水污染防治生物處理技術驗證評估方法研究

黃海明，宋乾武，許春蓮，王文君，武少偉，戴建坤，田艷麗，趙秀芹

1.中國環(huán)境科學研究院工程設計中心，北京 100012

2.北京科技大學，北京 100086

隨著我國社會經濟的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突出，技術的創(chuàng)新和推廣應用對環(huán)境污染防治尤為重要，然而，我國現(xiàn)有的環(huán)境技術管理體系及環(huán)境技術推廣機制難以適應目前環(huán)境保護的發(fā)展需求［1］。客觀、公平、公正和科學的環(huán)境技術評價體系是對創(chuàng)新技術進行有效篩選的基礎，也是對創(chuàng)新技術起到積極推廣和應用作用的保障。環(huán)境技術評估(environmental technology verification，ETV)［2-5］是實現(xiàn)環(huán)境管理科學化、長效化、市場化、系統(tǒng)化的最佳選擇。20世紀90年代以來，我國在環(huán)境技術評估方面取得了一定的進展，采用專家評估和合格評定等與當時社會經濟發(fā)展水平相適宜的環(huán)境技術評估模式［6］，較好地促進了我國環(huán)境保護事業(yè)的發(fā)展。但隨著近年來經濟的快速發(fā)展，現(xiàn)有的環(huán)境技術評估模式由于在科學性、公正性和客觀性方面存在一定的局限性，無法滿足環(huán)境技術管理的迫切需求。基于國家對污染防治新技術推廣的迫切需求，積極開展環(huán)境技術驗證評估研究，建立客觀、公平、公正、科學的驗證評估體系，并在此基礎上有效地推廣應用創(chuàng)新技術，是推動我國環(huán)境污染防治技術進步的有效手段。

環(huán)境技術驗證評估屬于環(huán)境技術管理體系中的一部分，其目的是通過建立一套客觀、科學、公正、透明的評價制度、程序和方法，對各類環(huán)境技術在預防、檢測、控制和減少環(huán)境污染等方面的能力和效果進行評價，按照統(tǒng)計學的方法來評估創(chuàng)新的商業(yè)化技術，從而為潛在的用戶提供一個可信的信息，為環(huán)境污染防治工程提供科學可靠的、成套完整的數據［6-9］。

1 水污染防治生物處理技術驗證評估

建立我國水污染防治生物處理技術驗證評估體系，其目標是結合中國國情，建立一套科學、公正、客觀的水污染防治生物處理技術驗證評估方法，指導驗證評估工作按照規(guī)定的程序、方法和標準對已經完成中試或工業(yè)化試驗，具有產業(yè)化前景的單項技術、工藝以及產品開展實測驗證(實證)，重點對其環(huán)境保護效果、能耗水平、可靠性、經濟性、風險性、先進性［10-11］及持有方自我聲明的技術性能進行以實證為主的客觀評價，為環(huán)境保護技術的創(chuàng)新發(fā)展及市場化、產業(yè)化提供技術支撐。

1.1 指標體系構建

為有效促進我國環(huán)境保護創(chuàng)新技術的推廣和應用，在借鑒國外環(huán)境驗證評估體系發(fā)展的經驗基礎上，確定了水污染防治生物處理技術驗證評估指標體系的設計原則:1)符合我國相關法規(guī)、政策和技術標準;2)確保驗證結果的真實性、可靠性和科學性;3)保護技術開發(fā)者的知識產權;4)有利于環(huán)境驗證評估制度的可持續(xù)發(fā)展;5)易與國際接軌。

基于上述設計原則，生物處理技術驗證評估指標體系由測試指標和參考指標兩部分構成。

測試指標包括水質指標、二次污染指標、工藝運行指標及經濟技術指標等一級指標，同時下設若干二級及三級指標。水質指標主要是通過對水質中的各種理化及生物指標的測試，反映污水處理技術的污染物去除性能;二次污染指標主要是考察技術在使用過程中是否對環(huán)境造成影響及影響程度，包括噪聲、空氣、固體廢物等;工藝運行指標主要是考察污染物消減效果與工藝運行參數之間的相關關系，包括表觀指標與運行參數指標兩組;經濟技術指標包括能源消耗指標、藥劑消耗指標、材料消耗指標、水耗指標、資源能源回收利用率等五項。測試指標分為通用指標與特征指標。通用指標具有普遍適用性，適用于各種生物處理技術的驗證測試，包括化學需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、生化需氧量(BOD5)、pH等四項;特征指標是反映所驗證技術的特異性處理效果或水質污染特征的指標。

參考指標由技術持有方提供，主要為技術的輔助設計參數等。

1.2 驗證測試方法

基于驗證評估指標體系，根據現(xiàn)有驗證測試技術的可靠性與成熟度，確定了以定量測試分析為主，定性描述為輔的原則，并對具體的驗證測試方法進行了規(guī)定。各評價指標能采用國標法進行定量分析的均優(yōu)先采用，對于尚無國標法或目前尚不能進行定量分析的指標，則采用驗證測試規(guī)程推薦方法進行定量或定性評價。

