鄧乂寰， 吳坤， 陽(yáng)平堅(jiān)， 趙泉林， 葉正芳

（1.北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100871；

2.中國(guó)城市科學(xué)研究會(huì)， 北京 100835； 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012）

根據(jù)住建部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 2019 年我國(guó)共有污水處理廠4 140 座， 其中城市2 471 座， 縣城1 669座， 處理能力接近2 億m3／d， 污水處理率達(dá)到96%［1］。 近10 年來(lái)， 我國(guó)污水處理取得了重大進(jìn)步， 但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距。 目前歐盟27 個(gè)國(guó)家， 大約有污水處理設(shè)施22 558 個(gè)， 污水處理人口比例達(dá)到82%， 其中69%的人口連接三級(jí)處理， 13%的人口連接二級(jí)處理。 丹麥、 德國(guó)、 奧地利、 荷蘭4 個(gè)國(guó)家三級(jí)處理達(dá)到90%以上， 其中荷蘭達(dá)到99%。 近20 年來(lái)日本污水處理人口比例迅速發(fā)展， 從2000 年的71% 增長(zhǎng)到目前的92%。 美國(guó)接入市政管網(wǎng)處理比例為81%， 剩下的19% 只連接了化糞池， 進(jìn)行簡(jiǎn)易處理［2－4］。

我國(guó)污水處理廠的規(guī)模已經(jīng)位列世界第一， 絕大多數(shù)城鎮(zhèn)區(qū)域已經(jīng)覆蓋污水收集及處理設(shè)施，“十四五”規(guī)劃發(fā)展更關(guān)注污水處理廠的高質(zhì)量發(fā)展。 本文總結(jié)了我國(guó)污水處理廠的發(fā)展歷程及目前的空間分布和運(yùn)行費(fèi)用， 同時(shí)對(duì)現(xiàn)行主流的污水處理工藝進(jìn)行分析， 為今后污水處理廠高質(zhì)量發(fā)展提供了建議。

1 污水處理廠建設(shè)情況及空間分布

1.1 建設(shè)情況

我國(guó)污水處理發(fā)展起步較晚， 20 世紀(jì)50 年代主要依靠水體的自凈能力凈化污水， 60 年代轉(zhuǎn)為將污水用于農(nóng)田灌溉， 70 年代開(kāi)始利用城郊的坑塘洼地、 廢河道、 沼澤地等稍加整修或圍堤筑壩，改造成簡(jiǎn)單的穩(wěn)定塘， 對(duì)城市污水進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。70 年代末期開(kāi)始重視引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，開(kāi)展與國(guó)外的技術(shù)交流， 逐步探索適合我國(guó)國(guó)情的工程技術(shù)和設(shè)計(jì)， 為以后的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。 進(jìn)入80 年代后， 隨著城市化進(jìn)程的加快和對(duì)污染防治的逐漸重視， 國(guó)家適時(shí)調(diào)整政策， 規(guī)定在城市政府擔(dān)保還貸條件下， 準(zhǔn)許使用國(guó)際金融組織、 外國(guó)政府和設(shè)備供應(yīng)商的優(yōu)惠貸款， 由此推動(dòng)了一大批城市污水處理設(shè)施的興建。 我國(guó)污水處理事業(yè)有了較大的發(fā)展， 其中具有里程碑意義的是中國(guó)第一座大型城市污水處理廠——天津市紀(jì)莊子污水處理廠于1982 年破土動(dòng)工， 1984 年竣工投產(chǎn)運(yùn)行， 處理規(guī)模為26 萬(wàn)m3／d， 采用活性污泥法工藝。 在此成功經(jīng)驗(yàn)的帶動(dòng)下， 北京、 上海、 廣東等省市根據(jù)各自的具體情況分別建設(shè)了不同規(guī)模的污水處理廠， 至此正式標(biāo)志我國(guó)進(jìn)入工業(yè)化污水處理時(shí)代［5－7］。

