2],对污水中污染物的排放浓度提出了更高要求。重点地区和重点流域的污水处理厂已进行了提标改造,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)(下文简称“国标”)中的一级A排放标准[3],2019年达到此标准的污水处理厂数量占总体的53.2%[4]。《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》等文件的颁布,标志着我国的污水处理进入新阶段。北京、天津、河北、昆明等省市制定了地方城镇污水处理厂出水指标,江苏太湖流域、安徽巢湖流域、四川岷沱江流域等陆续发布排放标准,对部分指标提出了更高的去除要求,以满足水环境整体质量的要求。

为达到地方更严格的排放标准,原执行国标一级A或一级B标准的城市污水处理厂必须进行提标改造,从运行管理或技术改造方面寻求有效的工艺或措施。陈秀成[5]对长三角三省一市污染物排放标准进行对比和解析,提出从管网源头和污水处理厂工程措施两方面来应对提标改造。张鹤清等[6]分析了部分代表性污水处理厂的实际运行效果,提出适用于“准Ⅳ类”(除TN外,其余主要水质指标达到地表Ⅳ类水标准)污水排放标准的技术工艺。杨晨宵等[7]提出TN是“准Ⅳ类”标准下污水处理厂提标改造的主要难点,关键要解决进水碳源不足的问题。各地城市污水处理厂采用的处理工艺不同,排放标准也各不相同,最终的解决方案也会有所差别。本文列举了近几年各地的排放标准以及代表性提标改造工程,厘清污水处理厂提标改造的实施现状,提出存在的问题和建议,为污水处理厂的新一轮出水水质提升提供参考。

1 城市污水处理厂概况

图1为1978年—2020年我国城市年污水排放量、处理量与污水处理厂增长情况。可以看出,年污水排放量呈逐年增长趋势,从1978年的1.49×1010m3增长到2020年的5.71×1010m3。可以推测,随着城市化进程的不断发展,城市污水排放量将持续增长,城市污水处理厂将面临污水量增长带来的挑战。

图1 我国城市年污水排放量、年污水处理量与污水处理厂数量变化

由于我国各省市城市发展、产业结构、人口数量等各不相同,其污水收集处理状况也有所不同。图2为我国城市污水处理厂地域分布。污水处理厂数量最多的省份是广东省,其次是山东省和江苏省,华东地区污水处理能力高。单个污水处理厂平均服务人口数最多的是上海市,达57.81万人,说明该地区的人口聚集程度高,产业聚集程度高。有13个省市的单个污水处理厂平均服务人口数在30万～40万人,有10个省市平均服务人口数在20万～30万人。区域设施的建设情况与经济状况发展情况和人口数量有极大关系[8]。

图2 2020年我国城市污水处理厂数量与平均服务人口数统计

2 排放标准及指标变化

《水污染防治行动计划》[2]指出,到2030年,全国七大重点流域水质优良比例总体达到75%以上。由于国标一级A排放标准与《地表水环境质量标准》之间存在一定的差距,污水处理厂排放的尾水仍会对水环境产生污染。因此,各流域所在地区的解决措施是制定当地排放标准,降低污水处理厂主要污染物的排放限值,减少尾水污染物的排放。部分城市污水处理厂主要污染指标的排放标准如表1所示。

表1 部分地区城市污水处理厂主要排放标准和地表水质量标准

北京是最早执行高标准地标的城市,后天津、太湖、巢湖等重点地区也制定了相应的标准。目前,昆明标准中A级特别排放限值指除TN外达到地表Ⅲ类水标准,是现阶段全国范围内最严的排放标准。

从排放标准的具体数值来看,各地主要针对COD、氨氮和TP指标提出了更高的要求。例如,在所统计的地方排放标准中,约77%的COD指标高于一级A标准。在这77%中,有60%达到了地表水Ⅴ类标准,约30%达到了Ⅳ类标准,另有其他特殊要求的区域指标不再赘述。对于BOD5指标,约38%的排放标准达到了地表水Ⅳ类及以上标准。对于氨氮指标,约74%的排放标准高于一级A标准,达到了地表水Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ类标准。对于TN,大约58%的排放标准与一级A标准一致,其余排放标准中的TN指标介于一级A与地表水Ⅴ类标准之间。对于TP指标,约36%的排放标准与一级A标准相同,其余分别达到了地表水Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ类标准,达到地表水Ⅳ类的居多。

3 提标改造工艺分析

由上文分析可知,虽然各地区排放标准各不相同,但与一级A对比后可发现提标改造的目标总体为三大类:第一类是降低COD排放限制,出水CODCr质量浓度从50mg/L降至20～40mg/L;第二类是降低氮污染物排放,出水氨氮质量浓度从5mg/L降至1.5～3mg/L,出水TN质量浓度从15mg/L降至5～12mg/L;第三类是降低磷污染物排放,出水TP质量浓度从0.5mg/L降至0.2～0.4mg/L。下面从这3个方面讨论国内已进行提标改造的污水处理厂所采取的措施。

