长江经济带污水处理工艺空间分布研究

2022-03-04王宇喆

绿色科技 2022年2期

王宇喆

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

近年来，随着城市化进程的加快，工业污水和生活污水排放量逐年递增，水污染问题日益严重，不仅影响周围居民生活环境，还造成了水安全隐患。为系统推进水污染防治，2015年4月国务院发布《水污染防治行动计划》(水十条)，该计划提出要全面控制污染物排放，通过规划、建设污水集中处理设施等方式，集中治理工业集聚区水污染，污水处理问题逐渐得到重视。目前，已有大量学者对污水处理工艺进行研究[1～3]，却并未考虑污水处理工艺的区域性差异，该差异是城市工业化和经济发展水平的体现，因此，探究污水处理工艺区域性差异，有利于揭示城市污水处理工艺发展的内在规律。

长江经济带作为我国生态优先绿色发展主战场，是我国重要的发展区域之一。随着长江经济带污水处理能力提升，2016～2020年，长江流域优良断面从82.3%提升至96.3%，2019年，长江经济带污水处理厂建成率超过99%[4]。然而，长江经济带覆盖东、中、西部11省份，具有明显的区域性特征，因此，揭示长江经济带污水处理工艺区域性差异具有重要的意义。

本研究通过分析长江经济带沿线11个省市污水处理厂数量和污水处理工艺，结合长江经济带沿线城市经济发展水平，分析上、中、下游城市污水处理工艺空间分布特征，为长江经济带区域污水处理研究提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究对象

研究对象为长江经济带11个省市1839座城镇污水厂的处理工艺，上游城市为四川省、重庆市、云南省和贵州省，中游城市为湖北省、湖南省和江西省，下游城市为安徽省、浙江省、江苏省和上海市。数据来源于生态环保部公布的全国城镇污水处理设施名单。

2.2 分析方法

本研究运用SPSS 18.0软件对数据进行统计分析，运用Excel软件绘制图表。

3 结果与讨论

3.1 长江经济带污水厂数量及处理工艺

根据生态环保部公布的全国城镇污水处理设施名单，2013年，全国投运的城镇污水处理设施共4136座，其中，长江经济带11个省市约有城镇污水处理厂1839座，长江经济带面积仅为全国的21%，但污水处理厂占全国的44.5%，可见，长江经济带污水量较大，污水处理需求较高。总体来看，长江经济带污水厂数量下游>上游>中游，江苏省污水厂数量最多，为512座，上海仅有45座(表1)。将长江经济带污水厂主体处理工艺进行分类，大多污水处理厂采用A2/O和氧化沟处理工艺，A/O次之(图1)。

3.2 长江经济带污水处理工艺分布特征

3.2.1 长江经济带上游污水处理工艺特征

长江经济带上游城市污水处理厂共532座，CASS工艺(循环活性污泥系统)和氧化沟工艺是上游城市污水处理厂主要处理工艺。

表1 长江经济带沿线省市污水处理厂数座

图1 长江经济带污水厂处理工艺分布

其中，CASS工艺是四川省和云南省的主要处理工艺，该处理工艺分别占总污水厂处理工艺的20.3%和25%。CASS工艺是以SBR工艺装置为基础的新型工艺，将反应池设计为生物选择区、兼性区和主反应区，进行周期循环运行，加强了微生物对污染物的吸附或释放[5]。相比于SBR工艺，CASS工艺系统运行更加稳定，在建设费用低、占地面积少、自动化程度高等优点的基础上，脱氮除磷效果也有所提升[3,6]。CASS工艺使用范围广，适合分期建设，对于资金不足的地区更占优势。可见，四川省和云南省污水处理厂在工艺选择方面，将经济性考虑其中，优先选择经济性、脱氮除磷效果兼具的处理工艺，同时，不满足于传统SBR工艺的低处理效率，利用CASS新型工艺提高污水厂脱氮除磷能力，提高出水水质。

重庆市和贵州省主要处理工艺为氧化沟，重庆市氧化沟和奥贝尔氧化沟处理工艺的污水处理厂共计33座，占总污水厂处理工艺的37.5%；贵州省氧化沟处理工艺的污水处理厂有53座，占总污水厂处理工艺的50.5%；氧化沟处理工艺在四川省的使用频率也仅次于CASS工艺。氧化沟作为最早的污水处理法，至今仍被大量使用，氧化沟是跑道型封闭沟渠，通过微孔曝气设施，使污水与活性污泥充分混合，加快污水与微生物的接触反映，进而去除污水中氮磷及有机物[1]。氧化沟工艺池深较浅，占地面积相对较大，工艺流程简单，方便后期管理维护[7]，贵州省作为氧化沟工艺为主的地区，由于其用地不紧张，因此，可以选择占地面积较大、自控需求不高的氧化沟工艺作为污水处理厂主要工艺。