在“八五”、 “九五”和“十五”規(guī)劃期間， 隨著城市環(huán)境綜合治理的深化及各流域水污染的重視，各地加大了污水處理設(shè)施建設(shè)力度， 到2005 年，我國(guó)城市污水處理廠從1990 年的80 個(gè)增長(zhǎng)到792個(gè)， 處理能力達(dá)到5 725 萬(wàn)m3／d， 其中二級(jí)以上污水處理廠694 座， 水環(huán)境污染趨勢(shì)得到了初步遏制， 部分地區(qū)有所改善［1］； 但我國(guó)城鎮(zhèn)水污染情況依然很?chē)?yán)重， 一些城鎮(zhèn)的集中式飲用水源地污染物不同程度超標(biāo)， 113 個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市飲用水源地水質(zhì)平均達(dá)標(biāo)率只有72%， 縣城污水處理水平還比較低， 1 636 個(gè)縣城中只有117 座污水處理廠，設(shè)施覆蓋率僅為14%， 且主要集中在東部發(fā)達(dá)地區(qū)［8］。 “十一五”規(guī)劃期間， 地方各級(jí)人民政府積極落實(shí)國(guó)家部署， 污水處理得到進(jìn)一步發(fā)展。 截至2010 年底， 我國(guó)城鎮(zhèn)生活污水設(shè)施處理能力達(dá)到1.25 億m3／d， 城市污水處理率達(dá)82%， 縣城污水處理率達(dá)到60%， 但同時(shí)面臨污水處理設(shè)施建設(shè)發(fā)展不均衡、 管網(wǎng)配套建設(shè)相對(duì)滯后、 現(xiàn)有設(shè)施升級(jí)改造壓力較大、 污泥處理及污水回用等問(wèn)題［8］?！笆濉钡奈鬯幚斫ㄔO(shè)規(guī)劃中針對(duì)這些問(wèn)題做出了具體部署， 各地和有關(guān)部門(mén)認(rèn)真貫徹落實(shí)， 截至2015 年， 我國(guó)污水處理水平得到明顯提高， 城鎮(zhèn)污水處理能力已達(dá)到2.17 億m3／d， 城市污水處理率達(dá)到92%， 縣城污水處理率達(dá)到85%。 農(nóng)村地區(qū)污水處理設(shè)施也到了提升， 鎮(zhèn)處理率達(dá)到51%。污水回用和污泥處理率得到了一定程度的提高， 但是污水處理設(shè)施建設(shè)仍然存在著區(qū)域分布不均衡、配套管網(wǎng)建設(shè)滯后、 建制鎮(zhèn)設(shè)施明顯不足、 老舊管網(wǎng)滲漏嚴(yán)重、 設(shè)施提標(biāo)改造需求迫切、 部分污泥處置存在二次污染隱患、 再生水利用率不高、 重建設(shè)輕管理等問(wèn)題。 為此， “十三五”規(guī)劃提出了實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)由“規(guī)模增長(zhǎng)”向“提質(zhì)增效”轉(zhuǎn)變， 由“重水輕泥”向“泥水并重”轉(zhuǎn)變， 由“污水處理”向“再生利用”轉(zhuǎn)變， 全面提升我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施的保障能力和服務(wù)水平， 改善水環(huán)境質(zhì)量。

1.2 空間分布

我國(guó)各區(qū)域污水處理設(shè)施建設(shè)及運(yùn)行情況如表1 所示［9］。 從表1 可見(jiàn)， 污水處理廠及污水處理能力主要集中在華東地區(qū)， 華東地區(qū)污水處理廠占全國(guó)的27%， 年處理能力占總量的33%， 排水管網(wǎng)約占總長(zhǎng)度的40%， 這是因?yàn)槿A東地區(qū)分布了約4億人口， 約占全國(guó)總?cè)丝诘?9%， GDP 產(chǎn)值也約占全國(guó)的38%， 人均生產(chǎn)總值為國(guó)內(nèi)最高， 接近9萬(wàn)元。 華南地區(qū)污水處理設(shè)施排名第二， 年處理能力占總量的16%。 東北和西北地區(qū)最低， 年處理能力分別占9% 和5%。 區(qū)域設(shè)施的建設(shè)情況與經(jīng)濟(jì)狀況發(fā)達(dá)情況和人口數(shù)量有極大關(guān)系。 目前污水處理廠運(yùn)行情況最好的地區(qū)為華中地區(qū)， 平均運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到90%， 西北和東北均不足80%。 在平均單位電耗指標(biāo)上， 華北地區(qū)最高， 達(dá)到0.428 kW·h／m3， 這可能是因?yàn)槿A北地區(qū)對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求較高。 華北地區(qū)污水的再生利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他地區(qū)， 達(dá)到了36%， 西北地區(qū)最低， 僅為9%。

