李 激1,2,3* 王 燕1,4,5 羅國兵6 李冰冰1
（1.江南大學 環境與土木工程學院；2.江蘇省厭氧生物技術重點實驗室；3.江蘇高校水處理技術與材料協同創新中心；4.江蘇杰爾科技股份有限公司；5.無錫普匯環保科技有限公司；6.江蘇省無錫市城市供排水監測站）
研究背景
2007年太湖藍藻暴發事件揭開了全國城鎮污水處理廠執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準(以下簡稱“一級A標準”)提標改造的序幕。根據國家和江蘇省對太湖流域水污染防治工作的總體部署，明確太湖流域新建城鎮污水處理廠全面執行一級A標準，且2007年6月底前已建、在建的169座城鎮污水處理廠限期內全部提標至一級A標準，此項工作涉及污水總處理規模398萬t/d。截至2012年底，所有169座城鎮污水處理廠提標改造項目全部完成。據《全國城鎮污水處理管理信息系統》統計數據，截至2019年底，全國共有2913座城鎮污水處理廠執行一級A標準，占全國城鎮污水處理廠總數的53.2%，一級A標準已成為目前國內城鎮污水處理廠執行最廣泛的排放標準。但迄今為止，對一級A標準的提標改造成效和運行情況的系統總結鮮有報道。
2012年北京市率先發布了北京市地方標準DB 11/890—2012《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》，要求北京市城鎮污水處理廠在一級A標準的基礎上再次提標。隨后，河南、天津、安徽、昆明、江蘇和浙江等省市均發布了新的地方標準，要求提標至類地表水環境質量標準Ⅳ類或類Ⅲ類水體標準(TN除外)。在此基礎上，各地污水處理廠均需開展新一輪提標改造工作，但如何選擇科學可行的提標技術路線困擾著相關設計和決策人員。
本文研究團隊從2013年開始對太湖流域204座執行一級A標準的城鎮污水處理廠進行深度調研，并在全國100多座城鎮污水處理廠開展現場全流程分析工作，全面了解和掌握一級A標準城鎮污水處理廠運行情況。基于以上工作，本文系統評估城鎮污水處理廠執行一級A標準的成效，提出了城鎮污水處理廠在運行管理中存在的問題，優化了運行措施，并重點探討新一輪提標改造工作中重難點問題，給出相應對策，為全國城鎮污水處理廠的運行管理提供技術指導。
摘 要
截至2019年底，全國共有2913座城鎮污水處理廠執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準，占全國城鎮污水處理廠總數的53.2%，一級A標準已成為目前國內城鎮污水處理廠執行最廣泛的排放標準。通過對近6年太湖流域204座執行一級A標準污水處理廠的深入調研，結合全國100多座污水處理廠的全流程分析工作成果，首先系統評估了執行一級A標準的城鎮污水處理廠的運行成效，其中太湖流域城鎮污水處理廠在一級A提標改造后由于進水量的不斷增加和出水濃度的不斷降低，污染物削減總量顯著提高，對太湖流域有機物、氮、磷減排及太湖富營養化控制做出了積極貢獻。然后總結了城鎮污水處理廠在運行過程中的常見問題，在進水水質、工藝設計、設備設施選擇和維護以及活性污泥功能菌群性能調控等方面仍有進一步完善和優化空間，并提出了針對性的優化運行措施。最后重點探討新一輪提標改造工作的重難點和對策，提出在新一輪提標改造中，應當重視污水收集系統的提質增效，提高管網質量和輸送效率，并建議提標改造前先開展現有工藝的全流程分析，再在此基礎上確定采取工藝優化或工程措施。
01
一級A提標改造成效與存在問題
1.一級A提標改造宏觀成效
1.1 顯著提升了污染物削減總量
