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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

  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。
  关键词:能源回收,城市污水处理,营养物去除,污泥产生,可持续性,中国污水处理
  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 x 10 9m3,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。
  表1  在中国和其他国家/地区采用污泥厌氧消化的市政污水处理厂占比(%)
  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。
  表2  2015年、2016年和2017年中国年度市政污水处理COD去除量和污泥产量以及污泥的观测产率系数
  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)。
  c 去除所有COTP,kg x 10 9 ,所有污水处理厂量(CUWA 2018)。
  d 污泥产生(DS),kg x 10 -1 /米 3 ,市政污水处理厂的平均值(CUWA 2016)。
  e 产生的污泥(DS),kg x 10 9 ,所有市政污水处理厂量(CUWA 2017)。
  f 污泥产生量(DS)kg x 10 9 ,所有市政污水处理厂量(CUWA 2018)。
  低性能原因:独特的污水水质特性
  污水水质特性对于活性污泥和整个厂工艺的设计至关重要。较早的一项对中国和中国三个城市污水管网系统进行的渗漏比估算研究结果显示污水管网系统渗漏导致的中国市政污水水质具有三个基本特征,即高的无机悬浮固体浓度(ISS),低COD和C/N比。
  尽管需有更多数据描述全国情况, 但初步调查显示,在中国, 即便在施工质量及管理维护良好的污水管网系统,某些地区的污水处理厂的进水VSS/TSS比在50% - 70%范围,低于60%-80%的正常范围。文献报告进水低 COD/SS比(<1)和BOD5/SS比(0.3-0.5)较低反映污水含高ISS(砂质,粉土和粘土等), 表明国内污水厂进水“无机化”特性显著。如式(1)所示, 在假设没有初沉和最终出水中无ISS条件下, 进水的ISS/TSS率直接影响到混合液非挥发性固体(MLISS)浓度.
  MLISS = ISSIO x(τ/Θc)                                          (1)
  其中,ISSIO:进水ISS; Θc:污泥停留时间SRT;τ:水力停留时间。
  对于没有初沉,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比率减少10%(ISS增加至120 mg/L)使用公式(1), 混合液ISS增加大约1,000 mg-ISS/L,表明了进水ISS对混合液MLVSS/MLSS分数的敏感性。模拟显示,当进水的ISS/TSS增加(VSS/TSS比率减少)10%, MLVSS/MLSS分数可减少约10% (见图 1).在中国大多数污水处理厂活性污泥(和污泥厌氧消化进料)中,MLVSS/MLSS比在30至60%范围。较低的MLVSS/MLSS比通常来自进水高ISS浓度,连结渗漏相对严重污水管网系统的污水处理厂,而相对较高MLVSS/MLSS比通常来自连结维护管理较好管网系统或发生渗出性渗漏污水管网系统的中国北方污水处理厂,它的进水ISS较低。最近报告显示中国污水厂活性污泥混合液平均挥发性固体分数低于50%,远低于正常的70%-75%的范围 , 表明进水含高浓度的无机固体(ISS)在活性污泥系统中的积累影响显著, 即使考虑到化学除磷形成的化学污泥及矿物的积累(挥发性固体成分60%)。
  低混合液MLVSS/MLSS比对市政污水处理厂工艺性能和运行有多方面的不利影响。以活性污泥固体含量70%作为比较基准,为了在反应器中保留相同数量的生物量, 较低的MLVSS/MLSS-50%则意味着需要活性污泥池的容积增加约30%。另外,混合液中无机颗粒增加导致单位体积活性微生物含量的减少. 其影响类似于在设计中忽略了高进水ISS, 二者都会影响生化过程性能,比如低水温硝化污泥龄不足导致冬天出水高氨氮。
