隨著(zhù)城鎮化進(jìn)程的不斷加速以及水污染問(wèn)題的日益突出,我國城鎮污水處理設施近十多年來(lái)持續高速建設。目前,全國共建成并投入運營(yíng)4000多座城鎮污水處理廠(chǎng),日總污水處理規模超過(guò)2億m?,位居世界第一,約占全球總污水處理規模的1/5。20多萬(wàn)名污水處理從業(yè)人員在一線(xiàn)日夜運營(yíng)維護,大量基層執法人員動(dòng)態(tài)嚴格監管,對保護水環(huán)境發(fā)揮著(zhù)決定性作用,他們是控制水污染的主力軍。如果不建設這些設施,如果不能保障已建成的這些設施持續運營(yíng),我們的水環(huán)境狀況將無(wú)法想象。
城鎮污水處理設施運營(yíng)可分為兩個(gè)層次:一是正常穩定運營(yíng),也就是在正常工況下持續實(shí)現污水處理功能;二是可持續運營(yíng),在正常穩定運營(yíng)的基礎上,通過(guò)節能降耗以及資源回收利用,降低運營(yíng)成本并同時(shí)降低總碳排放量。目前,一大批設施的運營(yíng)既不正常也不穩定,不同程度地面臨運營(yíng)困境,幾乎所有設施都偏離了可持續運營(yíng)理念。為保障城鎮污水處理廠(chǎng)正常高效運營(yíng),充分發(fā)揮環(huán)境效益,全行業(yè)應關(guān)注城鎮污水處理廠(chǎng)運營(yíng)困境,分析導致運營(yíng)困境的原因,共同探尋破解之道。
1 城鎮污水處理廠(chǎng)目前有哪些主要運營(yíng)困境
我們調研了全國467座城鎮污水處理廠(chǎng)5月份的運行工況,發(fā)現困擾正常穩定運營(yíng)并同時(shí)干擾可持續運營(yíng)的問(wèn)題主要有3個(gè):一是活性污泥問(wèn)題,二是能耗高與物耗過(guò)高,三是水量超負荷與設備欠維護。這467座處理廠(chǎng)日總設計處理規模約4 500萬(wàn)m?,約占全行業(yè)總規模的1/4,覆蓋了除西藏以外的全部省市和自治區。分析調研5月份的運行工況,可基本排除降水和低溫等自然因素的影響。
1.1 污泥濃度過(guò)高與污泥活性太差
活性污泥是實(shí)現污水處理功能的核心?;钚晕勰鄦?wèn)題體現在兩個(gè)方面:濃度(MLSS)太高、活性(MLVSS/MLSS)太差。調研發(fā)現,2/3的污水處理廠(chǎng)污泥濃度超過(guò)4 000 mg/L,1/3的污水處理廠(chǎng)超過(guò)了6 000 mg/L,有20座污水處理廠(chǎng)污泥濃度竟然超過(guò)了10 000 mg/L。污水處理廠(chǎng)在如此高濃度下運行,增大了二沉池固體負荷,使本就不足的二沉池進(jìn)一步處于超負荷狀態(tài),泥水界面上升,污泥流失,堵塞深度處理單元,或直接導致出水超標。另外,為防止污泥沉積,必須增大曝氣量,而增大曝氣則抬高了溶解氧,干擾生物脫氮,進(jìn)而影響生物除磷,出水氮和磷難以達標。一些處理廠(chǎng)靠大量投加化學(xué)藥實(shí)現氮磷達標,使運營(yíng)偏離了可持續目標。在宏觀(guān)尺度上,我們可以用MLVSS/MLSS表征污泥活性,正?;钚缘奈勰?,MLVSS/MLSS應大于0.7,活性較好的污泥可超過(guò)0.8。調研發(fā)現,95%的污水處理廠(chǎng)污泥MLVSS/MLSS低于0.7,其中60%的污水處理廠(chǎng)污泥MLVSS/MLSS低于0.5,30%的污水處理廠(chǎng)污泥MLVSS/MLSS低于0.4,有27座污水處理廠(chǎng)污泥MLVSS/MLSS竟然低于0.3。如此低的污泥活性,大大降低了現有設施的污水處理能力與效果,降低了系統抗水量水質(zhì)沖擊的能力。