导言自90年代以来，中国在城市卫生方面取得了显著进步。2017年市政污水处理能力达到49.2 x109立方米，在城市地区的覆盖率达94.5％。去除营养物（氮和磷）已经在国家范围内依法实施。然而，许多市政污水处理厂面临能量回收少，营养物去除昂贵，污泥产量高等问题。下水道渗漏造成的中国市政污水独特的水质特征是市政污水处理厂效率低下的主要原因。最近，中国三部委颁布的题为《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》文件强调了下水道修复在城市水环境卫生与生态关键功能，标志着中国城市水环境保护战略的转折点。考虑到下水道修复所涉及的繁重任务，所需的巨大投资和长周期，采取具有成本效益的快速行动以改善中国市政污水处理效率和可持续性，与下水道修复应该同时进行。
方法中国、欧洲、美国和新加坡的污水处理厂能源回收基于使用厌氧消化（ad）和热电联产（chp），而中国相当部分厂省略初级污泥沉降（ps），很少厂使用污泥厌氧消化(ad)，污泥的产生主要基于观察微生物(剩余污泥)生长量(系数)和进水无机悬浮固体(iss)积累。
结果和讨论
市政废水处理 – 可持续性
表1 显示，不到5％的中国城市污水处理厂使用污泥厌氧消化，与欧洲、美国和新加坡相比，比例非常低，说明通过污泥厌氧消化和热电联产（下称ad-chp）途径进行的能量回收非常有限，尽管具有较长污水处理传统的国家很久之前已经广泛应用ad-chp技术。舍弃使用污泥厌氧消化不仅导致污泥稳定化问题，招致二次污染卫生问题，还大大增加了污泥量（由于没有污泥厌氧消化过程中vss破坏, 加上调理板框脱水添加石灰）增加了污泥处理、 处置和再利用的费用和困难。
表1 | 在中国和其他国家/地区采用污泥厌氧消化的市政污水处理厂占比（％）为了达到严格的营养物排放标准[如中国市政污水处理厂一级a排放标准，tn（总氮）<15mg-n/l，tp(总磷）< 0.5 mg-p/l，和在一些省份敏感地区实施的tn <10 mg-n/l，tp <0.3 mg-p/l], 尽管舍弃初级污泥沉降, 中国许多污水处理厂采用了外加碳源除氮(和磷)。从根本上讲，这是由于进水的低c/n比，因为对于典型的污水，常规的生物脱氮工艺可以在不添加或添加少量碳的情况下实现出水tn <10-15 mg-n/l。现今在一些厂中，化学药品花费仅次于电力, 排名第二。如果实行更严格的营养物排放标准（例如tn <5 mg-n/l和tp < 0.1 mg-p/l）, 将给工厂运营和地方当局带来进一步的经济负担，此外，考虑初级能源的使用和相应的温室气体排放，过量化学物质添加对环境也是不可持续的。对中国江苏南部部分污水处理厂的调查表明，当进水水质特性大致正常时，污水处理厂污泥产率接近0.48 kg/去除kg cod，而当污水水质特性异常，污泥产率接近0.69 kg/去除kg cod或甚至更高。在法国，39％的污水处理厂具有污泥厌氧消化 (表1)，其平均污泥产率为0.44 kg/去除kg cod。新加坡的污泥产率仅0.24 kg/去除kg cod，为中国的三分之一。新加坡所有市政污水处理厂采用污泥厌氧消化进行能量回收，由此减少约35％的固体，虽然仅在个别活性污泥过程实行生物除磷。通过与法国和新加坡污水污泥产率相比，可以看出进水中无机悬浮颗粒浓度以及厌氧污泥消化对污泥产率系数的影响，也说明中国目前的市政污水厂污泥产量系数确实过高。
2016年和2017年中国年度市政污水处理cod去除量和污泥产量以及污泥的观测产率系数污水处理厂低性能原因：独特的污水水质特性
污水水质特性对于活性污泥和整个厂工艺的设计至关重要。较早的一项对中国三个城市下水道系统进行的渗漏比估算研究结果显示，下水道系统渗漏导致了中国市政污水水质的三个基本特征，即高无机悬浮固体浓度(iss)、低cod、低碳氮比。
尽管需有更多数据描述全国情况, 但初步调查显示，在中国，即便在施工质量及管理维护良好的下水道系统，某些地区的污水处理厂进水vss/tss比在50％ – 70％的范围，低于60-80％的正常范围。文献报告进水低 cod / ss比(<1)和bod5/ss比(0.3-0.5)较低反映污水含高iss（砂质、粉土和粘土等）, 表明国内污水厂进水“无机化”特性显著。
