全国城镇污水处理设施现状及清洁生产分析

1 污水处理厂现状

1.1 污水处理设施现状

城镇化发展是我国未来发展的重要战略举措，目前已处于关键时期，我们必须深刻认识到城镇化发展对当今社会的重要意义，把握住城镇化发展中所蕴含的重大机遇，加快市政公用基础设施的建设。可持续发展是社会发展亘古不变的话题，而水污染控制则是社会可持续发展的基础。20世纪20年代，我国的污水处理行业开始兴起，发展至今已近百年时间，然而直到最近十几年才有了突飞猛进的发展(见图1)。截止到2014年，我国已经投运的城镇污水处理厂共计4436座，总设计能力达1.71×108 m3·d-1，平均每天水处理量达1.35×108 m3·d-1，其中东部平均每天水处理量达0.80×108 m3·d-1，占全国污水处理量的一半以上。根据近三年全国污水处理厂污水排放总量以及各项指标排放量所示[2]，我国污水排放总量正在逐年增加，而大部分指标呈现逐年下降或维持稳定不变的趋势(见表1)。

  

图1 我国城镇污水处理设施变化趋势

 

表1 近三年废水各项指标排放量汇总表

  

指标2013年2014年2015年废水排放总量(×104t)6954432.77161750.537353226.83化学需氧量排放量(×104t)2352.72294.62223.5氨氮排放量(×104t)245.66238.53229.91总氮排放量(×104t)448.1456.14461.33总磷排放量(×104t)48.7353.4554.68石油类排放量(×104t)18385.3516203.6415192.03挥发酚排放量(×104t)1277.331378.43988.21铅排放量(kg)76111.9773184.7479429.53汞排放量(kg)916.52745.911079.97镉排放量(kg)18435.7217251.115819.94总铬排放量(kg)163117.68132797.43105287.98砷排放量(kg)112230.03109729.85112101.29六价铬排放量(kg)58291.4534925.3323597.58

根据2014年各省污水处理设施现状[1](见表2)分析，我国东部污水处理厂数量为2236座，平均每天水处理量达0.80×108 m3·d-1；中部污水处理厂数量为1095座，平均每天水处理量达0.32×108 m3·d-1；西部污水处理厂数量为1105座，平均每天水处理量达0.23×108 m3·d-1。我国污水处理厂最多的省份是江苏省(541座)，其次为广东省(395座)和山东省(352座)，其中广东省的实际处理污水量最高，可达1841.93×104 m3·d-1。污水处理厂最少的省份是青海省(19座)、宁夏省(25座)和海南省(27座)，处理量分别为30.2×104 m3·d-1，65.91×104 m3·d-1，77.28×104 m3·d-1。

1.2 污水处理工艺现状

图2反映了我国城镇污水处理工艺现状。在全国范围内，污水处理工艺应用最为广泛的为A2/O工艺(占22.07%)，其次为氧化沟工艺(占16.64%)、CASS工艺(占8.79%)以及A/O工艺(占8.48%)。如图3所示，随着我国经济的发展以及人口的不断增多，污水处理量也随之增加，且由于污水处理厂出水指标的不断提高，原始污水处理工艺逐渐被许多新型工艺和改进型工艺取代，如A2/O工艺逐渐被改良A2/O工艺取代，SBR则被改良SBR工艺取代，在近10年来CASS工艺及CAST工艺在新建污水处理厂中所占的比例逐年升高。

其中：{fe(p)}和{fa(p)}分别代表结构动态特性的试验值与分析值；R(p)称之为残差项；分别代表结构设计参数的下限和上限。

 

表2 2014年各省污水处理设施现状

  

地域省份污水处理厂数量(座)设计处理能力(×104m3·d-1)平均处理水量(×104m3·d-1)有效负荷率东部江苏5411514.051177.2877.76%广东3952169.811841.9384.89%山东3521405.261146.0081.55%河北252909.23688.2675.70%浙江2331122.18909.2881.03%辽宁131762.47573.0275.15%福建122456.16378.6183.00%北京85446.94373.9483.67%天津53272.11208.1076.48%上海45756.05602.9979.76%海南2796.9077.2879.75%合计22369911.167976.6979.88%中部河南204894.30747.0783.54%山西162346.79232.1766.95%湖北158674.28554.9282.30%安徽145548.59487.1388.80%湖南137574.82471.8182.08%江西122355.85300.5284.45%黑龙江109372.57234.0562.82%吉林58304.15212.9670.02%合计10954071.353240.6377.62%西部四川245646.51534.0482.60%贵州131217.42182.5183.94%内蒙古123321.45205.6663.98%陕西121388.14256.0165.96%广西109392.30301.2976.80%云南105291.75238.3181.68%重庆92290.85269.9292.80%甘肃66170.7687.7251.37%新疆69252.35133.2352.80%宁夏2585.5065.9177.09%青海1939.7030.2076.07%合计11053096.732304.873.19%合计443617079.2413522.1276.83%