為維持出水達標,不得不提高污泥濃度,從而降低了系統穩定性。另外,低MLVSS/MLSS還導致污泥澄清性能變差。在調研的污水處理廠(chǎng)中,超過(guò)一半的處理廠(chǎng)污泥SVI值低于80 mL/g,這樣的污泥對游離生物微絮體失去“網(wǎng)捕作用”,澄清性能變差。這些絮狀物使出水感觀(guān)變差,對后續過(guò)濾單元造成嚴重干擾。調研發(fā)現,90%以上的污水處理廠(chǎng)建設了深度處理設施,90%以上的這些深度處理設施設置了砂過(guò)濾單元,40%的砂濾池反沖洗水占處理量的比例超過(guò)5%,超過(guò)10%的污水處理廠(chǎng)反沖洗水比例大于10%,有8座污水處理廠(chǎng)的砂濾池反沖洗水竟然高達處理量的20%。大量反沖洗水回流到工藝前端,占用提升能力、縮短有效停留時(shí)間、增大能耗,形成惡性循環(huán)。
活性污泥濃度太高的最主要原因是污泥沒(méi)有穩定連續的出路,脫水污泥出不了廠(chǎng),只能停止脫水或減少污泥脫水量,將大量污泥暫存在曝氣池。一旦污泥臨時(shí)有了出路,即使脫水機滿(mǎn)負荷運行,也無(wú)法快速將長(cháng)期積存的污泥脫水外運。污泥沒(méi)有穩定出路,已經(jīng)成為行業(yè)的普遍狀態(tài),是污水處理廠(chǎng)運營(yíng)的最大困境。另外,污泥活性差也是導致污泥濃度高的原因,污泥中大部分為非活性組分,如不保持較高的污泥濃度,出水無(wú)法達標。污泥活性差的原因較為復雜,一是排水管網(wǎng)建設質(zhì)量差、養護管理不到位,加之公眾文明使用下水道意識不強,致使過(guò)多的渣砂進(jìn)入管網(wǎng)并最終進(jìn)入污水處理廠(chǎng)。二是污水處理廠(chǎng)內預處理效果不佳,許多格柵和沉砂池形同虛設,在普遍沒(méi)有初沉池的情況下,大量渣砂等無(wú)機組分進(jìn)入曝氣池并在生物處理系統積累,致使污泥的MLVSS/MLSS普遍極低。另外,濃度太高和活性太差還互為原因,活性差需要提高污泥濃度,而提高污泥濃度則降低了排泥量,使無(wú)機組分(ISS)更難離開(kāi)系統,形成惡性循環(huán)。除了以上因素,同步化學(xué)除磷的過(guò)量加藥,也成為一些污水處理廠(chǎng)污泥活性降低的重要原因。
1.2 能耗高與物耗過(guò)高
全行業(yè)單位水能耗與國外基本相當,但單位污染物能耗則遠高于西方國家,這與我國污水處理廠(chǎng)進(jìn)水污染物濃度偏低有關(guān),前述活性污泥問(wèn)題也是導致高電耗的重要原因。當前,為實(shí)現氮磷達標,不惜一切代價(jià),過(guò)度投加大量化學(xué)藥劑,成為污水處理廠(chǎng)運營(yíng)的又一突出問(wèn)題。為降低總氮普遍大量投加外購碳源,為降低總磷大量投加無(wú)機混凝劑,一些污水處理廠(chǎng)為控制污泥流失還直接往二沉池投加絮凝劑。雖未統計出準確數據,但許多污水處理廠(chǎng)藥劑費超過(guò)電費躍升為第一大成本要素,一些水務(wù)公司的運行經(jīng)營(yíng)難以為繼。大量藥劑的投加,除大大提高了運營(yíng)成本,還導致污泥產(chǎn)量明顯增加,進(jìn)一步加重了污泥處理處置的困難。污水處理本應是個(gè)污染物減量過(guò)程,但實(shí)際卻變成大量物料的增加,嚴重偏離了可持續運營(yíng)的理念和目標。