  类似于活性污泥, 污泥厌氧消化池进料中的低挥发性固体含量,降低了单位有效体积(或每单位污泥)的沼气产率, 减少沼气产量。而为了达到预定VSS的削减率和产气率,需要增加额外容积或延长SRT。沼气产量降低与砂子等固体在污泥厌氧消化池沉积,以及砂子引起材料磨损和管道堵塞在很大程度上限制污泥厌氧消化在中国的应用。废水中较高的ISS含量被认为是是中国应用污泥厌氧消化的主要技术障碍。
  进水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的积累导致增加污泥产生量。模拟表明,在有或没有初沉条件下, 在进水VSS/TSS 35%-75%的范围内, 当进水VSS/TSS比每降低10%(剩余)污泥产量(DS)降低20%-30% (见图 1)。与污泥增加有关, 高ISS导致剩余污泥明显增加需要二沉池额外的表面积(容量)和固体处理设施(比如脱水和泵)容量,以及处理固体的能量, 将大大的增加了市政污水处理厂处理固体所需的投资。综上所述,当下污水中高ISS对中国市政污水处理厂的绩效和运营造成多种不利影响, 极大地影响其可持续性。
图 1. 进水VSS/TSS比对MLVSS/TSS和污泥产量的影响。使用GPX-s(6.02)没有初沉COD去除和硝化活性污泥过程。进水成分:COD:429 mg-COD/L,sCOD:107 mg-COD/L,可生物降解颗粒物COD:238 mg-COD/L,ISS随进水VSS/TSS比值变化。
  2016年中国市政污水处理厂的进水COD浓度平均值仅为267 mg-COD / L,约为表3所列国家污水厂的进水浓度的一半。这归因于下水道在线生物降解和高渗漏比率。许多污水处理厂进水悬浮固体(SS)浓度在100 mg/L范围,比污水典型值低约150 mg/L, 颗粒在下水道中沉降和积累可能是原因之一。
  表3  中国市政污水处理厂和其他地方的进水COD浓度(mg-COD / L)
  进水低COD导致活性污泥池低生物量(MLVSS)浓度。进水ISS越高,混合液中的相对于去除单位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理COD较低进水时尤其至关重要。这里需要注意的是, 较低的进水COD浓度并不意味着必须废除污泥厌氧消化(参见下文), 尽管与进水COD较高相比,能量回收的量可能会受到影响。中国城市污水处理厂的进水C/N比在5.4到10.9之间,北京,上海和广州污水处理厂的进水碳氮比介于7.5(广州)到8.8(北京)之间,平均8.0, 低于其他地方的典型范围8到12 。低C/N比率导致碳短缺, 尤其是面对高效生物脱氮时。此外, 鉴于潜在的高浓度惰性颗粒化学需氧量,与具有类似进水的典型污水(较低比例的惰性颗粒COD)的活性污泥相比,反硝化效率和生物除磷效率可能进一步减少 。
  在中国许多污水处理厂,由于进水COD较低,为增加碳供应,提高生物脱氮(反硝化)效率, 而省略了初沉池。考虑初沉池去除30%–40%进水COD,在省略初沉池情况下,则生物池的池容将增加约40%,同时二沉池表面积也须显著增加,导致设施体积和水力停留时间增加,增加了建设成本。而由于引入了更多可生物降解的颗粒COD, 颗粒的水解速率成为反硝化效率的提高决定因素,由于水解和温度的关系,夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季则未必。 所以,省略初沉池的目的并不一定是可以实现的。需要全面详细分析污水特征,测量在不同温度范围下硝酸盐还原速率等,以及具灵活性操作策略的的设计。
  另一方面,为了满足日趋严格的营养物排放标准(例如,TN <10 mg-N/L),外加碳源被越来越普遍地实践。以当前市场价格粗略估计, 一个100,000 m3/d的污水处理厂为购买相当于20 mg-HAc/L醋酸(HAc), 每年花费大约300万元人民币(约45万美元)。购买碳和化学物质正成为工厂运营沉重负担。
  潜在的解决方案
  综合污水水质特征考虑市政污水处理厂的设计和运行