3.1 降低COD排放

目前城镇污水处理主要以二级生物处理为主,厌氧-缺氧-好氧(AAO)、氧化沟与序列间歇式活性污泥法(SBR)(含相对应的改良工艺)是主要的处理方法,占我国污水处理厂总体工艺的85.6%[9]。进一步降低污水中的COD,可通过优化生化系统运行方式或进行工艺改造,在二级处理阶段有效降低污染物浓度。太原市城南污水处理厂采用改良AAO工艺,在好氧反应区投加悬浮填料以增大生物池的污泥浓度,出水CODCr平均质量浓度达20.60mg/L[10]。长三角地区某污水处理厂在原有改良式序列间歇反应器(MSBR)的主曝气区投加悬浮填料,形成改良式序列间歇反应器-移动床生物膜反应器(MSBR-MBBR)工艺,出水CODCr平均质量浓度稳定在(18.40±3.07)mg/L,可达到地表“准Ⅳ类水”的要求[11]。盱眙县某工业园区污水处理厂通过调整设备、反应流程等条件进而实现改良AAO工艺,采用臭氧(O3)接触氧化池+曝气生物滤池的深度处理工艺保证难降解有机物的去除[12]。天津某污水处理厂生物处理单元由原来的改良AAO改为分段进水二级AO,一级AO池中投加生物菌剂与碳源,二级AO池中投加活性炭,出水达天津市A标准[13]。

由于生化处理降低COD效果有限,目前还会采用深度处理来进一步减少污水中COD,O3氧化是常用的深度处理工艺之一。天津市张贵庄污水处理厂采用降低深度处理负荷 + 新增O3催化氧化工艺,O3工艺可实现出水CODCr质量浓度达20mg/L[14]。孙高升等[15]在针对淮河流域城镇污水处理厂的升级改造过程中开发了AAO+膜生物反应器(MBR)+曝气生物滤池(BAF)+O3组合工艺,确保难降解有机物的去除。北方某再生水厂除改建多段多级AAO工艺外,还新建了O3接触池,出水提升至北京市地标一级B标准[16]。浙江某污水处理厂采用O3接触氧化和生物滤池来强化对二级出水中难降解COD的去除,出水达到“准Ⅳ类”标准[17]。当进水工业废水比重较高时,部分改造工程采用Fenton高级氧化技术,如浙江某污水处理厂工业废水占比为60%,提标工程除了将MSBR改造为AAO工艺,还增设了Fenton处理工艺,出水CODCr平均质量浓度为28.82mg/L[18]。天津某开发区工业污水处理厂采用“反硝化滤池 + Fenton 高级氧化法”深度处理工艺,将CODCr质量浓度从60mg/L处理至 30mg/L以下[19]。此外,还有活性炭加磁高效沉淀[20]、高效混凝沉淀+深床砂滤[21]、生物活性炭池(BAC)等[22]。

当污水处理厂进水中含有大量难降解有机物时,水解酸化等预处理也可为COD的去除起到促进效果。如义乌市佛堂污水处理厂采用水解酸化+ AAO+反硝化深床滤池+多级流动床吸附塔(ACCA)+除磷一体机的工艺技术组合进行提标改造,出水CODCr质量浓度稳定在20mg/L以下[23]。

由此可见,根据进水水量与水质以及实际运行效果,增加预处理、优化生化处理运行条件或进行改造、增加高级氧化与活性炭等深度处理均可有效降低出水COD浓度,具体工艺及组合还需根据污水处理厂实际运行情况进行优选。

3.2 降低氮排放

TN的去除依赖进水有机物浓度、可生化性和碳氮比(C/N)[24],而我国城镇生活污水中的C/N普遍较低,碳源的不足严重制约了生物脱氮能力[6]。因此,TN一直是污水处理厂设计、运行中的难点[24]。提升生化处理脱氮效果,可通过调整生化部分运行参数、投加外部碳源、改造生物处理增大污泥量等来实现,不少污水处理厂已经进行了实践。例如北京市门头沟第二再生水厂采用AAO+AO+MBR工艺,两级缺氧多点投加碳源,出水TN平均质量浓度为7.5mg/L,冬季也能维持较好的TN去除率[25]。呼和浩特市班定营污水处理厂将氧化沟改为多级AO联合MBR工艺,出水TN质量浓度低于10mg/L[26]。