表1 各區(qū)域污水處理設(shè)施建設(shè)及運(yùn)行情況Tab. 1 Construction and operation situations of sewage treatment plants in different regions

1.3 運(yùn)營(yíng)成本分析

譚雪等［10］對(duì)我國(guó)污水處理廠的運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行了分析， 結(jié)果顯示平均污水運(yùn)行成本約為0.81 元／t， 污泥為0.2 元／t， 結(jié)合2019 年各地區(qū)污水處理量， 對(duì)污水處理費(fèi)用進(jìn)行估算， 年處理費(fèi)用509 億元， 其中華東地區(qū)年污水處理費(fèi)用最高， 達(dá)到168億元， 占全國(guó)總費(fèi)用的34%， 是中部地區(qū)的2 倍、西部地區(qū)的3 倍。 排名前4 的廣東、 江蘇、 山東、浙江， 均超過(guò)30 億元， 其中廣東年投入費(fèi)用達(dá)到68 億元。 最低的省份為青海和寧夏， 年處理費(fèi)用在3 億元以下。 為了驗(yàn)證各區(qū)域污水處理費(fèi)用與人口和GDP 的關(guān)系， 對(duì)三者分別進(jìn)行了擬合， 結(jié)果如圖1 所示。 由圖1 可知， 各區(qū)域人口和GDP 都呈很強(qiáng)的線性關(guān)系（R2≈0.9）， 這是因?yàn)槿丝跀?shù)量越多， 產(chǎn)生的污水量也越多， 同時(shí)GDP 越高， 污水收集率和人均產(chǎn)生的污水量也會(huì)提高。 因此， 未來(lái)隨著污水收集能力的提高和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)， 各省的污水處理運(yùn)行費(fèi)用將進(jìn)一步提高。

圖1 各區(qū)域城鎮(zhèn)污水處理運(yùn)行費(fèi)用與人口、 GDP 的關(guān)系Fig. 1 Relationship among operation cost of sewage treatment in different regions, population and GDP

2 處理工藝及運(yùn)行情況

20 世紀(jì)80 年代及以前我國(guó)大部分城市污水處理廠采用普通曝氣法活性污泥處理工藝及其改良工藝， 主要以去除污水中BOD5和SS 為目的， 對(duì)污水中氮磷的去除率非常低。 進(jìn)入90 年代， 隨著化肥、 洗滌劑和農(nóng)藥的普遍應(yīng)用及GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的提高， 對(duì)城市污水的排放標(biāo)準(zhǔn)提出了新的要求， 在去除BOD5、 SS 的同時(shí)還需要考慮脫氮除磷， 此階段污水處理技術(shù)發(fā)展較快， A／O、 A2／O、 氧化溝、 SBR、 BAF 等工藝因具有較好的脫氮除磷效果開(kāi)始被運(yùn)用于城市污水處理［11-12］。 進(jìn) 入2000 年 后， 隨 著GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的推出， 對(duì)出水氮磷濃度有了更明確的要求。 近年來(lái)由于污水處理廠出水指標(biāo)的不斷提高， 原有污水處理工藝逐漸被許多新型工藝和改進(jìn)型工藝取代， 如A2／O工藝逐漸被改良A2／O 工藝取代， SBR 工藝被改良SBR 工藝取代， CASS 工藝及CAST 工藝在新建污水處理廠中所占的比例逐年升高［13］。 目前我國(guó)污水處理廠的設(shè)計(jì)處理規(guī)模主要在4 萬(wàn)t 及以下， 占比77%， 主要采取的污水處理工藝為A2／O、 氧化溝和SBR。

2.1 An／O 工藝

An／O 工藝主要由A／O 工藝和A2／O 工藝組成，這2 種工藝使用最為廣泛， 分別占比4%和33%［14］。A2／O 工藝運(yùn)用比例隨著污水處理廠規(guī)模增大而增大， 尤其是在日處理能力10～20 萬(wàn)m3和20～50萬(wàn)m3規(guī)模的污水處理廠中達(dá)到了50%［14］。 A／O 工藝流程簡(jiǎn)單、 投資較少， 但是由于沒(méi)有獨(dú)立污泥回流系統(tǒng)， 不能培養(yǎng)具有獨(dú)特功能的污泥， 對(duì)污水中存在的難降解污染物的處理效率較低。 A2／O 工藝是A／O 工藝的改進(jìn)版本， 其對(duì)生活污水中氮、COD、 有機(jī)物的去除率更高， 在脫氮同時(shí)還可以除磷， 這是A／O 工藝所不具備的。 目前采用A2／O 工藝的污水處理廠中60% 執(zhí)行一級(jí)A 或更高標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)在高排放標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下， 具有脫氮除磷綜合優(yōu)勢(shì)的A2／O 工藝的應(yīng)用將進(jìn)一步增加。

