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城市生活污水集中收集率和污水处理厂进水浓度问题的思考

更新时间:2022-11-25 11:15 来源:给水排水 作者: 阅读:3930 网友评论0

谷腾环保网讯城市污水处理厂进水浓度偏低的问题受到行业的高度关注,研究确认普遍存在的管网沉积衰减、非生活污水稀释及其“氧化性”对生活污水还原性污染物的氧化还原衰减等是城市污水处理厂进水BOD浓度偏低的根本原因,而沉积衰减、氧化还原衰减及非生活污水挤占管网和污水处理厂容积导致的污水溢流排放则是城市生活污水集中收集率偏低的重要原因,是我国排水系统有别于欧美发达国家的最典型特征。生活污水中的有机氮磷会随着污染物衰减过程而释放到水中,导致管道积泥呈现高碳低氮磷特征,也会直接影响污水处理厂进水的碳氮磷比例。提出综合采取工程措施和技术手段实现,是现阶段快速实现污水处理厂进水BOD浓度和城市生活污水集中收集率提升的重要举措,对恢复污水处理厂正常的碳氮磷比例关系具有重要的工程价值。

经过多个五年规划的全面推进,我国城市污水处理设施得到快速普及,污水处理率得到大幅度提升,但污水处理厂进水浓度偏低的问题还比较普遍,污水直排问题仍时有发生,与绿色高质量发展的国家战略导向存在较大差距。2019年住房城乡建设部、生态环境部、国家发改委联合印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》,提出“三个基本消除”(直排口、空白区、黑臭水体)和“两个提升”(城市生活污水收集效能、污水处理厂进水BOD浓度)的工作要求,排水行业逐步实现了由污水处理向污水收集、由水量处理向污染物处理的转变;2022年住房城乡建设部、生态环境部、国家发改委、水利部联合印发的《深入打好城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》更进一步明确提出城市生活污水集中收集率力争达到70%和进水BOD浓度高于100mg/L的污水处理规模达到90%以上的目标要求,对排水行业效能提升提出了更高要求。系统识别污水处理厂进水浓度和排水系统效能偏低的真正原因,合理选用工程措施和技术手段,快速实现进水浓度和污水收集转输效能提升的目标要求,成为绿色高质量发展新时代背景下排水行业的重大需求与挑战。

01 排水管网的建设运行现状与问题

1.1 分流制成为我国排水系统的主要形式

近年来我国城市排水管网的建设进度基本实现了与污水处理能力增长率持平,根据住房城乡建设部《城市建设统计年鉴》,2021年设市城市污水管道和雨水管道长度为36.68万公里和33.48万公里,分别达到2012年16.44万公里和14.49万公里的2.23倍和2.31倍,年增长率可达5%~10%,与6%~8%左右的年均污水处理规模增长率基本相当。另外,我国的分流制管网占比要明显高于日本、美国、德国等发达国家大都市水平,尤其是随着分流制管网建设和雨污分流改造工作的持续推进,合流制管道长度占排水管道总长度的比例也已经由2012年的接近27%降低至2021年的低于12%,合流制已经不再是我国城市排水管网的主要形式。2012-2018年我国的合流制管网长度一直处于10.30~11.10万公里上下浮动,而2019年提质增效工作推进以来,合流制管网总长度呈现逐年降低的趋势,2021年已经降低至9.25万公里,充分体现了各地雨污分流改造工作的努力与成效,也显现了在城市建成区,尤其是老旧城区开展雨污分流改造工作的实施难度。图1为2012-2021期间设市城市污水管道、雨水管道和合流制管道长度的变化曲线。

