基于减污降碳和水质目标约束下的黄河干流兰州段城区污水处理厂出水排放限值研究

彭定华，张 辉，马雪菲，黄 河

生态环境部黄河流域生态环境监督管理局生态环境监测与科学研究中心，河南 郑州 450004

随着社会经济的快速发展，工业化、城镇化程度及居民生活水平不断提高，水资源开发利用强度日益增大，水资源短缺既是制约各地高质量、可持续发展的关键因素，也是部分河湖水质超标、水生态系统退化等问题的重要原因[1-2].城镇污水处理厂是改善城市水环境的基本工具，能有效去除废污水中的有害物质和污染物，减少水环境污染物排放[3-4].已有研究[5-6]表明，近年来，我国污水处理厂的污染物去除率呈现出持续上升趋势，2007-2017 年NH3-N 去除率由75.1%升至90.9%，TP 去除率由72.3%升至83.0%，悬浮物(SS)去除率由89.4%升至92.0%，COD 去除率由84.2%升至87.2%，这说明污水处理厂在水环境改善及水资源循环利用中起到重要作用.然而，在污水处理过程中，含氮污染物(TN)硝化或反硝化作用产生的N2O、有机物(BOD5或COD)在厌氧环境去除过程中转化的CH4，以及脱水干污泥滞留厂界内产生的CH4均会直接产生大量的碳排放[7-8]；污水处理厂能耗、热耗、药耗也会间接产生大量的碳排放[9-12].据统计，污水处理行业的碳排放量已被公认为是前十大碳排放行业之一，污水处理厂产生的温室气体量约占全球向大气排放的温室气体量的1.6%[13-16].随着管理要求日趋严格，污水处理厂出水水质要求不断提高，需要污水处理厂不断实施提标改造，优化处理工艺，一方面会增加污水处理过程中的直接碳排放，另一方面会增加污水处理能耗、药耗，间接导致碳排放增加[17-19].

兰州市地处中国西北部、黄河上游，黄河自西南流向东北横穿兰州市全境.《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》《黄河生态保护治理攻坚战行动方案》《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》《减污降碳协同增效实施方案》等文件相继印发，加之《中华人民共和国黄河保护法》的出台并于2023 年4 月1 日实施，对黄河流域水环境治理提出新的更高要求.《黄河生态保护治理攻坚战行动方案》《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》明确提出：到2025 年，黄河干流上中游(花园口以上)水质达到GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类标准.作为城市污水“净化器”，污水处理厂在城市水环境改善中发挥着无可替代的作用.《减污降碳协同增效实施方案》中明确提出要推进水环境治理协同控制，大力推进污水资源化利用，开展城镇污水处理和资源化利用碳排放测算，优化污水处理设施能耗和碳排放管理.已有研究[20-21]表明，一味地提高污水处理厂排放标准的做法并不一定有利于碳减排和环境综合效益，甚至有可能产生负面作用.如张岳等[22]通过城镇污水处理厂全流程环节的碳排放研究发现，适当提高污水处理厂出水水质标准有利于污染物减排，从而实现污水处理厂碳减排，如果为追求处理效果，一味提标改造，会增加污水处理厂运营成本，导致污水处理厂碳排放增加.

兰州市污水处理厂均位于城镇等人口密集区下游，排污口基本位于区域内地势最低点.西固、七里河安宁、盐场和雁儿湾污水处理厂等主要处理设施均位于黄河干流沿岸.2020 年，兰州市城镇污水处理设施污水处理总量约为2.2×108m3，主城区西固、七里河安宁、盐场和雁儿湾四座污水处理厂污水处理总量约为2.1×108m3，占比在95%以上.本研究对兰州市城区四座污水处理厂2019-2021 年以及2022 年1-6 月提标改扩建工程投入试运行期间主要污染物排放浓度进行统计，分析了四座污水处理厂中水回用情况、减排效果以及入河排污对黄河兰州段水质的影响，梳理了黄河流域城镇污水处理厂运行情况相关研究成果；同时基于以上统计分析结果，综合考虑减污降碳、黄河干流兰州段水质目标及管理部门要求等，分别提出四座污水处理厂出水排放限值，结合政策要求，对兰州市城区污水处理厂运行提出建议，以期为后续污水处理厂出水排放限值研究提供方法参考.

