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來(lái)源：IWA國(guó)際水協(xié)會(huì)

中國(guó)在城市衛(wèi)生方面取得了了不起的進(jìn)步，但是市政污水處理廠仍然面臨著源自于獨(dú)特污水水質(zhì)特征而引起的問(wèn)題。為此，由曹業(yè)始博士領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)比較了中國(guó)和廢水處理傳統(tǒng)較長(zhǎng)國(guó)家的市政污水處理在能量回收、營(yíng)養(yǎng)物去除和污泥產(chǎn)量方面的差異, 揭示了因?yàn)橄滤罎B漏導(dǎo)致的中國(guó)市政污水水質(zhì)特性（高無(wú)機(jī)懸浮固體（ISS）濃度、低COD濃度和低碳氮比）與市政污水處理廠性能和效率之間的因果關(guān)系。鑒于下水道修復(fù)工作耗時(shí)長(zhǎng)久, 改進(jìn)現(xiàn)有的污水處理廠性能和效率應(yīng)該與下水道修復(fù)同時(shí)進(jìn)行。研究團(tuán)隊(duì)建議結(jié)合中國(guó)市政污水水質(zhì)特征，具有成本效益地改善市政污水處理可持續(xù)性的措施和方案，并估計(jì)了實(shí)施它們可能帶來(lái)的收益，研究同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)以結(jié)果導(dǎo)向的市政污水處理應(yīng)用研究的必要性。

導(dǎo)言

自90年代以來(lái)，中國(guó)在城市衛(wèi)生方面取得了顯著進(jìn)步。2017年市政污水處理能力達(dá)到49.2 x10⁹立方米，在城市地區(qū)的覆蓋率達(dá)94.5％。去除營(yíng)養(yǎng)物（氮和磷）已經(jīng)在國(guó)家范圍內(nèi)依法實(shí)施。然而，許多市政污水處理廠面臨能量回收少，營(yíng)養(yǎng)物去除昂貴，污泥產(chǎn)量高等問(wèn)題。下水道滲漏造成的中國(guó)市政污水獨(dú)特的水質(zhì)特征是市政污水處理廠效率低下的主要原因。最近，中國(guó)三部委頒布的題為《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案（2019—2021年）》文件強(qiáng)調(diào)了下水道修復(fù)在城市水環(huán)境衛(wèi)生與生態(tài)關(guān)鍵功能，標(biāo)志著中國(guó)城市水環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。考慮到下水道修復(fù)所涉及的繁重任務(wù)，所需的巨大投資和長(zhǎng)周期，采取具有成本效益的快速行動(dòng)以改善中國(guó)市政污水處理效率和可持續(xù)性，與下水道修復(fù)應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行。這項(xiàng)研究有三個(gè)目標(biāo)：(1) 比較中國(guó)和其他具有更長(zhǎng)廢水處理傳統(tǒng)的國(guó)家的市政污水處理在能量回收，營(yíng)養(yǎng)物去除和污泥產(chǎn)生量的差異；(2)揭示市政污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)特征與工藝性能和效率之間的因果關(guān)系；(3)建議適合于中國(guó)污水水質(zhì)特性的具有成本效益的措施和解決方案，以提高市政污水處理廠的可續(xù)性。

方法

中國(guó)、歐洲、美國(guó)和新加坡的污水處理廠能源回收基于使用厭氧消化（AD）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP），而中國(guó)相當(dāng)部分廠省略初級(jí)污泥沉降（PS），很少?gòu)S使用污泥厭氧消化(AD)，污泥的產(chǎn)生主要基于觀察微生物(剩余污泥)生長(zhǎng)量(系數(shù))和進(jìn)水無(wú)機(jī)懸浮固體(ISS)積累。

結(jié)果和討論

市政廢水處理 – 可持續(xù)性

表1 顯示，不到5％的中國(guó)城市污水處理廠使用污泥厭氧消化，與歐洲、美國(guó)和新加坡相比，比例非常低，說(shuō)明通過(guò)污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)（下稱AD-CHP）途徑進(jìn)行的能量回收非常有限，盡管具有較長(zhǎng)污水處理傳統(tǒng)的國(guó)家很久之前已經(jīng)廣泛應(yīng)用AD-CHP技術(shù)。舍棄使用污泥厭氧消化不僅導(dǎo)致污泥穩(wěn)定化問(wèn)題，招致二次污染衛(wèi)生問(wèn)題，還大大增加了污泥量（由于沒(méi)有污泥厭氧消化過(guò)程中VSS破壞, 加上調(diào)理板框脫水添加石灰）增加了污泥處理、 處置和再利用的費(fèi)用和困難。

