中国城镇污水处理工艺的主要污染物去除效率分析

陈敏敏 刘 杰 张 震 赵银慧 王军霞#

(1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012；2.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120)

一般地，城镇居民生活污水、各种机构及公共设施排水和部分工业废水、初期雨水都经城镇污水收集系统进入城镇污水处理厂进行集中净化处理[1-2]。城镇污水处理厂是城市水污染防治的重要一环，也是改善水环境质量的重要设施。我国城镇污水处理行业整体发展迅速，随着《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》等政策文件的实施，城镇污水收集和处理设施短板将加快补齐，实现城镇污水的全收集、全处理[3-5]。

目前，针对我国城镇污水处理厂污染物去除效率的研究较多，但主要集中于使用较多的工艺类型[6-7]，基于城镇污水处理厂采用的所有污水处理工艺的综合研究较少。为此，本研究统整了第二次全国污染源普查结果以及现场调研的污染源自行监测和执法监测数据，资料内容基本覆盖2017年全部城镇污水处理厂，可以较真实地反映出我国现阶段城镇污水处理厂的实际情况。通过分析我国城镇污水处理厂的主要污水处理工艺使用情况，结合不同污水处理工艺的进出水浓度、处理规模等影响因素，探讨了不同污水处理工艺下COD、氨氮两项主要污染物的去除效率差异，以期为推进我国城镇污水处理厂建设改造，全面提升城镇污水处理能力提供参考及数据支持[8]。

1 我国城镇污水处理厂污水处理工艺使用情况

根据第二次全国污染源普查结果，2017年我国城镇污水处理厂有8 969家，设计污水处理能力为2.1亿m3/d，污水实际处理量为595.8亿m3，城镇污水处理厂的数量占全国集中式污水处理单位总量的11.5%，设计处理能力、实际处理水量分别占全国污水处理总量的86.5%、91.4%[9]；由此来看，城镇污水处理厂是我国集中处理污水的主体，作为工业污染源和生活污染源排放污水的主要处理单位，其运行情况将关系到环境水体的质量情况。

我国城镇污水处理厂基本涵盖现行主要的废水处理方法，使用的污水处理工艺有36种，其中包括物理处理工艺7种，化学处理工艺5种，物理化学处理工艺3种，好氧生物处理工艺11种，厌氧生物处理工艺4种，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺6种。

目前城镇污水处理厂的污水处理级别分为一级处理、二级处理和深度处理。一级处理主要去除悬浮物，二级处理主要去除有机污染物，深度处理是对污水二级处理的出水进一步净化处理的工艺。其中，物理处理、化学处理、物理化学处理工艺是以沉淀为主体的处理工艺，是城镇污水处理厂去除悬浮物的污水处理工艺流程，一般作为好氧生物处理工艺、厌氧生物处理工艺和稳定塘、人工湿地及土地处理工艺的前后端辅助处理手段[10]。因此，本研究针对采用好氧生物处理工艺、厌氧生物处理工艺和稳定塘、人工湿地及土地处理3个工艺大类的20种工艺小类开展分析，不同工艺的COD、氨氮去除效果见表1。

表1 城镇污水处理厂不同污水处理工艺下的COD、氨氮去除情况Table 1 COD and ammonia nitrogen removal efficiency of different wastewater treatment processes in municipal wastewater treatment plants

我国地域辽阔，各地根据不同的环境特征、土地资源、投资效益、污水处理工艺技术发展、进水特征和排放标准的要求等选择不同的城镇污水处理工艺。对城镇污水处理厂使用的处理工艺按应用数量进行排序，我国城镇污水处理厂使用最多的工艺大类为好氧生物处理，其中应用最多的工艺中类为活性污泥法。我国目前有7 322家城镇污水处理厂使用活性污泥法，占我国城镇污水处理厂总数的81.6%，工艺小类中A2/O工艺、普通活性污泥法、氧化沟类和A/O工艺应用最广泛，4种应用占比合计68.0%。应用量居前10位的污水处理工艺小类统计结果见表2，除人工湿地外，其他9项工艺小类均归属于好氧生物处理工艺。随着我国城镇污水处理厂提标改造工作的持续推进，具有较高脱氮除磷效率的A2/O工艺、氧化沟类、SBR类、MBR类应用日益广泛[11-12]，这4种工艺的设计处理能力已占我国城镇污水处理设计总能力的76.9%。

