我国城市污水处理与再生利用的技术决策要素探讨

郑兴灿 张 悦
（国家城市给水排水工程技术研究中心）

　　城市污水处理与再生利用技术决策支持系统的研究与建设，可以为城市污水处理与再生利用工程的规划、设计、建设和运行管理提供合理、可靠的技术决策基础和依据，提高技术决策管理水平，避免技术失误和不合理选择，及时识别以各种形式和面貌出现的假冒伪劣技术与产品服务。为此，本文将对城市污水处理与再生利用的技术决策问题及其要素做初步的探讨。

　　1 城市污水处理与再生利用系统的规划

　　城市排水及污水处理设施已经成为社会经济可持续发展必不可缺的基础设施，是城市水良性循环所必不可少的环节，城市污水再生利用是开源节流、减轻水体污染、改善生态环境、解决城市缺水的重要途径之一。因此，城市污水处理系统的规划建设目标应包括水源保护、水环境质量控制和污水再生利用三个方面。
　　首先根据城市水文、地理、社会、经济和污水汇集状况及发展趋势，在流域（或区域）总体发展规划的指导下，制定出以城市为中心的区域水质水量管理规划，统一考虑水在工业、农业、城镇、地表地下的输送和分配以及污水的综合利用；并划定水质分区范围（区段和功能），全面规划分区内的水资源开发利用、水系保护和污水的综合治理，合理确定各项水资源和水污染治理设施的位置、规划、数量和功能要求，为城市污水处理设施的建设提供规划设计依据。随后在水质水量管理规划的基础上根据城市建设总体规划、城市社会经济发展总体规划和城市供水专项规划，制定出城市排水专项规划（污水处理与再生利用工程设施建设规划）。
　　城市排水及污水处理的统一规划，应根据城市水域及接纳水体功能区的要求和水环境容量，体现排渍、减污、分流、净化、再用功能的协调发展，综合考虑经济发展、水质目标、污水治理目标、污水产生量、需水用水排水平衡等因素，控制水质和区域水污染防治建设规划，合理确定雨污水收集输送、污水净化和综合利用设施的设置。并根据分汇水区、按系统分期配套建设。城市污水再生利用设施规划与建设，应纳入城市总体规划，与城市水环境规划、水资源综合利用规划、城市供水专业规划以及城市排水专业规划相协调，做到规划先行，合理确定城市污水再生利用设施的布局和设计规模。
　　城市污水处理与再生利用设施的设计建设，应依据城市总体规划和水环境规划、水资源综合利用规划以及城市排水专业规划的要求，做到规划先行，合理确定污水处理与再生利用设施的布局和设计规模，并优先安排城市污水收集系统的建设。城市污水处理厂的规划设计，要根据污染物排放总量控制目标、城市地理地质环境、受纳水体功能与交换能力、污水排放量和污水再生利用等因素，选择厂址，确定建设规模、处理程度和工艺流程，力求布点合理、位置适当、规模适度。城市污水的处理与再用方式应根据本地区的经济发展水平和自然环境条件及地理位置等因素，合理选择。