表1 | 在中國(guó)和其他國(guó)家/地區(qū)采用污泥厭氧消化的市政污水處理廠占比（％）

為了達(dá)到嚴(yán)格的營(yíng)養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)[如中國(guó)市政污水處理廠一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，TN（總氮）<15mg-N/L，TP(總磷）< 0.5 mg-P/L，和在一些省份敏感地區(qū)實(shí)施的TN <10 mg-N/L，TP <0.3 mg-P/L], 盡管舍棄初級(jí)污泥沉降, 中國(guó)許多污水處理廠采用了外加碳源除氮(和磷)。從根本上講，這是由于進(jìn)水的低C/N比，因?yàn)閷?duì)于典型的污水，常規(guī)的生物脫氮工藝可以在不添加或添加少量碳的情況下實(shí)現(xiàn)出水TN <10-15 mg-N/L?，F(xiàn)今在一些廠中，化學(xué)藥品花費(fèi)僅次于電力, 排名第二。如果實(shí)行更嚴(yán)格的營(yíng)養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)（例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L）, 將給工廠運(yùn)營(yíng)和地方當(dāng)局帶來(lái)進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，此外，考慮初級(jí)能源的使用和相應(yīng)的溫室氣體排放，過(guò)量化學(xué)物質(zhì)添加對(duì)環(huán)境也是不可持續(xù)的。

污水廠活性污泥由微生物(VSS)、惰性有機(jī)物顆粒、礦物粒子（ISS）組成，其生長(zhǎng)量和組成取決于污水的水質(zhì)特性、處理工藝和場(chǎng)地環(huán)境。表2列出了中國(guó)市政污水處理在2015年、2016和2017年基于COD去除量計(jì)算的年平均污泥產(chǎn)量（干固體）。三年平均量為0.69 kg/去除kg COD。鑒于采用初級(jí)污泥沉降的污水廠只有10–20％，少于5％污水廠采用污泥厭氧消化，每去除kg化學(xué)需氧量產(chǎn)生的污泥量可以視為活性污泥過(guò)程定義的表觀產(chǎn)率（系數(shù)）Yobs。運(yùn)用中國(guó)2017年市政污水平均成分，采用的生物脫氮除磷工藝輔助化學(xué)除磷（摩爾鐵/磷去除比率為1.5, 80％的磷去除）活性污泥法，污水易于生物降解的COD (RBCOD）分?jǐn)?shù)為8％，BOD/P為18％，污泥停留時(shí)間（SRT）為15天，根據(jù)Paul 等（2001）基于污泥產(chǎn)量系數(shù)和化學(xué)除磷計(jì)量關(guān)系結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得出的圖表算的污泥產(chǎn)率為0.48 kg/去除kg COD。這數(shù)量比常規(guī)異養(yǎng)活性污泥(VSS/TSS為80％）的污泥產(chǎn)率0.37kg/去除kg COD 多30％。原因是化學(xué)除磷添加金屬藥劑導(dǎo)致非揮發(fā)化學(xué)污泥的增加。上文提到的中國(guó)市政污水廠近三年平均量污泥產(chǎn)率0.69 kg/去除kg COD（見(jiàn)表2）比0.48 kg/去除kg COD高出約44％。

對(duì)中國(guó)江蘇南部部分污水處理廠的調(diào)查表明，當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)特性大致正常時(shí)，污水處理廠污泥產(chǎn)率接近0.48 kg/去除kg COD，而當(dāng)污水水質(zhì)特性異常，污泥產(chǎn)率接近0.69 kg/去除kg COD或甚至更高。在法國(guó)，39％的污水處理廠具有污泥厭氧消化 (表1)，其平均污泥產(chǎn)率為0.44 kg/去除kg COD。新加坡的污泥產(chǎn)率僅0.24 kg/去除kg COD，為中國(guó)的三分之一。新加坡所有市政污水處理廠采用污泥厭氧消化進(jìn)行能量回收，由此減少約35％的固體，雖然僅在個(gè)別活性污泥過(guò)程實(shí)行生物除磷。通過(guò)與法國(guó)和新加坡污水污泥產(chǎn)率相比，可以看出進(jìn)水中無(wú)機(jī)懸浮顆粒濃度以及厭氧污泥消化對(duì)污泥產(chǎn)率系數(shù)的影響，也說(shuō)明中國(guó)目前的市政污水廠污泥產(chǎn)量系數(shù)確實(shí)過(guò)高。

