王洪臣：城镇污水处理要回归问题本质，精准提质增效

  6月13日，在“2020(第十八届)水业战略论坛”上，中国人民大学教授、博生导师、环境学院副院长、低碳水环境技术研究中心主任王洪臣以“城镇污水处理：回归问题本质，精准提制增效”为主题进行了分享。
 
  王洪臣首先表示，提质增效是污水处理行业当前乃至今后一个时期的中心任务，中央和地方都有许多举措，但提什么、增什么，提质增效的路径是什么，一直是个讨论热点。他说，十九大报告提出的三大攻坚战，一是防范化解重大风险，二是精准脱贫，三是污染防治。精准扶贫的“精准”二字，用到污染防治上也很贴切，而用到污水处理提质增效上则尤为必要。王洪臣提出，城镇污水处理行业应找准低质低效的本质原因，精准提质增效。
 
  王洪臣认为，治理水污染、改善水环境、恢复水生态，关键在污水处理。无论是城市黑臭，还是流域性水污染，主要是污水收集不彻底、污水处理不彻底。
 
  那么，我国目前污水处理做得怎么样？王洪臣介绍，2008～2018十年间，全国污水处理能力翻了一番，是一个了不起的成绩。截至2018年，全国排水管道超过100万公里，污水处理能力超过2亿立方米/日，形成了“100+2”的污水收集处理能力，成为中国水污染控制的基本物质基础。但是，他表示，这个系统还没有充分发挥应有的环境效益，还要提质、要增效。
 
  他说，城镇污水处理低质低效突出表现在两个方面：第一，污染物收集处理率低，大量污染物进入水体，导致黑臭；第二，污水处理过程资源消耗大，导致成本高，且产泥量大。只有充分认识产生这两大问题的本质原因，才能找到提质增效的路径，实现精准提质增效。
 
  污染物收集处理率低
 
  1.污染物收集处理率有多低？
 
  污染物收集处理率是指收集到污水处理厂予以处理的污染物占污染物产生量的比率。王洪臣介绍，2018年，全国城镇人口以8.3亿计，假设人口污染物当量80克COD，实际城镇污水处理量587.6(497+90.6)亿立方米，污水处理厂进水年平均COD 280 mg/L，粗算只有67%的污染物被收集到处理厂进行了处理；如果人口当量按照120克COD计，则粗算仅有45%污染物被收集到处理厂，一多半污染物没有经过污水处理厂的处理。
 
  2.没进入污水处理厂的污染物去了哪里？
 
  “分析清楚原因，才能对症下药，才能精准提质增效。”
 
  王洪臣提出，第一，由于管道错接、混接、漏接，部分污染物随污水直排水体。通过这个途径(SSOs)，美国每年约有2亿立方米污水直接排入各类水体，中国一年排了多少？目前并不清楚。他表示，要认真开展管网普查，要予以纠正，要雷厉风行。
 
  第二，由于污水处理厂超负荷，部分污染物只能随污水排入水体。王洪臣调研了全国470多个污水处理厂，63%的污水处理厂水量负荷率超过80%，南方则是70%的处理厂超过80%，实际中，当水量负荷率超过80%，水量高峰时就可能存在溢流。进一步分析，24%的污水处理厂水量负荷率超过120%，收集管网存在经常性溢流。这些数字说明，我国污水处理设施能力还远远不足，本已收集起来的大量污水因处理能力不足而继续排入水体。
 
  第三，由于合流制溢流(CSOs)，部分污染物随雨污水进入水体。下雨时污水量增加的都是合流制，因此合流制是个普遍状态。王洪臣表示，理论上，分流制适于建设密度低的中小城市，合流制应是大城市的首选排水体制，同时要提高截留倍数，否则就会产生严重的溢流污染。南方城市降水量大、管网入流入渗(I/I)以及河水倒灌等特征加剧了合流制溢流污染。放眼各地的城市水环境，不下雨时看得过去，有的城市还真有“水清岸绿、鱼翔浅底”的景象，但“一下雨就回到解放前 ”也是普遍常态，致使辛苦获得的治理效果瞬时大打折扣。美国从1989年开始系统治理CSOs ，经历了“六对策”、“九对策”和“永久对策”(LTC)等历史阶段，虽然成效显著，但目前每年合流制污水溢流量仍达到37亿立方米。美国“六对策”和“九对策”各持续了大约五年，属于“雷厉风行”，而“永久对策”(LTC)则属于“久久为功”，总预算近2000亿美元，纽约和洛杉矶等大城市仍在执行中。我国目前还没有合流制溢流(CSOs)污染控制的政策、规划以及技术对策，应尽早展开部署。
 