  面对中国独特的污水水质特征,污水处理厂设计和运营须综合考虑当地污水水质特征,排放要求,地理位置,处理能力以及能源供给,化学药品和污泥处置成本。污水水质特性在污水处理厂的工艺选择和设计中起着至关重要的作用。传统生物工艺可能不适用于中国南方部分地区的低COD浓度进水(例如,COD <100 mg-COD/L)处理, 而基于膜分离的技术或SANI(硫酸盐还原,自养反硝化和硝化)可能是适用的技术。省略初沉池、利用可生物降解的颗粒COD提高反硝化效率在温暖气候条件下可能可行,但在寒冷的地区则未必可行。
  能源回收应在市政污水处理厂议程得到足够的关注。早在在世纪之交的美国,基于其经济上的可行性, 许多处理规模大约或超过100,000 m3/d的污水处理厂使用污泥厌氧消化。最近几年数据显示,甚至处理量为20,000–40,000 m3/d的工厂使用污泥厌氧消化在经济上仍然有利。欧洲数据则显示处理量大约或超过10,000 m3/d (50,000 PE)厂使用污泥厌氧消化经济上是可行的。中国的条件与美国和欧洲有所不同,研究在当地条件和因素情况下市政污水处理厂应用污泥厌氧消化经济可行性和必要性的迫切性是显而易见的,包括能量回收与营养物去除两者之间的平衡和成本-效益分析。
  建议措施
  鉴于污水管网修复耗时长久和当前广泛存在市政污水处理厂的状态,需要找出具有成本效益的措施和解决方案并加以实施,以及制定整合了各个方面因素的污水处理厂设计与运行指南, 以提高污水处理厂的运行绩效。下面将谈及除砂池的改进,污泥发酵,污泥厌氧消化和热电回收的应用。考虑到众多效益和有限成本,所有污水处理厂, 不管规模多大,提高砂粒去除效率都是值得去做的,而污泥发酵,污泥厌氧消化和热电联产的应用可能适合处理能力相对较大、且具有较高的进水COD浓度的污水处理厂。
  增强除砂池除砂效率。从上面讨论可以明显看出,混合液低挥发性固体分数和高污泥产量归因于:
  i. 很多情况下除砂装置的设计存在技术缺陷,如停留时间不足(低估)和运营中缺乏必要维护。
  ii. 在中国的许多地方,污水中的ISS浓度很高,且含相当部分直径远小于200微米的微细无机固体(这部分微细无机固体难以被常规除砂单元去除)。
  建议性措施包括: 研究现有除砂单元的性能,包括ISS固体负荷和去除效率,并定期加以维护。另外,升级或改造现有的常规除砂设备,例如增加水力停留时间以提高效率。一些例子表明, 经简单升级后, 一些常规的除砂装置性能提升后可能将生物池混合液挥发性固体MLVSS/MLSS提高到55%至60%。总之,现场调查认真评估除砂设施对小于200微米颗粒物的去除效率非常必要的。考虑中国污水中广泛存在的高浓度的细小无机固体(ISS),以及ISS对许多污水处理厂运行性能产生的的负面影响,国内亟需开展对进水除砂尤其是ISS高效去除技术方面的研究或者设备开发。
  基于上述分析,对改善中国污水处理厂除砂工艺运行性能提供如下的建议:
  i. 对城市污水处理厂污水中和混合液中的挥发性固体成份进行广泛调查;测量和估算不同类型除砂工艺的除砂性能,尤其是粒径低于200微米砂砾去除效率;
  ii.  通过提高除砂装置的效率来减少过程中的ISS积累:通过提高除砂效率可使混合液中的挥发性固体成分增加约10%,有望将小型污水处理厂的混合液中的挥发性固体成分提高到55%-60%,中大型污水处理厂(≥50,000 m3/d)提高到60  %- 65%,
  污泥发酵。最大限度地利用污水所含有的COD应该是解决生物脱氮除磷工艺中的碳短缺的首要途径。在充分利用易生物降解的可溶性COD方面, 可以参考苏黎世污水处理厂。在充分利用可生物降解的固体COD方面,初沉污泥发酵是一种被广泛应用的技术。图2显示了中国某地生产规模污水厂初沉污泥发酵数据,从进料到出料,平均增加40 mg-VFA/L挥发性脂肪酸(VFA)。同时,利用回流活性污泥(和在线混合液)发酵技术改善脱氮除磷效果已在丹麦、瑞典和美国和欧洲等国家得到广泛应用。中国已经有初沉污泥和活性污泥发酵的工程实例, 但缺乏长期成功运营报告, 因此, 影响了污泥发酵技术的广泛应用,这可能是由于国内对这些污泥发酵项目后期长周期跟踪性研究不够所致。
  图2  生产规模初级污泥发酵中的VFA进出,显示平均增加40 mg-VFA/L [VFA出 -VFA入],
  温度16–18°C,NH4-N和磷的净释放量分别为2和1 mg/L。
