城镇污水处理厂出水排放限值分级及提标成本研究

蔡木林， 卢延娜， 刘 琰， 赵丽娜， 杨占红， 魏玉霞， 王海燕

中国环境科学研究院， 环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012

由于快速的城市化和人口增长，严重的水资源短缺已成为全球关注的问题. 城镇污水处理厂被认为是改善城市水环境的基本工具，除此之外还在生态系统资源保护和水资源循环利用中起到重要作用[1]. 因此，发展环境可持续和经济上可行的水处理技术，补充有限的水资源，是实现水资源可持续性的一种可行的工程解决方案，这一点已经得到广泛的认同[2-4]. 城镇污水处理厂既是城镇污水的治理单位，也是主要的水污染物排放单位之一，是实现水环境质量改善必须考虑的污染物减排单位. 目前，中国拥有世界上数量最多和处理能力最大的城市污水处理厂. 截至2018年6月底，全国已建成城镇污水处理厂 5 222 座，处理能力达2.28×108m3/d[5]. 我国城镇污水处理厂普遍执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》，其中针对常规污染物根据不同排放去向规定了一级A、一级B、二级和三级4个不同水平的排放限值. 2006年，原国家环境保护总局在太湖流域推行提标到一级A标准. 随着水环境质量改善压力的加大，各地陆续出台了专门的城镇污水处理厂排放标准或涵盖其排放控制要求的流域水污染物排放标准. 有些地方排放标准的主要污染物排放限值提升至GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类或Ⅲ类，如北京、浙江和江苏等地均出台了严于国家标准的地方城镇污水处理厂排放标准[6-13]，其技术经济可行性成为标准制定与实施的重要基础和保障. 同时，我国围绕固定源排放管理，逐步建立起以排污许可制为核心的环境管理制度，如何支撑环境质量改善成为排污许可制设计必须面对的问题，其中城镇污水处理厂为重点关注的水污染物排放源之一[14]. 因此，该研究系统梳理现行标准，并结合排污许可提出许可排放浓度和排放量的限值分级设计框架，针对城镇污水处理厂主要污染物的不同排放浓度水平，开展技术经济可行性评估，以期为城镇污水处理厂的提标改造提供参考.

1 许可排放限值分级体系设计

许可排放限值主要包括许可排放浓度限值和许可排放量限值两部分:许可排放浓度限值主要依据排放标准确定；许可排放量限值则一般在排污许可技术规范中给出确定方法，最终实现改善环境质量的目的. 许可排放量的确定方法可以基于排放标准计算，当执行此要求仍不能使环境质量达标时，应由环境质量目标倒推来确定许可排放量. 根据我国国情，目前许可排放量限值仍主要基于排放标准计算，同时结合总量控制目标或环评批复要求确定. 因此，污染物排放标准是许可排放限值确定的重要依据. 针对水污染物排放控制而言，排放标准主要分为国家行业排放标准、地方行业排放标准和地方流域排放标准，实施顺序为地方标准优先于国家标准，流域标准优先于行业标准. 需要说明的是，污水综合排放标准可视作一种特殊的行业排放标准，适用于无行业排放标准的其他行业. 该研究以水环境质量改善为目标，按照从宽松到严格的顺序，提出许可排放限值的分级体系设计(见表1)，各地可结合水环境质量改善需求，选择执行的级别即确定许可排放限值的方式，直至针对单个污染源核定基于水环境质量改善目标的许可排放量.

表1 许可排放限值分级体系设计

2 城镇污水处理厂排放浓度限值分级

目前，全国多个省份都出台了城镇污水处理厂排放标准. 如北京的DB 11/890—2012《城镇污水处理厂水污染物排放标准》[6]、浙江省的DB 33/2169—2018《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》[7]、江苏省的DB 32/1072—2018《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》[8]，以及河北省的DB 13/2795—2018《大清河流域水污染物排放标准》[9]等. 其中北京地方标准的A标准和河北省《大清河流域水污染物排放标准》的核心控制区标准是现阶段全国范围内最严的强制性污水处理厂排放标准，其主要水污染物排放要求均严于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》，主要水质指标排放限值(除TN外)均达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅲ类标准(见表2). 随着地方标准的发布实施以及再生水资源利用的逐步推广，大量已建城镇污水处理厂存在提标改造的需求.