  第四，部分污染物在排水系统被降解。王洪臣研究团队针对23个城市进行了测试，发现居民小区总排口COD浓度都大于400mg/L，但近两年全国污水处理厂进水COD浓度年均值280mg/L左右。这些减少的污染物去了哪里？王洪臣表示，一少部分在化粪池中被降解更多的则沉积在管网并最终被厌氧降解。污染物在管网的沉积降解，导致COD延程降低，但氮磷基本没有变化，造成污水处理过程碳氮比失调，需要投加外碳源，增加处理成本。
 
  王洪臣表示，他的团队通过中试模拟发现，污水中硫酸盐在厌氧条件下发生硫酸盐还原反应，生成硫化氢，这个过程大量消耗有机碳。另外，管道的结构、污水流速以及在管网的停留时间都决定着污染物沉积和降解。他介绍，我国下水道普遍采用方涵和圆管，流速慢，停留时间长，增大了污染物的沉积和降解。欧洲普遍采用的结构形式是倒马蹄形，具有“小流量速度不减、大流量仍可通过”的特点，有机污染物在管网损失较少。
 
  在水资源丰富的河网地区，污水COD浓度在管网中沿程下降较多。一是由于入流入渗(I/I)严重，加上河水倒灌，COD被稀释；二是为减少地下水进入，泵站通常保持高水位运行，这样就增大了污水在管网的停留时间，更易沉积及厌氧降解，因此这些地区碳氮比失调问题也更加严重。在河网地区，解决河水倒灌可以“雷厉风行”，而减少地下水入流入渗(I/I)则属于“久久为功”，是个长期任务。
 
  3.提质增效优先序？
 
  综合以上分析，王洪臣表示，针对污染物收集处理率低，应优先实施投入不大但效果明显的提质增效措施，具体包括：在对管网普查的基础上，纠正管网的错接、混接、漏接，把直排的污水接入处理厂；对超负荷污水处理设施予以改扩建，提高现有设施处理能力；采取低投入对策降低合流制溢流。这些对策属于“雷厉风行”。另外一些提质增效对策投入大、工期长，需要从长计议，系统规划、逐步实施，具体包括：建设绿色基础设施(海绵)，控制溢流污染；建设溢流控制设施，提高截留倍数；控制管道的入流/入渗(I/I)。这些对策只能“久久为功”。
 
  1.污水处理过程资源消耗有多大？
 
  王洪臣认为主要有投资大、占地大、能耗高、物耗高等几个方面。目前，我国在污水处理方面的投资已超过6000亿人民币，消耗城市土地超过30万亩，能耗接近全社会总电耗的1%，年消耗各种药剂超过10015万吨。问题是，这些资源消耗是否为必需？答案肯定是否定的，污水处理过程存在巨大提质增效潜力。
 
  2. 低质低效的主要原因在哪里？
 
  王洪臣的团队随机调查了全国467座污水处理厂(约占总数量的10%，总规模的25%)的主要运行工况，发现目前相当一批污水处理厂运行工况极其不合理，与可持续运营的理念相距甚远，一批处理厂面临运营困境。王洪臣建议，应分析原因，找到对策，摆脱困境，走向可持续运营之路。
 
  第一，生物系统污泥浓度(MLSS)过高。调研发现，67%的污水处理厂MLSS大于4000mg/L，约30%的处理厂MLSS大于6000mg/L。MLSS过高将导致一系列后果：电耗升高(为满足曝气与搅拌的需要)；曝气器堵塞，降低曝气效率，进一步增大电耗；污泥沉积，减少有效池容，影响处理效果；增大二沉池固体负荷，增大出水SS，严重干扰后续深度处理；增大污泥流失导致系统崩溃的风险。
 
