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      中國市政污水處理的瓶頸和起因以及可能的解決方案

      2020-03-10
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      90年代以來,中國在城市衛生方面取得了顯著進步。2017年市政污水處理能力達到49.2 x109m3,在城市地區的覆蓋處理率達94.5%。去除營養物(氮和磷)已經在國家范圍內依法實施。然而,許多市政污水處理廠面臨很少能量回收,脫氮除磷成本高昂,污泥產量高等問題。污水管網滲漏造成中國污/廢水的獨特特征是市政污水處理廠效率低下的主要原因。

      最近,中國三部委頒布了題為“城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)”文件強調污水管網修復在城市環境衛生與生態關鍵功能,標志著中國城市環境衛生戰略的轉折點??紤]到污水管網修復所涉及的繁重任務,所需的巨大投資和長周期,必須采取具有成本效益的快速行動和措施,以改善中國市政污水處理效率和可持續性。這項研究有三個目標:(1) 比較中國和其他具有更長的污/廢水處理歷史的國家在市政污水處理廠在能量回收、營養物去除和污泥產生量等方面的差異;(2)揭示市政污水處理廠的污水特征和工藝性能之間的因果關系;(3)建議適于中國污水水質特性的具有成本效益的措施和解決方案,以提高市政污水處理廠的可持續性。

      方法

      中國、歐洲、美國和新加坡的污水處理廠均基于使用厭氧消化(AD)熱電聯產(CHP)(以下簡稱AD-CHP)進行能源回收基于使用厭氧消化(AD)熱電聯產(CHP)。中國相當部分廠省略初級污泥沉降(PS), 很少有處理廠使用污泥厭氧消化(AD),污泥的產生主要基于觀察生物產量(系數)和進水無機懸浮固體(ISS)積累。

      結果和討論

      市政廢水處理 – 可持續性

      表1 顯示,不到5%的中國城市污水處理廠使用污泥厭氧消化,這個比例與歐洲、美國和新加坡相比非常低, 盡管具有較長污水處理歷史的國家在很久之前已經廣泛應用AD-CHP技術,但在中國,通過AD-CHP污泥厭氧消化和熱電聯產技術(下稱AD-CHP)途徑技術進行的能量回收非常有限。舍棄使用污泥厭氧消化不僅導致污泥穩定化問題,招致二次污染和衛生問題,同時,由于沒有污泥厭氧消化中VSS破壞,加上調理板框脫水添加石灰還增加了污泥量(由于沒有污泥厭氧消化中VSS破壞,加上調理板框脫水添加石灰)增加了污泥處理,增加了處置和再利用的困難難度。

      表1  在中國和其他國家/地區采用污泥厭氧消化的市政污水處理廠占比(%)

      水處理行業協會

      為了達到嚴格的營養物排放標準[如中國市政污水處理廠一級A排放標準,TN(總氮)<15 mg-N/L,TP(總磷)< 0.5 mg-P/L,和在一些省份敏感地區實施的TN <10 mg-N/L,TP <0.3 mg-P/L], 盡管舍棄沒有設置初級污泥沉降,但中國許多污水處理廠仍需要額外采用了外投加碳源除氮(和磷)。從根本上講,這是由于其根本原因歸結為進水的低C/N比,因為對于典型的污水,常規的生物脫氮工藝可以在不添加或添加少量碳情況下實現出水TN <10-15 mg-N/L?,F今在一些污水廠中,化學藥品花費僅次于電力。如果實行更嚴格的營養物排放標準(例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L),將給工污水廠運營和地方帶來進一步的經濟負擔,此外,考慮初級能源的使用和相應的溫室氣體排放, 過量化學物質添加對環境也是不可持續的。