1 研究方法

1.1 兰州市城区四座污水处理厂主要污染物排放浓度

1.1.1 主要污染物批复排放浓度

兰州市城区四座污水处理厂入河排污口设置于2016年底批复，主要污染物排放浓度批复值如表1 所示.

表1 黄河干流兰州段四座城区污水处理厂主要污染物排放浓度批复值Table 1 Approved values of discharge concentrations of major pollutants of the four sewage treatment plants in Lanzhou Section of the Yellow River Main Stream

1.1.2 主要污染物实际排放浓度

笔者分别对西固、七里河安宁、盐场及雁儿湾四座污水处理厂2019-2021 年主要污染物排放浓度在线监测数据进行统计，同时将四座污水处理厂2019-2021 年主要污染物排放浓度分别进行合并统计(其中NH3-N 浓度按照水温WT≤12 ℃、WT>12 ℃分别统计，见图1).特征值包括最小值、50th百分位值、80th百分位值、90th百分位值、95th百分位值、最大值及平均值7 项.

图1 黄河干流兰州段四座城区污水处理厂2019-2021 年主要污染物排放浓度Fig.1 Discharge concentration of major pollutants of the four sewage treatment plants in Lanzhou Section of the Yellow River Main Stream from 2019 to 2021

自2018 年开始，七里河安宁、盐场及雁儿湾污水处理厂进行提标改扩建，分别于2022 年10 月、2022 年6 月、2021 年12 月完成并投入运行，其中七里河安宁污水处理厂完成部分切换.考虑到污水处理厂改扩建可能造成的影响，本研究对四座污水处理厂2022 年1-6 月主要污染物排放浓度在线监测数据进行统计，结果如图2 所示.

1.2 兰州市城区四座污水处理厂中水回用情况及减排效果

1.2.1 中水回用情况

基于2019-2021 年四座污水处理厂出水量、回用量及排放量，对四座污水处理厂中水回用情况进行统计，结果如表2 所示.根据四座污水处理厂的出水量及回用量数据，计算出兰州市城区四座污水处理厂中水回用率分别为2.92%、0.86%、4.66%和1.91%.

1.2.2 减排效果

1.2.2.1 主要污染物去除率

通过改扩建，七里河安宁污水处理厂工艺由原“复合式AO 工艺”升级为“改良A2/O+MBR 膜工艺”；盐场污水处理厂工艺由原“SBR 的典型工艺-TCBS 工艺”升级为“A2/O+MBR 膜处理工艺”；雁儿湾污水处理厂在原“A2/O 工艺”基础上增加了膜处理工艺，升级为“A2/O+MBBR、A2/O+MBR 膜工艺”；西固污水处理厂自2012 年投运以来未进行提标改造，工艺为“改良A2/O”.根据各污水处理厂设计进出水的主要污染物浓度，对四座污水处理厂主要污染物去除率进行统计，结果如表3 所示.由表3 可见：四座污水处理厂COD 去除率介于88.9%~94.2%之间；NH3-N 去除率介于87.5%~90.0%(WT>12 ℃)、80.0%~84.0%(WT≤12 ℃)之间；BOD5去除率介于94.4%~97.2%之间；TN 去除率介于66.7%~76.9%之间；TP去除率介于87.5%~96.2%之间；SS 去除率介于96.0%~98.8%之间.