表2 | 2015年，2016年和2017年中國(guó)年度市政污水處理COD去除量和污泥產(chǎn)量以及污泥的觀測(cè)產(chǎn)率系數(shù)

污水處理廠低性能原因：獨(dú)特的污水水質(zhì)特性

污水水質(zhì)特性對(duì)于活性污泥和整個(gè)廠工藝的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。較早的一項(xiàng)對(duì)中國(guó)三個(gè)城市下水道系統(tǒng)進(jìn)行的滲漏比估算研究結(jié)果顯示，下水道系統(tǒng)滲漏導(dǎo)致了中國(guó)市政污水水質(zhì)的三個(gè)基本特征，即高無(wú)機(jī)懸浮固體濃度(ISS)、低COD、低碳氮比。

盡管需有更多數(shù)據(jù)描述全國(guó)情況, 但初步調(diào)查顯示，在中國(guó)，即便在施工質(zhì)量及管理維護(hù)良好的下水道系統(tǒng)，某些地區(qū)的污水處理廠進(jìn)水VSS/TSS比在50％ - 70％的范圍，低于60-80％的正常范圍。文獻(xiàn)報(bào)告進(jìn)水低 COD / SS比(<1)和BOD₅/SS比(0.3-0.5)較低反映污水含高ISS（砂質(zhì)、粉土和粘土等）, 表明國(guó)內(nèi)污水廠進(jìn)水“無(wú)機(jī)化”特性顯著。如公式（1）所示, 假設(shè)在沒(méi)有初沉和最終出水中無(wú)ISS條件下, 進(jìn)水的ISS/TSS率直接影響到混合液無(wú)機(jī)懸浮固體濃度MLISS。其中，ISS_IO：進(jìn)水ISS;Θc：污泥停留時(shí)間SRT；τ：水力停留時(shí)間。  

對(duì)于沒(méi)有初沉，12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工藝，進(jìn)水VSS為180 mg/L，ISS為79 mg/L[VSS比率為70％[180/(79+180）]，當(dāng)進(jìn)水VSS比率減少10％（ISS增加至120 mg/L）使用公式（1）, 混合液ISS增加大約1,000mg-ISS/L，表明了進(jìn)水ISS對(duì)混合液MLVSS/MLSS分?jǐn)?shù)的敏感性。模擬顯示，當(dāng)進(jìn)水的ISS/TSS增加(VSS/TSS比率減少)10%, MLVSS/MLSS分?jǐn)?shù)可減少約10-15％。在中國(guó)大多數(shù)污水處理廠活性污泥（和污泥厭氧消化進(jìn)料）中，MLVSS/MLSS比在30至60％范圍。較低的MLVSS/MLSS比通常來(lái)自進(jìn)水高ISS濃度，連結(jié)滲漏相對(duì)嚴(yán)重下水道系統(tǒng)的污水處理廠，而相對(duì)較高M(jìn)LVSS/MLSS比通常出現(xiàn)在進(jìn)水ISS較低的污水廠，它們或者是管網(wǎng)系統(tǒng)維護(hù)較好，或者是位于中國(guó)北方。最近報(bào)告顯示中國(guó)污水廠活性污泥混合液平均揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)低于50％，遠(yuǎn)低于正常的70-75％的范圍, 表明進(jìn)水含高濃度的無(wú)機(jī)固體(ISS)在活性污泥系統(tǒng)中的積累影響顯著, 即使和只用化學(xué)除磷條件下高化學(xué)污泥及礦物的積累形成的混合液低揮發(fā)固體成分(≈60％）相比。

低混合液MLVSS/MLSS比對(duì)市政污水處理廠工藝性能和運(yùn)行有多方面的不利影響。以活性污泥固體含量70％作為比較基準(zhǔn)，為了在反應(yīng)器中保留相同數(shù)量的生物量, 較低的MLVSS/MLSS-50％則意味著需要活性污泥池的容積增加約40％。另外，混合液中無(wú)機(jī)顆粒增加導(dǎo)致單位體積活性微生物含量的減少，其影響類似于在設(shè)計(jì)中忽略了高進(jìn)水ISS，二者都會(huì)影響生化過(guò)程性能，比如低水溫硝化污泥齡不足導(dǎo)致冬天出水氨氮高。

