我国城镇污水处理厂发展历程及技术建议

邓乂寰， 吴坤， 阳平坚， 赵泉林， 叶正芳

（1.北京大学 环境科学与工程学院， 北京 100871；

2.中国城市科学研究会， 北京 100835； 3.中国环境科学研究院， 北京 100012）

根据住建部的统计数据， 2019 年我国共有污水处理厂4 140 座， 其中城市2 471 座， 县城1 669座， 处理能力接近2 亿m3／d， 污水处理率达到96%［1］。 近10 年来， 我国污水处理取得了重大进步， 但与发达国家相比还有一定的差距。 目前欧盟27 个国家， 大约有污水处理设施22 558 个， 污水处理人口比例达到82%， 其中69%的人口连接三级处理， 13%的人口连接二级处理。 丹麦、 德国、 奥地利、 荷兰4 个国家三级处理达到90%以上， 其中荷兰达到99%。 近20 年来日本污水处理人口比例迅速发展， 从2000 年的71% 增长到目前的92%。 美国接入市政管网处理比例为81%， 剩下的19% 只连接了化粪池， 进行简易处理［2－4］。

我国污水处理厂的规模已经位列世界第一， 绝大多数城镇区域已经覆盖污水收集及处理设施，“十四五”规划发展更关注污水处理厂的高质量发展。 本文总结了我国污水处理厂的发展历程及目前的空间分布和运行费用， 同时对现行主流的污水处理工艺进行分析， 为今后污水处理厂高质量发展提供了建议。

1 污水处理厂建设情况及空间分布

1.1 建设情况

我国污水处理发展起步较晚， 20 世纪50 年代主要依靠水体的自净能力净化污水， 60 年代转为将污水用于农田灌溉， 70 年代开始利用城郊的坑塘洼地、 废河道、 沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，改造成简单的稳定塘， 对城市污水进行简单处理。70 年代末期开始重视引进国外先进技术和设备，开展与国外的技术交流， 逐步探索适合我国国情的工程技术和设计， 为以后的建设奠定了基础。 进入80 年代后， 随着城市化进程的加快和对污染防治的逐渐重视， 国家适时调整政策， 规定在城市政府担保还贷条件下， 准许使用国际金融组织、 外国政府和设备供应商的优惠贷款， 由此推动了一大批城市污水处理设施的兴建。 我国污水处理事业有了较大的发展， 其中具有里程碑意义的是中国第一座大型城市污水处理厂——天津市纪庄子污水处理厂于1982 年破土动工， 1984 年竣工投产运行， 处理规模为26 万m3／d， 采用活性污泥法工艺。 在此成功经验的带动下， 北京、 上海、 广东等省市根据各自的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂， 至此正式标志我国进入工业化污水处理时代［5－7］。

在“八五”、 “九五”和“十五”规划期间， 随着城市环境综合治理的深化及各流域水污染的重视，各地加大了污水处理设施建设力度， 到2005 年，我国城市污水处理厂从1990 年的80 个增长到792个， 处理能力达到5 725 万m3／d， 其中二级以上污水处理厂694 座， 水环境污染趋势得到了初步遏制， 部分地区有所改善［1］； 但我国城镇水污染情况依然很严重， 一些城镇的集中式饮用水源地污染物不同程度超标， 113 个环保重点城市饮用水源地水质平均达标率只有72%， 县城污水处理水平还比较低， 1 636 个县城中只有117 座污水处理厂，设施覆盖率仅为14%， 且主要集中在东部发达地区［8］。 “十一五”规划期间， 地方各级人民政府积极落实国家部署， 污水处理得到进一步发展。 截至2010 年底， 我国城镇生活污水设施处理能力达到1.25 亿m3／d， 城市污水处理率达82%， 县城污水处理率达到60%， 但同时面临污水处理设施建设发展不均衡、 管网配套建设相对滞后、 现有设施升级改造压力较大、 污泥处理及污水回用等问题［8］。“十二五”的污水处理建设规划中针对这些问题做出了具体部署， 各地和有关部门认真贯彻落实， 截至2015 年， 我国污水处理水平得到明显提高， 城镇污水处理能力已达到2.17 亿m3／d， 城市污水处理率达到92%， 县城污水处理率达到85%。 农村地区污水处理设施也到了提升， 镇处理率达到51%。污水回用和污泥处理率得到了一定程度的提高， 但是污水处理设施建设仍然存在着区域分布不均衡、配套管网建设滞后、 建制镇设施明显不足、 老旧管网渗漏严重、 设施提标改造需求迫切、 部分污泥处置存在二次污染隐患、 再生水利用率不高、 重建设轻管理等问题。 为此， “十三五”规划提出了实现城镇污水处理设施建设由“规模增长”向“提质增效”转变， 由“重水轻泥”向“泥水并重”转变， 由“污水处理”向“再生利用”转变， 全面提升我国城镇污水处理设施的保障能力和服务水平， 改善水环境质量。

