城市污水处理厂出水的出路及其技术对策研究

陈卫¹　　 郑天柱²　　　　　 汪翙¹ 　　 郑晓英¹
(1 河海大学环境科学与工程学院，南京，210098；2 扬州大学环境科学与工程学院，扬州，225009)

　　摘要：城市污水处理厂出水（达标污水）排放仍然引发水体污染，在经济活跃的平原河网地区表现尤为突出。具有节水减污双效的污水资源化及再生水利用是达标污水的主要出路之一，但还仅仅局限在严重缺水城市，且实施规模相当有限。而水量相对富庶地区的污染型水资源短缺严重，水乡城市难觅第二饮用水源的尴尬，已经制约经济发展。本文分析了再生水利用尚待解决的主要问题，提出达标污水出路应以深度处理再生利用与达标污水通道输送排江、排海处置或生态工程净化相结合的总体思路，并重点讨论了达标污水深度处理与再生水输配水管网，生态净化工程，直接排江、排海处置选择，河口处置，转移和通道设计等技术对策与措施。
　　关键词：达标污水，出路，再生水，深度处理，处置

　　2002年，全国废水排放总量为439.5亿吨，比上年增加1.5%。随着城市化和工业化进程加快，城市和工业排污量将不断增加。到2005年，我国城市污水处理率将达到45%，重点城市达到60%；2010年，这意味着仍将有大量未经处理的污水进入水体，同时，城市（含工业）污水处理厂出水（以下简称：达标污水）中仍然含有大量污染物质，集中直接排放水体，已成为引发水污染的新污染源。

1.达标污水排放污染与再生水利用

1.1 达标污水排放污染不容忽视
　　比较我国现行《污水综合排放标准》（GB8978-1996）和《地面水环境质量标准》（GB3838-2002），不难看出，各项指标要求差异很大（见表1），即相对于地面水环境质量而言，达标污水中仍含有大量污染物质。达标污水排放量大、排放点设置不合理或排放点过于集中等，会使污染负荷量大于受纳水体的纳污能力，导致水体污染加重。尤其饮用水水源的污染，给饮用水处理带来极大的困难。

　　日本东京都污水处理率达95%以上，但东京湾富营养化仍有增长的趋势，赤潮时有发生。当东川崎市、横滨市和东京都的污水二级处理率都达到100%时，达标污水排放的负荷仍占入海负荷的大半，海水上层水质COD_Mn仍为5.46～5.75mg/L，而达不到海水水质标准（GB 3097－1997）^[1]。河网水系发达的江苏省是我国经济增长和社会发展最有活力的地区之一，城市化进程快，城市连绵带越来越大，污水和达标污水排放量不断增加。尽管污水处理率在提高，2002年，工业废水排放达标率为95.9%^[2]，70余座城市污水处理厂建成或在建，但清污不分、大量污水和达标污水就近排入流速小、流向不确定的河网水体，仍致使河网地区污染型水资源短缺日趋严重，水环境生态愈显脆弱和功能减退。江苏省最新（2003年12月）对境内21个有效水质监测断面进行结果统计，Ⅳ类至劣Ⅴ类水质标准的断面占47.5％，其中Ⅴ类及劣Ⅴ类水质的断面占28.5％。可见，达标污水排放污染状况不容忽视。
1.2　 再生水利用及其问题
　　污水是城市稳定的淡水资源，国内外污水资源化的实践表明，再生水利用是节水减污，保持健康水循环不可缺少的措施，是达标污水的主要出路之一。
　　日本、以色列、美国、南非，以及欧洲等国家早已推广了污水深度处理与再生水利用^{[1] [3]}。
　　我国对城市污水资源化理论与应用的研究越来越重视，在北京、天津、秦皇岛、沈阳、大连、太原、青岛、泰安、深圳等城市重点建设了再生水利用于市政景观和工业冷却等示范工程。但值得注意的是，污水和达标污水深度处理再生利用还仅仅限于缺水和严重缺水的地区和城市，且回用水量相当有限。主要问题集中在：缺少必要的政策引导和水资源优化调度配套机制，再生水利用的配套法律法规不健全，城市排水规划原则与管道系统布置滞后于再生水利用的要求与发展，污水深度处理工程投资、资金筹措渠道、再生水价格、收费与经营方式等有待探讨，分散式污水深度处理技术尚不成熟，其设施运行管理良莠不齐等。