  造成MLSS过高的原因有哪些？首先，由于污泥活性太低，不提高污泥浓度，出水氨氮将超标；由于缺氧段太短，只能通过提高污泥浓度尽量提高脱氮效率。另外，污泥没有出路也是重要原因。污泥运不出去，只能暂时存在系统中。第二，生物系统污泥活性(MLVSS⁄MLSS)太低。调研发现，61%的污水处理厂MLVSS/MLSS小于0.5，约30%的处理厂MLVSS/MLSS低于0。4。污泥活性太低的后果：在同样污泥浓度时处理效果降低；电耗升高(为满足搅拌的需要)；曝气器堵塞，降低曝气效率，进一步增大电耗；污泥沉积，减少有效池容，设备磨损严重，大修理成本提高；降低污泥在二沉池的 “网捕作用”，增大出水漂浮絮体，干扰后续深度处理。
 
  污泥活性太低的原因有哪些？首先原因是污水预处理系统(格栅和沉沙)效果太差，约有一半渣砂进入后续处理单元；另外的原因是，我国90%以上的污水处理厂没有建设初沉池，穿透预处理系统的渣砂直接进入生物处理单元并逐渐积累。第三，生物系统污泥沉降性能(SVI)太差。污泥SVI在80～120时沉降性能较佳。调研发现，只有36%的污水处理厂SVI在80～120范围内，52%的处理厂SVI小于80，21%的处理厂SVI小于50。SVI大于120，属于微膨胀；SVI小于80，则网捕作用消失，出水水质仍然变差。
 
  污泥沉降性能太差的后果：SVI太低，污泥在二沉池的”网捕作用“变差，大量生物絮体随出水流失，干扰后续深度处理；SVI太低，污泥处于微膨胀或膨胀状态，污泥界面上升，导致污泥流失风险，目前不是主要问题。
 
  污泥SVI太低的原因有哪些？与活性低的原因相似，主要是预处理系统(格栅和沉沙)效果差，大量渣砂进入生物处理单元。另外，污泥浓度MLSS高，污泥龄(SRT)大，也是SVI低的重要原因。第四，深度处理系统反冲洗回流量太大。反冲洗回流量太大的后果：大量反冲洗水回到工艺首端，浪费提升能力；大量反冲洗水回流至曝气池，减少构筑物的实际水力停留时间，降低处理效果；大量反冲洗水回流至曝气池，增大二沉池水力表面负荷，使二沉池普遍不足问题更加突出；大量反冲洗水最后还要重新回流至深度处理的过滤系统，增大滤速，减少实际过滤能力。
 
  反冲洗回流量太大的原因有哪些？首先，二沉池出水SS或生物絮体增大，导致过滤单元堵塞频率增加；其次，水力负荷太大，导致过滤单元堵塞频率增加；再者，同步化学除磷投加药剂量太大，在滤池沉积；最后滤池承担污染物负荷太高，例如，加到反硝化滤池的硝酸盐量太大，导致生物堵塞。
 
  第五，各种药剂投加量过大。过量投加的药剂包括为生物脱氮投加的外碳源、为化学除磷投加的无机混凝剂以及各种污泥脱水调理药剂。为什么说是过量投加？对于脱氮，没有充分利用内碳源就盲目投加外碳源，投加的一大部分外碳源是用于消耗过量曝气的氧，这是个巨大的恶性循环。对于除磷，不调整优化生物除磷，直接用大剂量除磷药剂保证出水，影响了污泥活性，增加了反冲洗水量，还增大了污泥量，是个多重恶性循环。
 
  3.提质增效优先序？
 
  王洪臣总结污水处理过程的提质增效说，每个污水处理厂差别都比较大，原则上应因厂施策地提质增效。但是，预处理对渣砂去除效果差，大量渣砂进入生物系统造成低效是普遍状况，应采取一切必要手段，将渣砂在源头全部去除，这里蕴含着一块巨大的运营优化潜力。另外一个普遍状况是过曝气，虽有许多客观原因，但在确保耗氧指标达标的前提下，优化调整曝气量，既可降低外碳源投加量，又可降低出水的氮磷指标，提质增效潜力很大。
 
  最后一句话做个总结，收集系统需要提质增效，处理系统也需要提质增效。污水处理行业要在分析清楚低质低效原因的基础上进行精准提质增效。谢谢大家！