1.2 空间分布

我国各区域污水处理设施建设及运行情况如表1 所示［9］。 从表1 可见， 污水处理厂及污水处理能力主要集中在华东地区， 华东地区污水处理厂占全国的27%， 年处理能力占总量的33%， 排水管网约占总长度的40%， 这是因为华东地区分布了约4亿人口， 约占全国总人口的29%， GDP 产值也约占全国的38%， 人均生产总值为国内最高， 接近9万元。 华南地区污水处理设施排名第二， 年处理能力占总量的16%。 东北和西北地区最低， 年处理能力分别占9% 和5%。 区域设施的建设情况与经济状况发达情况和人口数量有极大关系。 目前污水处理厂运行情况最好的地区为华中地区， 平均运行负荷达到90%， 西北和东北均不足80%。 在平均单位电耗指标上， 华北地区最高， 达到0.428 kW·h／m3， 这可能是因为华北地区对污水排放标准要求较高。 华北地区污水的再生利用率远远高出其他地区， 达到了36%， 西北地区最低， 仅为9%。

表1 各区域污水处理设施建设及运行情况Tab. 1 Construction and operation situations of sewage treatment plants in different regions

1.3 运营成本分析

谭雪等［10］对我国污水处理厂的运营成本进行了分析， 结果显示平均污水运行成本约为0.81 元／t， 污泥为0.2 元／t， 结合2019 年各地区污水处理量， 对污水处理费用进行估算， 年处理费用509 亿元， 其中华东地区年污水处理费用最高， 达到168亿元， 占全国总费用的34%， 是中部地区的2 倍、西部地区的3 倍。 排名前4 的广东、 江苏、 山东、浙江， 均超过30 亿元， 其中广东年投入费用达到68 亿元。 最低的省份为青海和宁夏， 年处理费用在3 亿元以下。 为了验证各区域污水处理费用与人口和GDP 的关系， 对三者分别进行了拟合， 结果如图1 所示。 由图1 可知， 各区域人口和GDP 都呈很强的线性关系（R2≈0.9）， 这是因为人口数量越多， 产生的污水量也越多， 同时GDP 越高， 污水收集率和人均产生的污水量也会提高。 因此， 未来随着污水收集能力的提高和经济的增长， 各省的污水处理运行费用将进一步提高。

图1 各区域城镇污水处理运行费用与人口、 GDP 的关系Fig. 1 Relationship among operation cost of sewage treatment in different regions, population and GDP