　　2 城市污水收集与输送系统

　　目前，我国大多数城市的污水处理基础设施建设欠帐严重，必须加快污水处理基础设施的规划与建设。作为城市基础设施和城市水环境污染控制的主体设施，城市排水管网和污水处理厂纳入城市建设总体规划之后，应保证其实施能与城市经济和城市建设同步发展。
　　城市污水收集与输送系统的建设和正常运行是城市污水得到有效处理、再用和处置的必要前提。污水管网的完善对污水处理厂设计规模和设计水质的确定至关重要，目前我国大多数城市污水管网不配套，造成污水处理厂建设规模和水质难以合理确定，投入运行后实际值与设计值往往相差较大。在我国已经建成的城市污水处理厂中，有相当大一部分进水流量没有达到设计规模、水质浓度偏低，其主要原因就是配套管网的建设没有跟上，导致污水处理厂没有发挥应有的投资效益和环境效益，有的甚至导致污水处理设备丧失功效。因此，近中期内的关键任务就是尽快普及和健全城市排水（雨、污水）管网系统，以便有效地减轻城市及周围水体的污染，同时为城市污水的集中处理与再生利用打下必备的基础。
　　城市排水管网的体制选择应根据当地具体条件，经过综合权衡和详细的费用-效益分析后确定。我国城市污水处理技术政策中规定，在城市排水规划中应明确排水体制和退水出路。对于新城区，应优先考虑采用完全分流制；对于改造难度很大的旧城区合流制排水系统，可维持合流制排水系统，合理确定截留倍数；在降雨量很少的城市，可根据实际情况采用合流制；在经济发达的城市或受纳水体环境要求较高时，可考虑将初期雨水纳入城市污水收集系统。就我国的现实情况而言，城市污水管网的设计建设可采用下列技术原则：
　　（1）大型及以上城市新建区应采用分流制，如果降雨量不是很少，旧城区合流制应逐步改造成分流制，这种体制虽然费用高昂，但十分必要。原因之一是大城市总污水量、总雨水量及其污染负荷大，加上雨水的全面净化处理尚未提到议事日程，因此雨、污合流时雨季的溢流将造成冲击性的污染负荷，严重破坏水体质量。原因之二，分流制有助于实现工业废水的清、污分流，清洁或达标废水可直接入雨水管排走，从而相应地降低污水排放量和污水处理厂建设规模。原因之三，对于降水量不大、暴雨强度较低的城市，雨水管网设计重现期取值可适当降低以降低造价。原因之四，大城市经济状况较好，有实行分流制的经济能力。
　　（2）如果降雨量不是很少，中型城市从规划或远期考虑宜全面采用分流制，近中期可考虑分流制与合流制并存，具体选择应根据城市总体规划和实际情况经技术经济比较后加以确定，近期应加强合流制系统截流管的建设，为城市污水处理厂的建设和运行打下基础。目前我国相当一部分中等城市未建立完整的排水管网系统，规划上应充分考虑远期分流、近中期合流的工程设施建设相衔接问题。在管材选择上宜一次到位，选择寿命长、性能好的产品。
　　（3）小型城市因汇水面积小、污染物总量不太大，加上经济实力普遍较弱，许多城市未建有效的排水管网，为了尽快改善水污染状况，在雨水量不是很大的地区可采用合流制排水系统，在建设材料上不一定非得全部采用钢筋混凝土之类较昂贵的管材，在考虑较高性能管材的同时，也可考虑采用价格较低的材料和施工手段，如石砌、砖砌暗沟、缸瓦管、明沟、明渠等作为过渡性的补充措施。
　　（4）目前大多数县城和乡镇几乎没有按规划设计程序建造的排水管网，多数为明沟暗渠排水或地表漫流；有必要规划建设规范的排水管网系统。作为近期改善环境的补充（应急）手段，目前可采取两种手段收集污水，其一是采取简易建造技术建设包括管道、暗沟、明沟在内的较完善的简易排水系统；其二是建设截流暗渠或明渠将地表污水和径流汇集起来。汇集的旱流污水可送简易污水处理设施处理后外排，汇集的雨季混合水以水塘等方式储存净化。
　　城市排水管网的总体布置应与污水处理设施、再生利用与最终排放设施的设置相结合，使总体费用降低，得到总体优化的方案。为了节省建造费用和发挥在城区以外选点的优势，城市排水规划宜考虑将所有污水集中到一个污水处理厂，但对于大城市或呈分散布设的城区，则常常需要设置多个排水系统和相应的污水处理厂。

　　3 工业废水的接纳与预处理

　　根据我国城市污水处理相关技术政策，全国设市城市和建制镇均应规划建设城市污水集中处理设施。达标排放的工业废水应纳入城市污水收集系统和生活污水合并处理。对不能纳入城市污水收集系统的居民区、旅游风景点、度假村、疗养院、机场、铁路车站、经济开发小区等分散的人群聚居地排放的污水和独立工矿区的工业废水，应进行就地处理达标排放。
　　城市生活污水与工业废水合并处理，从技术上、经济上、管理上都是合理可行的。但随着现代工业（尤其是污染密集型工业）的发展，工业废水量大、浓度高、成分复杂，这些废水可能含有大量难降解有毒有害有机物和重金属，对城市污水处理厂的正常运行和再生利用有很不利的影响，可造成城市污水处理厂与再生利用设施运行困难、甚至完全失效
　　为了避免工业废水对城市污水处理厂和再生利用设施正常运行的破坏，根据国内外的实践经验，有必要通过实行城市排水许可制度，严格按照有关标准（污水排入城市下水道水质标准CJ 3082-1999）监督检测排入城市污水收集系统的污水水质和水量，对排入城市污水收集系统的工业与商业废水的重金属、有毒有害物质含量进行严格的控制，确保城市污水处理与再生利用设施的安全有效运行。必要时，要求排污企业对排入城市污水收集系统的工业与商业废水进行合理的厂内顶处理，使其达到国家和行业规定的排放标准。预处理的目的是去除废水中对生物处理具有毒害作用的物质、生物处理难去除的物质和影响污水再生利用的物质，而不是完全处理。实践经验表明，一般情况下只要对能引起问题的为数不多的水污染源进行适当的预处理，就能解决上述问题。