表3 黄河干流兰州段四座城区污水处理厂主要污染物去除率Table 3 Removal efficiency of major pollutants of the four sewage treatment plants in Lanzhou Section of the Yellow River Main Stream

1.2.2.2 实际减排效果

采用各污水处理厂2019-2021 年实际处理量、进出水主要污染物在线监测浓度平均值，对四座污水处理厂2019-2021 年主要污染物COD、NH3-N 的减排量进行统计，结果如表4 所示.由表4 可见，2019-2021 年COD 年均减排量介于13 021.4~46 677.1 t 之间，NH3-N 年均减排量介于743.1~3 297.7 t 之间.

表4 黄河干流兰州段四座城区污水处理厂主要污染物减排量Table 4 Major pollutants emission reduction of the four sewage treatment plants in Lanzhou Section of the Yellow River Main Stream

1.3 污水处理厂运行阶段碳排放分析

目前，污水处理厂碳排放核算方法主要参考联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的《2006 年IPCC 国家温室气体清单指南》（简称“《IPCC 指南》”），将污水处理厂碳排放分为直接碳排放和间接碳排放[23-24].根据《IPCC 指南》，生物降解过程中排放的CO2因其碳元素源于空气中的CO2，对空气碳平衡影响有限，不纳入国家碳排放总量的核算范围.在污水处理厂运行过程中直接向空气排放的CH4、N2O 及外加碳源转化排放的CO2，称为直接碳排放，且直接碳排放中N2O 的排放量与TN 的去除率成正比，CO2的排放量与外加碳源量成正比，CH4的排放量与尾泥量成正比.污水处理厂运行过程中的能耗、物耗产生的碳排放，称为间接碳排放，且间接碳排放量与污水处理厂用电量及物耗成正比[25-29].郭盛杰等[30]研究认为，我国北方地区(含黄河流域)温室气体单位排放强度显著高于南方地区.分析其原因，一方面由于北方地区排水系统中雨水、地下水等外来水较少，导致北方地区污水处理厂进水污染物浓度相对较高；另一方面受北方地区平均温度较低影响，尤其到冬季，部分地区需要通过增加曝气、保温等措施来提高微生物活性，造成北方地区污水处理厂温室气体排放量、处理单位水量电耗均相对较高.徐傲等[31]依据《2020 年城市建设统计年鉴》及全国污水处理管理信息系统数据，对黄河流域68 个市(州、盟)855 座城镇污水处理厂的建设与运行情况进行研究，发现黄河流域城镇污水处理厂处理单位水量电耗介于0.26~1.11 kW·h/m3之间，单位COD 去除电耗介于0.89~9.06 kW·h/kg 之间，其中兰州市最低，为0.89 kW·h/kg.

1.4 兰州市城区四座污水处理厂入河排污影响分析

《2021 年中国生态环境状况公报》显示，黄河干流兰州段自上而下新城桥、什川桥、青城桥3 个国控断面，七里河桥、中山桥、包兰桥3 个省控断面共计6 个监测断面全部达到GB 3838-2002 Ⅱ类标准.此外，黄河上游水环境监测中心分别对各污水处理厂入河排污口近场(污水处理厂入河排污口、入河排污口上游1 km 、入河排污口下游1 km 3 个断面)的黄河水域开展监测，自2018 年监测以来，各污水处理厂入黄口下游近场断面各测点水质均为GB 3838-2002Ⅱ类，仅就监测期间的水质状况来看，污水处理厂通过排污入黄且并未对黄河水质造成明显影响.

在实测数据分析基础上，结合兰州市城区四座污水处理厂入河排污口所在水功能区内排污口的分布情况，考虑各排污口叠加影响，结合黄河干流水功能区纳污能力核定工作实践，参照GB/T 25173-2010《水域纳污能力计算规程》[32]，本研究选择一维水质模型〔见式(1)〕，对四座污水处理厂入河排污影响进行预测.