2 处理工艺及运行情况

20 世纪80 年代及以前我国大部分城市污水处理厂采用普通曝气法活性污泥处理工艺及其改良工艺， 主要以去除污水中BOD5和SS 为目的， 对污水中氮磷的去除率非常低。 进入90 年代， 随着化肥、 洗涤剂和农药的普遍应用及GB 8978—1996《污水综合排放标准》的提高， 对城市污水的排放标准提出了新的要求， 在去除BOD5、 SS 的同时还需要考虑脱氮除磷， 此阶段污水处理技术发展较快， A／O、 A2／O、 氧化沟、 SBR、 BAF 等工艺因具有较好的脱氮除磷效果开始被运用于城市污水处理［11-12］。 进 入2000 年 后， 随 着GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的推出， 对出水氮磷浓度有了更明确的要求。 近年来由于污水处理厂出水指标的不断提高， 原有污水处理工艺逐渐被许多新型工艺和改进型工艺取代， 如A2／O工艺逐渐被改良A2／O 工艺取代， SBR 工艺被改良SBR 工艺取代， CASS 工艺及CAST 工艺在新建污水处理厂中所占的比例逐年升高［13］。 目前我国污水处理厂的设计处理规模主要在4 万t 及以下， 占比77%， 主要采取的污水处理工艺为A2／O、 氧化沟和SBR。

2.1 An／O 工艺

An／O 工艺主要由A／O 工艺和A2／O 工艺组成，这2 种工艺使用最为广泛， 分别占比4%和33%［14］。A2／O 工艺运用比例随着污水处理厂规模增大而增大， 尤其是在日处理能力10～20 万m3和20～50万m3规模的污水处理厂中达到了50%［14］。 A／O 工艺流程简单、 投资较少， 但是由于没有独立污泥回流系统， 不能培养具有独特功能的污泥， 对污水中存在的难降解污染物的处理效率较低。 A2／O 工艺是A／O 工艺的改进版本， 其对生活污水中氮、COD、 有机物的去除率更高， 在脱氮同时还可以除磷， 这是A／O 工艺所不具备的。 目前采用A2／O 工艺的污水处理厂中60% 执行一级A 或更高标准。未来在高排放标准要求的情况下， 具有脱氮除磷综合优势的A2／O 工艺的应用将进一步增加。

2.2 氧化沟

氧化沟工艺作为一种成熟的活性污泥污水处理工艺已在全国范围内广泛应用， 该工艺占比29%，主要运用在10 万m3／d 及以下规模污水处理厂。 它是活性污泥法的一种变型， 其曝气池呈封闭的沟渠型。 常见氧化沟工艺有： 卡鲁塞尔2000、 DE、 奥贝尔及其改进形式、 一体化氧化沟。 氧化沟工艺利用连续环式反应池作生物反应池， 混合液在该反应池中一条闭合曝气渠道进行连续循环。 氧化沟通常在延时曝气条件下使用。 氧化沟具有推流特性， 使得溶解氧浓度在沿池长方向形成浓度梯度， 形成好氧、 缺氧和厌氧条件。 对系统合理设计与控制， 可以取得较好的脱氮除磷效果。 目前55.4% 的氧化沟工艺项目执行一级A 及更高的标准［14］。

2.3 SBR

SBR 包括传统SBR、 CASS 及其改进、 CAST、UNITANK 及其改进、 DAT－IAT、 AICS、 CTECH、ZT 廊道交替池工艺等， 目前占比19%， 主要运用在10 万m3／d 及以下规模污水处理厂。 SBR 是采用间歇曝气方式， 最主要的特点是运行上进行有序和间歇操作， 尤其适用于间歇排放和流量变化较大的场合， SBR 工艺可以用在学校生活污水处理、 加工厂间歇排放的工业污水、 中小型污水处理站。 SBR将有机污染物降解与泥水混合物沉淀集为一体， 无需污泥回流， 不设二沉池， 在单一曝气池内通过控制曝气就能达到同时降解有机物和脱氮除磷的效果， 因此该工艺在全世界范围内得到广泛应用。 目前采用SBR 工艺的项目中， 41.4% 执行一级A 及更高的标准［14］。

我国污水处理厂运行负荷与设计规模成正相关关系， 40 万t 及以上规模的污水处理厂负荷率最髙，达到91%， 10 万～40 万t 的为88%， 4 万～10 万t的为83%， 4 万t 及以下的负荷率最低， 为77.3%。污水处理厂的平均进水质量浓度如下： COD 275 mg／L、 BOD5118 mg／L、 氨氮26 mg／L、 总氮35 mg／L、总磷4 mg／L， 其中日均值最高的省份为新疆、 内蒙古、 甘肃和北京， 这些污染物的去除率大部分达到了90%， 其中COD 90%、 BOD594%、 氨氮91%、 总氮69%、 总磷88%［9］。