類似于活性污泥, 污泥厭氧消化池進(jìn)料中的低揮發(fā)性固體含量，降低了單位有效體積（或每單位污泥）的沼氣產(chǎn)率, 減少沼氣產(chǎn)量。而為了達(dá)到預(yù)定VSS的削減率和產(chǎn)氣率,需要增加額外容積或延長(zhǎng)SRT。沼氣產(chǎn)量降低與泥沙等固體在污泥厭氧消化池沉積，以及泥沙引起材料磨損和管道堵塞在很大程度上限制了污泥厭氧消化在中國(guó)的應(yīng)用。廢水中較高的ISS含量被認(rèn)為是中國(guó)應(yīng)用污泥厭氧消化的主要技術(shù)障礙。

進(jìn)水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的積累導(dǎo)致增加污泥產(chǎn)生量。模擬表明，在有或沒(méi)有初沉條件下, 在進(jìn)水VSS/TSS 35-75%的范圍內(nèi), 當(dāng)進(jìn)水VSS/TSS比每降低10％，(剩余)污泥產(chǎn)量（DS）降低20-30％。與污泥增加有關(guān), 高ISS導(dǎo)致剩余污泥明顯增加需要額外的二沉池表面積(容量)和固體處理設(shè)施容量(比如脫水和泵)，再加之處理固體的能量, 將大大增加市政污水處理廠處理固體所需的投資。綜上所述，當(dāng)下污水中高ISS對(duì)中國(guó)市政污水處理廠的績(jī)效和運(yùn)營(yíng)造成多種不利影響, 極大地影響其可持續(xù)性。

2016年中國(guó)市政污水處理廠的進(jìn)水COD濃度平均值僅為267 mg-COD/L，約為表3所列國(guó)家污水廠的進(jìn)水濃度的一半。這歸因于下水道在線生物降解和高滲漏比率。許多污水處理廠進(jìn)水懸浮固體（SS）濃度在100 mg/L范圍，比污水典型值低約150 mg/L, 顆粒在下水道中沉降和積累可能是原因之一。

表3 | 中國(guó)市政污水處理廠和其他地方的進(jìn)水COD濃度（mg-COD / L）

進(jìn)水低COD導(dǎo)致活性污泥池低生物量（MLVSS）濃度。進(jìn)水ISS越高，混合液中的相對(duì)于去除單位COD的非揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)和污泥產(chǎn)量越高。這使得高效除砂在處理COD較低進(jìn)水時(shí)尤其至關(guān)重要。這里需要注意的是, 較低的進(jìn)水COD濃度并不意味著必須廢除污泥厭氧消化(參見(jiàn)下文), 盡管與進(jìn)水COD較高相比，能量回收的量可能會(huì)受到影響。中國(guó)城市污水處理廠的進(jìn)水C/N比在5.4-10.9之間，北京、上海和廣州污水處理廠的進(jìn)水碳氮比介于7.5（廣州）到8.8（北京）之間，平均8.0, 低于其他地方的典型范圍8到12。低C/N比率導(dǎo)致碳短缺, 尤其是面對(duì)高效生物脫氮時(shí)。此外, 鑒于潛在的高濃度惰性顆粒化學(xué)需氧量，與具有類似進(jìn)水的典型污水(較低比例的惰性顆粒COD)的活性污泥相比，反硝化效率和生物除磷效率可能進(jìn)一步減少。在中國(guó)許多污水處理廠，由于進(jìn)水COD較低，為增加碳供應(yīng)，提高生物脫氮(反硝化)效率，省略了初沉池?？紤]初沉池去除30–40％進(jìn)水COD，省略初沉池情況下，則生物池的池容將增加約40％，同時(shí)二沉池表面積也須顯著增加，導(dǎo)致設(shè)施體積和水力停留時(shí)間增加，增加了建設(shè)成本。而由于引入了更多可生物降解的顆粒COD, 顆粒的水解速率成為反硝化效率能否提高的決定因素。由于水解和溫度的關(guān)系，夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季則未必，所以，省略初沉池的目的并不一定是可以實(shí)現(xiàn)的。污水廠因此需要全面詳細(xì)分析污水特征，測(cè)量在不同溫度范圍下硝酸鹽還原速率等，采用具有靈活性操作策略的的設(shè)計(jì)。另一方面，為了滿足日趨嚴(yán)格的營(yíng)養(yǎng)物排放標(biāo)準(zhǔn)（例如，TN<10 mg-N/L），外加碳源被越來(lái)越普遍地實(shí)踐。以當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格粗略估計(jì), 一個(gè)100,000 m³/d的污水處理廠為購(gòu)買相當(dāng)于20 mg-HAc/L醋酸（HAc）, 每年花費(fèi)大約300萬(wàn)元人民幣（約45萬(wàn)美元）。購(gòu)買碳源和化學(xué)物質(zhì)正成為工廠運(yùn)營(yíng)沉重負(fù)擔(dān)。