      污水廠活性污泥由微生物,難降解的顆粒和無機懸浮固體(ISS)組成, 其產量和組成取決于廢水的水質特性,處理工藝和場地環境。表2列出了以中國市政污水處理在2015年,2016和2017年基于COD去除量計算的年平均污泥產量(干固體(DS))。三年平均量為0.69 kg/去除kgCOD。鑒于采用初級污泥沉降的污水廠只有10%–20%和少于5%污水廠采用污泥厭氧消化, 每去除kg化學需氧量產生的污泥量可以視為活性污泥過程定義的表觀產率(系數)Yob 。運用中國2017年市政污水的平均成分,假設進水VSS/TSS比80%, 采用的生物除氮和除磷工藝與輔助化學除磷(摩爾鐵/磷去除比率為1.5, 去除了80%的P),廢水的易于生物降解的COD (RBCOD)分數為8%,BOD/P為18%,污泥停留時間(SRT)為18天,根據 Paul 等(2001)提議計算方法算得污泥產率為0.48 kg/去除kg COD。這數量比傳統生物除氮(BNR)的0.37 kg/去除kg COD 多30%。原因是化學除磷所添加的金屬藥劑導致化學污泥量的增加。上文提到的中國市政污水廠近三年平均量污泥產率0.69 kg/去除kg COD(見表2),比正常進水VSS/TSS比率(80%)條件下理論估算值0.48 kg/去除kg COD大約高出44%。

      對中國部分污水處理廠的調查表明, 當進水水質特性大致正常時,污水處理廠污泥產率接近0.48 kg/去除kg COD,而當污水水質特性異常,污泥產率接近0.69或甚至更高。分析認為高的污泥產率系數在很大程度上源自進水中高濃度無機懸浮顆粒。在法國,39%的污水處理廠具有污泥厭氧消化 (表1),其平均污泥產率為0.44 kg/去除kg COD. 新加坡的污泥產率僅0.24 kg/kg COD,為中國三分之一,新加坡所有市政污水處理廠采用污泥厭氧消化進行能量回收由此減少約35%的固體。通過與法國和新加坡污水污泥產率相比,可以看出中國目前的市政污水廠污泥產量系數確實過高。

      表2  2015年、2016年和2017年中國年度市政污水處理COD去除量和污泥產量以及污泥的觀測產率系數

      污水處理

      a COD去除,kg x 10 -1 /米 3 ,市政污水處理廠的平均值(CUWA 2016)。

      b 去除了COD,kg x 10 9 ,所有市政污水處理廠量,(CUWA 2017)。

      c 去除所有COTP,kg x 10 9 ,所有污水處理廠量(CUWA 2018)。

      d 污泥產生(DS),kg x 10 -1 /米 3 ,市政污水處理廠的平均值(CUWA 2016)。

      e 產生的污泥(DS),kg x 10 9 ,所有市政污水處理廠量(CUWA 2017)。

      f 污泥產生量(DS)kg x 10 9 ,所有市政污水處理廠量(CUWA 2018)。

      低性能原因:獨特的污水水質特性

      污水水質特性對于活性污泥和整個廠工藝的設計至關重要。較早的一項對中國和中國三個城市污水管網系統進行的滲漏比估算研究結果顯示污水管網系統滲漏導致的中國市政污水水質具有三個基本特征,即高的無機懸浮固體濃度(ISS),低COD和C/N比。

      盡管需有更多數據描述全國情況, 但初步調查顯示,在中國, 即便在施工質量及管理維護良好的污水管網系統,某些地區的污水處理廠的進水VSS/TSS比在50% - 70%范圍,低于60%-80%的正常范圍。文獻報告進水低 COD/SS比(<1)和BOD5/SS比(0.3-0.5)較低反映污水含高ISS(砂質,粉土和粘土等), 表明國內污水廠進水“無機化”特性顯著。如式(1)所示, 在假設沒有初沉和最終出水中無ISS條件下, 進水的ISS/TSS率直接影響到混合液非揮發性固體(MLISS)濃度。

      MLISS = ISSIO x(τ/Θc)                                (1)