除充分利用二级生化处理除氮外,生物膜法等深度处理也是常用的提标改造方法。苏州市胥口污水处理厂除了在AAO池中增加生物填料外,还新建反硝化深床滤池,出水TN质量浓度为(8.0±0.9)mg/L,达苏州市地标[27]。深圳横岭污水处理厂改造工程采用新建两级曝气滤池+反硝化滤池+高负荷混凝沉淀池工艺,出水TN<15mg/L[28]。成都某污水处理厂采用改良AAO+MBR+高效沉淀工艺对污水处理厂进行提标改造,出水TN质量浓度可低于8.6mg/L[29]。浙江某污水处理厂采用多段强化脱氮改良型AAO工艺,通过生物滤池和深床反硝化滤池并投加碳源来强化TN去除,出水TN质量浓度小于12mg/L[17]。河南省三门峡市某县城污水处理厂将循环式活性污泥法(CAST)工艺改造成Bardenpho(AAO+AO)工艺,增加反硝化滤池和BAF,出水TN质量浓度由14.85 mg/降至10.53mg/L[30]。

可以看出,反硝化滤池是常用的深度处理工艺,但去除效果在各污水处理厂中各不相同,如天津津沽污水处理厂深床滤池仅对部分颗粒态氮起截留作用,96.9%的TN由多点进水多点回流改进型多级AAO去除,生化处理增加了内回流点和最大回流量,提高内外碳源的利用效率[31];而巢湖流域某污水处理厂将V型滤池改造为混凝反应池+斜板沉淀池+反硝化深床滤池,反硝化深床滤池TN平均去除率为61.7%[32]。说明同一种工艺在不同的污水处理厂去除污染物效率有所不同。氨氮的去除主要靠硝化过程来完成,低水温导致的硝化能力下降是达标难点[33],通过前述生化工艺的调整和改造都能使氨氮达到各类排放标准。

此外,还有生物倍增+赛莱默深床反硝化滤池工艺[34]、高浓度复合粉末载体生物流化床[35]等新工艺的探索。总体而言,减少氮排放可通过深挖生化处理来实现,如强化反硝化反应、采用多点进水的方式分配碳源、延长缺氧段水力停留时间,充分开发内部碳源的利用效率,间接减少投药成本[7]。当生物处理无法保障出水氮达标时,反硝化深床滤池等生物膜法深度处理工艺能进一步增加氮的去除,起到辅助达标的保障作用。

3.3 降低磷排放

城镇污水处理厂采用生物除磷工艺可以将出水TP质量浓度控制在 0.5～1.0mg/L[24],要满足出水低于 0.3mg/L的难度较大。必须在充分利用生物除磷的前提下,增加深度化学除磷。目前常用的深度处理工艺有多种,效果亦有所差别,且深度处理效果易受二级出水水质的影响。

湖南省某污水处理厂采用AAO工艺结合高浓度复合粉末载体生物流化床工艺进行生产性试验,强化脱氮除磷效果,出水TP质量浓度<0.3mg/L[35]。长春市宽城区某污水处理厂采用固定生物膜活性污泥工艺(IFAS)工艺(原生化池改造)+浸没式超滤+O3接触氧化的工艺,实际运行均满足TP质量浓度<0.3mg/L[36]。深圳市某污水处理厂通过增设磁混凝沉淀池+超滤膜的组合深度处理工艺进一步去除 TP,改造后TP质量浓度为(0.07±0.02)mg/L[37]。义乌佛堂污水处理厂探索出TP达Ⅲ类水标准的处理工艺,即AAO生化除磷+高效沉淀+活性焦动态连续多级吸附[23]。聊城市某污水处理厂将一组高效沉淀池改造为SediMag磁絮凝沉淀系统,出水可以稳定达到地表“准Ⅳ类”水中对TP质量浓度≤0.3mg/L的要求[38]。无锡某工业园区污水处理厂采用水解酸化+AO池+高效沉淀池+滤布滤池+O3催化氧化系统+超滤的工艺对园区污水处理厂进行提标改造,出水TP质量浓度<0.2mg/L,符合Ⅳ类要求[39]。

由此可见,单一的深度处理工艺并不能决定除磷效果,很多污水处理厂在提标改造时都是进行系统改造,即二级处理工艺与深度处理工艺同步改造,研究最佳组合方式及参数,这样才能保障出水TP达到排放标准。

3.4 部分改造工程对比

提标改造不应单纯考虑工艺的升级,还应探讨相关的投资与成本。通过对比各工艺及其达到的指标、工程投资及运行成本,可为其他污水处理厂改造时工艺的选用和成本预估提供借鉴。表2列举了部分污水处理厂提标改造的工程概况。

可以看出,污水处理厂原工艺多为二级生化处理,部分有深度处理工艺,执行一级A标准。改造后多数污水处理厂升级为组合工艺,优化了深度处理工艺,达到了更严格的地方标准或地表水“准Ⅳ类”标准。值得一提的是,反硝化深床滤池工艺在提标改造工程中得到了较广泛的应用。