潛在解決方案

綜合污水水質(zhì)特征考慮市政污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行

面對(duì)中國(guó)獨(dú)特的污水水質(zhì)特征，污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)須綜合考慮當(dāng)?shù)氐奈鬯|(zhì)特征、排放要求、地理位置、處理能力，以及能源供給、化學(xué)藥品和污泥處置成本. 污水水質(zhì)特性在污水處理廠的工藝選擇和設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)生物工藝可能不適用于中國(guó)南部部分地區(qū)的低COD濃度進(jìn)水（例如，COD<100 mg-COD/L）處理, 而基于膜分離的工藝或SANI工藝（硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化）可能是適用的技術(shù)。省略初沉池利用可生物降解的顆粒COD提高反硝化效率在溫暖氣候條件下可能會(huì)實(shí)現(xiàn)，但在寒冷的地區(qū)則未必可行。

能源回收應(yīng)在市政污水處理廠中得到足夠的關(guān)注。早在本世紀(jì)初，美國(guó)許多處理量超過(guò)100,000 m³/d的污水處理廠使用污泥厭氧消化就是經(jīng)濟(jì)可行的。最近幾年數(shù)據(jù)顯示，甚至處理量為20,000–40,000 m³/d的工廠使用污泥厭氧消化在經(jīng)濟(jì)上仍然有利。歐洲數(shù)據(jù)是處理量約或超過(guò)10,000 m³/d (50,000PE）廠使用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)上是可行的。中國(guó)的條件與美國(guó)和歐洲有所不同，研究在當(dāng)?shù)貤l件和因素情況下市政污水處理廠應(yīng)用污泥厭氧消化經(jīng)濟(jì)可行性和必要性的迫切性是顯而易見(jiàn)的，包括能量回收與營(yíng)養(yǎng)物去除兩者之間的平衡和成本-效益分析。

建議措施

鑒于下水道修復(fù)耗時(shí)長(zhǎng)久和當(dāng)前廣泛存在市政污水處理廠的狀態(tài)，需要找出具有成本效益的措施和解決方案并加以實(shí)施，制定整合了各方面因素的污水處理廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行指南, 以提高污水處理廠的運(yùn)行績(jī)效。下面將談?wù)劯倪M(jìn)除砂池、污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電回收的應(yīng)用?？紤]到眾多效益和有限成本，所有污水處理廠，不管規(guī)模多大，提高砂粒去除效率都是值得去做的；而污泥發(fā)酵、污泥厭氧消化和熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用可能適合處理能力相對(duì)較大的污水處理廠，并具有較高的進(jìn)水COD濃度。

增強(qiáng)除砂池除砂效率 

混合液低揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)和高污泥產(chǎn)量歸因于：

· 很多情況下除砂裝置的設(shè)計(jì)存在技術(shù)缺欠如容量不足(低估)和運(yùn)營(yíng)中缺乏維護(hù)；

· 在中國(guó)的許多地方，污水中的ISS濃度很高，且含相當(dāng)部分直徑遠(yuǎn)小于200 μm的微細(xì)無(wú)機(jī)固體。這部分微細(xì)無(wú)機(jī)固體難以被由主要針對(duì)直徑超過(guò)200μm和密度2.7g/cm³砂粒的常規(guī)除砂單元去除。 

