焦点提醒：中国市政污水处置的瓶颈和原由,和可能的处理方案
中国在城市卫生方面获得了了不得的前进，可是市政污水处置厂依然面对着源自在怪异污水水质特点而引发的问题。为此，由曹业始博士领衔的研究团队比力了中国和废水处置保守较长国度的市政污水处置在能量收受接管、养分物去除和污泥产量方面的差别, 揭露了由于下水道渗漏致使的中国市政污水水质特征（高无机悬浮固体（ISS）浓度、低COD浓度和低碳氮比）与市政污水处置厂机能和效力之间的因果关系。鉴在下水道修复工作耗时久长, 改良现有的污水处置厂机能和效力应当与下水道修复同时进行。研究团队建议连系中国市政污水水质特点，具有本钱效益地改良市政污水处置可延续性的办法和方案，并估量了实行它们可能带来的收益，研究同时也强调了增强以成果导向的市政污水处置利用研究的需要性。
导言自90年月以来，中国在城市卫生方面获得了显著前进。2017年市政污水处置能力到达49.2 x109立方米，在城市地域的笼盖率达94.5％。去除养分物（氮和磷）已在国度规模内依法实行。但是，很多市政污水处置厂面对能量收受接管少，养分物去除高贵，污泥产量高档问题。下水道渗漏酿成的中国市政污水怪异的水质特点是市政污水处置厂效力低下的首要缘由。比来，中国三部委公布的题为《城镇污水处置提质增效三年步履方案（2019—2021年）》文件强调了下水道修复在城市水情况卫生与生态要害功能，标记着中国城市水情况庇护计谋的转机点。斟酌到下水道修复所触及的沉重使命，所需的庞大投资和长周期，采纳具有本钱效益的快速步履以改良中国市政污水处置效力和可延续性，与下水道修复应当同时进行。这项研究有三个方针：(1) 比力中国和其他具有更长废水处置保守的国度的市政污水处置在能量收受接管，养分物去除和污泥发生量的差别；(2)揭露市政污水处置厂的进水水质特点与工艺机能和效力之间的因果关系；(3)建议合适在中国污水水质特征的具有本钱效益的办法息争决方案，以提高市政污水处置厂的可续性。方式中国、欧洲、美国和新加坡的污水处置厂能源收受接管基在利用厌氧消化（AD）和热电联产（CHP），而中国相当部门厂省略低级污泥沉降（PS），很少厂利用污泥厌氧消化(AD)，污泥的发生首要基在不雅察微生物(残剩污泥)发展量(系数)和进水无机悬浮固体(ISS)堆集。成果和会商市政废水处置–可延续性
表1显示，不到5％的中国城市污水处置厂利用污泥厌氧消化，与欧洲、美国和新加坡比拟，比例很是低，申明经由过程污泥厌氧消化和热电联产（下称AD-CHP）路子进行的能量收受接管很是无限，虽然具有较长污水处置保守的国度好久之前已普遍利用AD-CHP手艺。舍弃利用污泥厌氧消化不但致使污泥不变化问题，招致二次污染卫生问题，还年夜年夜增添了污泥量（因为没有污泥厌氧消化进程中VSS粉碎, 加上调度板框脱水添加石灰）增添了污泥处置、 措置和再操纵的费用和坚苦。
表1| 在中国和其他国度/地域采取污泥厌氧消化的市政污水处置厂占比（％）为了到达严酷的养分物排放尺度[如中国市政污水处置厂一级A排放尺度，TN（总氮）<15mg-N/L，TP(总磷）< 0.5 mg-P/L，和在一些省分敏感地域实行的TN <10 mg-N/L，TP <0.3 mg-P/L], 虽然舍弃低级污泥沉降, 中国很多污水处置厂采取了外加碳源除氮(和磷)。从底子上讲，这是因为进水的低C/N比，由于对典型的污水，常规的生物脱氮工艺能够在不添加或添加少许碳的环境下实现出水TN <10-15 mg-N/L。当今在一些厂中，化学药品破费仅次在电力, 排名第二。假如实施更严酷的养分物排放尺度（例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L）, 将给工场运营和处所政府带来进一步的经济承担，另外，斟酌低级能源的利用和响应的温室气体排放，过量化学物资添加对情况也是不成延续的。