2.达标污水出路及其技术对策研究

2.1　 基本原则与总体思路
　　近年来，对达标污水出路研究的总体趋势是控源、净化、输导和综合。达标污水出路应以深度处理再生利用与达标污水通道输送排江、排海处置或生态工程净化处理相结合为原则，根据各地区或各城镇总体规划、产业布局、江河湖库的水环境容量和水功能区划，结合当地的地形地貌，尤其对江河湖泊纵横交错、且受江潮影响较大的平原河网地区，要结合水流流向顺逆变化，湖荡密布，江滩、河滩、沙洲与湿地较多等特征，进行综合设计。达标污水排江排海的通道建设则应以小区域为主、大区域为辅为原则，科学合理设置排污口和选定排放方式。
　　达标污水按行政分区就地消化即深度处理与再生水利用，可达到节约水源、减少污染物排放量的双重目的；余量部分进入划定的污水通道输送，即以水功能区划的目标水质为约束，根据每个市县内河的水环境容量和水环境功能规划，选取一条或两条河道作为该行政区的污水通道，在排放口处利用江滩、河滩、沙洲、湿地等自然生态系统和强化生态工程进行生态净化后，排放水体。这样，有利于分清投资、施工、水环境长期维护管理的责任关系，有利于水环境改善和可持续利用。
2.2　 达标污水出路设计及技术对策研究
　　达标污水出路包括资源化利用及深度处理，生态净化，直接排江、排海处置，转移和通道排放等。达标污水出路方案要根据城镇发展规划，结合水系水体功能、水环境容量、重点产业布局与水系的关系，在研究现状与规划重点大企业排污水的污染特征、污废水处理达标等级、达标污水的排放量预测、以及对水环境的影响等基础上进行设计。
　　（1）深度处理与城市排水系统设计
　　再生水可用于：工业用水如冷却水循环利用与循序利用、洗涤用水、锅炉用水、工艺用水和产品用水等，城市杂用水如城市绿化、道路清扫、冲洗公厕、建筑施工、车辆冲洗、消防等，环境用水如景观环境用水和湿地环境用水，补充水源水如补充地表水和地下水^[4]；还可以作为农田灌溉用水等。各种用途的再生水均应符合相应水质标准的要求。
　　污水或达标污水的深度处理不仅仅局限于三级处理，即在二级处理后再增加设施进一步处理，而有更宽泛的内涵和意义。可以说，根据再生水的使用要求，针对特殊污染物指标，对二级处理进行强化和改革的新工艺，以及与之优化组合的工艺系统，均可视为深度处理技术。如厌氧—好氧生物处理、活性生物滤池、臭氧-活性炭、微滤与超滤膜分离、膜生物反应器，以及物化生化组合工艺及其优化与集成等。污水有机负荷高，以生化法为核心的污水深度处理工艺往往采用多反应器的组合工艺，即创造不同的环境条件，将不同种群的微生物在空间上相对独立分布，以获得稳定、高效的运行效果，获得了广泛应用。而达标污水水质不同于原污水水质，有机负荷低，相对而言属贫营养污水。达标污水深度处理工艺优化组合形式及其生物处理技术，有待深入研究和应用验证，尤其要系统地研究适合于低负荷贫营养达标污水生物处理的微生态系统特性，进而完善生物处理技术，使出水生物稳定性大大提高，使出水水质能够满足相应回用用途的水质标准。
　　与污水深度处理再生回用相配套的排水系统设计，应突破常规规划设计思路，即集中建大型污水处理厂，以发挥规模效益和降低建设费用。而实际上，许多污水厂建成后迟迟不能按设计能力投运，很重要的原因就是管网敷设面大，且大管径管道多，故工程投资大，难以实施到位。德国就曾经对较大城市集中建一个污水处理厂还是多个污水处理厂做过技术经济分析，其结果为后者有优势。从再生水回用角度考虑，若污水厂数目过少，势必远离再生水用户，加大输配水管道投资，增加再生水成本，显然有碍于再生水利用。因此，应建立现代设计观念，在扩建或新建排水工程时，综合考虑促进再生水利用、减轻排水管网投资负担、易于分期建设等因素，优化城市排水系统及污水厂布局、以及小区域污水回用系统的设计与实施。
　　（2）达标污水生态净化工程
　　合理利用江滩、河滩、沙洲、湿地等自然生态系统对达标污水净化，可以节省一部分深度处理投资，且使出水达到预定的水质目标。在已有利用土壤——植物——水生生物生态系统对水中污染物的截留和吸附规律，以及对污染物净化效果的研究基础上，应重点研究江河湖库岸边带的强化生态工程 “与自然和谐”的工艺措施和技术条件，以及保护滩涂和湿地生态环境的技术对策，以避免在工程应用中因管理不当造成水土流失和地下水水质污染。
　　（3）达标污水直接排江、排海处置选择