從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的可行措施包括：研究現(xiàn)有除砂單元的性能，包括ISS質(zhì)量負(fù)荷和清除效率，并定期加以維護(hù)。另外，升級(jí)現(xiàn)有的常規(guī)除砂設(shè)備，例如增加HRT以提高去除效率。一些例子表明，經(jīng)簡(jiǎn)單升級(jí)后一些常規(guī)的除砂裝置可能實(shí)現(xiàn)55％-60％的混合液揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查能夠去除直徑小于200 μm顆粒物的設(shè)備的去除效率也是有幫助的。從根本上說(shuō)，考慮中國(guó)污水中廣泛存在的高濃度的細(xì)小無(wú)機(jī)固體，以及對(duì)許多污水處理廠性能的嚴(yán)重影響，緊急需要發(fā)起和增強(qiáng)對(duì)除砂工藝的研究。

以下是對(duì)改進(jìn)中國(guó)污水處理廠除砂行動(dòng)計(jì)劃有關(guān)的建議： 

· 對(duì)城市污水處理廠污水中和混合液中的揮發(fā)性固體成分進(jìn)行廣泛調(diào)查；測(cè)量和估算每種類型除砂單元的除砂性能；

· 通過(guò)提高除砂裝置的效率來(lái)減少過(guò)程中的ISS積累；通過(guò)提高除砂效率使混合液中的揮發(fā)性固體成分增加約10％.將小型污水處理廠的混合液中的揮發(fā)性固體成分的目標(biāo)設(shè)置為55-60％，中大型污水處理廠(≥50,000m3/d）為60  - 65%。

污泥發(fā)酵

    最大限度地利用污水中的COD應(yīng)該是解決生物脫氮工藝中碳短缺問(wèn)題的首要途徑。在充分利用易生物降解的可溶性COD方面, 可以參考蘇黎世污水處理廠。在充分利用可生物降解的固體COD方面，初沉污泥發(fā)酵是一種被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。圖1顯示了中國(guó)某地生產(chǎn)規(guī)模污水廠的初沉污泥發(fā)酵數(shù)據(jù), 平均增加40 mg-VFA/L揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。同時(shí)，利用回流活性污泥（和在線混合液）發(fā)酵技術(shù)改善脫氮除磷效果已在丹麥、瑞典和美國(guó)等國(guó)家得到廣泛驗(yàn)證。中國(guó)已經(jīng)有初沉和回流污泥發(fā)酵的工程實(shí)例, 但缺乏長(zhǎng)期成功運(yùn)營(yíng)報(bào)告, 因此, 影響了污泥發(fā)酵技術(shù)的廣泛應(yīng)用。忽視足夠長(zhǎng)的詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)工程研究的必要性可能是原因之一。

圖1 | 生產(chǎn)規(guī)模初級(jí)污泥發(fā)酵中的VFA進(jìn)出，顯示平均增加40 mg-VFA/L [VFA_出 -VFA_入]，溫度16–18°C，NH⁴-N和磷的凈釋放量分別為2mg/L和1mg/L。

低碳要求的營(yíng)養(yǎng)物去除工藝

可以考慮采用像BCFS（生物化學(xué)除磷和除氮）、SANI (綜合硫酸鹽還原，自養(yǎng)反硝化和硝化)和MABR（膜曝氣生物反應(yīng)器）等可在低碳情況下去除營(yíng)養(yǎng)物的工藝。BCFS和MABR已被行業(yè)規(guī)模應(yīng)用，SANI處于中試規(guī)模，應(yīng)用仍然有待工程尺度驗(yàn)證。為了在中國(guó)其他地方實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，最近報(bào)告的西安第四藥廠污水處理廠部分硝化和厭氧氨氧化去除氮值得進(jìn)一步研究。

未來(lái)展望

增加能量回收 

對(duì)于那些具有適當(dāng)處理能力和較高進(jìn)水COD（例如 > 300 mg / L）的污水處理廠，污泥混合液揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)是應(yīng)用污泥厭氧消化的關(guān)鍵。相對(duì)于初始混合液揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)55％，揮發(fā)性固體分?jǐn)?shù)增加10％可以使沼氣產(chǎn)量增長(zhǎng)20％。同時(shí)，顯著減少了金屬材料磨損和管道堵塞，大大消除了技術(shù)上應(yīng)用污泥厭氧消化的障礙。通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)從污泥厭氧消化回收的電能可為污水處理廠節(jié)省30％的運(yùn)營(yíng)所需電力。上海白龍港污水處理廠(處理量2, 000, 000 m³/d)進(jìn)水COD濃度約為250 mg/L，蘇黎世污水處理廠初沉污水COD濃度約為250 mg/L，兩個(gè)廠都使用污泥厭氧消化用于能量回收。中國(guó)大約一半的市政污水由處理量超過(guò)100, 000 m³/d的工廠處理，即使這些大型污水處理廠中只有一半應(yīng)用了污泥厭氧消化來(lái)做能量回收，其對(duì)污水處理廠運(yùn)行效率都會(huì)有很大的提高。對(duì)于較小的污水處理廠，脫水污泥可以送到大型污泥工廠或區(qū)域污泥處理中心進(jìn)行能量回收。 