式中：Cs为排污口下游某断面处污染物浓度，mg/L；X为排污口至下游某断面的距离，km；X′为排污口至上游对照断面的距离，km；M为污染物入河量，g/s；C0为排污口上游对照断面污染物浓度，mg/L；q为污水入河流量，m3/s；K为污染物综合降解系数，d-1；Q为河道设计流量，m3/s；u为河道设计流量条件下的流速(设计流速)，m/s.

本研究选取西固污水处理厂入河排污口上游500 m 处作为对照断面，分别以黄河兰州段国控、省控断面作为控制断面进行入河排污影响分析，影响分析范围内各断面信息如表5 所示.选取排污口上游新城桥国控断面近5 年实测浓度为对照断面污染物浓度(C0)，具体如表6 所示，模型控制因子包括COD、NH3-N、BOD5、TN 和TP 等5 项主要污染物.河道设计流量采用近10 年最枯月平均流量，本研究按照350 m3/s 计算，对应设计流量为0.83 m/s；污染物综合降解系数参照《黄河流域综合规划》《黄河重点河段水功能区划及入河污染物总量控制方案研究》等研究成果，得出COD、NH3-N、BOD5、TP 和TN 的降解系数分别为0.08、0.07、0.12、0.08、0.05 d-1.

表5 影响分析范围内各断面信息Table 5 Information of each section in the impact analysis range

表6 排污口上游对照断面主要污染物浓度Table 6 The concentration of major pollutants in the upper control section of the sewage outlet mg/L

2 结果与讨论

根据1.1.2 节统计结果，对比污水处理厂改造工程投入运行前后主要污染物的排放浓度，发现改造工程投运前后七里河安宁、盐场及雁儿湾污水处理厂外排水COD 浓度的95th百分位值分别从37.84、30.81、31.03 mg/L 降至33.1、22.29、26.48 mg/L，NH3-N 浓度的95th百分位值分别从5.03、4.33、3.92 mg/L 降至1.24、2.55、1.39 mg/L.这说明提标改造后，污水处理厂外排水水质较之前进一步改善.

通过对兰州市城区四座污水处理厂中水回用情况及减排效果进行分析，发现四座污水处理厂中水回用率在0.86%~4.66%之间，其中盐场污水处理厂最高.总体上看，各污水处理厂中水回用率均较低，远未达到《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》《关于印发黄河流域水资源节约集约利用实施方案的通知》等文件的要求，即至2025 年，黄河流域上游地级及以上缺水城市再生水利用率在25%以上.中水主要回用于厂区绿化、设备冷却及电厂等，回用途径有限，直接影响其回用率.根据污水处理厂主要污染物去除率统计结果，除TN 外，其他污染物去除率均在80%以上，兰州市城区四座污水处理厂主要污染物去除率高于国内污水处理厂主要污染物去除率的平均水平.对四座污水处理厂2019-2021 年COD、NH3-N 年均减排量进行统计分析，发现四座污水处理厂COD、NH3-N 合计年均减排量分别为114 584.1、8 234.6 t，减排效果明显.

通过水质影响模型分析发现：正常工况下，在上游来水水质采用近5 年实测主要污染物浓度平均值和90th百分位值分析，无论污水处理厂排水是否回用，排污均不会造成下游各控制断面超出GB 3838-2002Ⅱ类水质目标；在上游来水水质采用近5 年实测最大浓度值(低于但接近Ⅱ类标准限值)下，无论污水处理厂排水是否回用，排污均会造成下游七里河桥断面及以下河段NH3-N 均超出GB 3838-2002 Ⅱ类水质目标.如表7 所示，在各污水处理厂排水回用25%情况下，下游各断面主要污染物浓度与不回用直接排放相比均有所降低，说明通过污水处理厂排水回用，可以降低排污对下游断面的影响.事故工况下，污水处理厂事故污水的排放可能影响到下游白银市的城市供水.