　　根据水环境功能区和水资源开发利用的实际情况，在分析现状入江污染物总量、水环境容量和水动力学条件的基础山，确定适合达标污水直接岸边排放或离岸深水排放的江段；研究达标污水直接排放的条件、岸边排放和离岸深水多孔潜没排放的工艺特点及环境效应；深入研究集中式达标污水排放对江河湖海生态环境的影响，达标污水喷射对江海水体水文、水底底质、航道淤积的影响^[5]等。
　　内陆地区，达标污水在适当江河段排入，主要利用自然水体的同化能力来处置达标污水；在沿海地区，有条件的可以选择达标污水排海，利用海水的自净能力处置达标污水。污水江河处置与污水海洋处置具有许多不同的，江河水系与海洋水体的环境条件差异较大，决定了江河污水处置工程与海洋污水处置工程具有不同的技术要求：
　　①江河水体密度与海洋水体密度不相同。一般，江河水体是非密度分层的均匀密度水体，排放污水的密度与之基本相同，排放口近区浮力作用可忽视，故污水江河处置的混合区计算可以不考虑浮力的作用。而海洋水体密度受含盐量的不同呈非均匀或分层状态。海水密度往往大于排放污水的密度，排放口近区存在浮力作用。②江河与海洋水体流动规律不相同。江河水体流动大多数是单向的(除河口外)，而海洋水体流动是潮汐非定向的，并且变化范围较大。③与海洋相比，江河水域范围极其有限，江河宽度和水深较小，限制了扩散器的长度和喷口的喷射角度，扩散器长度不得超过江河宽度的1／3，扩散器喷口的喷射角小于45度，以增加射流轴线的长度。④江河与海洋水体要求的功能不相同。通常，江河水体水环境质量要求高于海洋水域。在进行污水江河处置时，必须考虑上下游取水口分布情况及特殊构筑物的位置、鱼类等水生生物的回游通道等因素。⑤污水处置工程的实施及运行不能影响江河通航。
　　（4）达标污水河口处置
　　由于河口水系的状况比河流或湖泊水域的状况更为复杂，潮汐的涨、落在接近河口的河段可以明显地引起水平方向的混合。涨潮时常会改变河口的水流的方向。同时，河口区水体会出现淡水在上海水在下的垂直分层现象。
　　对污水排放来说，河口区与河流相比有两个显著特点：一是由于潮汐的影响，流动具有非恒定性，污染带变化复杂。水流动随时间的变化，排放污染带也随时间变化。落潮时出流污水偏向下游形成污染带，涨潮时出流污水偏向上游形成污染带。二是盐度或水温不均匀引起水体的密度分层。密度小于周围流体的射流进入分层水体后，受浮力作用而上升，同时，卷吸周围密度较大的流体；掺混后射流的密度增大，在上升过程中周围流体的密度是逐渐减小的，所以射流以外的密度差逐渐减小，即浮力随射流的高度的加大而减小。如水深较大，就会上升至某一高度而停止升高，向旁侧散开，即存在一个最大升高。这种情况与排海工程相似，对排放污水是有利的，污水可在水下稀释，并保持水面清洁。
　　达标污水河口处置比较复杂，无论是理论计算还是试验研究都存在很多问题。鉴此，在实际工程中，根据水域的具体情况和计算精度要求，可把问题加以简化，如动态过程简化为准动态，非线性密度分层近似按线性分布水体考虑^[5]等，并对计算成果进行适当修正。达标污水河口处置要求严格控制排污负荷量和排放方式。在潮汐河口采用落潮排放方式，以防止对上游水质的影响；为防止河口区诱发赤潮，应充分研究河口区段水动力学条件，其排污负荷应控制在近海水环境容量范围内，排放口宜设置在凹岸段，或者采用离岸深水排放方式。
　　（5）达标污水转移和通道设计
　　结合区域水系、地形地貌和水环境容量，分析区域达标污水通道建设的可行性和转移达标污水的规模，并以小区域为主、大区域为辅为原则进行通道设计。
　　转移通道应以河道、明渠和管道相结合进行统一规划。利用污水通道输送时，水质监测与管理特别重要。在跨越行政区界转移通道上，应在行政区界处设立监测断面，实时监测通道水质，明确责任和加强管理。明渠通道设计时，结合当地水系特征，应当充分利用地形条件进行设计。明渠通道的平面布置，应远离水源保护区和自然保护区，远离人口密集地区和地下水超采严重地区，否则，应改用重力排水管道进行输送，与水源河道交叉时，宜采用涵管立体穿越。重力排水管道的设计应符合室外排水设计规范的要求。
　　（6）达标污水出路方案的技术经济分析
　　达标污水出路方案的技术经济问题和投资对策直接关系到该方案的实施可行性。达标污水深度处理在技术安全、可靠、高效和先进的同时，还必需满足经济合理、管理方便和使用寿命长等要求。达标污水土地生态净化处理出水水质可达到三级处理标准，具有建造、运行、管理费用低的优点，可大大降低成本。达标污水直接排江、排海处置与转移通道的技术经济分析重点是对地形地貌、水系条件的充分利用和输送方式的合理性分析，这直接影响到管渠费用、工程费用和泵站费用等。达标污水深度处理及就地回用，与远距离转移通道相比，有其经济优势，但尚需结合实际进行量化分析。