以太湖流域為例，經過一級A提標改造后，各污染物去除效率顯著提高，出水各污染物指標均有較大幅度下降。與2007年相比，2017年COD、BOD5、SS、TP、TN和NH3-N指標的平均下降幅度分別達到44%、44%、58%、65%、38%和88%。同時，太湖流域城鎮污水處理廠近11年來實際處理水量呈顯著增長趨勢，年處理水量從2007年的7.6×108m3增長到2017年的2.1×19m3，增長了近1.8倍。由于進水量的逐年上升和出水污染物濃度的不斷下降，污染物總量削減效果顯著(圖1)。
圖1 2008—2017年太湖流域城鎮污水處理廠污染物
削減總量增長率(與2007年相比)
1.2 有效促進了流域水環境的改善
以太湖流域為例，通過對城鎮污水處理廠一級A標準的提標改造，有效削減了排入太湖的污水處理廠尾水中各類污染物總量。如圖2所示，太湖湖體總體水質從2007年的劣Ⅴ類水體提升到2014年的Ⅳ類(不計TN，參照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，下同)，高錳酸鹽指數年均濃度由Ⅲ類標準提升到Ⅱ類標準，TN年均濃度由劣Ⅴ類提升到Ⅴ類標準，TP年均濃度也符合Ⅳ類標準，水質有了大幅改善。
圖2 2007—2017太湖湖體水質變化
圖3為2010年以來太湖流域15條主要入湖河流水質變化情況。可知：2010年僅有4條河流平均水質符合Ⅲ類標準，1條河流水質為劣Ⅴ類標準，其余處于Ⅳ類和Ⅴ類；2017年，已有11條年均水質符合Ⅲ類，占73.3%；其余4條河流水質為Ⅳ類。太湖流域的15條主要入湖河流的水質也得到了明顯改善。
圖3 2010—2017年太湖主要入湖河流水質變化
1.3 大幅提升了城鎮污水處理設施運行管理水平
近年來，我國住建行業主管部門在推進一級A提標改造工作的同時，也帶動了全國城鎮污水處理廠運行管理水平的不斷提高。國家、省市相繼出臺了城鎮污水處理廠運行管理和考核辦法，采取了技術指導、現場考核等多種措施，并將污水處理達標率、考核結果等與污水處理運行經費掛鉤，有效地促進了污水處理行業的健康發展和持續進步，大幅提升了城鎮污水處理設施運行管理水平。河南省鄭州市馬頭崗污水處理廠、江蘇省常州市江邊污水處理廠等獲得“全國城鎮污水處理廠十佳運營單位”稱號，江蘇省無錫市太湖新城污水處理廠、常州市城北污水處理廠、昆山市污水處理公司、蘇州市吳江污水處理廠、木瀆污水處理廠等也獲得了“全國城鎮污水處理廠優秀運營單位”稱號。
1.4 穩步提高了城鎮污水處理設施建設技術水平
為科學實施太湖流域城鎮污水處理廠一級A提標改造，江蘇省住房和城鄉建設廳于2008年組織開展了太湖流域城鎮污水處理廠除磷脫氮提標改造技術攻關研究，并根據研究成果匯編了《江蘇省太湖流域城鎮污水處理廠提標建設技術導則》(以下簡稱《導則》)，其對太湖流域乃至全國城鎮污水處理廠的一級A提標改造均起到了較好的技術指導作用。
2018年6月1日，DB 32/1072—2018《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》正式實施，該標準明確要求江蘇省太湖地區城鎮污水處理廠在一級A排放標準基礎上再提標。為科學指導太湖地區城鎮污水處理廠在一級A排放標準基礎上再提標，2019年，江蘇省住房和城鄉建設廳再次組織編制了《江蘇省太湖地區城鎮污水處理廠DB32/1072提標技術指引(2018版)》(以下簡稱《指引》)，用以科學指導太湖地區及全國城鎮污水處理廠提標建設工程的設計、施工和運行管理等工作。
2.一級A標準執行中存在問題和對策
2.1 進水水質特征