表7 黄河干流兰州段四座城区污水处理厂排水不回用和回用25%两种情况下黄河各断面主要污染物浓度统计Table 7 The concentration of major pollutants in each section of the Yellow River under two conditions of non-reuse and 25% reuse in the four sewage treatment plants in Lanzhou Section of the Yellow River Main Stream

根据1.1 节的统计结果，对比分析主要污染物排放浓度批复值(见表1)与四座污水处理厂2019-2021 年主要污染物排放浓度在线监测数据(见图1)，发现西固、盐场及雁儿湾污水处理厂COD、TN 浓度的95th百分位值均小于批复值，七里河安宁污水处理厂TN 浓度的95th百分位值小于批复值，COD 浓度的95th百分位值大于批复值，但90th百分位值小于批复值，说明四座污水处理厂COD、TN 排放浓度90%以上能稳定达标.西固、七里河安宁及雁儿湾污水处理厂TP 浓度的90th百分位值小于批复值，盐场污水处理厂TP 浓度的80th百分位值小于批复值，说明盐场污水处理厂TP 排放浓度有近20%不达标.WT>12℃时，西固、盐场污水处理厂NH3-N 浓度的80th百分位值均大于批复值，且批复值与各污水处理厂50th百分位值更接近，说明西固、盐场污水处理厂NH3-N排放浓度有近50%不达标；WT≤12 ℃时，NH3-N 排放浓度达标率更低.提标改扩建工程实施后，盐场污水处理厂TP 排放浓度不达标情况得到改善，NH3-N排放浓度达标率有所升高，2022 年1-6 月达标率近90%.根据1.4 节的统计结果，发现黄河干流兰州段现状水质为优，污水处理厂通过排污入黄并未对黄河水质造成明显影响.

综上所述，在黄河枯水期上游来水水量小、水质接近或超出GB 3838-2002 Ⅱ类水质目标限值条件下，若兰州市城区四座污水处理厂均按照设计规模及设计出水水质(GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准)排污，叠加区间其他入河排污口的影响，到七里河桥断面及以下河段NH3-N浓度均超出Ⅱ类水质目标.因此，为尽可能保证黄河干流兰州段水质持续稳定达标，需要结合污水处理厂外排污水水质控制实际情况，在保证水体污染物得到有效控制的前提下，以推进减污降碳协同增效为原则，从环境综合效益以及“双碳”目标约束角度考虑，适当调整兰州市城区四座污水处理厂的污染物排放浓度控制标准.

考虑到四座污水处理厂入河排污口均位于黄河干流兰州段，将四座污水处理厂2019-2021 年主要污染物排放浓度进行综合统计并与各污水处理厂统计结果进行对比分析.综合考虑黄河干流兰州段水质目标要求、各污水处理厂处理能力及进水波动情况、出水水质控制情况、2019-2021 年污水处理厂运行过程中受纳水体水质监测情况、水质模型预测结果、污水处理厂排污路径及入河排污口位置与下游水质监测断面距离等因素，分别将各污水处理厂2019-2021 年主要污染物排放浓度95th百分位值与四座污水处理厂合并统计主要污染物排放浓度95th百分位值比较，从严控制，同时与排污口管理部门原批复排放浓度衔接，分别提出各污水处理厂主要污染物出水排放限值(见表8)，按此排放浓度进行模型预测，黄河干流兰州段城区四座污水处理厂的外排水量按其设计规模进行控制，排污不会造成下游各控制断面超出GB 3838-2002 Ⅱ类水质目标(见表9).对比分析本研究提出的主要污染物排放限值与相关管理部门在2016 年的批复值发现，对于COD，本研究提出的排放限值与批复值基本维持不变，一是因为四座污水处理厂2019-2021 年COD 在线监测数据95th百分位值与批复值接近，提标改扩建工程实施后，2022 年1-6 月四座污水处理厂COD 在线监测数据95th百分位值均小于批复值，说明四座污水处理厂COD 排放浓度95%以上能稳定达标，且在此期间纳污河段水质能稳定达标；二是继续提高COD 排放标准，将额外增加能耗，增加碳排放，虽能减污，但不利于降碳.对于NH3-N，本研究提出的排放浓度与批复值对比有所提升，一是因为考虑了水质目标约束，根据1.4 节结果显示，黄河干流兰州段现状水质为优，污水处理厂通过排污入黄并未对黄河干流水质造成明显影响，说明各污水处理厂按照现状排污，正常情况下是不会对黄河干流兰州段水质达标情况产生影响，仅在上游来水水量小、水质差时会产生一定的影响.二是因为考虑了污水处理过程中的碳排放.张岳等[22]基于城镇污水处理厂全流程环节的碳排放模型研究表明，在硝化、反硝化过程中，外加碳源消耗量与污水中NH4+、NO3-浓度成正比，每消耗1 kg 甲醇产生0.9 kg 的CO2，同时硝化、反硝化过程会消耗能量，产生间接碳排放.一味地提高污水处理厂外排水NH3-N排放标准，降低NH3-N 排放浓度，虽能减少NH3-N 排放量，但对于黄河干流兰州段水质进一步改善效果不明显，同时还会增加污水处理过程中的碳排放.