参考表2中各排放标准及限值的设置情况，按照从宽到严的顺序，分别将本研究的排放限值设计为GB 18918—2002一级A、GB 3838—2002准Ⅴ类、GB 3838—2002准Ⅳ类和GB 3838—2002准Ⅲ类的浓度水平，并据此确定对应的主要水污染物浓度限值分级设计(见表3).

表2 城镇污水处理厂主要污染物排放标准及限值比较[6-13]

表3 城镇污水处理厂排放限值分级设计

3 提标改造工艺技术的选择

废水处理工艺通常分为3个级别，即一级处理、二级处理和三级处理. 其中，一级处理主要为格栅、沉沙等预处理；二级处理主要为生物处理，包括常规活化污泥法(CAS)、厌氧/缺氧/好氧法(A2/O)、氧化沟法、SBR法、移动床生物膜反应器(MBBR)和膜生物反应器(MBR)等[15-19]；三级处理主要为高效过滤、高级氧化、膜处理等深度处理技术，包括活性砂滤池或滤布滤池、反硝化滤池、臭氧接触池、超滤、反渗析或电渗析等[20-25]. 对于排放要求较高的污水处理厂，其处理工艺大多采用预处理+生化处理+深度处理的组合方式. 例如，广东某污水处理厂由A/A/O+微曝氧化沟+纤维滤池改造为曝气生物滤池+高效沉淀池+精密过滤工艺，出水水质指标由GB 18918—2002一级A标准提升至GB 3838—2002 Ⅳ类水质标准[15]. 宋浩亮等[16]在强化二级处理的基础上，深度处理单元选用反硝化深床滤池，通过在滤池进水渠投加碳源及聚合氯化铝(PAC)，达到反硝化脱氮及化学除磷的效果，同时利用滤料的截留作用去除水中悬浮物，使出水达到准Ⅳ类标准. 上海某污水处理厂选用超滤膜作为深度处理工艺提升排放水质[17]. 吴军[18]采用强化生物处理+超滤膜过滤+臭氧催化氧化工艺将出水排放标准由一级A提标至地表水Ⅳ类水. 北京和昆明的再生水厂成功采用A2/O+MBR+臭氧接触+活性炭滤池工艺稳定达到准Ⅲ类排放标准. 典型的各级排放标准达标技术路线示例如图1所示.

图1 不同分级排放限值的达标技术路线示例

4 各级排放限值达标成本分析

城镇污水处理厂排放限值达标技术的成本组成主要包括投资成本、运行成本和新增占地成本等. 投资成本包括构筑物建设和设备(如膜组件)购置所需要的费用. 通过对各地污水处理厂提标改造的实际案例进行研究，并向污水处理厂设计和运行领域业内资深专家进行咨询，得到各类新建处理单元的成本分析结果. 从投资成本来看：MBR的膜组件为700～1 000元/t、反硝化滤池为500元/t、高效沉淀池为200元/t、臭氧接触池为100元/t、活性砂滤池为300元/t、活性炭滤池为300元/t. 运行成本是污水处理设施在整个运行过程中所需各项成本的总和，具体包括：①电费，通常情况下电费占总运行费用的60%，其中曝气成本占电力成本的40%～75%[26]；②药剂费，即在对污水进行处理时添加相关药剂(包括絮凝剂、碳源、化学除磷剂等)产生的费用；③修理费，主要是设备专修时使用的资金；④设备维护费，即对相关设备进行维护时所需要的费用；⑤人员工资福利费；⑥其他费用，主要包括污泥外运、处理造成的费用等. 此外，由于提标改造需要新建处理设施和安装新设备，还可能新增占地成本. 运行成本主要核算了电费和药剂费，未包括全国不同地区和污水处理厂差异较大的人工费、修理费、维护费等其他费用，因此运行成本较实际情况略低，但可为主要运行成本核算提供参考.