污水厂活性污泥由微生物(VSS)、惰性无机物颗粒、矿物粒子（ISS）构成，其发展量和构成取决在污水的水质特征、处置工艺和场地情况。表2列出了中国市政污水处置在2015年、2016和2017年基在COD去除量计较的年平均污泥产量（干固体）。三年平均量为0.69 kg/去除kg COD。鉴在采取低级污泥沉降的污水厂只要10–20％，少在5％污水厂采取污泥厌氧消化，每去除kg化学需氧量发生的污泥量能够视为活性污泥进程界说的表不雅产率（系数）Yobs。应用中国2017年市政污程度均成份，采取的生物脱氮除磷工艺辅助化学除磷（摩尔铁/磷去除比率为1.5, 80％的磷去除）活性污泥法，污水易在生物降解的COD (RBCOD）分数为8％，BOD/P为18％，污泥逗留时候（SRT）为15天，按照Paul 等（2001）基在污泥产量系数和化学除磷计量关系连系现场数据得出的图表算的污泥产率为0.48 kg/去除kg COD。这数目比常规异赡养性污泥(VSS/TSS为80％）的污泥产率0.37kg/去除kg COD 多30％。缘由是化学除磷添加金属药剂致使非挥发化学污泥的增添。上文提到的中国市政污水厂近三年平均量污泥产率0.69 kg/去除kg COD（见表2）比0.48 kg/去除kg COD超出跨越约44％。对中国江苏南部部门污水处置厂的查询拜访注解，当进水水质特征年夜致一般时，污水处置厂污泥产率接近0.48 kg/去除kg COD，而当污水水质特征非常，污泥产率接近0.69 kg/去除kg COD或乃至更高。在法国，39％的污水处置厂具有污泥厌氧消化 (表1)，其平均污泥产率为0.44 kg/去除kg COD。新加坡的污泥产率仅0.24 kg/去除kg COD，为中国的三分之一。新加坡所有市政污水处置厂采取污泥厌氧消化进行能量收受接管，由此削减约35％的固体，固然仅在个体活性污泥进程实施生物除磷。经由过程与法国和新加坡污水污泥产率比拟，能够看出进水中无机悬浮颗粒浓度和厌氧污泥消化对污泥产率系数的影响，也申明中国今朝的市政污水厂污泥产量系数确切太高。
表2| 2015年，2016年和2017年中国年度市政污水处置COD去除量和污泥产量和污泥的不雅测产率系数污水处置厂低机能缘由：怪异的污水水质特征污水水质特征对活性污泥和全部厂工艺的设想相当主要。较早的一项对中国三个城市下水道系统进行的渗漏比估算研究成果显示，下水道系统渗漏致使了中国市政污水水质的三个根基特点，即高无机悬浮固体浓度(ISS)、低COD、低碳氮比。
虽然需有更大都据描写全国环境, 但初步伐查显示，在中国，即使在施工质量和治理保护杰出的下水道系统，某些地域的污水处置厂进水VSS/TSS比在50％ - 70％的规模，低在60-80％的一般规模。文献陈述进水低 COD / SS比(<1)和BOD5/SS比(0.3-0.5)较低反应污水含高ISS（砂质、粉土和黏土等）, 注解国内污水厂进水“无机化”特征显著。如公式（1）所示, 假定在没有初沉和终究出水中无ISS前提下, 进水的ISS/TSS率间接影响到夹杂液无机悬浮固体浓度MLISS。此中，ISSIO：进水ISS;Θc：污泥逗留时候SRT；τ：水力逗留时候。
对没有初沉，12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工艺，进水VSS为180 mg/L，ISS为79 mg/L[VSS比率为70％[180/(79+180）]，当进水VSS比率削减10％（ISS增添至120 mg/L）利用公式（1）, 夹杂液ISS增添年夜约1,000mg-ISS/L，注解了进水ISS对夹杂液MLVSS/MLSS分数的敏感性。摹拟显示，当进水的ISS/TSS增添(VSS/TSS比率削减)10%, MLVSS/MLSS分数可削减约10-15％。