表8 黄河干流兰州段四座城区污水处理厂主要污染物排放限值Table 8 Major pollutants emission limits of the four sewage treatment plants in Lanzhou Section of the Yellow River Main Stream

表9 黄河干流兰州段四座城区污水处理厂按本研究提出的排放限值排污情况下黄河各断面主要污染物浓度Table 9 The concentration of major pollutants in each section of the Yellow River under the discharge limits of the four sewage treatment plants in Lanzhou Section of the Yellow River Main Stream

3 结论与建议

a) 本研究通过大量的数据统计，结合水质影响模型分析，综合考虑减污降碳、黄河干流兰州段水质目标及管理部门要求等，分别提出兰州市城区四座污水处理厂出水排放限值.四座污水处理厂按照本研究提出的排放限值排污不会造成纳污河段各控制断面超出GB 3838-2002 Ⅱ类水质目标，各污水处理厂按照目前的处理工艺正常运行，出水主要污染物浓度可以达到本研究提出的排放限值.

b) 兰州市城区四座污水处理厂入河排污口设置于2016 年底批复，批复时重点考虑了受纳水体水质目标，对主要污染物COD、NH3-N 排放浓度进行严控，实际运行过程中各污水处理厂NH3-N 排放浓度均存在不同程度超批复值情况，污水处理厂为达标排放，实施了提标改扩建，优化了处理工艺，但仍存在超标排放情况.综合本研究相关结果，发现污水处理厂出水排放限值的确定不能仅考虑受纳水体水质目标，还要综合考虑污水处理厂提标改扩建的投资和运行成本，从传统的单一水质目标约束拓展到减污降碳和水质目标双约束，使污水处理厂管理逐步精准化、科学化.

c) 鉴于兰州市城区四座污水处理厂中水回用率低的情况，建议地方政府部门统一协调组织，积极拓展中水回用路径，提高回用率.根据污水处理厂外排水质，实施分质供水，可直接或经进一步处理后用于景观环境、绿地灌溉、厕所冲洗、道路清扫、车辆冲洗、农田灌溉及一般工业循环冷却水等，通过提升回用率，一方面缓解区域水资源短缺局面，另一方面减少污染物的排放.

d) 建议污水处理厂运行过程中，采取有效措施推进减污降碳协同增效.在进水量或进水水质波动较大的时段应注意保持或加强进水管控与均质调节，优化运行管理，严格控制消毒工序消毒剂投加量，避免二次污染；在进水水质超出设计指标情况下及时调整运行参数，必要时增加预处理设施，确保污水处理效果；持续推进污水处理厂节能降耗，充分利用内部碳源，对加药系统、曝气系统以及污泥回流系统进行精细化控制，减少处理过程中产生的药耗和能耗，减少间接碳排放.