      其中,ISSIO:進水ISS; Θc:污泥停留時間SRT;τ:水力停留時間。

      對于沒有初沉,12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工藝,進水VSS為180 mg/L,ISS為79 mg/L [VSS比率為70%[180/(79+180)],當進水VSS比率減少10%(ISS增加至120 mg/L)使用公式(1), 混合液ISS增加大約1,000 mg-ISS/L,表明了進水ISS對混合液MLVSS/MLSS分數的敏感性。

      模擬顯示,當進水的ISS/TSS增加(VSS/TSS比率減少)10%, MLVSS/MLSS分數可減少約10% (見圖 1)。在中國大多數污水處理廠活性污泥(和污泥厭氧消化進料)中,MLVSS/MLSS比在30至60%范圍。較低的MLVSS/MLSS比通常來自進水高ISS濃度,連結滲漏相對嚴重污水管網系統的污水處理廠,而相對較高MLVSS/MLSS比通常來自連結維護管理較好管網系統或發生滲出性滲漏污水管網系統的中國北方污水處理廠,它的進水ISS較低。最近報告顯示中國污水廠活性污泥混合液平均揮發性固體分數低于50%,遠低于正常的70%-75%的范圍 , 表明進水含高濃度的無機固體(ISS)在活性污泥系統中的積累影響顯著, 即使考慮到化學除磷形成的化學污泥及礦物的積累(揮發性固體成分60%)。

      低混合液MLVSS/MLSS比對市政污水處理廠工藝性能和運行有多方面的不利影響。以活性污泥固體含量70%作為比較基準,為了在反應器中保留相同數量的生物量, 較低的MLVSS/MLSS-50%則意味著需要活性污泥池的容積增加約30%。另外,混合液中無機顆粒增加導致單位體積活性微生物含量的減少. 其影響類似于在設計中忽略了高進水ISS, 二者都會影響生化過程性能,比如低水溫硝化污泥齡不足導致冬天出水高氨氮。

      類似于活性污泥, 污泥厭氧消化池進料中的低揮發性固體含量,降低了單位有效體積(或每單位污泥)的沼氣產率, 減少沼氣產量。而為了達到預定VSS的削減率和產氣率,需要增加額外容積或延長SRT。沼氣產量降低與砂子等固體在污泥厭氧消化池沉積,以及砂子引起材料磨損和管道堵塞在很大程度上限制污泥厭氧消化在中國的應用。廢水中較高的ISS含量被認為是是中國應用污泥厭氧消化的主要技術障礙。

      進水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的積累導致增加污泥產生量。模擬表明,在有或沒有初沉條件下, 在進水VSS/TSS 35%-75%的范圍內, 當進水VSS/TSS比每降低10%(剩余)污泥產量(DS)降低20%-30% (見圖 1)。與污泥增加有關, 高ISS導致剩余污泥明顯增加需要二沉池額外的表面積(容量)和固體處理設施(比如脫水和泵)容量,以及處理固體的能量, 將大大的增加了市政污水處理廠處理固體所需的投資。綜上所述,當下污水中高ISS對中國市政污水處理廠的績效和運營造成多種不利影響, 極大地影響其可持續性。

      水處理行業協會

      圖 1. 進水VSS/TSS比對MLVSS/TSS和污泥產量的影響。使用GPX-s(6.02)沒有初沉COD去除和硝化活性污泥過程。進水成分:COD:429 mg-COD/L,sCOD:107 mg-COD/L,可生物降解顆粒物COD:238 mg-COD/L,ISS隨進水VSS/TSS比值變化。

      2016年中國市政污水處理廠的進水COD濃度平均值僅為267 mg-COD / L,約為表3所列國家污水廠的進水濃度的一半。這歸因于下水道在線生物降解和高滲漏比率。許多污水處理廠進水懸浮固體(SS)濃度在100 mg/L范圍,比污水典型值低約150 mg/L, 顆粒在下水道中沉降和積累可能是原因之一。

      表3  中國市政污水處理廠和其他地方的進水COD濃度(mg-COD / L)