1.2 污水水质的季节性差异并不显著

无论是合流制管网还是分流制污水管网,旱季的核心功能都是居民生活污水污染物的收集转输,因此在没有雨水排入掺混的情况下,污水处理厂进水应表现出相对较高的浓度水平;而降雨期间因雨水排入稀释,合流制管网服务范围内的污水处理厂进水浓度会明显低于旱季水平。为此以全国2000多座城市污水处理厂7月(代表雨季水平)和12月(代表旱季水平)的进水BOD浓度为例进行分析,结果表明12月进水BOD大于150 mg/L的污水处理厂数量和规模占比分别为16.7%和22.7%,意味着旱季进水BOD浓度相对较高的污水处理厂占比并不高,大部分并没有显示出非降雨期间应有的高浓度水平,而且近年来部分城市还出现了旱季浓度降低的趋势,可能与入河排污口旱季过度截污,大量低浓度非生活污水截流排入污水管网造成的污水稀释等做法直接相关;而7月进水BOD小于50 mg/L的污水处理厂数量和规模占比分别为16.8%和11.2%,雨季进水浓度降低的问题也并不显著,降雨对BOD的影响并不突出。以上数据分析结果表明,合流制并非我国污水处理厂进水浓度偏低的根本原因,大部分污水处理厂雨季并未呈现出明显的降雨稀释问题,而旱季也并没有表现出应有的高浓度水平,污水处理厂旱季浓度提升必将成为今后提质增效工作的重要内容。

02 低收集率及污水低浓度的成因分析

2.1 关于城市生活污水集中收集率

城市生活污水集中收集率是应对排水行业绿色高质量发展战略导向,实现排水行业由水量处理考核向污染物收集处理考核转变的重要指标,也是排水行业管理方式转变的一次探索。该指标于2019年通过《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》政策文件首次向社会公开,2021年4月住房城乡建设部、国家统计局《城市(县城)和村镇建设统计调查制度》正式向社会公布了该指标的定义和核算方法,即报告期内向污水处理厂排水的城区人口占城区用水总人口的比例,计算公式表述为:

其中,人均日生活污染物排放量指每人每天排放的生活污水污染物的量,以BOD计,根据《室外排水设计规范》(GB50014-2006)确定为45g/(人·d),各地也可根据中国城镇供水排水协会团体标准《城镇居民生活污水污染物产生量测定》(T/CUWA 10101—2021)开展测定并提出修改建议。

根据公式(1)和(3),城市生活污水集中收集率计算公式最终可表述为:

根据公式(4),其分母是指居民日常生活产生,随污水排放并应被污水处理厂收集处理的污染物量,而分子则是指城镇污水处理厂接纳的生活污水污染物总量,也即城市生活污水集中收集率可以更直观的表征为污水处理厂收集的生活污水污染物量占应收集生活污水污染物量的比值。生活污水污染物在管网系统内沉积、反应衰减,以及非生活污水挤占污水管道和污水处理厂所致的生活污水溢流排放流失都可能是造成污水处理厂进水浓度和城市生活污水集中收集率偏低的直接原因。

2.2 管网沉积对浓度和收集率的影响

污水收集系统污染物的沉积衰减会同时影响污水处理厂进水浓度和城市生活污水集中收集率指标,尤其是沉积物的厌氧水解和降雨冲刷入河,是导致很多城市生活污水集中收集率长期偏低的重要原因。

化粪池不一定会成为污染物衰减的主要贡献者。化粪池是城市排水系统不健全阶段的重要产物,作为城市污水收集系统重要的源头“沉淀池”,正常运维的化粪池通常可以去除60%~80%的SS和20%~30%的COD。但化粪池对污染物的去除能力与运维状态,尤其是实际停留时间直接相关,按规范要求化粪池一般应3~12个月进行清掏,因此刚投入运行或定期清掏的化粪池,实际停留时间相对较长,对污染物的去除效率一般也相对较高。但由于权属和相关费用问题,我国大部分居民小区的化粪池通常只有在出现冒溢或其他事故时才会进行清掏作业,从而导致许多化粪池长期被沉淀物填满,变成了污水的常规排放通道,基本不具备污染物沉淀去除的功效。因此化粪池的污染物去除效率评价,一般应兼顾化粪池的运维和清掏状况。

低流速管网可能成为污染物沉积的重要场所。污水收集管网,尤其是合流制管网也会成为生活污水污染物的重要“沉淀池”,其沉淀状况与管网日常运行流速直接相关。《室外排水设计标准》GB 50014要求污水管道在设计充满度下的流速应为0.6 m/s,雨水管道和合流管道在满流时的流速应为0.75 m/s,这不仅是对工程设计的要求,也是对确保颗粒物不发生沉积的管网日常运行要求,部分发达国家甚至要求污水管网的日常运行流速应不低于0.75 m/s。但我国很多城市的污水管道流速只有0.1 ~ 0.3 m/s甚至更低的水平,污水中的颗粒物携带可吸附污染物在管道内沉积,使污水管道成为典型的“沉淀池”,部分城市污水管道雨季来临前的沉积深度甚至可达到50%,其VSS/SS比值达到20%以上,是污水处理厂进水浓度偏低的一个重要原因;而后这些沉积物会在降雨期间随雨水冲刷进入污水处理厂或城市河湖水体,成为生活污水污染物流失、城市生活污水集中收集率偏低的重要原因。提高污水管网流速,避免管网沉积是现阶段快速实现污水处理厂进水浓度和城市生活污水集中收集率同步提升的最简单有效措施。