  低碳要求的营养物去除工艺。可以考虑采用像BCFS(生物化学除磷和除氮),SANI (综合硫酸盐还原,自养反硝化和硝化)和MABR(膜曝气生物反应器)等可在低碳情况下去除营养物的工艺。BCFS和MABR已被行业规模化应用,SANI处于中试规模,仍然有待工程尺度的应用验证。此外,西安四污出现的主流厌氧氨氧化现象也值得进一步关注和研究。
  未来
  增加能量回收。对于那些具有适当处理能力和较高的进水COD的浓度(例如 > 300 mg / L)的污水处理厂,污泥混合液挥发性固体组份(MLVSS/MLSS比)是应用污泥厌氧消化的关键。根据计算,如果将混合液MLVSS/MLSS由55%提高到65%,挥发份只是提高10%,就可以增加20%沼气产率。污泥挥发份的提升也有效提高了生物池的污泥活性,提高了池容利用效率,同时,显著减少了金属材料磨损和管道堵塞,大大消除了技术上应用污泥厌氧消化的障碍。通过热电联产从污泥厌氧消化回收的电可节省经营污水处理厂电力的大约30%。上海白龙港污水处理厂(产能2,000,000 m 3 / d ),进水COD浓度为250 mg/L,苏黎世污水处理厂初沉池出水COD浓度约为250 mg / L,两个厂都使用污泥厌氧消化用于能量回收。对于中国处理能力超过100,000 m3 /d的污水厂,即便只有一半的应用了污泥厌氧消化进行能量回收,其对污水处理厂运行效益和环境可持续也有很大的提高。对于规模较小的污水处理厂,可以考虑脱水污泥合并送到大型污泥工厂或区域污泥处理中心进行能量回收。
  减少碳支出。目标是通过污泥发酵获得净25 mg-COD/ L。这相当于最终出水硝酸氮浓度降低了约5 mg-N/L,有助于实现在几乎没有或添加少量碳情况下实现出水总氮浓度少于10 mg-N / L。
  减少污泥量。通过增进进水砂粒去除, 提高10%进水VSS / TSS分数,可将污泥产量减少约20%.
  结合污泥厌氧消化去除大约40%VSS(Grady等,1999)污泥量减少可达约50%。
  这意味着如果在约一半的污水处理厂实现了ISS减少并应用污泥厌氧消化,则全国范围内污泥产生量可能减少约25%。连同能量回收增加的和购买化学品成本减少,落实减少ISS并应用污泥厌氧消化将在很大程度改善污水处理厂的可持续性。
  加强结果导向的应用研究。要大力加强针对克服或解决中国污水水质特性形成的技术瓶颈进而实现高效污水处理目标的可持续性研究与技术开发,从开始就需要制定详细的可行性研究计划,针对污水特性,尤其是进水ISS,和硝酸盐还原速率等研究与实际测试,将有助于从技术确定是否需要初沉池。 通过生化挥发物脂肪酸潜力(BVFAP)等指标测试可用于评估初沉污泥和活性污泥发酵的可行性。目前看来,现在针对实际水质特征条件下的污水厂设计,针对解决独特中国污水水质相关的市政污水处理现实问题的研究仍然相对薄弱。最近几年中国在水科学研究方面取得了出色的进步,现在也正是时候,可进一步加强在可持续市政污/废水处理应用领域的研究。
  结束语
  自90年代以来,中国在城市卫生工程方面取得了显着进步。但是,市政污水处理仍然面临着低效率的能量回收,营养物去除高成本和高污泥量问题. 这些难题源于独特的污水水质特性: 高ISS,低COD和C / N比。这项研究揭示了污水水质特性和市政污水处理厂的低效率之间的因果关系。进一步提出建议,要根据当地的实际水质特性,进行污水处理厂的设计和运行。鉴于管网完善需要一定周期, 污水处理厂的可持续性改进可以与管网提质增效、管网修复等工作并行。提供具有成本效益的措施和解决方案的建议,即高效除砂、污泥发酵和应用低碳生物脱氮除磷工艺,并估算了实施可能带来的收益。强调了未来加强以结果导向的市政污水处理应用研究的必要性。
  致谢
  杨向平(中国城镇供水与排水协会),张悦(中国水工业协会),郑兴灿(中国市政工程华北设设计研究总院有限公司),甘一苹(中国城镇供水和排水协会),王洪臣(中国人民大学),王佳伟(北京排水集团),胡维杰(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司),吴远远 (北京首创),杨岸明(北京排水集团),李金河(天津创业环保),丁永伟(苏州水务集团公司),李 激(江南大学), 王 燕(江南大学)和吕 贞(常州市排水管理处)等提供了有用的信息和观点.
  参考资料(省略)
  来源:中国水协教育委 作者:曹业始,MCM Van Loosdrecht, 刘智晓, Glen Daigge