　　4 城市污水处理程度的确定

　　根据城市污水处理技术政策，设市城市和重点流域及水资源保护区的建制镇，必须建设二级污水处理设施，可分期分批实施。受纳水体为封闭或半封闭水体时，为防治富营养化，城市污水应进行二级强化处理，增强除磷脱氮的效果。非重点流域和非水源保护区的建制镇，根据当地经济条件和水污染控制要求，可先行一级强化处理，分期实现二级处理。
　　按污水处理的水质净化对象分类，城市污水（生物）处理技术经历了三个发展阶段。在发展的早期，人们认识到有机污染物对环境生态的危害，从而把有机物即碳源生化需氧量（BOD5）和悬浮固体（SS）的去除作为污水处理的主要水质目标。到20世纪60~70年代，随着二级生物处理技术在工业化国家的普及，人们发现仅仅去除BOD5和SS还是不够的。氨氮的存在依然导致水体的黑臭或溶解氧浓度过低，这一问题的出现使二级生物处理技术从单纯的有机物去除发展到有机物和氨氮的联合去除，即污水的硝化处理。到20世纪70~80年代，由于水质富营养化问题的日益严重，污水氮磷去除的实际需要使二级（生物）处理技术进入了具有除磷脱氮功能的深度二级（生物）处理阶段。而采用物理、化学方法对传统二级生物处理出水进行除磷除氮处理及去除有毒有害有机化合物的处理过程通常被称作三级处理或深度处理。因此，可以认为城市污水处理厂的主要处理对象为COD、BOD5、SS和氮、磷营养物质。
　　在不同地区和不同环境条件下，水体环境的功能划分及确定的水体水质标准往往差异甚大，因而，城市污水处理的目标及相应的处理程度也就不同。城市污水和污泥经过有效处理之后，其排放、利用和处置的去向往往因地而异，必须根据当地的具体情况，依据国家和地方的有关水质标准和接纳水体的等级划分（水质目标），合理确定城市污水处理厂的污水处理程度和水质指标。
　　最主要的标准为《污水综合排放标准》（GB8978-1996）和《地表水环境质量标准》（GHZB1-1999）。GB8978-1996对城镇污水二级处理厂的主要出水指标规定方面，除了保留原来的二级标准外，新增了更加严格的一级标准（BOD5≤20 mg/L，SS≤20 mg/L，COD≤60 mg/L，磷酸盐≤0.5 mg/L，氨氮≤15 mg/L）。与GB8978-88相比，GB8978-1996确定的磷酸盐排放标准非常严格，而且扩大到所有排污单位。根据GB8978-1996确定的排放标准，今后绝大多数城市污水处理厂都要考虑除磷处理，大部分城市污水处理厂要考虑硝化处理或脱氮处理。