水污染防治生物處理技術驗證測試工作分現(xiàn)場驗證測試和實驗室驗證測試兩類。現(xiàn)場驗證測試是對驗證技術在使用現(xiàn)場開展實證，具有方便快捷、數據可靠、評估費用低等特點，主要適用于工業(yè)廢水和生活污水的現(xiàn)場驗證;實驗室驗證是在環(huán)境、溫度等條件可以模擬控制的實驗室中進行，具有可在短時間內獲取大量高質量、可重復的驗證數據的優(yōu)點，但其評估費用相對較高，主要適用于好氧生物反應器、厭氧生物反應器、一體化污水處理設備(包括小型膜生物反應器)、填料、生物助劑等的性能驗證測試。

1.2.1 測試周期確定

驗證評估測試周期是驗證評估過程中需要考慮的關鍵因素。驗證周期直接關系到是否能全面反映驗證技術在各種工況條件下的效果，同時也影響到驗證測試的經濟成本。驗證時間過長雖然可完整地體現(xiàn)測試技術在各種工況條件下的效果，但會明顯增加驗證測試的成本，影響驗證評估工作開展的經濟可行性;驗證時間過短，則難以全面反映各種情況下處理工藝技術的使用效果及可靠性。

在已開展生物處理技術驗證評估的發(fā)達國家，通常對其驗證測試周期都有明確規(guī)定，如美國對生活污水生物處理技術的驗證測試周期通常為12個月［12-13］，日本對凈化槽技術的驗證周期為 6個月［14-15］。為確定我國生物處理技術的驗證評估測試周期，筆者對國內相關排污單位、環(huán)境保護企業(yè)及地方環(huán)境保護部門等進行了走訪調研，并就相關問題向環(huán)境保護專家進行了咨詢，綜合各方意見，基于生物處理技術的特點，得出我國驗證評估測試合理的周期為3個月左右。

根據國外制定的生物處理技術驗證評估測試周期和國內的調研咨詢結果，筆者認為現(xiàn)場驗證評估測試周期應根據水質水量及其影響處理效果的環(huán)境條件變化周期而決定，通常在變化周期不明顯或變化周期較短的情況下，驗證評估測試周期應至少保證連續(xù)測試3個月，在變化周期較長的情況下，驗證測試應至少包括2個變化周期(總測試時間不應小于3個月)。其可最大程度真實地反映驗證技術的處理效果，同時也保證驗證成本在用戶可承受的范圍之內。此外，由于生物處理技術的處理效果受水溫影響較大，在驗證測試期間應至少包括1個月低溫期(冬季)。對于實驗室驗證測試，由于在實驗室中開展驗證測試工作，條件相對穩(wěn)定，并可快速調整，周期則可適當縮短，但在污泥培養(yǎng)、馴化工作結束并達到正常處理效果后，應至少連續(xù)運行2個月，其中低溫運行時間(低于13℃)不少于1個月。在驗證測試過程中，故障時間或停運時間不應超過整個驗證測試時間的10%，否則測試時間應相應順延，順延時間為故障時間或停運時間的1.5倍。

1.2.2 采樣頻率確定

在通常情況下，分析采樣頻率應根據水質波動狀況而確定，在水質波動較大的情況下可適當增大采樣頻率，而在水質狀況較平穩(wěn)的情況下則可適當降低采樣頻率，但為保證測試結果具有統(tǒng)計學意義，對驗證測試過程中采集的最低樣品數進行了規(guī)定。在整個測試周期內，現(xiàn)場驗證測試每個采樣點采集樣品數不少于12次，其中每周不少于1次;實驗室測試每個采樣點采集樣品數不少于16次，每周不少于2次，以確保有足夠的樣品用于分析測試，保證驗證測試結論的科學性、公正性和客觀性。

1.2.3 采樣點設置的基本原則

采樣點的合理設置對于全面真實地反映驗證技術的處理效果具有重要意義。為此，在驗證評估測試方法中對驗證測試過程中設置采樣點的基本原則進行了規(guī)定:1)采樣點應根據工藝特征而確定，采樣點的設置在總體上應能反映工藝技術的處理效果及特點;2)設置采樣點前，應調查并收集驗證技術應用工程的有關水質、水量、工藝流程、設計參數、運行參數、技術特點等基本資料，用作設置具有代表性采樣點的依據;3)分析測試采樣點應根據工藝流程設置在原水、出水以及工藝中間環(huán)節(jié)，原水和最終出水為必選采樣點，工藝中間環(huán)節(jié)采樣點建議設置在能夠反映生物處理環(huán)節(jié)處理效能的位置，其中創(chuàng)新工藝部分應多設采樣點;4)原水采樣點應盡可能設置在能反映原水真實水質的位置，對于有多條進水管路，且設有調節(jié)池的工藝，原水采樣點建議設置在靠近調節(jié)池出水口位置。