2.2 氧化溝

氧化溝工藝作為一種成熟的活性污泥污水處理工藝已在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用， 該工藝占比29%，主要運(yùn)用在10 萬(wàn)m3／d 及以下規(guī)模污水處理廠。 它是活性污泥法的一種變型， 其曝氣池呈封閉的溝渠型。 常見(jiàn)氧化溝工藝有： 卡魯塞爾2000、 DE、 奧貝爾及其改進(jìn)形式、 一體化氧化溝。 氧化溝工藝?yán)眠B續(xù)環(huán)式反應(yīng)池作生物反應(yīng)池， 混合液在該反應(yīng)池中一條閉合曝氣渠道進(jìn)行連續(xù)循環(huán)。 氧化溝通常在延時(shí)曝氣條件下使用。 氧化溝具有推流特性， 使得溶解氧濃度在沿池長(zhǎng)方向形成濃度梯度， 形成好氧、 缺氧和厭氧條件。 對(duì)系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)與控制， 可以取得較好的脫氮除磷效果。 目前55.4% 的氧化溝工藝項(xiàng)目執(zhí)行一級(jí)A 及更高的標(biāo)準(zhǔn)［14］。

2.3 SBR

SBR 包括傳統(tǒng)SBR、 CASS 及其改進(jìn)、 CAST、UNITANK 及其改進(jìn)、 DAT－IAT、 AICS、 CTECH、ZT 廊道交替池工藝等， 目前占比19%， 主要運(yùn)用在10 萬(wàn)m3／d 及以下規(guī)模污水處理廠。 SBR 是采用間歇曝氣方式， 最主要的特點(diǎn)是運(yùn)行上進(jìn)行有序和間歇操作， 尤其適用于間歇排放和流量變化較大的場(chǎng)合， SBR 工藝可以用在學(xué)校生活污水處理、 加工廠間歇排放的工業(yè)污水、 中小型污水處理站。 SBR將有機(jī)污染物降解與泥水混合物沉淀集為一體， 無(wú)需污泥回流， 不設(shè)二沉池， 在單一曝氣池內(nèi)通過(guò)控制曝氣就能達(dá)到同時(shí)降解有機(jī)物和脫氮除磷的效果， 因此該工藝在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。 目前采用SBR 工藝的項(xiàng)目中， 41.4% 執(zhí)行一級(jí)A 及更高的標(biāo)準(zhǔn)［14］。

我國(guó)污水處理廠運(yùn)行負(fù)荷與設(shè)計(jì)規(guī)模成正相關(guān)關(guān)系， 40 萬(wàn)t 及以上規(guī)模的污水處理廠負(fù)荷率最髙，達(dá)到91%， 10 萬(wàn)～40 萬(wàn)t 的為88%， 4 萬(wàn)～10 萬(wàn)t的為83%， 4 萬(wàn)t 及以下的負(fù)荷率最低， 為77.3%。污水處理廠的平均進(jìn)水質(zhì)量濃度如下： COD 275 mg／L、 BOD5118 mg／L、 氨氮26 mg／L、 總氮35 mg／L、總磷4 mg／L， 其中日均值最高的省份為新疆、 內(nèi)蒙古、 甘肅和北京， 這些污染物的去除率大部分達(dá)到了90%， 其中COD 90%、 BOD594%、 氨氮91%、 總氮69%、 總磷88%［9］。

為進(jìn)一步降低這些污染物含量， 達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)， 投加外部碳源、 除磷藥劑成為一種必要的輔助手段。 在我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠中， 6% 左右的城鎮(zhèn)污水處理廠投加了碳源（主要為甲醇、 葡萄糖、 乙酸、 乙酸鈉）； 35% 以上的城鎮(zhèn)污水處理廠采用了化學(xué)除磷（主要為聚合氯化鋁、 聚合硫酸鐵、 硫酸鋁、 三氯化鐵、 聚合氯化鋁鐵）， 主要工藝投加量從高到低為A／O、 A2／O、 氧化溝、 SBR；76% 的污水處理廠投加了脫水藥劑（主要為聚丙烯酰胺）， 實(shí)現(xiàn)污泥脫水［15］。 隨著污水處理規(guī)模的增加和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高， 污水處理對(duì)資源的消耗（尤其是能耗）將進(jìn)一步提高， 主要污水處理工藝平均單位能耗從大到小為SBR、 A2／O、 A／O、 氧化溝［16］。污水處理平均耗電量為0.317 kW·h／m3， 按照年污水處理總量計(jì)算， 2019 年耗電量約為162 億kW·h， 約占全社會(huì)總電耗的0.24%。 與2010 年的103億kW·h 相比， 耗電量上漲約60%， 年增長(zhǎng)率達(dá)到6%［1］。