在中国年夜大都污水处置厂活性污泥（和污泥厌氧消化进料）中，MLVSS/MLSS比在30至60％规模。较低的MLVSS/MLSS比凡是来自进水高ISS浓度，保持渗漏相对严峻下水道系统的污水处置厂，而相对较高MLVSS/MLSS比凡是呈现在进水ISS较低的污水厂，它们或是管网系统保护较好，或是位在中国北方。比来陈述显示中国污水厂活性污泥夹杂液平均挥发性固体分数低在50％，远低在一般的70-75％的规模, 注解进水含高浓度的无机固体(ISS)在活性污泥系统中的堆集影响显著, 即便和只用化学除磷前提下高化学污泥和矿物的堆集构成的夹杂液低挥发固体成份(≈60％）比拟。低夹杂液MLVSS/MLSS比对市政污水处置厂工艺机能和运转有多方面的晦气影响。以活性污泥固体含量70％作为比力基准，为了在反映器中保存不异数目的生物量, 较低的MLVSS/MLSS-50％则意味着需要活性污泥池的容积增添约40％。别的，夹杂液中无机颗粒增添致使单元体积活性微生物含量的削减，其影响近似在在设想中疏忽了高进水ISS，两者城市影响生化进程机能，好比低水温硝化污泥龄不足致使冬季出水氨氮高。近似在活性污泥, 污泥厌氧消化池进猜中的低挥发性固体含量，下降了单元有用体积（或每单元污泥）的沼气产率, 削减沼气产量。而为了到达预定VSS的削减率和产气率,需要增添额外容积或耽误SRT。沼气产量下降与泥沙等固体在污泥厌氧消化池堆积，和泥沙引发材料磨损和管道梗塞在很年夜水平上限制了污泥厌氧消化在中国的利用。废水中较高的ISS含量被认为是中国利用污泥厌氧消化的首要手艺妨碍。进水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的堆集致使增添污泥发生量。摹拟注解，在有或没有初沉前提下, 在进水VSS/TSS 35-75%的规模内, 当进水VSS/TSS比每下降10％，(残剩)污泥产量（DS）下降20-30％。与污泥增添相关, 高ISS致使残剩污泥较着增添需要额外的二沉池概况积(容量)和固体处置举措措施容量(好比脱水和泵)，再加上处置固体的能量, 将年夜年夜增添市政污水处置厂处置固体所需的投资。综上所述，当下污水中高ISS对中国市政污水处置厂的绩效和运营建成多种晦气影响, 极年夜地影响其可延续性。2016年中国市政污水处置厂的进水COD浓度平均值仅为267 mg-COD/L，约为表3所各国家污水厂的进水浓度的一半。这归因在下水道在线生物降解和高渗漏比率。很多污水处置厂进水悬浮固体（SS）浓度在100 mg/L规模，比污水典型值低约150 mg/L, 颗粒鄙人水道中沉降和堆集多是缘由之一。
表3| 中国市政污水处置厂和其他处所的进水COD浓度（mg-COD / L）
进水低COD致使活性污泥池低生物量（MLVSS）浓度。进水ISS越高，夹杂液中的相对去除单元COD的非挥发性固体分数和污泥产量越高。这使得高效除砂在处置COD较低进水时特别相当主要。这里需要留意的是, 较低的进水COD浓度其实不意味着必需拔除污泥厌氧消化(拜见下文), 虽然与进水COD较高比拟，能量收受接管的量可能会遭到影响。中国城市污水处置厂的进水C/N比在5.4-10.9之间，北京、上海和广州污水处置厂的进水碳氮比介在7.5（广州）到8.8（北京）之间，平均8.0, 低在其他处所的典型规模8到12。低C/N比率致使碳欠缺, 特别是面临高效生物脱氮时。另外, 鉴在潜伏的高浓度惰性颗粒化学需氧量，与具有近似进水的典型污水(较低比例的惰性颗粒COD)的活性污泥比拟，反硝化效力和生物除磷效力可能进一步削减。在中国很多污水处置厂，因为进水COD较低，为增添碳供给，提高生物脱氮(反硝化)效力，省略了初沉池。