　　5 城市污水处理工艺选择的主要原则

　　城市污水处理厂的设计和建设包括处理程度和规模的确定、厂址选择、污水及污泥处理工艺选择、总平面布置、工艺流程确定、处理构筑物等方面的内容。在处理程度或允许的出水排放总量确定以后，就可以据此列出所有能够满足要求的工艺流程（方案）。选择可行的几种处理工艺方案，通过全面技术经济比较后确定处理工艺流程和设计参数。城市污水处理工艺方案的选择一般应体现以下总体要求：满足要求，因地制宜，技术可行，经济合理。也就是说，在保证处理效果、运行稳定，满足处理要求（排放水体或回用）的前提下，使基建造价和运行费用最为经济节省，运行管理简单，控制调节方便，占地和能耗最小，污泥量少。同时要求具有良好的安全、卫生、景观和其它环境条件。
　　5.1 满足处理功能与效率要求
　　城市污水处理厂工艺方案应确保高效稳定的处理效果，城市污水处理设施出水应达到国家或地方规定的水污染物排放控制或再生利用的要求。对城市污水处理设施出水水质有特殊要求的，须进行深度处理。这是污水处理最重要的目标，也是污水处理厂产品的基本质量要求。而排放标准的确定主要取决于处理出水的最终处置或利用方式，如果排入水体，则取决于接纳水体的功能质量要求和水体的环境容量，如果再用，则取决于再生水用户对水质的基本要求。
　　5.2 规模与工艺标准因地制宜
　　城市污水处理厂工艺方案的确定必须充分考虑当地的社会经济和资源环境条件。要实事求是的确定城市污水处理工程的规模、水质标准、技术标准、工艺流程以及管网系统布局等问题；处理规模大小对处理工艺的影响很大，城市污水处理设施建设应按照远期规划确定最终规模，以现状水量为主要依据确定近期规模。污水处理厂的实际设计规模应根据污水收集量和分期建设、水质目标确定，污水收集量取决于管网完善程度和汇水区内的生活、工业污水产生与允许纳入量，以及管网入渗或渗漏水量等因素。
　　在决定处理工艺方案时，要因地制宜，结合当地条件和特点，有所侧重，尤其是排放与利用的相结合，不同处理工艺的组合。例如在一个处理厂内，一部份采用强化一级处理加排海（江）工程；一部份采用二级处理后用于农田灌概；还有一部份采用深度处理后回用于工业。要根据当地财力情况，充分考虑处理工艺的分期、分级实施。比如说，可以先采用一级处理或强化一级处理，以后再建二级处理，或一部份采用一级处理，另一部份采用二级处理。污泥处理应根据污泥的出路（农用、填埋、排海等）确定是否需要进行消化处理。
　　5.3 技术成熟可靠切实可行
　　根据城市污水处理技术政策，城市污水处理设施建设，应采用成熟可靠的技术。根据污水处理设施的建设规模和对污染物排放控制的特殊要求，可积极稳妥地选用污水处理新技术。因此，必须合理把握工艺先进性和成熟性（可靠性）的辨证关系。一方面，应当重视技术经济指标的先进性，同时必须充分考虑适合中国的国情和工程的性质。
　　城市污水处理工程不同于一般点源治理项目，它作为城市基础设施工程，具有规模大、投资高的特点，且是百年大计，应该确保百分之百的成功。工艺的选择必须注重成熟性、可靠性和适用性。因此，必须强调技术的合理，把技术风险降到最小程度，而不是简单地提倡技术先进，尤其是慎重采用所谓的"革命性"和"国际领先"技术。在最近颁布的城市污水处理的技术政策中规定"对在国内首次应用的新工艺，必须经过中试和生产性试验，提供可靠设计参数后再进行应用。"也是强调了可靠性原则。
　　5.4 经济合理效益显著
　　节省工程投资与运行费用是城市污水处理厂建设与运行的重要前提。合理确定处理标准，选择简捷紧凑的处理工艺，尽可能地减少占地，力求降低地基处理和土建造价。同时，必须充分考虑节省电耗和药耗，把运行费用减至最低。对于我国现有的经济承受能力来说，这一点尤为重要。较高的性能价格比经济指标同样是先进性的重要体现。
　　因此，城市污水处理工艺应根据处理规模、水质特性、受纳水体的环境功能及当地的实际情况和要求，经全面技术经济比较后优选确定。工艺选择的主要技术经济指标包括：处理单位水量投资、削减单位污染物投资、处理单位水量电耗和成本、削减单位污染物电耗和成本、占地面积、运行性能可靠性、管理维护难易程度、总体环境效益等。

