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中国市政污水处理的瓶颈和起因以及可能的解决方案

时间:2020-03-12 14:02

来源:中国水协教育委

作者:曹业始 刘智晓

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摘要:自90年代以来,中国在城市卫生方面取得了了不起进步: 建立了广泛的污废水处理基础设施,城市污水处理率达到94.5%, 并且依法在全国范围内实施了污水营养物去除。但是,市政污水处理厂仍然面临着源自于独特污水水质特征的问题。这项研究了比较了中国和其他具有较长的污废水处理历史的国家在城市污水处理中的能量回收、营养物去除和污泥产量方面的差异,揭示了中国的污水特性,即高无机悬浮固体(ISS)浓度,低COD浓度和低碳氮比(C/N)以及与市政污水处理厂性能之间的因果关系,并提出市政污水处理厂设计和操作应该结合当地的水质特征,给出了具有成本效益的改善市政污水处理可持续性的措施和方案,并评估了这些措施实施可能带来的收益,强调了加强以结果导向的市政污水处理应用研究的必要性。

导言

自90年代以来,中国在城市卫生方面取得了显著进步。2017年市政污水处理能力达到49.2 x109m³,在城市地区的覆盖处理率达94.5%。去除营养物(氮和磷)已经在国家范围内依法实施。然而,许多市政污水处理厂面临很少能量回收,脱氮除磷成本高昂,污泥产量高等问题。污水管网渗漏造成中国污/废水的独特特征是市政污水处理厂效率低下的主要原因。最近,中国三部委颁布了题为“城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)”文件强调污水管网修复在城市环境卫生与生态关键功能,标志着中国城市环境卫生战略的转折点。考虑到污水管网修复所涉及的繁重任务,所需的巨大投资和长周期,必须采取具有成本效益的快速行动和措施,以改善中国市政污水处理效率和可持续性。这项研究有三个目标:(1) 比较中国和其他具有更长的污/废水处理历史的国家在市政污水处理厂在能量回收、营养物去除和污泥产生量等方面的差异;(2)揭示市政污水处理厂的污水特征和工艺性能之间的因果关系;(3)建议适于中国污水水质特性的具有成本效益的措施和解决方案,以提高市政污水处理厂的可持续性。

方法

中国、欧洲、美国和新加坡的污水处理厂均基于使用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)(以下简称AD-CHP)进行能源回收基于使用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)。中国相当部分厂省略初级污泥沉降(PS), 很少有处理厂使用污泥厌氧消化(AD),污泥的产生主要基于观察生物产量(系数)和进水无机悬浮固体(ISS)积累。

结果和讨论

市政废水处理 – 可持续性

表1 显示,不到5%的中国城市污水处理厂使用污泥厌氧消化,这个比例与欧洲、美国和新加坡相比非常低, 尽管具有较长污水处理历史的国家在很久之前已经广泛应用AD-CHP技术,但在中国,通过AD-CHP污泥厌氧消化和热电联产技术(下称AD-CHP)途径技术进行的能量回收非常有限。舍弃使用污泥厌氧消化不仅导致污泥稳定化问题,招致二次污染和卫生问题,同时,由于没有污泥厌氧消化中VSS破坏,加上调理板框脱水添加石灰还增加了污泥量(由于没有污泥厌氧消化中VSS破坏,加上调理板框脱水添加石灰)增加了污泥处理,增加了处置和再利用的困难难度。

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为了达到严格的营养物排放标准[如中国市政污水处理厂一级A排放标准,TN(总氮)<15 mg-N/L,TP(总磷)< 0.5 mg-P/L,和在一些省份敏感地区实施的TN <10 mg-N/L,TP <0.3 mg-P/L], 尽管舍弃没有设置初级污泥沉降,但中国许多污水处理厂仍需要额外采用了外投加碳源除氮(和磷)。从根本上讲,这是由于其根本原因归结为进水的低C/N比,因为对于典型的污水,常规的生物脱氮工艺可以在不添加或添加少量碳情况下实现出水TN <10-15 mg-N/L。现今在一些污水厂中,化学药品花费仅次于电力。如果实行更严格的营养物排放标准(例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L),将给工污水厂运营和地方带来进一步的经济负担,此外,考虑初级能源的使用和相应的温室气体排放, 过量化学物质添加对环境也是不可持续的。

污水厂活性污泥由微生物,难降解的颗粒和无机悬浮固体(ISS)组成, 其产量和组成取决于废水的水质特性,处理工艺和场地环境。表2列出了以中国市政污水处理在2015年,2016和2017年基于COD去除量计算的年平均污泥产量(干固体(DS))。三年平均量为0.69 kg/去除kgCOD。鉴于采用初级污泥沉降的污水厂只有10%–20%和少于5%污水厂采用污泥厌氧消化, 每去除kg化学需氧量产生的污泥量可以视为活性污泥过程定义的表观产率(系数)Yob 。运用中国2017年市政污水的平均成分,假设进水VSS/TSS比80%, 采用的生物除氮和除磷工艺与辅助化学除磷(摩尔铁/磷去除比率为1.5, 去除了80%的P),废水的易于生物降解的COD (RBCOD)分数为8%,BOD/P为18%,污泥停留时间(SRT)为18天,根据 Paul 等(2001)提议计算方法算得污泥产率为0.48 kg/去除kg COD。这数量比传统生物除氮(BNR)的0.37 kg/去除kg COD 多30%。原因是化学除磷所添加的金属药剂导致化学污泥量的增加。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),比正常进水VSS/TSS比率(80%)条件下理论估算值0.48 kg/去除kg COD大约高出44%。

对中国部分污水处理厂的调查表明, 当进水水质特性大致正常时,污水处理厂污泥产率接近0.48 kg/去除kg COD,而当污水水质特性异常,污泥产率接近0.69或甚至更高。分析认为高的污泥产率系数在很大程度上源自进水中高浓度无机悬浮颗粒。在法国,39%的污水处理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/kg COD,为中国三分之一,新加坡所有市政污水处理厂采用污泥厌氧消化进行能量回收由此减少约35%的固体。通过与法国和新加坡污水污泥产率相比,可以看出中国目前的市政污水厂污泥产量系数确实过高。

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a COD去除,kg x 10 -1 /米 3 ,市政污水处理厂的平均值(CUWA 2016)。

b 去除了COD,kg x 10 9 ,所有市政污水处理厂量,(CUWA 2017)。

编辑:王媛媛

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