      污水處理

      進水低COD導致活性污泥池低生物量(MLVSS)濃度。進水ISS越高,混合液中的相對于去除單位COD的非揮發性固體分數和污泥產量越高。這使得高效除砂在處理COD較低進水時尤其至關重要。這里需要注意的是, 較低的進水COD濃度并不意味著必須廢除污泥厭氧消化(參見下文), 盡管與進水COD較高相比,能量回收的量可能會受到影響。中國城市污水處理廠的進水C/N比在5.4到10.9之間,北京,上海和廣州污水處理廠的進水碳氮比介于7.5(廣州)到8.8(北京)之間,平均8.0, 低于其他地方的典型范圍8到12 。低C/N比率導致碳短缺, 尤其是面對高效生物脫氮時。此外, 鑒于潛在的高濃度惰性顆?;瘜W需氧量,與具有類似進水的典型污水(較低比例的惰性顆粒COD)的活性污泥相比,反硝化效率和生物除磷效率可能進一步減少 。

      在中國許多污水處理廠,由于進水COD較低,為增加碳供應,提高生物脫氮(反硝化)效率, 而省略了初沉池。考慮初沉池去除30%–40%進水COD,在省略初沉池情況下,則生物池的池容將增加約40%,同時二沉池表面積也須顯著增加,導致設施體積和水力停留時間增加,增加了建設成本。而由于引入了更多可生物降解的顆粒COD, 顆粒的水解速率成為反硝化效率的提高決定因素,由于水解和溫度的關系,夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季則未必。所以,省略初沉池的目的并不一定是可以實現的。需要全面詳細分析污水特征,測量在不同溫度范圍下硝酸鹽還原速率等,以及具靈活性操作策略的的設計。

      另一方面,為了滿足日趨嚴格的營養物排放標準(例如,TN <10 mg-N/L),外加碳源被越來越普遍地實踐。以當前市場價格粗略估計, 一個100,000 m3/d的污水處理廠為購買相當于20 mg-HAc/L醋酸(HAc), 每年花費大約300萬元人民幣(約45萬美元)。購買碳和化學物質正成為工廠運營沉重負擔。

      潛在的解決方案

      綜合污水水質特征考慮市政污水處理廠的設計和運行

      面對中國獨特的污水水質特征,污水處理廠設計和運營須綜合考慮當地污水水質特征,排放要求,地理位置,處理能力以及能源供給,化學藥品和污泥處置成本。污水水質特性在污水處理廠的工藝選擇和設計中起著至關重要的作用。傳統生物工藝可能不適用于中國南方部分地區的低COD濃度進水(例如,COD <100 mg-COD/L)處理, 而基于膜分離的技術或SANI(硫酸鹽還原,自養反硝化和硝化)可能是適用的技術。省略初沉池、利用可生物降解的顆粒COD提高反硝化效率在溫暖氣候條件下可能可行,但在寒冷的地區則未必可行。

      能源回收應在市政污水處理廠議程得到足夠的關注。早在在世紀之交的美國,基于其經濟上的可行性, 許多處理規模大約或超過100,000 m3/d的污水處理廠使用污泥厭氧消化。最近幾年數據顯示,甚至處理量為20,000–40,000 m3/d的工廠使用污泥厭氧消化在經濟上仍然有利。歐洲數據則顯示處理量大約或超過10,000 m3/d (50,000 PE)廠使用污泥厭氧消化經濟上是可行的。中國的條件與美國和歐洲有所不同,研究在當地條件和因素情況下市政污水處理廠應用污泥厭氧消化經濟可行性和必要性的迫切性是顯而易見的,包括能量回收與營養物去除兩者之間的平衡和成本-效益分析。

      建議措施

      鑒于污水管網修復耗時長久和當前廣泛存在市政污水處理廠的狀態,需要找出具有成本效益的措施和解決方案并加以實施,以及制定整合了各個方面因素的污水處理廠設計與運行指南, 以提高污水處理廠的運行績效。下面將談及除砂池的改進,污泥發酵,污泥厭氧消化和熱電回收的應用??紤]到眾多效益和有限成本,所有污水處理廠, 不管規模多大,提高砂粒去除效率都是值得去做的,而污泥發酵,污泥厭氧消化和熱電聯產的應用可能適合處理能力相對較大、且具有較高的進水COD濃度的污水處理廠。