2 污水处理厂的清洁生产

随着我国污水处理厂的不断增多、污水处理工艺的不断发展以及污水处理设备的不断更新，污水处理厂的清洁生产也成为尤为重要的一个环节。除了污水处理厂的人工费、管理费以外，污水处理厂的电耗、药耗、物耗以及水耗也是其运行成本的重要部分。清洁生产对于生产过程来说虽不是核心环节，却也是不可或缺的一个重要环节，它关系到整个生产体系的能量与物料的整合，它是指节约能源和原材料，裁减有害的原材料，削减废物的数量和毒性；对产品来说，它是指减少产品生命周期对环境的有害影响；对服务来说，它是指将预防战略联合到环境设计和其所供应的服务中[3]。狄倩等[4]对陕西省某城市污水处理厂进行了清洁生产审核，依据该行业特点并结合企业自身情况，提出并实施了清洁生产无/低费方案24项、中/高费方案4项，每年可节约自来水10.52万t，节约电能182.5万kw·h，节约絮凝剂约2.8t，产生的经济效益为187.7万元，各项污染物的去除率均有提高。通过对城市污水处理厂进行清洁生产审核，可以大幅度降低原辅材料以及能源的消耗量，并且可以进一步提高污染物的去除率，产生显著的经济效益及环境效益。

  

图2 污水处理厂主体工艺应用情况

  

图3 我国污水厂不同时段主体工艺投运数量分布

2.1 节能降耗

2.1.2 生物处理

2.1.1 污水提升

2）对于经济欠发达的偏远山区，积极发展推行木结构形式建筑，促进木结构体系的研发与设计，挖掘传统智慧，将木结构与传统文化、民族特色结合起来；

对于污水处理厂来说，清洁生产的审核重点则是节能降耗。污水处理行业是一个能耗密集的综合性行业，污水处理厂的电耗约占社会用电能耗的0.3%[5]。污水处理厂的能耗主要包括两部分，一是直接能耗主要为曝气鼓风机、回流泵以及提升泵等运行时所耗的电能，二是间接能耗主要为化学除磷、污泥脱水及消毒等投加的化学药品等，其中电耗大约占总能耗的60%～90%[6]。由此我们可以看出，电耗是污水处理厂清洁生产的重中之重，其中，污水提升的电耗占10%～20%，生物处理的电耗占50%～70%，污泥处理处置的电耗占10%～25%[7]。

生物处理是污水处理厂的最大耗能处理单元，也是清洁生产的重点环节。由于曝气系统缺乏自动调节装置且为了保险起见的过度曝气，导致生物反应池曝气过度，直接造成了能耗的浪费，而实现精确曝气流量控制的关键在于模型设计和在线控制。谢小明[10]提出了精确曝气控制的几种方式：(1)调整“曝气量控制”为“水量控制”，(2)实现“按需曝气”，(3)有效处理仪表信号。夏文辉等[11]将精确DO控制系统即在线调整与性能报告相结合的增强标准SACDA控制系统应用于污水处理厂，通过应用此系统使曝气能耗降低了20%以上。魏彬等[12]认为在线监测系统和采用数学建模计算曝气量的控制方式在实际应用中通常达不到理想效果，对于采用生物膜法或者好氧活性污泥法的污水处理厂，可以通过PLC自动控制来实现精确控制曝气总量，不仅可以降低人力成本，还可能实现精确控制曝气量以达到稳定水质和节能降耗。

在污水处理厂的能源消耗中药剂消耗仅占不到10%，主要包括外部碳源、除磷、污泥脱水及消毒阶段[18]。张维等[19]分析了全国范围内污水厂投加外源碳、除磷以及脱水药剂的比例分别为6%、35%和76%，季节变化、排放标准和温度变化等均对药剂的投加量影响显著。