此外，云南省使用SBR和改良SBR工艺的污水厂占比可达到37%。SBR工艺是集调节池、曝气池和沉淀池为一体的单一反应器，具有处理效果好、运行费用低、操作灵活等优点[7,8]。Ketchum[9]研究表明，相比于普通活性污泥法，SBR工艺可节省基建投资30%，适合于小水量的企业废水使用，可满足云南省低投入高回报的污水处理需求(图2)。

3.2.2 长江经济带中游污水处理工艺特征

长江经济带中游城市湖北省、湖南省和江西省污水处理厂的主要工艺均为氧化沟工艺，分别占污水厂总量的28.1%、44.6%和45.5%，A2/O工艺使用频率次之。氧化沟主要原理为连续循环曝气，具有推流式特点，通过溶解氧浓度在池长方形的浓度梯度，形成好氧、缺氧和厌氧条件[1]。该工艺净化程度高，耐冲击，运行稳定可靠，操作简便，投资少能耗低，多用于10万m3/d及以下规模污水处理厂使用[10]。因此，由于长江经济带上游和中游城市人口较少，污水量较少，经济欠发达[11]，技术水平有限，地域面积广，氧化沟工艺适合长江经济带上游和中游城市中、小规模生活工业污水处理(图3)。

3.2.3 长江经济带下游污水处理工艺特征

长江经济带下游地区，A2/O为主要处理工艺，氧化沟次之。江苏省、浙江省和上海市污水处理厂工艺主要为A2/O，分别占污水厂总数的41.2%、28.2%和26.7%。A2/O工艺具有良好的同步脱氮除磷效果，污水先后进入厌氧池、缺氧池和好氧池，进而去除污水中氮、磷和有机物[2]，由于A2/O工艺简单，易操作，且工艺成熟，运行成本低，污泥产生量少，抗冲击能力强，较适合于大型污水处理厂、工业污水量较大的城市，而江苏、浙江和上海经济发达，技术先进，适合采用A2/O作为污水处理厂主要处理工艺。

安徽省则相反，氧化沟处理工艺占总量的42.4%，相比于A2/O工艺，氧化沟具有工艺流程简单、运行费用低和工程造价低等优点[2]，由于安徽省经济能力和技术水平相比于长三角地区较落后，污水处理需求量也不高，因此，氧化沟工艺可较好满足安徽省污水处理需求(图4)。

综上所述，长江经济带上、中、下游城市，根据人口数量、经济发展水平等差异，污水处理工艺也表现出明显的分布特征，长江经济带上、中游城市污水处理厂工艺以CASS和氧化沟工艺为主，长江经济带下游城市以A2/O工艺为主。各城市污水处理工艺间接反映该城市经济发展水平，邓乂寰等[10]研究表明，由于华东地区人口众多，GDP产值较高，而人口、GDP和污水量呈正相关关系，因此，华东地区污水处理厂数量和处理效率高于其他地区，该结论与本研究结果一致，长江经济带下游由于经济发达、技术水平较高，污水处理需求量较大，污水厂工艺以污染物去除效率较高的A2/O工艺为主。刘梦等[12]对2015年中国城镇污水处理厂水质达标率进行统计，结果表明，水质达标率具有一定区域性，水资源匮乏和经济较落后的西部地区省份达标率低于东部省份，而水质达标率与污水处理工艺有直接关系，长江经济带上、中游城市由于污水量较少，经济欠发达，在污水处理工艺选择方面多考虑经济性，以适合于中、小规模企业废水处理的CASS和氧化沟工艺为主，但由于存在污泥膨胀、污泥上浮等问题，该工艺氮磷处理效率受到一定限制。

图2 长江经济带上游城市污水厂处理工艺分布

图3 长江经济带中游城市污水厂处理工艺分布

图4 长江经济带下游城市污水厂处理工艺分布情况

3.3 长江经济带污水厂处理工艺和去除率

根据污水类型不同，目前，污水处理厂从单一处理工艺逐步向多种工艺叠加转变，能更有针对性地去除污染物，进一步提高污染物去除效率。收集长江经济带污水处理厂相关文献，整理污水处理工艺和污染物去除率，结果如表2所示，整体来看，各污水厂对COD、BOD5、SS、TN、氨氮和TP的去除效率均较高，尤其是原有工艺叠加MBR工艺的污水处理厂，虽然该工艺处理厂占地面积小，但价格昂贵、能耗高，因此，该工艺在使用方面具有一定限制性。如表2所示，大多污水厂对污水COD和BOD5的去除可达到80%以上，SS去除效率更高，可达到90%以上，对于TN来说，各污水处理厂的去除效率较低，大多在70%左右，重庆市以CAST处理工艺为主的污水处理厂TN去除率仅为38.5%，可能由于进水水质碳氮比较低，反硝化能力较弱，进而影响污水生物脱氮效率。氨氮和TP处理效率也较高，均在90%左右波动。