　　6 城市污水处理工艺选择的水质因素

　　进水水质水量特性和出水水质标准的确定是城市污水处理工艺选择的关键环节，也是我国当前城市污水处理工程设计中存在的薄弱环节。城市污水管网的完善，对城市污水处理厂设计规模和设计水质的确定至关重要，目前我国大多数城市管网不配套，造成城市污水处理规模和水质难以合理确定，投入运行后实际值与设计值往往相差较大，效能难以充分发挥。
　　在国内城市污水处理厂的综合调查中，获得了87个城市污水处理厂的设计进水水质和最近一年的月平均实际进水水质情况。统计分析结果表明，在调查的城市污水处理厂中：（1）设计进水COD值一般选择400~600mg/L，占调查总数的74.2%，低于400mg/L和高于700mg/L的分别占20%和5.7%；（2）设计进水BOD5值一般选择200mg/L左右，占总数的87.2%，选择高于400mg/L的仅占6.4%；（3）设计进水SS值一般选择200mg/L，占总数的78.8%，选择大于350mg/L的仅占10.6%。
　　城市污水处理厂的实际进水水质与设计进水水质的比值能够反映出污水处理厂设计进水水质的准确程度，调查研究结果表明，在调查的城市污水处理厂中：（1）实际进水COD与设计进水COD比值低于1.0的占65.8%，高于1.0的占34.3%；（2）实际进水BOD5与设计进水BOD5比值低于1.0的占83%，高于1.0的占17%；（3）实际进水SS与设计进水SS比值低于1.0的占61.6%，高于1.0的占38.3%。
　　对于城市污水处理工艺方案及其设计参数的确定，进行必要的水质水量特性分析测定和动态工艺试验研究是国际通行的做法，有些发达国家甚至开展连续多年的全面水质水量特性测定和中试研究。在国内，由于体制和资金来源等方面的问题，在污水处理工艺方案的确定过程中虽然不太可能开展大规模的前期试验研究，但进行水质特性分析与短期动态工艺试验的条件还是具备的，不应该忽视。
　　因此，污水处理技术政策中要求，应切合实际地确定污水进水水质，优化工艺设计参数。必须对污水的现状水质特性、污染物构成进行详细调查或测定，作出合理的分析预测。在水质构成复杂或特殊时，应进行污水处理工艺的动态试验，必要时应开展中试研究。积极审慎地采用高效经济的新工艺，对在国内首次应用的新工艺，必须经过中试和生产性试验，提供可靠设计参数后再进行应用。
　　一般城市污水主要污染物是易降解有机物，所以目前绝大多数城市污水处理厂都采用好氧生物处理法。如果污水中工业废水比重很大，难降解有机物含量高，污水可处理性差，就应考虑增加厌氧处理改善可处理性的可能性，或采用物化法处理。
　　污水的有机物浓度对工艺选择有很大关系。当进水有机物浓度高时，AB法、厌氧酸化/好氧法比较有利。AB法中的A段只需较小的池容和电耗就可去除较多的有机物，节省了基建费和电耗，污水有机物浓度越高，节省的费用就越多。厌氧处理要比好氧处理显著节能，但只有在浓度较高时才显示出优越性。当有机物浓度低时，氧化沟、SBR等延时曝气工艺具有明显的优势。在要求除磷脱氮的场合须选用稳定可靠的生物除磷脱氮工艺。

　　7 污泥的处理处置

　　在我国的城市水污染治理中，污水处理厂污泥处理处置费用约占工程投资和运行费的25%~45%。污水处理厂污泥处理处置高昂的投资及其运行费用，一方面使得目前国内大部分污水处理厂未对污泥进行稳定处理或处理工艺的配套设施不完善，另一方面也使得建有完善污泥处理设施的污水处理厂常因其运行费用较高而基本停用。随着我国城市污水处理设施的普及，处理率的提高和处理程度的深化，污泥的产生量将有较大的增长，预计到2010年，我国城市污水处理厂的湿污泥年产量将达2000余万t，污泥的处理处置将成为难题。而通过技术改进和革新，降低污水处理厂的污泥产生量；研究开发先进的污泥处理工艺，提高污泥处理系统的效率，降低污泥处理成本；研制出技术先进、经济高效的国产污泥处理成套设备；积极进行污泥资源化利用研究等是解决当前及今后我国城市污水处理厂污泥处置问题的有效途径。
　　根据我国污水处理技术政策，城市污水处理产生的污泥，应采用厌氧、好氧和堆肥等方法进行稳定化处理，也可采用卫生填埋方法予以妥善处置；处理能力在10万m3/d以上的污水二级处理设施产生的污泥，宜采取厌氧消化工艺进行处理，产生的沼气应综合利用；处理能力在10万m3/d以下的污水处理设施产生的污泥，可进行堆肥处理和综合利用；采用延时曝气技术的污水处理设施，污泥需达到稳定化；采用物化一级强化处理的污水处理设施，产生的污泥须进行妥善的处理和处置；经过处理后的污泥，达到稳定化和无害化要求的，可农田利用；不能农田利用的污泥，应按有关标准和要求进行卫生填埋处置。