實(shí)踐中,外加碳源量要滿(mǎn)足兩個(gè)需求:一是部分污水處理廠(chǎng)進(jìn)水碳源不足,客觀(guān)上需要補充碳源;二是用于消氧,消耗掉大量通過(guò)內回流帶入缺氧區的溶解氧,滿(mǎn)足反硝化要求。許多污水處理廠(chǎng)進(jìn)水碳源并不缺乏,投加碳源只是用于消耗缺氧區過(guò)量的溶解氧。絕大部分污水處理廠(chǎng)缺氧區太短、反硝化時(shí)間不足,加上污泥中活性比例太低、反硝化菌群的數量也不足,綜合導致反硝化效果很差,而大量投加優(yōu)質(zhì)碳源,可提高反硝化速率,彌補反硝化時(shí)間和反硝化菌群數量的不足。由于以上原因,大量投加外碳源就成為提高反硝化能力的一條捷徑。另外,監管普遍采用瞬時(shí)取樣方法,大大提高了脫氮要求,進(jìn)一步增大了碳源投加量。
過(guò)量投加化學(xué)除磷藥劑的主要原因是生物除磷機制的失敗。當脫氮效果不佳時(shí),外回流帶回厭氧區的硝酸鹽,既與聚磷菌爭奪本就不足的優(yōu)質(zhì)碳源,也使ORP難以降低到釋磷的要求。另外,生物除磷需要通過(guò)排泥實(shí)現,而超高污泥濃度運行工況排泥量不足,無(wú)法獲得較好的生物除磷效果。當沒(méi)有生物除磷效果,全部采用化學(xué)除磷時(shí),除磷藥劑投加量將是一個(gè)很大的藥量,同時(shí)產(chǎn)生大量化學(xué)污泥。一部分污水處理廠(chǎng)沒(méi)有生物除磷而又采用同步化學(xué)除磷時(shí),污泥活性將進(jìn)一步降低,形成惡性循環(huán)。
1.3 水量超負荷與設備欠維護
在調研的467座城鎮污水處理廠(chǎng)中,約2/3的水力負荷率大于80%,約1/3的大于120%,有5座污水處理廠(chǎng)大于150%。高水力負荷運行的污水處理廠(chǎng)沒(méi)有運行調控余地,不能應對水量水質(zhì)變化,出水超標風(fēng)險增大。當水力負荷率大于80%,除少數超大型污水處理廠(chǎng)以外,一般污水處理廠(chǎng)無(wú)法在出水達標的前提下倒池停水檢修,而曝氣器和二沉池吸刮泥機等無(wú)備用水下設備只有泄空才能徹底檢修或更換。無(wú)法進(jìn)行計劃性維修的設備,長(cháng)期帶病運行,將隨時(shí)導致運營(yíng)風(fēng)險。調研發(fā)現,約1/2的污水處理廠(chǎng)曝氣器超過(guò)2年沒(méi)有泄空檢修,約1/4的污水處理廠(chǎng)曝氣器竟然長(cháng)達6年沒(méi)有泄空檢修。曝氣器的主要材料是三元乙丙類(lèi)橡膠,這類(lèi)橡膠材料的理論壽命只有4~6年,因此,這些長(cháng)期不檢修曝氣器的污水處理廠(chǎng)將隨時(shí)面臨由于曝氣器大量損壞導致的運行崩潰。與曝氣器情況類(lèi)似,二沉池吸刮泥機也存在長(cháng)期無(wú)法泄空檢修的普遍問(wèn)題,一旦吸刮泥機因故障停運,二沉池將不能正常泥水分離,整個(gè)處理系統將面臨崩潰。
污水水量持續增加,污水處理設施設計建設冗余度不足,以及規劃的相應擴建工程不能及時(shí)建成投入運行,是水量超負荷的直接原因。有關(guān)方面認為污水處理廠(chǎng)不滿(mǎn)負荷運行就會(huì )造成已建設施的浪費,事實(shí)上,高水力負荷必然導致出水水質(zhì)不穩定,難以實(shí)現穩定達標。歐洲一些國家排水設施的績(jì)效評價(jià),水力負荷超過(guò)70%就要扣分,而我國一些地方則要求滿(mǎn)負荷運行。在水量超負荷的情況下,幾乎所有地方主管或監管部門(mén)都不允許污水處理廠(chǎng)停產(chǎn)或部分停產(chǎn)檢修,必然導致主要設備尤其是水下無(wú)備用設備嚴重欠維護。水量超負荷導致運行不穩定,水下無(wú)備用設備因欠維護隨時(shí)停止運行,都使運營(yíng)風(fēng)險大大增加。
2 破解當前困境的可能路徑