进水低cod导致活性污泥池低生物量（mlvss）浓度。进水iss越高，混合液中的相对于去除单位cod的非挥发性固体分数和污泥产量越高。这使得高效除砂在处理cod较低进水时尤其至关重要。这里需要注意的是, 较低的进水cod浓度并不意味着必须废除污泥厌氧消化(参见下文), 尽管与进水cod较高相比，能量回收的量可能会受到影响。中国城市污水处理厂的进水c/n比在5.4-10.9之间，北京、上海和广州污水处理厂的进水碳氮比介于7.5（广州）到8.8（北京）之间，平均8.0, 低于其他地方的典型范围8到12。低c/n比率导致碳短缺, 尤其是面对高效生物脱氮时。此外, 鉴于潜在的高浓度惰性颗粒化学需氧量，与具有类似进水的典型污水(较低比例的惰性颗粒cod)的活性污泥相比，反硝化效率和生物除磷效率可能进一步减少。
在中国许多污水处理厂，由于进水cod较低，为增加碳供应，提高生物脱氮(反硝化)效率，省略了初沉池。考虑初沉池去除30–40％进水cod，省略初沉池情况下，则生物池的池容将增加约40％，同时二沉池表面积也须显著增加，导致设施体积和水力停留时间增加，增加了建设成本。而由于引入了更多可生物降解的颗粒cod, 颗粒的水解速率成为反硝化效率能否提高的决定因素。由于水解和温度的关系，夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季则未必，所以，省略初沉池的目的并不一定是可以实现的。污水厂因此需要全面详细分析污水特征，测量在不同温度范围下硝酸盐还原速率等，采用具有灵活性操作策略的的设计。
另一方面，为了满足日趋严格的营养物排放标准（例如，tn <10 mg-n/l），外加碳源被越来越普遍地实践。以当前市场价格粗略估计, 一个100,000 m3/d的污水处理厂为购买相当于20 mg-hac/l醋酸（hac）, 每年花费大约300万元人民币（约45万美元）。购买碳源和化学物质正成为工厂运营沉重负担。
潜在解决方案综合污水水质特征考虑市政污水处理厂的设计和运行
面对中国独特的污水水质特征，污水处理厂设计和运营须综合考虑当地的污水水质特征、排放要求、地理位置、处理能力，以及能源供给、化学药品和污泥处置成本. 污水水质特性在污水处理厂的工艺选择和设计中起着至关重要的作用。传统生物工艺可能不适用于中国南部部分地区的低cod浓度进水（例如，cod <100 mg-cod/l）处理, 而基于膜分离的工艺或sani工艺（硫酸盐还原，自养反硝化和硝化）可能是适用的技术。省略初沉池利用可生物降解的颗粒cod提高反硝化效率在温暖气候条件下可能会实现，但在寒冷的地区则未必可行。能源回收应在市政污水处理厂中得到足够的关注。早在本世纪初，美国许多处理量超过100,000 m3/d的污水处理厂使用污泥厌氧消化就是经济可行的。最近几年数据显示，甚至处理量为20,000–40,000 m3/d的工厂使用污泥厌氧消化在经济上仍然有利。欧洲数据是处理量约或超过10,000 m3/d (50,000pe）厂使用污泥厌氧消化经济上是可行的。中国的条件与美国和欧洲有所不同，研究在当地条件和因素情况下市政污水处理厂应用污泥厌氧消化经济可行性和必要性的迫切性是显而易见的，包括能量回收与营养物去除两者之间的平衡和成本-效益分析。
建议措施鉴于下水道修复耗时长久和当前广泛存在市政污水处理厂的状态，需要找出具有成本效益的措施和解决方案并加以实施，制定整合了各方面因素的污水处理厂设计与运行指南, 以提高污水处理厂的运行绩效。下面将谈谈改进除砂池、污泥发酵、污泥厌氧消化和热电回收的应用。考虑到众多效益和有限成本，所有污水处理厂，不管规模多大，提高砂粒去除效率都是值得去做的；而污泥发酵、污泥厌氧消化和热电联产的应用可能适合处理能力相对较大的污水处理厂，并具有较高的进水cod浓度。
以下是对改进中国污水处理厂除砂行动计划有关的建议：
- 对城市污水处理厂污水中和混合液中的挥发性固体成分进行广泛调查；测量和估算每种类型除砂单元的除砂性能；
- 通过提高除砂装置的效率来减少过程中的iss积累；通过提高除砂效率使混合液中的挥发性固体成分增加约10％.将小型污水处理厂的混合液中的挥发性固体成分的目标设置为55-60％，中大型污水处理厂(≥50,000m3/d）为60 – 65%。