目前，城镇污水处理技术研究和应用历史较长，大多较为成熟，完全可以满足收严到各级排放限值的需要，如臭氧活性炭法、超滤+反渗透或电渗析等很多工艺和方法都能使污水处理厂的排放达到Ⅳ类甚至Ⅲ类的要求[27-29]. 但相应的是，排放限值的收严必然会增加各项成本. 提标改造的关键点在于提升脱氮除磷的水平[30-31]，该研究以执行GB 18918—2002一级A的一座10×104t/d规模的城镇污水处理厂为例，分别计算达到这4个排放限值分级所需的各项成本[32-36]，估算结果如表4所示. 由表4可以看出，一座10×104t/d规模的城镇污水处理厂在GB 18918—2002一级A的基础上进一步加严到各级别的排放限值，需要增加的投资成本和运行成本均有大幅增加. 排放限值从四级提升到最严格的一级，需要增加投资成本1.1×108～1.4×108元，增加运行成本1.6～1.8元/t，增加土地占用面积 2 000 m2.

5 研究成果应用

以我国某中等城市为例，该城市共建有34座城镇污水处理厂，总设计处理规模为222.1×104t/d，实际处理水量为171.8×104t/d. 处理工艺以A2/O、MBR和氧化沟+高效沉淀池或微絮凝过滤为主，目前全部执行GB 18918—2002一级A标准，此类情况在全国具有一定代表性. 由于该市水环境容量小，水质改善目标考核压力较大，因此该市计划制定城镇污水处理厂整体提标方案，并制定配套的地方标准. 各污水处理厂需要在原有处理工艺的基础上增加深度处理技术. 采用表4所示的各项成本评估方法，估算该城市城镇污水处理厂的整体技术改造所需的成本，结果如表5所示. 从表5可以看出，如需在GB 18918—2002一级A的基础上进一步提标到各级别的排放限值，需要增加的各项成本均有不同程度地增加. 达到最严格的一级限值最高需要增加投资成本24.4×108～31.1×108元，增加运行成本13.0×108～14.6×108元/a，增加占地面积约6.8×104m2. 该市相关管理部门通过参考成本分析的结果并综合评估后，对地方污水处理厂排放标准限值的设置方案进行了相应调整.

表4 城镇污水处理厂排放限值分级与成本分析

表5 某中等城市所有城镇污水处理厂技术改造成本估算

6 结论与建议

a) 对于一座处理能力为10×104t/d的城镇污水处理厂，将其排放浓度限值由GB 18918—2002一级A(四级)分别提标到GB 3838—2002中准Ⅴ类水质标准(三级)、准Ⅳ类水质标准(二级)和准Ⅲ类水质标准(一级)的浓度水平，成本与占地面积逐步增加. 当排放限值从四级提高到一级时，成本与占地面积均大幅增加，其中投资成本增加1.1×108～1.4×108元，运行成本增加1.6～1.8元/t，土地占用面积增加约2 000 m2. 以我国某中等城市为例，达到最严格的一级限值需要增加投资成本为24.4×108～31.1×108元，增加运行成本13.0×108～14.6×108元/a，增加占地面积约6.8×104m2.

b) 通过排放限值分级设计，评估单个污水处理厂或城市区域内城镇污水处理厂提标改造，达到各级排放限值的技术经济可行性，是优化城镇污水处理厂提标改造方案或规划决策的重要依据. 地方在制定城镇污水处理厂提标改造方案或制定标准时，应统筹考虑水环境质量改善需求和提标改造的技术经济可行性，根据各地自身条件和经济能力确定合理目标，因地制宜制定实施适合本地区的地方标准.