2.1 突破污泥處理處置設施建設的瓶頸,補齊污泥處理處置短板
《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》提出,“十三五”期間應統籌規劃,加大投入,實(shí)現城鎮污水處理設施建設由“規模增長(cháng)”向“提質(zhì)增效”轉變,由“重水輕泥”向“泥水并重”轉變,到2020年底,地級及以上城市污泥無(wú)害化處置率達到90%,其他城市達到75%;縣城力爭達到60%。目前看,污泥處理處置設施建設狀況與以上目標相距甚遠。問(wèn)題在哪里?瓶頸在哪里?問(wèn)題在沒(méi)有出路。污泥最終出路無(wú)非就是3個(gè):一是填埋,二是焚燒,三是回到土地。污泥填埋是與垃圾爭場(chǎng)地,隨著(zhù)填埋場(chǎng)地越來(lái)越少,填埋就成為一條死路。污泥焚燒在技術(shù)上是可行的,但鄰避效應突出,難以成為主流路徑。
幾十年來(lái),歐美國家將絕大部分污泥消納到了土地,叫土地處置,也叫土地利用。污泥土地利用有3個(gè)方向:一是沙荒地改良,二是林業(yè)利用,三是農業(yè)循環(huán)利用。西方的實(shí)踐中,由于運距和操作的困難,沙荒地改良和林業(yè)利用總量不多。美國年產(chǎn)含水率80%的污泥3 500萬(wàn)t,其中60%進(jìn)行農業(yè)循環(huán)利用,3%用于土壤修復,17%進(jìn)行填埋,20%予以焚燒。關(guān)于污泥農業(yè)循環(huán)利用,控制重金屬及其化合物的含量是關(guān)鍵,汞和鎘是兩個(gè)最活躍的重金屬,是控制重點(diǎn)。1984年制定的《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284-1984)中,污泥用于酸性土壤時(shí),汞的限值是5 mg/kg DS,鎘的限值是5 mg/kg DS;用于中性及堿性土壤時(shí),汞的限值放寬到15 mg/kg DS,鎘的限值放寬到20 mg/kg DS。在該標準生效的30多年間,《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284-1984)一直是世界上最嚴格的污泥農用污染物控制標準,而2018年最新發(fā)布的《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284-2018)又進(jìn)一步趨嚴。按照這個(gè)現有標準,污泥農業(yè)循環(huán)利用的去向被進(jìn)一步堵死。填埋困難,焚燒困難,土地利用困難,污泥都去了哪里?污泥沒(méi)了出路,污水處理廠(chǎng)如何保持正常運營(yíng)?因此,有關(guān)方面應合力打通污泥農業(yè)循環(huán)利用這一主要出路,一是在政策上明確土地可以消納污泥、應該消納污泥,二是制定科學(xué)合理的污染物控制標準,尤其不可讓標準阻礙純粹的生活污泥進(jìn)入土地,三是加速建設污泥穩定化設施,穩定化就是無(wú)害化,穩定化的污泥就可以進(jìn)入土地。
2.2 找準阻礙污水處理可持續運營(yíng)的根源,對癥開(kāi)展提升改造
管網(wǎng)建設標準和質(zhì)量不高、排水體制混亂、清污混流、養護管理不足,致使大量無(wú)機泥渣砂進(jìn)入污水處理廠(chǎng),并伴隨部分有機碳源流失,而污水處理流程設置又普遍無(wú)法應對這一狀況,導致污水處理廠(chǎng)難以實(shí)現可持續運營(yíng)的良性循環(huán),從而只能被動(dòng)低效應對。具體表現為:預處理單元設計建設標準過(guò)低,大量細渣細砂進(jìn)入后續單元;90%以上的污水處理廠(chǎng)沒(méi)有設置初沉池,致使無(wú)機泥渣砂直接進(jìn)入了生物處理系統,導致活性污泥處于高濃度、低活性;生物脫氮工藝的缺氧區普遍太短,無(wú)法適用污水特征;用于除碳和硝化的好氧區普遍太長(cháng),既增大能耗又干擾脫氮;厭氧消化等污泥穩定化設施普遍缺失,無(wú)法在廠(chǎng)內實(shí)現污泥穩定并回收能源。