污泥发酵 最大限度地利用污水中的cod应该是解决生物脱氮工艺中碳短缺问题的首要途径。在充分利用易生物降解的可溶性cod方面, 可以参考苏黎世污水处理厂。在充分利用可生物降解的固体cod方面，初沉污泥发酵是一种被广泛应用的技术。图1显示了中国某地生产规模污水厂的初沉污泥发酵数据, 平均增加40 mg-vfa/l挥发性脂肪酸(vfa)。同时，利用回流活性污泥（和在线混合液）发酵技术改善脱氮除磷效果已在丹麦、瑞典和美国等国家得到广泛验证。中国已经有初沉和回流污泥发酵的工程实例, 但缺乏长期成功运营报告, 因此, 影响了污泥发酵技术的广泛应用。忽视足够长的详细的现场工程研究的必要性可能是原因之一。
图1 | 生产规模初级污泥发酵中的vfa进出，显示平均增加40 mg-vfa/l [vfa出 -vfa入]，温度16–18°c，nh4-n和磷的净释放量分别为2mg/l和1mg/l。低碳要求的营养物去除工艺可以考虑采用像bcfs（生物化学除磷和除氮）、sani (综合硫酸盐还原，自养反硝化和硝化)和mabr（膜曝气生物反应器）等可在低碳情况下去除营养物的工艺。bcfs和mabr已被行业规模应用，sani处于中试规模，应用仍然有待工程尺度验证。为了在中国其他地方实现应用，最近报告的西安第四药厂污水处理厂部分硝化和厌氧氨氧化去除氮值得进一步研究。
未来展望增加能量回收 对于那些具有适当处理能力和较高进水cod（例如 > 300 mg / l）的污水处理厂，污泥混合液挥发性固体分数是应用污泥厌氧消化的关键。相对于初始混合液挥发性固体分数55％，挥发性固体分数增加10％可以使沼气产量增长20％。同时，显著减少了金属材料磨损和管道堵塞，大大消除了技术上应用污泥厌氧消化的障碍。通过热电联产从污泥厌氧消化回收的电能可为污水处理厂节省30％的运营所需电力。上海白龙港污水处理厂(处理量2, 000, 000 m3/d)进水cod浓度约为250 mg/l，苏黎世污水处理厂初沉污水cod浓度约为250 mg/l，两个厂都使用污泥厌氧消化用于能量回收。中国大约一半的市政污水由处理量超过100, 000 m3/d的工厂处理，即使这些大型污水处理厂中只有一半应用了污泥厌氧消化来做能量回收，其对污水处理厂运行效率都会有很大的提高。对于较小的污水处理厂，脱水污泥可以送到大型污泥工厂或区域污泥处理中心进行能量回收。 减少碳支出目标是通过污泥发酵获得净25 mg-cod/ l。这相当于最终出水硝态氮浓度降低了约5 mg-n/l，有助于实现在几乎不外加碳源或添加少量碳的情况下实现出水总氮浓度少于10 mg-n / l。 减少污泥量通过增进进水沙砾去除，提高10%进水vss/tss分数，可将污泥产量减少约20%。结合污泥这意味着如果在约一半的污水处理厂实现了iss减少并应用污泥厌氧消化，则全国范围内污泥产生量可能减少约25%。连同能量回收的增加，以及购买化学品成本的减少，落实降低iss并应用污泥厌氧消化将在很大程度改善污水处理厂的可持续性。加强结果导向的应用研究强大的研发能力对于去除市政废水处理瓶颈并实现可持续性目标而言必不可少。污水厂从开始就需要制定详细可行的研究计划。过程效率优化、控制、维护等只能在现场动态条件下进行。污水特性，尤其是难生物降解的颗粒cod百分率、 降解速率和硝酸盐还原速率等指标上的测试，将有助于从技术上确定是否需要初沉池，生化挥发物脂肪酸潜力（bvfap）测试将用以评估初级和活性污泥发酵的可行性。最近几年中国在水科学研究方面取得了很大的进步，但一般来说，针对实际条件下的过程设计，对市政污水处理现实问题的研究似乎相对薄弱。现在正是时候进一步加强可持续的市政污水处理应用研究。
结束语自90年代以来，中国在城市卫生工程方面取得了显着进步。但是，市政污水处理仍然面临着低效率的能量回收、高营养物去除成本和高污泥量问题。这些难题源于独特的污水水质特性: 高iss、低cod和低碳氮比。曹业始博士团队的研究揭示了污水水质特性和市政污水处理厂的低效率表现之间的因果关系。提出需要根据当地的水质特性进行污水处理厂的设计和运行。鉴于下水道修复工作耗时长久, 污水处理厂的可持续性改进可以与下水道修复并行。为此需选择具有成本效益的措施和解决方案，以便迅速采取行动。这项研究提出了高效除砂，污泥发酵和应用低碳生物脱氮工艺，并估算了实施这些技术可能带来的收益。同时，研究强调了加强以结果导向的市政污水处理应用研究的必要性。
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