出水水质标准越严格,所需的运行成本和占地面积越高。研究者[54]推测,一级B标准单位污水处理成本为0.45～1.40元/m3,一级A标准根据处理设施设备的不同会比一级B增加50%以上。吴斯文等[55]以徐州市某污水处理厂提标改造为例,采用“准Ⅳ类”和“准Ⅲ类”标准相比于一级 A标准,工程占地面积分别增加了10%和53%,工程费用分别提高了35%和73%,水处理成本分别提高了54%和118%。本表列举的污水处理厂规模在1×104～6.8×105m3/d,经营成本最高达4.03元/m3,新增运行费用最高为0.709元/m3。投资较高的工程多涉及高级氧化系统相关的投资、模块化装备的增设,而投资较少的工程多是在原构筑物基础上进行改造,深度处理多选用的是传统工艺,其增加的费用也较少。运行成本较高的原因多是新增了O3等高级氧化工艺、药剂等的费用,其中高级氧化工艺对运行成本的影响较为明显。

3.5 存在问题与建议

3.5.1 存在问题

通过对目前污水处理厂的提标改造实例的分析,可以看出存在以下几方面问题。

(1)虽目前近半数地方标准中的COD指标已经优于一级A,达到了地表水Ⅴ类,但与Ⅳ类标准还有距离,CODCr质量浓度降至20～40mg/L是目前多数污水处理厂升级改造的目标。进水水质对COD的去除效果有着较大的影响,若进水中工业废水比例较高,后续难以通过生化处理进行削减[46]。

(2)国内提标改造重点在于脱氮和除磷[56]。杜林竹等[57]指出,现有城镇污水处理厂的主要矛盾已从有机物的去除转到氮磷的去除。脱氮除磷是各大污水处理厂改造时所应针对的一大重点。TN质量浓度若要稳定控制在10～12mg/L以下,仅靠二级生物处理有一定难度。目前工程中多在深度处理段增加反硝化深床滤池作为最后的把关,但实际运行中的效果还要取决于碳源的精准控制[5]。

(3)在前期污水处理厂提标至国标一级A标准的改造中,普遍采用二级生物改良处理单元扩容、增加深度处理单元[58],已使污水处理厂流程增大,电耗、药耗等水处理成本增加。要从一级A标准提升到新的地方标准,将进一步增加处理流程,工程用地、工程投资、运营成本都将相应提高。如表2列举的部分工程实例,其运行成本均有不同程度的提高。而且工艺的复杂程度和设备的维护检修量都将明显提高,对污水处理厂经营提出了新的挑战。

(4)2020年市政污水处理行业耗电约184亿kW·h,为我国的耗能大户[59]。污水处理行业碳排放水平占全社会碳排放水平的1%～2%[60],污水处理厂的“碳中和”势在必行[61-62]。在我国目前“双碳”目标背景下,多数污水处理厂提标改造工程增加了电耗和药耗,增加了NxO、CH4等温室气体的排放,碳源、除磷药剂等生产与运输间接产生了CO2等温室气体,这些均与“双碳”可持续发展相违背。

3.5.2 建议

(1)二级生物处理是污水处理系统的核心单元,其处理效果对污水处理厂出水水质和运行能耗有直接影响[63]。生化系统的挖潜能提高生物段处理效果,例如碳源的精准投加可高效生物脱氮。因此,在提标改造中,通过全面分析水质、复核并充分利用生物处理能力,是城市污水处理厂提标和降低后续处理运行成本的最经济、最有效措施。

(2)提标改造的投资费用与水质提升标准、主体工艺改造密切相关。因此,在进行提标改造时尽量不通过增加深度处理来使得出水达标,要综合投资、运行管理及处理成本等多方面因素来选择方案。

(3)城市污水处理厂排放的污水是水污染物减排和水环境治理改善的重点,排放标准只会越来越严格。经过多轮提标改造后,再采取常用的处理技术不一定能满足发展的需要,须加大新技术的开发和应用研究。

(4)“碳中和”和“可持续污水处理”是行业今后的发展方向,污水处理厂提标改造应多从节能降碳的角度出发,通过采用低能耗污水处理工艺、减少高能耗设备、药剂精细化投加等,探索出符合我国国情的污水处理新模式。

4 结语

近40年来,我国排水工程快速发展,2020年年底城镇污水处理率达到97.53%。目前,我国污水处理进入新阶段,在经济较发达地区与水环境敏感的重要流域提出了更为严格的排放限值,与地表水Ⅳ类甚至Ⅲ类接近。城市污水处理厂需要通过调整工艺的运行管理或选择合适的技术措施进行提标改造。可结合当地排放标准与现有工艺运行效果,综合考虑进水水质与水量变化,通过二级生化处理改良、增设深度处理等减少污染物排放量。城市污水处理厂提标改造与水环境质量需求和技术发展水平紧密联系,对水污染防治与水生态保护具有重要意义。