污水管道沉积或许是污水处理厂低碳高氮磷的重要原因。居民生活污染物在污水管道沉积过程中还会发生厌氧水解或微好氧反应,有机氮磷很容易被氨化或磷酸盐化,由沉淀物转变为离子态并再次进入污水中,从而使管道底泥具有高碳低氮磷的特征。笔者完成的北方某城市污水管网底泥检测结果显示,COD/TN通常可达(30~50):1,COD/TP可达(80~100):1。按照排水系统污染物的物料平衡关系,沉积物中的COD/TN和COD/TP比增大也就意味着污水处理厂进水通常呈现低COD/TN和COD/TP比问题,因此管道沉积及沉积物的生化反应可能是我国城镇污水处理厂普遍存在低碳高氮磷问题的重要原因,污水管网沉积控制可能是缓解污水处理厂碳源不足,降低碳源和除磷药剂投加量,实现排水系统低碳运行的重要途径。

管道降水位提流速要提前研判河湖水倒灌风险。根据流量、流速和过水断面面积的计算关系,在流量一定的情况下,过水断面面积越小则流速越高,而减小过水断面面积则意味着需要降低管网运行水位,也就是说在处理水量一定的情况下提升流速就必须要降低运行水位。但位于城市河湖周边或埋在地下水位线之下的污水管网,多数会因各种原因而与城市河湖或地下水之间形成通道,而且部分通道还涉及到城市排水安全等问题,在这种情况下降低管道水位必然导致更多的河湖水或地下水进入污水管网,如长江经济带某污水处理厂进行集水井降水位运行试验期间发现大量河水通过沿河主干管涌入,导致污水处理厂浓度持续降低。部分城市降水位经验表明,只有做好管网水位与城市河湖水位的协调,适度降低城市河湖运行水位,才可能真正意义上实现管网降水位提流速,如南方某城市部分河道水位由2~3米降低至0.5米左右后,原长期满流的污水管网非常容易的实现了运行水位降低至60%左右设计充满度的水平;长江经济带某个被中央环保督察通报的污水处理厂前溢流口,因上游河道降水位整治,污水处理厂进水量由超过10万m3/d锐减至不足6万m3/d。大量工程经验表明,城市河湖降水位对恢复管网正常运行水位,减少河湖水体倒灌污水管网具有非常显著的作用。

2.3 非生活污水掺混对浓度和收集率的影响

氨氮属于物态相对稳定的离子态物质,在有COD和BOD存在的污水管网中一般不会发生明显的硝化或其他反应而消耗。另外,污水中含有的氨基酸等有机氮类物质还会在管道转输过程中氨化为氨氮并释放到水中,使污水中的氨氮浓度通常可以保持在40 mg/L甚至更高水平。而随着环境监管力度的加大,入渗入流或排入污水管网的地表水、地下水、工业废水等通常具有低氨氮浓度的显著特征。也就是说排入污水管网的非生活污水氨氮浓度会明显低于居民生活污水氨氮浓度,因此可将氨氮作为非生活污水排入情况的重要评价核算指标,作为污水收集管网效能评估的重要参考指标。南方地区污水处理厂旱季相对较低的氨氮浓度,实际上是上游大量低氨氮浓度非生活污水排入掺混的直接结果。低氨氮浓度非生活污水排入污水管网,不仅会对生活污水形成稀释,还会挤占管网和污水处理厂的有效空间,引发污水溢流问题,导致城市生活污水集中收集率持续偏低,是排水行业的重大痛点难点,也是污水处理提质增效工作的重点方向。通过氨氮或其他简单有效的指标快速识别非生活污水掺混问题,并通过工程或技术手段将非生活污水清退出污水管网是快速提升污水处理厂进水浓度和城市生活污水集中收集率的最有效措施。