污水处理厂预处理单元的提升泵耗能较高的原因主要为污水量波动幅度大、电机效率较低、控制管理水平低以及设计能力远超运行能力等，目前，我国污水处理厂主要通过变频控制技术控制提升泵的能耗。郭昉等[5]分析并提出了污水提升系统的节能降耗措施：(1)在污水处理厂的设计阶段需进行全面调研，尽可能地降低扬程并且考虑采用淹没流模式；(2)根据泵所需提升的污水量以及变化特征，选择合适的泵及组合方式；(3)注重电机与泵的匹配程度，加强电机的高效运行；(4)注重污水管道的设计，尽可能减少弯管和管道的长度，降低污水在运输过程中的阻力和能耗；(5)加强工艺运行管理与设备维护。目前我国污水处理厂在预处理阶段使用最为广泛的节能降耗措施是使用变频装置控制提升泵。张倬玮等[8]采用定速泵和变频泵搭配工作，使其根据进水量调节开泵量且保证与之配套的电机尽可能长时间在负荷≥75%条件下运行以保证电机工作效率，节电率为17.3%。许光泞等[9]通过使用变频调速装置能够使泵的平均转速相比于工频转速降低20%以上，节能效率可达20%～40%，与同样情况下的用挡板、阀门调节相比，可节约能耗40%～60%。

2.1.3 污泥处理

据王涤非介绍，受中国环保、美国美盛Plant City工厂关停等因素影响，全球磷肥供应在2018开年之际就注定大幅减少。尽管沙特二期项目陆续提高开工率带来了少量额外供应，但由于中国国内一季度需求良好，印度市场2018年开年库存处于历史低位，且美国市场因Plant City关停而需求增加，上半年全球供应处于不足状态，价格也被持续稳步推涨。

污泥浓缩常用的方法有重力浓缩、离心浓缩、气浮浓缩、带式浓缩机浓缩等。赵庆良等[17]比较了不同污泥浓缩方法的能耗情况，结果表明，重力浓缩的能耗最低，是国内外广泛采用的方法，且由于我国经济条件的限制，我国污水厂今后主要的减容手段将还是以重力浓缩为主。污泥稳定常用的方法有厌氧消化、好氧消化和污泥堆肥，以及大约有一半的污水处理厂并未进行污泥稳定处理，对后续的污泥处置造成极大的不便和危险。污泥经过浓缩和消化处理后体积减少了约50%以上，但污泥体积依旧庞大，为了便于运输和处置，需要将污泥进行进一步处理即机械脱水。由于污泥特性的不同，污泥机械脱水的方式也不相同。赵庆良等[17]分析比较了不同污泥机械脱水时各物质、能量耗费的情况，结果表明，干化床以及离心机总能耗较低。

2.2 药剂消耗

鼓风机以及曝气器的选型对曝气系统的能耗控制也是尤为重要的。目前污水厂应用较多的鼓风机是罗茨风机、单级离心风机和多级离心风机[13]。污水处理厂为了提高氧转移效率普遍采用微孔曝气系统[14]，常用的微孔曝气器按结构可分为：盘式、管式和板式；按材料可分为陶瓷、聚乙烯和橡胶膜片[15]。除此以外，我们还应考虑到空气管道的设计，目前国内出于安全考虑通常采用环状式的管道布置，但并不适用于所有生物池[16]。

为了提高污泥的脱水性能，需对其进行污泥调理。污泥调理通常分为化学调理和物理调理。化学调理是向污泥中投加混凝剂或助凝剂，化学调理处理效果好，但与物理调理相比处理成本高且污泥量大。物理调理包括加热、冷冻以及淘洗等，其中淘洗是较常用的一种方法，且可降低污泥调理药剂的消耗[18]。在全国范围内有76%的污水厂进行污泥脱水，其中有95%的污水厂投加聚丙烯酰胺(PAM)，PAM的投加量与污泥性质、脱水方式密切相关，且程洁红[21]、裴海燕等[22]研究发现消化污泥的混凝剂投加量明显高于未经消化的。

污泥处理是对污泥进行污泥浓缩、污泥调质、污泥脱水、污泥稳定、污泥干化或污泥焚烧等减量化、稳定化、无害化的加工过程。污泥处理处置的基本原则为：安全环保、循环利用、节能降耗、稳妥可靠、因地制宜。