表2 城镇污水处理厂污水处理工艺小类前10位占比Table 2 The proportion of top 10 wastewater treatment subdivision processes in municipal wastewater treatment plants

2 不同污水处理工艺的主要污染物去除效率

污染物的去除效率是评价城镇污水处理厂运行效果、效率和稳定性的重要指标，能够反映出城镇污水处理厂的环境效益。

2.1 COD去除效率分析

我国城镇污水处理厂COD进水质量浓度在30.0～977.5 mg/L，平均值为202.7 mg/L，中位值为182.5 mg/L，80%分位数为265.0 mg/L，COD的进水浓度与其他典型污水处理厂基本持平[13-14]，平均出水质量浓度为26.3 mg/L，COD平均去除率为84.5%。

采用好氧生物处理工艺的城镇污水处理厂进水COD平均质量浓度为202.8 mg/L；出水COD平均质量浓度为25.8 mg/L，COD平均去除率为84.6%，略高于全国城镇污水处理厂总体平均值。包含8个工艺小类的活性污泥法进水COD平均质量浓度为205.5 mg/L，比好氧生物处理工艺平均值高1.3%，出水COD平均质量浓度为25.3 mg/L，COD平均去除率为85.0%，比好氧生物处理工艺平均值高0.4百分点。包含3个小类工艺的生物膜法进水COD平均质量浓度为180.9 mg/L，比好氧生物处理工艺平均值低10.8%，出水COD平均质量浓度为28.7 mg/L，COD平均去除率为81.2%，比好氧生物处理工艺平均值低3.4百分点。

厌氧生物处理工艺不在我国城镇污水生物处理工艺的推荐工艺中，但也约有5.4%的城镇污水处理厂采用厌氧水解、厌氧生物滤池等厌氧生物处理工艺。采用厌氧生物处理工艺的城镇污水处理厂进水COD平均质量浓度为193.9 mg/L，出水COD平均质量浓度为28.4mg/L，COD平均去除率为82.9%，比全国城镇污水处理厂平均值低1.6百分点。

稳定塘、人工湿地及土地处理是利用土壤和植物的净化能力去除污水中的污染物的自然净化工艺，需要占用土地资源，约有9.6%的城镇污水处理厂采用该类污水处理工艺。采用稳定塘、人工湿地及土地处理工艺的城镇污水处理厂进水COD平均质量浓度为195.6 mg/L，出水COD平均质量浓度为29.6 mg/L，COD平均去除率为82.7%，比全国城镇污水处理厂平均值低1.8百分点。3个中类工艺比较，人工湿地、土地渗滤对COD的去除率相近，分别为83.5%、83.1%，高于稳定塘79.0%的去除率。

通过上述分析可知，我国城镇污水处理厂不同污水处理工艺的进水COD浓度较为平均，差异不显著；进水COD浓度普遍较低，全国仅有约20.6%的城镇污水处理厂进水COD能达到260 mg/L的要求。从COD去除效果上看，3个污水处理工艺大类对COD的去除率由高到低分别为好氧生物处理工艺，厌氧生物处理工艺，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺；活性污泥法对COD去除效果较好，所属的8个工艺小类对COD的去除效果差距不大，去除率最大值与最小值仅相差2.3百分点，生物膜法的3个工艺小类对COD的去除效果差距较大，去除率最大值与最小值相差高达5.2百分点，COD平均去除率低于全国平均值，另外两个工艺大类对COD的去除率也低于全国平均值。经统计，不同的污水处理工艺的去除率与进水COD浓度有正向相关的趋势，当进水COD浓度较高时，COD的去除效率较高；因此未来新建污水处理厂建议选用活性污泥法污水处理工艺、提高进水COD浓度以保证有机负荷维持较高的水平，从而提升COD的去除效率。

2.2 氨氮去除效率分析

我国城镇污水处理厂氨氮的进水质量浓度在1.6～192.9 mg/L，平均值为23.8 mg/L，中位值为22.6 mg/L，80%分位数为30.6 mg/L，进水氨氮浓度比其他典型污水处理厂略高；出水氨氮平均值为2.5 mg/L，氨氮平均去除率为88.5%。