　　8 城市污水处理出水的再生利用

　　在我国，花费大量投资建设了城市污水处理厂，但经过处理后的再生水并没有得到充分利用，有的地区甚至还将处理后的再生水与未经处理的污水混入一起同流合污，有的地区没有将再生水合理再用却直接排入大海造成淡水资源的浪费。因此，在城市污水处理决策中应充分考虑污水的再生利用。城市污水处理厂出水可用作农业用水、市政杂用水、工业冷却用水、工业生产用水、地下水补充等；另一方面，城市污水处理厂出水也可看作是水文循环的组成部分，将合乎质量要求的出水排放到河流水体中，使河流水体能维持或变成供下游使用的原水源，不仅经济可行，而且可减少风险并发挥河流自净能力。
　　在我国的城市污水处理技术政策中，提倡各类规模的污水处理设施按照经济合理和卫生安全的原则，实行污水再生利用。发展再生水在农业灌溉、绿地浇灌、城市杂用、生态恢复和工业冷却等方面的利用。城市污水再生利用，应根据用户需求和用途，合理确定用水的水量和水质。污水再生利用，可选用混凝、过滤、消毒或自然净化等深度处理技术。因此，缺水城市和水环境污染严重的地区，在规划建设远距离调水之前应积极实施城市污水再生利用工程，同时做好非投资性或低投资性的节水减污工作。
　　城市污水再生利用规划建设要依照客观需要和实际可能的原则，按照远期规划确定最终规模，以现状水量及用水需求为主要依据确定实施规模。城市污水再生利用技术选择与工程实施要考虑国情、实际条件和用户需求，城市污水再生利用规模、处理程度、处理流程、输水方式、再生水质、使用用途的选择上，既要满足要求，又要经济合理。目前城市污水再生利用应着重于农业灌溉、市政杂用、景观水体、生活杂用、工业冷却、生态环境和补充地表水。
　　城市污水再生处理工艺应根据处理规模、水质特性、再生水用途及当地的实际情况和要求，经全面技术经济比较后优选确定。工艺选择的主要技术经济指标包括：再生处理单位水量投资、再生处理单位水量电耗和成本、占地面积、运行性能可靠性、管理维护难易程度、总体经济与社会效益等。
　　城市污水再生利用的工程设计，应对再生水水源的现状水质特性、污染物构成进行详细调查或测定，做出合理的分析预测；应切合实际地并安全可靠地确定再生水水源水质和再生处理水质要求，采用不同的单元工艺组合，优化工艺设计参数。

　　9 城市污水处理与再生利用的二次污染控制

　　城市污水处理与再生利用设施设计建设，必须充分重视防治二次污染，妥善采用各种有效防治措施。在污水处理与再生利用设施的前期建设阶段的环境影响评价工作中，应进行充分论证。为保证公共卫生安全，防治传染性疾病传播，城市污水处理设施应适当设置消毒设施。在环境卫生条件有特殊要求的地区，应防治恶嗅污染。城市污水处理设施的机械设备应采用有效的噪声防治措施，并符合有关噪声控制要求。城市污水处理厂设计要充分考虑安全防护设施的设置，确保运行管理人员的健康与安全。城市污水处理厂经过稳定化处理后的污泥，用于农田时不得含有超标的重金属和其它有毒有害物质。卫生填埋处置时严格防治污染地下水。
　　城市污水再生过程和再生水的使用应确保公众和操作人员的健康安全，以及周边的环境安全，尤其要有效地控制病原菌的污染和传播。再生水使用应满足国家和地方有关污水再生利用的水质标准和规定，处理工艺的选择，尤其是工艺的可靠性和安全性的保障，应经过严格的专家论证、评估和主管部门的批准。