排水系統問(wèn)題較為復雜,南北差異大,不同城市間差別也很大,需要系統深入地識別問(wèn)題所在,因地制宜提出改造對策,減少無(wú)機渣砂進(jìn)入管網(wǎng),減少碳源的損失。必須認識到,管網(wǎng)改造是個(gè)復雜過(guò)程,非短時(shí)突擊所能解決,既要積極推進(jìn)提質(zhì)增效行動(dòng)方案,也要從長(cháng)計議,久久為功。在污水處理廠(chǎng)內,首先要通過(guò)改造強化預處理效果,把渣砂等無(wú)機組分在預處理單元徹底分離出來(lái),提高生物處理單元污泥MLVSS/MLSS,提升整個(gè)生物處理系統的效率,這是一個(gè)事半功倍的方案。其次,一大批污水處理廠(chǎng)可在系統測試的基礎上把多余的好氧區改造成缺氧區,通過(guò)增大缺氧區提高脫氮效果并降低對外加碳源的依賴(lài),進(jìn)而提高生物除磷效果,降低除磷藥劑的投加量。再者,應通過(guò)曝氣系統的改造,提升氧的科學(xué)管理水平,既滿(mǎn)足耗氧物質(zhì)降解需求,又不因曝氣過(guò)量而投加過(guò)多的碳源。對于水力負荷率超過(guò)80%,尤其是滿(mǎn)負荷或超負荷的污水處理廠(chǎng),有關(guān)方面應加快設施擴建,使污水處理廠(chǎng)在適宜的負荷下運行。
2.3 構建科學(xué)理性的運營(yíng)監管體系,促進(jìn)正常穩定的可持續運營(yíng)
對污水處理廠(chǎng)出水水質(zhì)的監管,應回歸到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB 18918-2002)的規定:“取樣頻率為至少每?jì)尚r(shí)一次,取24 h混合樣,以日均值計”,不可以瞬時(shí)樣作為處罰的依據。標準中的所有指標限值是以日均值為基礎,如果改為瞬時(shí)樣,就需要以更加嚴格日均值為設計和運行目標,這就變成了一個(gè)更高的標準,既不合理也不合規。以總氮為例,一級A標準要求日均值低于15 mg/L,如按瞬時(shí)樣監管,則實(shí)際設計和運行目標通常需控制在10 mg/L以下,這實(shí)際就是兩個(gè)不同的標準了。實(shí)際監管中,可以瞬時(shí)樣作為預警,發(fā)現瞬時(shí)樣超標時(shí),可立即安排混合樣取樣監測,并最終以混合樣為依據。另外,有機污染物、氮磷無(wú)機營(yíng)養物不是毒性物質(zhì),其環(huán)境效應是累積性的,以混合樣監管更為科學(xué)合理。
《城鎮排水與污水處理條例》(國務(wù)院令 第641號)第三十一條規定:“城鎮污水處理設施維護運營(yíng)單位不得擅自停運城鎮污水處理設施,因檢修等原因需要停運或者部分停運城鎮污水處理設施的,應當在90個(gè)工作日前向城鎮排水主管部門(mén)、環(huán)境保護主管部門(mén)報告。”這里有兩層意思:一是運營(yíng)單位不得擅自停運,二是因檢修等原因需要停運或者部分停運,提前3個(gè)月報告后可以停運。當污水處理廠(chǎng)運行負荷很高,因設施設備檢修,尤其是曝氣器和二沉池吸刮泥機等水下無(wú)備用設備需要例行檢修時(shí),有關(guān)部門(mén)應批準污水處理廠(chǎng)停運或者部分停運,以免導致更加不利的后果。