采用好氧生物处理工艺的城镇污水处理厂进水氨氮平均质量浓度为23.7 mg/L，出水氨氮平均质量浓度为2.3 mg/L，氨氮平均去除率为88.8%，比全国城镇污水处理厂平均值高0.3百分点。包含8个工艺小类的活性污泥法进水氨氮平均质量浓度为23.7 mg/L，与好氧生物处理工艺平均值相同，出水氨氮平均质量浓度为2.2 mg/L，氨氮平均去除率为89.4%，比好氧生物处理工艺平均值高0.6百分点。包含3个工艺小类的生物膜法进水氨氮平均质量浓度为23.3 mg/L，比好氧生物处理工艺平均值低1.7%；出水氨氮平均质量浓度为3.1 mg/L；氨氮平均去除率为84.8%，比好氧生物处理工艺的平均值低4.0百分点。

采用厌氧生物处理工艺的城镇污水处理厂进水氨氮平均质量浓度为24.5 mg/L，出水氨氮平均质量浓度为3.0 mg/L，氨氮平均去除率为87.1%，比全国城镇污水处理厂平均值低1.4百分点。

采用稳定塘、人工湿地及土地处理工艺的城镇污水处理厂进水氨氮平均质量浓度为24.0 mg/L，出水氨氮平均质量浓度为4.1 mg/L，氨氮平均去除率为83.4%，比全国城镇污水处理厂平均值低5.1百分点。3种中类工艺比较，人工湿地、土地渗滤对氨氮的去除率相近，分别为85.4%、85.6%，高于稳定塘的平均氨氮去除率(78.9%)。

通过上述分析可知，不同污水处理工艺中进水氨氮浓度最大的工艺小类为AB法，最小的为土地渗滤法，各工艺进水氨氮浓度波动不大。AB法、好氧氧化塘的出水氨氮能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2012)一级B标准，其他18个工艺小类的出水氨氮可达到GB 18918—2012一级A标准。从氨氮去除效果上看，3个污水处理工艺大类对氨氮的去除率由高到低分别为好氧生物处理工艺，厌氧生物处理工艺，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺；活性污泥法对氨氮去除效果较好，所包含的8个工艺小类中，5个工艺小类的氨氮去除率超过全国城镇污水处理厂平均值；而生物膜法、厌氧生物处理法以及稳定塘、人工湿地及土地处理工艺对氨氮的去除率均低于全国平均水平；与COD不同的是，氨氮去除率与进水氨氮浓度有负向相关的趋势，当进水浓度低时去除率较高，当进水浓度高时去除率较低；这是因为氨氮的去除主要通过硝化细菌的硝化作用实现，当氨氮浓度低时，硝化反应能相对彻底地去除氨氮，使氨氮的去除效率提高。

3 结论和建议

(1) 城镇污水处理厂在我国集中式污水处理设施中的数量占比仅11.5%，但设计处理能力、实际污水处理量占比分别达86.5%、91.4%，是我国当前集中式污染治理设施处理污水的主体。我国城镇污水处理厂使用的污水处理工艺相对集中，好氧生物处理工艺大类中的活性污泥法使用最多，占城镇污水处理厂总数的81.6%，其中的A2/O工艺、普通活性污泥法、氧化沟类和A/O工艺4种工艺应用占比合计68.0%。

(2) 在城镇污水处理厂3种大类工艺中，对COD的去除率由高到低分别为好氧生物处理工艺，厌氧生物处理工艺，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺；对氨氮的去除率由高到低分别为好氧生物处理工艺，厌氧生物处理工艺，稳定塘、人工湿地及土地处理工艺。活性污泥法的各个小类工艺相较于其他工艺类型，对COD和氨氮均有较好的去除效果。

(3) 随着我国生态环境质量改善需求的增加和城镇污水处理厂的污染物排放标准限值的加严，城镇污水处理厂建设改造时建议选择活性污泥法等污染物去除效率高、运行管理技术更成熟的处理工艺，同时尽可能提高进厂污水中易降解碳源的含量，以达到更低的排放浓度和更高的达标率，满足水环境治理改善的需要。