非生活污水对污水污染物影响的另一个重要特征是氧化还原反应或生物合成反应导致的污染物衰减。T. Hvitved-Jacobsen等研究提出污水管网好氧状态下的溶解性COD衰减速率通常可达10~30 mg/(L·h),Kamma Raunkjær等提出好氧状态下的COD和溶解性COD衰减去除率分别可达14%和25%,Naoya Tanaka提出厌氧状态下的溶解性COD衰减速率一般在0~12 mg/(L·h)。上述好氧状态的研究结论多数是基于溶解氧的影响,实际上我国掺混污水管网的高排放标准工业废水、施工降水或基坑排水、地表地下水,以及再生水补水型和水生植物生态型城市河湖水,不仅存在溶解氧,还存在各种化学氧化物,呈现出相对较高的ORP,这些氧化性物质也会与污水中的还原性有机物发生反应,导致还原性有机物衰减,成为污水处理厂进水BOD浓度和城市生活污水集中收集率偏低的重要原因。

高排放标准工业废水多数采用了强化生物处理和高级氧化深度处理工艺,出水表征为相对较高的DO和ORP值,尤其是芬顿、催化氧化等强氧化工艺的出水ORP值可达1000 mV甚至更高水平,具有比较高的“氧化性”。施工降水或基坑排水多数来自于地下水、浅层地下水,以及城市河湖水等,通常具有一定的ORP值和NO3--N浓度,部分地区的地表、地下水NO3--N浓度甚至可高达20多mg/L水平。污水处理厂尾水通常也表征为比较高的ORP值,尤其是随着疫情防控对污水处理厂尾水消毒要求的提高,出水ORP值达到400 mV以上的情况变得非常普遍。这些水进入污水管网,必然会与生活污水中的有机物发生反硝化反应或氧化还原反应而使污染物衰减,导致生活污水污染物浓度降低。

城市水体中的沉水植物会通过日间的光合作用向水体持续缓慢释放“纯氧”,使沉水植物周边区域水的日间DO长期保持在超饱和的10 mg/L以上水平,而ORP值多数可达300 mV以上水平;夜间则因沉水植物的呼吸作用,DO值可降低至接近0 mg/L,ORP降低至50 mV以下。因此如果沉水植物为主的城市河湖水渗漏或倒灌至污水收集管网,也会导致生活污水污染物的衰减损耗。

当然,不规律或不连续排放的非生活污水还可能导致污水管网的阶段性溢流,很大程度上影响污水处理厂进水浓度和城市生活污水集中收集率。实际工程证明,通过污水管网降水位的模式增大管网调蓄空间,可有效应对排入水量波动所引发的阶段性冒溢问题,真正意义上实现健康的排水系统和城市水环境系统,如某服务业每天中午1点左右开始向管网排放3000 m3左右污水,导致下游点位每天下午2~5点期间溢流而被中央环保督察通报,在综合采取了服务业调蓄均匀排水、管网运维单位提前降水位腾容积和溢流口增高改造扩容积等综合措施后,彻底解决了下游点位的阶段性溢流问题。

03 结论与建议

(1)我国合流制管网占比明显低于欧美等发达国家,但污水处理厂进水BOD浓度,尤其是旱季浓度偏低的问题比较突出,合流制并不是引发BOD浓度偏低的根本原因,应将旱季浓度提升作为下一步提质增效工作的重点方向。

(2)污水收集管网非降雨时段污染物沉积与降雨时段的高流速冲刷流失是我国很多城市生活污水集中收集率偏低的重要原因,基于日常运行流速提升的管道沉积控制应作为现阶段的主要攻关方向。

(3)污水管网降水位提流速要强化排水的系统性,重点关注水体沿线管网受水体水位的影响以及大埋深管网受地下水的影响等问题。

(4)高排放标准工业废水、施工降水或基坑排水、地下水和城市河湖水等相对“清洁”的非生活污水倒灌或入渗污水管网,是污水处理厂进水浓度,尤其NH3-N、磷酸盐等相对稳态的溶解性水质指标降低的主要根源;非生活污水的高DO和ORP所表征的强“氧化性”更是造成生活污水还原性物质衰减,导致污水处理厂进水BOD(COD)浓度和城市生活污水集中收集率普遍偏低的重要原因。污水收集管网的非生活污水治理应作为现阶段浓度和效能提升的重点工作。

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