調研中發現進水水質濃度低、碳氮比低、無機懸浮物濃度高是當前全國城鎮污水處理廠普遍存在的問題。圖4為全國、北京市、太湖流域城鎮污水處理廠進水COD平均值年變化圖。可知：全國和太湖流域城鎮污水處理廠2007—2017年進水COD濃度逐年降低，至2017年進水ρ(COD)僅250～300 mg/L，遠低于生活污水理論COD濃度，主要原因可能是進水中接納了企業預處理后的低濃度工業廢水，且地下管網存在滲漏現象，地下水位低，導致河水和地下水等倒灌污水管網。北方代表城市北京地區進水COD濃度較高，且較為穩定，主要因為北京地區地下水位低，管網質量較好，工業廢水含量少。
圖4 全國、北京市、太湖流域城鎮污水處理廠COD進水平均值年變化
如圖5所示：全國城鎮污水處理廠進水BOD5/TN近11年的波動范圍為3～4，雖然污水處理中進水理論BOD5/TN達到2.86可滿足生物脫氮，但在實際運行中需達到4～5才能滿足脫氮需求，因此我國的水質C/N相對偏低，生物脫氮存在碳源不足的問題。
圖5 全國、北京市、太湖流域城鎮污水處理廠BOD5/TN進水平均值年變化
如圖6所示：全國城鎮污水處理廠進水SS/BOD5近11年的年平均值波動范圍為1.4～1.6，且存在逐年上升趨勢。發達國家污水處理廠進水SS/BOD5約為1.1，而我國近65%的城鎮污水處理廠中的進水ρ(SS)/ρ(BOD5)>1.1，有43%的進水超過了1.5，部分城市甚至高于2.0，說明我國進水無機砂含量偏高。
圖6 全國、北京市、太湖流域城鎮污水處理廠SS/BOD5進水平均值年變化
針對上述進水水質特征，在執行一級A標準的污水處理廠的設計和運行過程中，建議：
1)有必要在污水處理廠設計階段開展基礎調研分析，詳細調研進水水質水量情況；
2)合理設置預處理單元，盡可能多地去除無機SS，保留進水中的BOD5，優化進水水質；
3)在工藝運行中，生物段設置多點進水，靈活調配，同時好氧段合理控制DO，保證碳源有效利用；
4)針對含工業廢水較多的城鎮污水處理廠，對上游來水進行科學監管，及時掌握變化情況，在受沖擊時及時調控相關工藝參數，降低沖擊影響。
2.2 工藝設計
工藝設計是污水處理廠的關鍵環節，調研發現工藝設計環節存在的常見問題有：
1)實際進水水質、水量和設計值相差較大。表1為太湖流域10座城鎮污水處理廠2017—2019年進水COD均值及負荷率情況。可知：這10座污水處理廠COD濃度負荷僅為設計值的30%～72%，和設計值相差較大。污水處理廠進水水質、水量過低造成了活性污泥難以正常生長繁殖，處理效率降低；也帶來了運行管理難度加大，設備閑置或者低效運轉，如實際風機運行風量超出風機調節范圍，風機長期不在設計點運行，能耗增加；此外，還存在碳源投加費用增加等問題。
表1 10座城鎮污水處理廠2017—2019年進水COD均值及負荷率
2)設計功能單元實際運行中并未發揮對應效果。調研中對近100座污水處理廠開展工藝沿程指標特征分析，結果表明：約30%的污水處理廠設計的具有反硝化作用的缺氧段并沒有發生反硝化作用，設計有厭氧釋磷功能的厭氧段也沒有發揮釋磷作用。
3)設計過程設備的選型問題。污水處理從預處理到生物處理再到深度處理，過程中使用攔截、過濾等功能設備較多，設備選型是否合理對工藝運行起著至關重要的作用。
綜合以上3個方面的問題，建議在設計過程中：
1)設計前詳細調研基礎水量水質，科學預估污水處理廠的水質水量。
2)設計時采用靈活的設備和設施組合，合理選擇格柵、鼓風機、推流器等設備類型，保證工藝系統的高效穩定對污水處理廠出水穩定達標尤為重要。
2.3 設備設施選擇與維護
對于執行一級A標準的城鎮污水處理廠，從預處理到生物處理到深度處理，不僅流程長，而且設備多。污水處理廠絕大部分設備設施需要24 h 連續運行，故設備設施的正常運轉對污水處理廠的穩定運行尤為重要。通過對100多座一級A標準的污水處理廠關鍵設備設施的調研發現，設備設施選擇和運行過程尚存在一些問題。具體調研問題和優化對策見表2。