2 現(xiàn)有測試案例

根據上述制訂的驗證評估測試方法，對某尼龍化工廢水生物處理技術處理的工程應用效果進行了現(xiàn)場實證測試，驗證測試周期為3個月。在充分調查并收集驗證工藝技術應用工程的有關水質、水量、工藝流程、設計參數、運行參數、技術特點等基本資料的基礎上，根據設置采樣點的基本原則及廢水處理工藝的特點，共設置6個采樣點，分別為原水均勻混合段(1個)、厭氧工藝段(2個)、缺氧段(1個)、好氧段(1個)、出水段(1個)。不同指標的測試方法及測試頻率如表1所示。

表1 現(xiàn)場實證測試指標及方法Table 1 Index and method for the scene demonstration and testing

實證測試結果顯示，在測試過程中工藝運行的操作參數基本保持一致。在3個月的驗證期間，水質共發(fā)生3次較大的波動，其波動原因基本一致，這說明3個月的測試周期可基本覆蓋水質的整個變化周期，并可反映驗證技術在各種工況條件下的水質情況。由于該驗證工藝的總水力停留時間為50 h，由水質發(fā)生重大變化而導致的出水水質的改變，通常需在2～3 d后才得以體現(xiàn)，因此對于水質指標的測試，每周采樣測試2次是基本合理的。

二次污染指標是考察驗證技術環(huán)境效應的指標，該指標的好壞對技術的推廣具有重要意義。通常在工藝的實際運行中，產生的噪聲和臭味等污染情況是相對穩(wěn)定的，測試的頻率可相對較少。該次驗證結果證明，整個測試期間這兩項指標的變化基本可忽略。剩余污泥量的統(tǒng)計需在驗證期間隨時跟蹤系統(tǒng)排泥的情況，對每次排泥量進行統(tǒng)計。該指標可通過實際污泥量稱量統(tǒng)計，也可通過公式計算得出。通過測試期間兩次剩余污泥中重金屬濃度分析，發(fā)現(xiàn)其變化幅度較小，相對穩(wěn)定，因此剩余污泥量在整個驗證期間測試2次是合理的。

工藝運行指標是分析污染物去除機理的重要參數。測試結果發(fā)現(xiàn)異常狀況及流量的統(tǒng)計頻率相對過高，該指標通常比較穩(wěn)定，頻率過高將增大測試工作量，應適當降低。

經濟性指標是反映驗證技術經濟效果的重要指標，在驗證中發(fā)現(xiàn)工藝運行的藥劑消耗量相對穩(wěn)定，每天記錄即可全面掌握各種藥劑的消耗情況。耗電量在測試期間主要通過對廠區(qū)內部電表進行統(tǒng)計計算，每月抄錄電表1次，可獲得用電量的實際情況。

此外，該次現(xiàn)場實證發(fā)現(xiàn)，在驗證工藝的中間環(huán)節(jié)設置采樣點可有效地分析污染物的去除規(guī)律及機理，在出現(xiàn)異常狀況時能迅速分析出原因，其對全面了解技術的性能具有重要意義。在實際操作過程中需根據不同技術特點合理設置，過多的采樣點將增大工作量及驗證成本。

該次示范性實證測試可為我國生物處理技術驗證評估測試指標體系及方法的建立提供以下有益建議:

(1)在驗證評估測試前，需對工藝工程進行詳細了解，并制定詳細的實施方案，充分考慮各種可能發(fā)生的因素;在驗證評估測試期間需與污水廠運行人員密切溝通，及時全面地掌握污水廠運行參數的變化和維護、檢修等情況。

(2)驗證評估方法，建議以國標法為主，但是考慮到現(xiàn)場的實際情況，可以適當結合快速分析測試方法;當技術持有方持有的歷史數據與測試數據吻合性很好時，可以適當減少驗證測試時間，但不宜低于2個月，其中至少有1個月為冬季;廢水調節(jié)時間大于24 h，分析樣品可以采用瞬時樣。

(3)對于投加堿劑的污水處理工程，應定期測試進、出水的堿度指標;對于投加磷劑的污水處理工程，應定期測試進、出水的TP濃度指標，以便評估藥劑的投加量是否合理;對于有厭氧、缺氧工藝的工程，可在工藝運行指標測試中增加氧化還原電位指標;對有機氮濃度較高的工業(yè)廢水，建議增加凱氏氮指標。

3 結語

目前我國的ETV體系尚處于初步探索研究階段，水污染防治生物處理技術是水環(huán)境污染防治技術體系當中最為重要的一類，選擇其作為我國ETV制度建立的試點研究具有重要示范作用。水污染防治生物處理技術驗證評估體系的構建應以我國實際國情為基礎，并遵循一定的科學方法來實現(xiàn)其科學性和合理性。依據構建的生物處理技術驗證評估方法，開展第三方實驗室或現(xiàn)場實證測試，以定量的實證數據客觀而真實地反映驗證技術效能，為技術使用者提供可靠的技術信息，這不僅對我國環(huán)境保護技術的創(chuàng)新發(fā)展和推廣應用起到積極的推動作用，同時也為我國環(huán)境技術管理體系的建立奠定了良好的基礎。

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