为进一步降低这些污染物含量， 达到更高的排放标准， 投加外部碳源、 除磷药剂成为一种必要的辅助手段。 在我国城镇污水处理厂中， 6% 左右的城镇污水处理厂投加了碳源（主要为甲醇、 葡萄糖、 乙酸、 乙酸钠）； 35% 以上的城镇污水处理厂采用了化学除磷（主要为聚合氯化铝、 聚合硫酸铁、 硫酸铝、 三氯化铁、 聚合氯化铝铁）， 主要工艺投加量从高到低为A／O、 A2／O、 氧化沟、 SBR；76% 的污水处理厂投加了脱水药剂（主要为聚丙烯酰胺）， 实现污泥脱水［15］。 随着污水处理规模的增加和排放标准的提高， 污水处理对资源的消耗（尤其是能耗）将进一步提高， 主要污水处理工艺平均单位能耗从大到小为SBR、 A2／O、 A／O、 氧化沟［16］。污水处理平均耗电量为0.317 kW·h／m3， 按照年污水处理总量计算， 2019 年耗电量约为162 亿kW·h， 约占全社会总电耗的0.24%。 与2010 年的103亿kW·h 相比， 耗电量上涨约60%， 年增长率达到6%［1］。

3 建议

（1） 制定因地制宜的污水处理工艺及排放标准。 目前我国采用的污水处理工艺都是基于活性污泥法进行改良的工艺， 这类处理工艺能够快速和高效地对污水进行处理， 但由于管网建设滞后，运行负荷偏低， 雨污未分流， 导致进水浓度低（如ρ（COD）＜150 mg／L）， 同时采用基于活性污泥工艺的改良工艺导致了能耗高、 药耗高、 建设成本高，及后期维护成本高， 因此针对中小城市或者西北干旱地区， 考虑到土地资源多， 可出台相关的标准鼓励采用比较占地的生物处理法， 如土地处理法、 人工湿地、 滴滤池、 接触氧化法， 这些工艺建设成本和运行成本低， 对药剂的依赖程度及对运营人员的专业水平要求也不高， 即便是低负荷也不会造成资源浪费。 同时这些地区环境承载能力大， 可参考农田污水回灌标准， 实现污水资源化［17］。

（2） 提高中水的再生利用率和污水中营养物质的回收。 目前城市和县城污水再生利用率分别为17.2% 和9%， 同时一些城市缺乏生态用水， 这些经过高标准处理过的尾水应有效利用起来， 可利用政策引导和市场价格调节， 使再生水成为第二补充水源。 污水中含有大量的氮与磷， 目前对于这2 个指标的排放标准正在逐年提高， 意味着大量的氮与磷从污水中转换出来， 同时氮、 磷是重要的农业生产资料， 且磷的矿产存量越来越少， 因此可以考虑将从污水中转换出来的气态氮和可溶性的磷进行回收转换为肥料， 如可投加镁源将磷和氮转换成鸟粪石， 作为一种农业生产的缓释肥［18－19］。

（3） 提高污泥资源化水平和污水处理厂的能源自给率。 2019 年我国污水处理厂污泥产生量为1.4×107t， 处置量为1.3×107t， 处理率达到95%， 主要处理方式为脱水之后填埋， 城镇污水处理厂基本实现了污泥的初步减量化处理， 但尚未实现污泥的稳定化和资源化［1］。 污泥中含有大量有机质（51%）及营养物质（氮3%、 磷2%、 钾1%）［20］。 采用厌氧消化工艺可减少污泥接近一半的量， 同时还能产生沼气， 尤其是热水解处理技术预处理后产气能力还能提高［21］。 污水处理作为一个高耗能行业， 间接产生大量的温室气体。 如果采用高效厌氧消化、 协同厌氧消化技术， 一方面能够实现污泥的稳定化及减量化， 另一方面可以产气发电以提高污水处理厂的能源自给率， 降低能耗。