表2 執行一級A標準的城鎮污水處理廠關鍵設備設施常見問題和優化對策
2.4 活性污泥菌群性能調控
活性污泥是微生物群體及它們所依附的有機物質和無機物質的總稱，活性污泥中含有各種能降解污染物的微生物。這些微生物中，具備降解功能的菌群主要包括硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等，可對污水中的污染物進行利用和生物降解，因此可通過測試污水處理廠活性污泥菌群性能分析污水處理廠的運行情況。
全國58座污水處理廠實測活性污泥菌群性能參數，硝化速率為0.46～7.86 mg/(g·h)，平均為2.90 mg/(g·h)；反硝化速率為0～5.18 mg/(g·h)，平均為1.33 mg/(g·h)；反硝化潛力為1.05～20.80 mg/(g·h)，平為6.68 mg/(g·h)；釋磷潛力為0.01～23.98 mg/(g·h)，平均為2.48 mg/(g·h)，可見不同的污水處理廠活性污泥的菌群活性相差較大。
活性污泥菌群性能指標(硝化速率、反硝化速率和釋磷速率)是污水處理廠工藝設計重點參數，設計時常根據這些參數的理論值核算停留時間等參數，根據GB 50014—2006《室外排水設計規范》換算，MLVSS/MLSS按0.45計，理論硝化速率應>4 mg/(g·h)，反硝化速率應為3～5 mg/(g·h)。但由表4中58座污水處理廠不同活性污泥菌群性能速率范圍的數量占比可知：大部分污水處理廠功能菌群性能較設計值低，且不同廠活性污泥菌群活性差別較大。
表4 58座污水處理廠不同活性污泥菌群性能速率范圍的數量占比
上述現象主要和功能菌群的生長環境因素有關，建議污水處理廠重點從活性污泥功能菌群的生長條件角度出發進行工藝調控，為功能菌群提供良好的生長環境，從而提高污染物的去除能力。
02
新一輪提標改造重難點分析
近年來，因全國各大流域水污染物環境容量已嚴重超載，污染物減排壓力巨大，污水處理廠提標排放是實現污染減排途徑之一。2012年以來，北京、河南、天津、安徽、江蘇和浙江等省市均相繼發布了新的地方標準(表5)。還有某些地方城市因為地方園區污染物總量控制需求，也再次提升了城鎮污水處理廠出水要求，如江蘇無錫新區，城鎮污水處理廠出水要求提升至ρ(COD)≤20 mg/L，ρ(TN)≤5 mg/L，ρ(NH3-N)≤2 mg/L，ρ(TP)≤0.2 mg/L。在此基礎上，各地污水處理廠均需開展新一輪提標改造工作，但是采用工藝優化即可達到新標準要求，還是需要采用工程措施，如何選擇科學合理的提標技術路線，這些問題困擾著相關設計和決策人員。研究團隊對污水收集系統、各地污水處理廠已提標技術路線和工藝優化提標主要存在問題進行了詳細調研分析，并提出了針對性措施。
表5 全國代表性省市新一輪城鎮污水處理廠污染物排放地方標準
1.污水收集系統存在問題與對策
對太湖流域204座污水處理廠進出水水質調研分析，由于處理水量的增長和污染物去除率的提高，一級A提標改造后各污染物指標的削減總量呈逐年增長趨勢。但由于進水濃度的降低，每噸水COD、BOD5、SS、TP削減量卻呈整體下降趨勢，分別下降24.8%、8.5%、22.0%、47.0%。進水水質濃度的降低原因主要有：太湖流域產業結構的調整，大部分重污染企業退出；對排污企業監管日益嚴格，導致偷排現象大幅減少；地下管網存在滲漏現象，地下水位低，導致河水和地下水等倒灌排水管網，使水量增加，水質變“淡”。