城市污水处理厂除磷的方式主要分为化学除磷和生物除磷，与化学除磷相比生物除磷不需投加除磷药剂、操作简单、产泥量少，但在实际生产中工艺复杂，且对进水水质要求较高，仅采用生物除磷难以达标排放。俞蕴芳等[20]研究发现与硫酸铝、三氯化铁相比，聚合氯化铝不仅具有更好的除磷效果，且能够大大降低药耗。

中国中化集团有限公司成立于1950年，是国务院国资委监管的国有重要骨干企业，下设能源、化工、农业、地产和金融五大事业部，对境内外300多家经营机构进行专业化运营，同时也是《财富》全球500强榜单的中国领先企业之一。

应该说，各少数民族群众是在红军极其困难的情况下走上革命道路的，广大少数民族，在人力、物力及道义上采取各种方式积极援助红军，踊跃参军，保证部队的供给，掩护伤病员，壮大革命武装力量，有许多少数民族红军战士，在长征途中为革命奉献了自己宝贵的一生，这对红军长征产生十分重要的影响。

3 污水处理厂的“碳中和”

传统污水处理过程是一个“以能消能”、“转嫁污染”的过程[23]，不仅没有使能源得到有效的利用，还不断加剧了温室气体的排放。现如今在污水处理普及率与处理能力日益提高的形势下，污水处理的能耗问题愈发突出。20世纪90年代国际上开始兴起可持续污水处理技术的概念，21世纪初许多欧美国家提出到2030年实现污水处理的能源自给，达到“碳中和”的运行目标。

农谚即关于农业生产的谚语，是农民在长期生产实践活动中总结出来的经验，是农民生产经验的概括和形象的反映，蕴含着丰富的哲理，对于农业生产有一定的指导作用。对农村高中生而言，将农谚引入课堂，寓深奥抽象的哲理于学生熟悉的日常生活中，可活跃课堂气氛，增强教学的趣味性和感染力。例如，讲“物质与意识的关系”时，设置问题：

德国布伦瑞克市的斯泰因霍夫污水处理厂通过对剩余污泥进行厌氧消化获得的甲烷进行热电联产发电、产热，可以实现满足污水处理、污泥处理等环节用电量的79%[24]。德国奥地利的斯特拉斯污水处理厂采用AB法与厌氧氨氧化法相结合的方法实现了剩余污泥产量最大化，通过厌氧消化产甲烷结合热电联产的方式实现了108%的能源自给，达到碳中和运行目标[25]。美国希博伊根污水处理厂利用污水处理厂剩余污泥和厂外高浓度食品废物厌氧消化产生的生物气体进行热电联产发电以及产热，并且通过更新水泵变频机组、鼓风系统、气流控制阀、加热设备以及自控系统等设备大幅降低了污水处理的能耗，到2013年实现了电自给率达90%～115%、热自给率达85%～90%的业内佳绩，接近“碳中和”目标[26]。日本17座污水处理厂通过使用沼气发电设备实现了15%～30%的用电自给，横滨市北部污泥处理中心的电自给率能够达到64%～73%[27]。

目前，我国污水处理厂已经意识到能源的循环利用以及污水资源化等问题，如青岛市麦岛污水处理厂的二期工程利用初沉池污泥与曝气生物滤池剩余污泥的混合污泥进行污泥中温消化和热电联产，产生的电可以满足麦岛污水处理厂65%以上的用电需求，且余热可以用于加热消化池的污泥[28]。上海市白龙港城市污水处理厂采用曝气生物滤池/流砂过滤器/二氧化氯工艺处理高效沉淀池出水, 达到了中水回用的设计目标，该工程可为白龙港污水处理厂提供2500 m3 /d的回用水, 以回用水替代自来水, 可创造3 000元/d的收益，则每年可创造近110万元的收益，该工程极大程度的减轻了城市供水负担,缓解上海用水紧张的状况，并且可以进一步去除污染物, 减轻对环境的污染，实现污水资源化利用[29]。

4 结语

传统污水处理是“以能消能”、“污染物转嫁”的过程，处理过程能耗大、费用高昂且排放大量温室气体。污水处理行业是一个综合性行业，涉及到设备、电气、自动化等多个领域，对于基于能源自给与碳中和理念的未来污水处理厂，我国要从自身出发，创建符合我国现状以及未来发展规划的污水处理体系。

参 考 文 献

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