3.结语

　　城市污水处理厂出水——达标污水排放不当，已成为引发水体污染的新污染源，必须给予高度重视。选择适应于城市及其周边地区发展的达标污水出路方案，是维系城市良好水环境的重要举措，直接关系到城市水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展。达标污水出路应结合各地区各城镇发展总体规划、产业布局、水环境容量、水功能区划和水污染特征等，合理设计达标污水深度处理、生态净化工程、有条件地区的直接排江、排海处置及其选择、河口处置、转移和通道设计等技措施，并在综合技术经济分析的基础上优化实施。

参考文献：

[1] 张　杰、曹开朗，城市污水深度处理与水资源可持续利用，中国给水排水，北京，2001，17（3）：20-21
[2] 《江苏省环境状况公报》（2002年），江苏环境保护厅，南京，2002
[3] 雷乐成、杨岳平等，污水回用新技术及工程设计，化学工业出版社，北京，2002，27-34
[4] 《城市污水再生利用　 分类》（GB18919 – 2002），中国标准出版社，北京，2003，1-2
[5] 王超，污水处置理论与技术，河海大学出版社，南京，1998，5-6

陈卫，博士，教授 河海大学环境科学与工程学院
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*本文依托项目为江苏省环保厅重点项目“江苏省沿江地区开发达标污水出路对策研究”（2003）。