在新一輪城鎮污水處理廠提標改造過程中，應當將管網的提質增效作為重點前提條件，根據《城鎮污水處理提質增效三年行動方案》(2019—2021年)要求，編制科學可行的實施方案指導實踐，同時確保資金投入，提高管網建設質量和維護水平，提升和穩定管網水質，從而提升城鎮污水處理廠高標準下運行的穩定性和處理效率。
2.新一輪提標改造技術選擇誤區分析
在從一級B到一級A標準的提標過程中，大部分城鎮污水處理廠均需要通過升級改造以提升常規的5項指標(COD、NH3-N、TN、TP和SS)的去除效果。而目前針對從一級A標準提升到更高等級的類地表水環境質量標準Ⅳ類或Ⅲ類水標準時，不同的城鎮污水處理廠因進水水質或現有處理工藝不同，需要提標的指標類別或提升幅度差別更大。因此，在新一輪的提標改造中，需根據各個污水處理廠的具體問題指標和提升幅度來制定具體技術路線。這其中，主要的問題指標為COD、TN、NH3-N和TP等。
2.1 當前再提標城鎮污水處理廠提標改造技術選擇中存在的誤區
表6為根據調研匯總的已再提標城鎮污水處理廠針對不同的強化去除污染物對象所采用的不同深度處理技術路線，但該表中的技術組合也存在一些不盡合理之處。建議需強化硝化能力的城鎮污水處理廠優先考慮采用懸浮填料，其次考慮使用曝氣生物濾池。因此，在考慮技術路線的可行性上需重點考慮設備設施組合的相互影響和制約。
表6 部分再提標城鎮污水處理廠采用的深度處理技術路線及其存在問題匯總
2.2 提標改造工藝路線選擇建議
為克服當前已再提標城鎮污水處理廠各類提標改造技術線路存在的不足，進一步優化新一輪再提標(提標至類地表水環境質量標準Ⅳ類或類Ⅲ類水體標準(TN除外))的升級改造方案，根據本研究團隊對全國100座污水處理廠所開展的全流程分析和對太湖流域204座一級A標準城鎮污水處理廠進行深度調研，筆者推薦的整體提標改造工藝路線方案和生物處理單元AAAOAO流程分別如圖7和圖8所示。
圖7 推薦的提標改造工藝路線
圖8 生物處理單元AAAOAO流程[9]
3.污水處理工藝優化運行問題與對策
2019年2月，江蘇省住房和城鄉建設廳發布了《關于做好太湖地區城鎮污水處理廠新一輪提標工作的通知》，其中提出“抓緊做好城鎮污水處理廠本地調查，按照《江蘇省太湖地區城鎮污水處理廠DB32/1072提標技術指引(2018版)》確定的工作流程，自行組織或委托專業機構盡快開展全流程技術評估，結合水質、水量特征和設施本底情況，科學制定‘一廠一策’技術方案”。本研究團隊先后對全國不同區域58座城鎮污水處理廠進行技術評估并提出了相應改造意見。結果表明，其中約60%執行一級A標準的城鎮污水處理廠無須通過工程改造，僅通過優化運行即可達類地表水環境質量標準Ⅳ類水標準(ρ(TN)≤10 mg/L)。這些城鎮污水處理廠日常管理運行規范，能嚴格執行排放標準。通過對這些城鎮污水處理廠進行全流程評估，發現其主要的問題指標為氨氮、TN和TP，只需在優化過程中重點強化硝化、反硝化和除磷效果即可達到提標目的。
3.1 硝化效果優化
氨氮去除是通過活性污泥硝化菌硝化作用將NH3-N轉化為硝化菌為自養菌，化能自養菌，世代周期長，對環境和毒性物質比較敏感，故硝化菌活性易受環境條件影響，導致硝化效果降低，出水氨氮超標。通過對58座城鎮污水處理廠硝化影響因素進行分析，得出的主要影響因素為DO控制、攪拌環境、水溫、進水沖擊和停留時間等，影響硝化效果的因素在58座城鎮污水處理廠的占比如表7所示。
表7 影響硝化效果的因素在58座污水處理廠的占比
建議通過以下對策優化硝化效果。
1)針對DO調控：可完善在線監測儀表設備，根據池內污染物變化情況合理控制DO濃度變化；設計時，應考慮曝氣器的梯度分布；確保風機風量充足，選擇調節范圍寬廣的風機類型，條件允許時考慮精確曝氣控制系統；
2)針對攪拌環境調控：注重攪拌推流設備的設計與運行，必要時進行清淤；