3 建議

（1） 制定因地制宜的污水處理工藝及排放標(biāo)準(zhǔn)。 目前我國(guó)采用的污水處理工藝都是基于活性污泥法進(jìn)行改良的工藝， 這類(lèi)處理工藝能夠快速和高效地對(duì)污水進(jìn)行處理， 但由于管網(wǎng)建設(shè)滯后，運(yùn)行負(fù)荷偏低， 雨污未分流， 導(dǎo)致進(jìn)水濃度低（如ρ（COD）＜150 mg／L）， 同時(shí)采用基于活性污泥工藝的改良工藝導(dǎo)致了能耗高、 藥耗高、 建設(shè)成本高，及后期維護(hù)成本高， 因此針對(duì)中小城市或者西北干旱地區(qū)， 考慮到土地資源多， 可出臺(tái)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)鼓勵(lì)采用比較占地的生物處理法， 如土地處理法、 人工濕地、 滴濾池、 接觸氧化法， 這些工藝建設(shè)成本和運(yùn)行成本低， 對(duì)藥劑的依賴程度及對(duì)運(yùn)營(yíng)人員的專(zhuān)業(yè)水平要求也不高， 即便是低負(fù)荷也不會(huì)造成資源浪費(fèi)。 同時(shí)這些地區(qū)環(huán)境承載能力大， 可參考農(nóng)田污水回灌標(biāo)準(zhǔn)， 實(shí)現(xiàn)污水資源化［17］。

（2） 提高中水的再生利用率和污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的回收。 目前城市和縣城污水再生利用率分別為17.2% 和9%， 同時(shí)一些城市缺乏生態(tài)用水， 這些經(jīng)過(guò)高標(biāo)準(zhǔn)處理過(guò)的尾水應(yīng)有效利用起來(lái)， 可利用政策引導(dǎo)和市場(chǎng)價(jià)格調(diào)節(jié)， 使再生水成為第二補(bǔ)充水源。 污水中含有大量的氮與磷， 目前對(duì)于這2 個(gè)指標(biāo)的排放標(biāo)準(zhǔn)正在逐年提高， 意味著大量的氮與磷從污水中轉(zhuǎn)換出來(lái)， 同時(shí)氮、 磷是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料， 且磷的礦產(chǎn)存量越來(lái)越少， 因此可以考慮將從污水中轉(zhuǎn)換出來(lái)的氣態(tài)氮和可溶性的磷進(jìn)行回收轉(zhuǎn)換為肥料， 如可投加鎂源將磷和氮轉(zhuǎn)換成鳥(niǎo)糞石， 作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的緩釋肥［18－19］。

（3） 提高污泥資源化水平和污水處理廠的能源自給率。 2019 年我國(guó)污水處理廠污泥產(chǎn)生量為1.4×107t， 處置量為1.3×107t， 處理率達(dá)到95%， 主要處理方式為脫水之后填埋， 城鎮(zhèn)污水處理廠基本實(shí)現(xiàn)了污泥的初步減量化處理， 但尚未實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化和資源化［1］。 污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)（51%）及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（氮3%、 磷2%、 鉀1%）［20］。 采用厭氧消化工藝可減少污泥接近一半的量， 同時(shí)還能產(chǎn)生沼氣， 尤其是熱水解處理技術(shù)預(yù)處理后產(chǎn)氣能力還能提高［21］。 污水處理作為一個(gè)高耗能行業(yè)， 間接產(chǎn)生大量的溫室氣體。 如果采用高效厭氧消化、 協(xié)同厭氧消化技術(shù)， 一方面能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的穩(wěn)定化及減量化， 另一方面可以產(chǎn)氣發(fā)電以提高污水處理廠的能源自給率， 降低能耗。