      增強除砂池除砂效率。從上面討論可以明顯看出,混合液低揮發性固體分數和高污泥產量歸因于:

      i. 很多情況下除砂裝置的設計存在技術缺陷,如停留時間不足(低估)和運營中缺乏必要維護。

      ii. 在中國的許多地方,污水中的ISS濃度很高,且含相當部分直徑遠小于200微米的微細無機固體(這部分微細無機固體難以被常規除砂單元去除)。

      建議性措施包括: 

      研究現有除砂單元的性能,包括ISS固體負荷和去除效率,并定期加以維護。另外,升級或改造現有的常規除砂設備,例如增加水力停留時間以提高效率。一些例子表明, 經簡單升級后, 一些常規的除砂裝置性能提升后可能將生物池混合液揮發性固體MLVSS/MLSS提高到55%至60%??傊?strong>,現場調查認真評估除砂設施對小于200微米顆粒物的去除效率非常必要的。考慮中國污水中廣泛存在的高濃度的細小無機固體(ISS),以及ISS對許多污水處理廠運行性能產生的的負面影響,國內亟需開展對進水除砂尤其是ISS高效去除技術方面的研究或者設備開發。

      基于上述分析,對改善中國污水處理廠除砂工藝運行性能提供如下的建議:

      i. 對城市污水處理廠污水中和混合液中的揮發性固體成份進行廣泛調查;測量和估算不同類型除砂工藝的除砂性能,尤其是粒徑低于200微米砂礫去除效率;

      ii.  通過提高除砂裝置的效率來減少過程中的ISS積累:通過提高除砂效率可使混合液中的揮發性固體成分增加約10%,有望將小型污水處理廠的混合液中的揮發性固體成分提高到55%-60%,中大型污水處理廠(≥50,000 m3/d)提高到60  %- 65%,

      污泥發酵。最大限度地利用污水所含有的COD應該是解決生物脫氮除磷工藝中的碳短缺的首要途徑。在充分利用易生物降解的可溶性COD方面, 可以參考蘇黎世污水處理廠。在充分利用可生物降解的固體COD方面,初沉污泥發酵是一種被廣泛應用的技術。圖2顯示了中國某地生產規模污水廠初沉污泥發酵數據,從進料到出料,平均增加40 mg-VFA/L揮發性脂肪酸(VFA)。同時,利用回流活性污泥(和在線混合液)發酵技術改善脫氮除磷效果已在丹麥、瑞典和美國和歐洲等國家得到廣泛應用。中國已經有初沉污泥和活性污泥發酵的工程實例, 但缺乏長期成功運營報告, 因此, 影響了污泥發酵技術的廣泛應用,這可能是由于國內對這些污泥發酵項目后期長周期跟蹤性研究不夠所致。

      水處理行業協會

      圖2  生產規模初級污泥發酵中的VFA進出,顯示平均增加40 mg-VFA/L [VFA出 -VFA入],溫度16–18°C,NH4-N和磷的凈釋放量分別為2和1 mg/L。

      低碳要求的營養物去除工藝。可以考慮采用像BCFS(生物化學除磷和除氮),SANI (綜合硫酸鹽還原,自養反硝化和硝化)和MABR(膜曝氣生物反應器)等可在低碳情況下去除營養物的工藝。BCFS和MABR已被行業規?;瘧?,SANI處于中試規模,仍然有待工程尺度的應用驗證。此外,西安四污出現的主流厭氧氨氧化現象也值得進一步關注和研究。