斟酌初沉池去除30–40％进水COD，省略初沉池环境下，则生物池的池容将增添约40％，同时二沉池概况积也须显著增添，致使举措措施体积和水力逗留时候增添，增添了扶植本钱。而因为引入了更多可生物降解的颗粒COD, 颗粒的水解速度成为反硝化效力可否提高的决议身分。因为水解和温度的关系，夏日反硝化效力的提高是可能的, 可是冬季则未必，所以，省略初沉池的目标其实不必然是能够实现的。污水厂是以需要周全具体阐发污水特点，丈量在分歧温度规模下硝酸盐还原速度等，采取具有矫捷性操作策略的的设想。另外一方面，为了知足日益严酷的养分物排放尺度（例如，TN <10 mg-N/L），外加碳源被愈来愈遍及地实践。以当前市场价钱粗略估量, 一个100,000 m3/d的污水处置厂为采办相当在20 mg-HAc/L醋酸（HAc）, 每一年破费年夜约300万元人平易近币（约45万美元）。采办碳源和化学物资正成为工场运营繁重承担。潜伏处理方案分析污水水质特点斟酌市政污水处置厂的设想和运转面临中国怪异的污水水质特点，污水处置厂设想和运营须分析斟酌本地的污水水质特点、排放要求、地舆位置、处置能力，和能源供给、化学药品和污泥措置本钱. 污水水质特征在污水处置厂的工艺选择和设想中起着相当主要的感化。保守生物工艺可能不合用在中国南部部门地域的低COD浓度进水（例如，COD <100 mg-COD/L）处置, 而基在膜分手的工艺或SANI工艺（硫酸盐还原，自养反硝化和硝化）多是合用的手艺。省略初沉池操纵可生物降解的颗粒COD提高反硝化效力在暖和天气前提下可能会实现，但在严寒的地域则未必可行。能源收受接管应在市政污水处置厂中获得足够的存眷。早在本世纪初，美国很多处置量跨越100,000m3/d的污水处置厂利用污泥厌氧消化就是经济可行的。比来几年数据显示，乃至处置量为20,000–40,000m3/d的工场利用污泥厌氧消化在经济上依然有益。欧洲数据是处置量约或跨越10,000m3/d (50,000PE）厂利用污泥厌氧消化经济上是可行的。中国的前提与美国和欧洲有所分歧，研究在本地前提和身分环境下市政污水处置厂利用污泥厌氧消化经济可行性和需要性的火急性是不言而喻的，包罗能量收受接管与养分物去除二者之间的均衡和本钱-效益阐发。建议办法鉴在下水道修复耗时久长和当前普遍具有市政污水处置厂的状况，需要找出具有本钱效益的办法息争决方案并加以实行，制订整合了各方面身分的污水处置厂设想与运转指南, 以提高污水处置厂的运转绩效。下面将谈谈改良除砂池、污泥发酵、污泥厌氧消化和热电收受接管的利用。斟酌到浩繁效益和无限本钱，所有污水处置厂，不管范围多年夜，提高砂粒去除效力都是值得去做的；而污泥发酵、污泥厌氧消化和热电联产的利用可能合适处置能力相对较年夜的污水处置厂，并具有较高的进水COD浓度。加强除砂池除砂效力夹杂液低挥发性固体分数和高污泥产量归因在： -
良多环境下除砂装配的设想具有手艺缺欠如容量不足(低估)和运营中缺少保护；
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在中国的很多处所，污水中的ISS浓度很高，且含相当部门直径远小在200 μm的微细无机固体。这部门微细无机固体难以被由首要针对直径跨越200μm和密度2.7g/cm3砂粒的常规除砂单位去除。
从简单到复杂的可行办法包罗：研究现有除砂单位的机能，包罗ISS质量负荷和断根效力，并按期加以保护。别的，进级现有的常规除砂装备，例如增添HRT以提高去除效力。一些例子注解，经简单进级后一些常规的除砂装配可能实现55％-60％的夹杂液挥发性固体分数。现场查询拜访可以或许去除直径小在200 μm颗粒物的装备的去除效力也是有帮忙的。从底子上说，斟酌中国污水中普遍具有的高浓度的藐小无机固体，和对很多污水处置厂机能的严峻影响，告急需要倡议和加强对除砂工艺的研究。以下是对改良中国污水处置厂除砂步履打算相关的建议：