減少碳支出

目標(biāo)是通過(guò)污泥發(fā)酵獲得凈25 mg-COD/ L。這相當(dāng)于最終出水硝態(tài)氮濃度降低了約5 mg-N/L，有助于實(shí)現(xiàn)在幾乎不外加碳源或添加少量碳的情況下實(shí)現(xiàn)出水總氮濃度少于10 mg-N / L。 

減少污泥量

通過(guò)增進(jìn)進(jìn)水沙礫去除，提高10%進(jìn)水VSS/TSS分?jǐn)?shù)，可將污泥產(chǎn)量減少約20%。結(jié)合污泥這意味著如果在約一半的污水處理廠實(shí)現(xiàn)了ISS減少并應(yīng)用污泥厭氧消化，則全國(guó)范圍內(nèi)污泥產(chǎn)生量可能減少約25%。連同能量回收的增加，以及購(gòu)買化學(xué)品成本的減少，落實(shí)降低ISS并應(yīng)用污泥厭氧消化將在很大程度改善污水處理廠的可持續(xù)性。

加強(qiáng)結(jié)果導(dǎo)向的應(yīng)用研究

強(qiáng)大的研發(fā)能力對(duì)于去除市政廢水處理瓶頸并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性目標(biāo)而言必不可少。污水廠從開(kāi)始就需要制定詳細(xì)可行的研究計(jì)劃。過(guò)程效率優(yōu)化、控制、維護(hù)等只能在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行。污水特性，尤其是難生物降解的顆粒COD百分率、 降解速率和硝酸鹽還原速率等指標(biāo)上的測(cè)試，將有助于從技術(shù)上確定是否需要初沉池，生化揮發(fā)物脂肪酸潛力（BVFAP）測(cè)試將用以評(píng)估初級(jí)和活性污泥發(fā)酵的可行性。最近幾年中國(guó)在水科學(xué)研究方面取得了很大的進(jìn)步，但一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)實(shí)際條件下的過(guò)程設(shè)計(jì)，對(duì)市政污水處理現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的研究似乎相對(duì)薄弱?，F(xiàn)在正是時(shí)候進(jìn)一步加強(qiáng)可持續(xù)的市政污水處理應(yīng)用研究。

結(jié)束語(yǔ)

自90年代以來(lái)，中國(guó)在城市衛(wèi)生工程方面取得了顯著進(jìn)步。但是，市政污水處理仍然面臨著低效率的能量回收、高營(yíng)養(yǎng)物去除成本和高污泥量問(wèn)題。這些難題源于獨(dú)特的污水水質(zhì)特性: 高ISS、低COD和低碳氮比。曹業(yè)始博士團(tuán)隊(duì)的研究揭示了污水水質(zhì)特性和市政污水處理廠的低效率表現(xiàn)之間的因果關(guān)系。提出需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)特性進(jìn)行污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。鑒于下水道修復(fù)工作耗時(shí)長(zhǎng)久, 污水處理廠的可持續(xù)性改進(jìn)可以與下水道修復(fù)并行。為此需選擇具有成本效益的措施和解決方案，以便迅速采取行動(dòng)。這項(xiàng)研究提出了高效除砂，污泥發(fā)酵和應(yīng)用低碳生物脫氮工藝，并估算了實(shí)施這些技術(shù)可能帶來(lái)的收益。同時(shí)，研究強(qiáng)調(diào)了加強(qiáng)以結(jié)果導(dǎo)向的市政污水處理應(yīng)用研究的必要性。

文章作者：曹業(yè)始 （CSD新概念環(huán)境發(fā)展宜興有限公司）、Mark van Loosdrecht（代爾夫特理工大學(xué)）、Glan Daigger （密歇根大學(xué)）

（本文原文《The bottlenecks and causes, and potential solutions for municipal sewage treatment in China》，刊載于IWA期刊《Water Practice and Technology》, https://doi.org/10.2166/wpt.2020.006)

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