      未來

      增加能量回收。對于那些具有適當處理能力和較高的進水COD的濃度(例如 > 300 mg / L)的污水處理廠,污泥混合液揮發性固體組份(MLVSS/MLSS比)是應用污泥厭氧消化的關鍵。根據計算,如果將混合液MLVSS/MLSS由55%提高到65%,揮發份只是提高10%,就可以增加20%沼氣產率。污泥揮發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,同時,顯著減少了金屬材料磨損和管道堵塞,大大消除了技術上應用污泥厭氧消化的障礙。通過熱電聯產從污泥厭氧消化回收的電可節省經營污水處理廠電力的大約30%。上海白龍港污水處理廠(產能2,000,000 m3 / d ),進水COD濃度為250 mg/L,蘇黎世污水處理廠初沉池出水COD濃度約為250 mg / L,兩個廠都使用污泥厭氧消化用于能量回收。對于中國處理能力超過100,000 m3 /d的污水廠,即便只有一半的應用了污泥厭氧消化進行能量回收,其對污水處理廠運行效益和環境可持續也有很大的提高。對于規模較小的污水處理廠,可以考慮脫水污泥合并送到大型污泥工廠或區域污泥處理中心進行能量回收。

      減少碳支出。目標是通過污泥發酵獲得凈25 mg-COD/ L。這相當于最終出水硝酸氮濃度降低了約5 mg-N/L,有助于實現在幾乎沒有或添加少量碳情況下實現出水總氮濃度少于10 mg-N / L。

      減少污泥量。通過增進進水砂粒去除, 提高10%進水VSS / TSS分數,可將污泥產量減少約20%。

      結合污泥厭氧消化去除大約40%VSS(Grady等,1999)污泥量減少可達約50%。 

      這意味著如果在約一半的污水處理廠實現了ISS減少并應用污泥厭氧消化,則全國范圍內污泥產生量可能減少約25%。連同能量回收增加的和購買化學品成本減少,落實減少ISS并應用污泥厭氧消化將在很大程度改善污水處理廠的可持續性。

      加強結果導向的應用研究。要大力加強針對克服或解決中國污水水質特性形成的技術瓶頸進而實現高效污水處理目標的可持續性研究與技術開發,從開始就需要制定詳細的可行性研究計劃,針對污水特性,尤其是進水ISS,和硝酸鹽還原速率等研究與實際測試,將有助于從技術確定是否需要初沉池。通過生化揮發物脂肪酸潛力(BVFAP)等指標測試可用于評估初沉污泥和活性污泥發酵的可行性。目前看來,現在針對實際水質特征條件下的污水廠設計,針對解決獨特中國污水水質相關的市政污水處理現實問題的研究仍然相對薄弱。最近幾年中國在水科學研究方面取得了出色的進步,現在也正是時候,可進一步加強在可持續市政污/廢水處理應用領域的研究。

      結束語

      自90年代以來,中國在城市衛生工程方面取得了顯著進步。但是,市政污水處理仍然面臨著低效率的能量回收,營養物去除高成本和高污泥量問題. 這些難題源于獨特的污水水質特性: 高ISS,低COD和C / N比。這項研究揭示了污水水質特性和市政污水處理廠的低效率之間的因果關系。進一步提出建議,要根據當地的實際水質特性,進行污水處理廠的設計和運行。鑒于管網完善需要一定周期, 污水處理廠的可持續性改進可以與管網提質增效、管網修復等工作并行。提供具有成本效益的措施和解決方案的建議,即高效除砂、污泥發酵和應用低碳生物脫氮除磷工藝,并估算了實施可能帶來的收益。強調了未來加強以結果導向的市政污水處理應用研究的必要性。

      致謝

      楊向平(中國城鎮供水與排水協會),張悅(中國水工業協會),鄭興燦(中國市政工程華北設設計研究總院有限公司),甘一蘋(中國城鎮供水和排水協會),王洪臣(中國人民大學),王佳偉(北京排水集團),胡維杰(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司),吳遠遠 (北京首創),楊岸明(北京排水集團),李金河(天津創業環保),丁永偉(蘇州水務集團公司),李 激(江南大學), 王 燕(江南大學)和呂 貞(常州市排水管理處)等提供了有用的信息和觀點.


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