3)針對低溫應對：提前做好硝化能力提升措施，污泥濃度、DO提升。必要時可考慮外加懸浮填料提高硝化效果；
4)針對進水沖擊：建議先開展曝氣實驗驗證沖擊程度；如硝化抑制，則進行源頭控制，提高DO，悶曝，必要時外加堿度；如系統崩潰，硝化速率接近0，則需源頭控制的同時進行換泥培菌，同時采取其他應急措施。
3.2 反硝化效果優化
反硝化是指在反硝化細菌的作用下，以硝酸鹽作為電子受體進行的無氧呼吸過程，將硝酸鹽還原為N2，實現脫氮反應的最終步驟。反硝化效果的優劣直接影響出水TN達標。通過對58座城鎮污水處理廠反硝化影響因素進行分析，得出的主要影響因素為碳源、內回流比、回流DO、攪拌等，具體各影響因素在58座污水處理廠的占比如表8所示。
表8 影響反硝化效果的因素在58座污水處理廠的占比
針對上述影響因素，建議通過以下對策優化反硝化效果。
1)針對碳源投加：優選碳源種類，注重投加位點的選擇，有條件的增設智能加藥控制系統；
2)針對內回流控制：確保內回流泵可調有余量，運行中加強過程硝態氮檢測，根據現場情況調整內回流比；
3)針對DO控制：建議曝氣器梯度分布，有條件的在好氧區末端設置消氧區；
4)針對攪拌效果：缺氧區的攪拌混合效果對脫氮效果影響較大，建議攪拌推流器合理選型，保障正常運行。
3.3 除磷效果優化
污水處理廠的除磷主要通過生物除磷和化學除磷，大部分污水處理廠是2種除磷方式的組合。生物除磷主要通過聚磷菌在厭氧條件下釋磷和好氧條件下過量吸磷，然后通過排出剩余污泥使得污水中的磷得到有效去除。化學除磷是通過投加鋁鹽和鐵鹽等無機金屬鹽類絮凝劑，使其與水中的磷酸鹽反應，生成惰性磷酸鹽化學沉淀，從而達到從水相中去除磷酸鹽的目的。通過對58座城鎮污水處理廠除磷影響因素進行分析，得出的主要影響因素為除磷藥劑的投加、藥劑混合反應效果、厭氧區硝態氮、厭氧區攪拌效果、化學除磷對生物除磷的抑制以及進水沖擊等。具體各影響因素在58座污水處理廠的占比如表9所示。
表9 影響釋磷效果的因素在58座污水處理廠的占比
建議通過以下對策優化除磷效果。
1)針對除磷藥劑的投加：可依據進水水質情況，通過燒杯實驗確定最佳除磷藥劑種類及合適的投加量，實現優化運行與節能降耗目的；
2)針對厭氧區高硝態氮對厭氧釋磷的抑制：在厭氧區前設置預缺氧區，降低進入厭氧區的硝態氮濃度；當進水C/N低導致厭氧或預缺氧區硝態氮過高時，可外加商業碳源，降低高濃度硝態氮對生物除磷的影響，逐步恢復和強化生物除磷作用；
3)針對化學除磷對生物除磷的抑制：建議合理控制化學除磷藥劑投加量，減少過量值，有條件的優先采用后置化學除磷方式；
4)針對存在外源性有機磷沖擊：建議加強源頭管控，必要時增設強氧化劑或臭氧等高級氧化單元，實現有機磷的降解。
03
結 論
1)太湖流域城鎮污水處理廠在一級A提標改造后，由于進水量的不斷增加和出水濃度的不斷降低，污染物削減總量顯著提高，對太湖流域有機物、氮、磷減排及太湖富營養化控制做出了積極的貢獻。同時，也帶來了城鎮污水處理廠的污水處理設施運行管理和建設技術水平的大幅度提升。
2)在執行一級A標準的城鎮污水處理廠運行過程中，受各地經濟發展水平、污水處理區域發展水平及運行管理水平等因素制約，進水水質、工藝設計、設備設施選擇和維護以及活性污泥功能菌群性能調控等方面仍有進一步完善和優化空間。
3)在新一輪提標改造中，應當重視污水收集系統的提質增效，提高管網質量和輸送效率；同時，建議提標改造前先開展現有工藝的全流程分析，掌握各功能單元運行現狀，確定關鍵重難點指標，然后在此基礎上確定采取工藝優化或工程措施。提標改造工作建議優先考慮工藝優化，其次工程措施。在選擇工程措施時需重點考慮設備設施組合之間的相互影響和制約，盡可能達到彼此間的平衡。
