基于污染物受納量的城鎮生活污水處理率指標研究

朱家亮,蔡美芳,賈濱洋,吳孝情,王一舒,榮 楠,王照麗,陳中穎*,李開明

基于污染物受納量的城鎮生活污水處理率指標研究

朱家亮1,蔡美芳1,賈濱洋2,吳孝情1,王一舒1,榮 楠1,王照麗2,陳中穎1*,李開明1

(1.生態環境部華南環境科學研究所,國家水環境模擬與污染控制重點實驗室,廣東省水與大氣重點實驗室,廣東 廣州 510530；2.成都市環境保護科學研究院,四川 成都 610072)

我國通過污水處理率來評價生活污水處理水平,但污水處理率僅考慮了污水處理設施進水處理的水量,忽略了雨污合流、地下水混入、抽取河水處理等原因導致的污染物收集水平不足.以成都市岷江外江流域為研究區域,開展了城鎮生活污水收集和評價指標優化研究,提出了基于污染物受納量的城鎮生活污水污染物處理率概念和核算方法體系,在劃分控制單元基礎上,核算生活污水污染物的產生量和處理量.研究發現,該流域污水處理廠進水濃度普遍偏低,進水水質存在季節性波動,說明可能存在豐水期雨水、河水或地下水混入稀釋的情況,枯水期的進水數據更能反映區域生活污水排放情況;傳統污水處理率計算顯示該流域污水處理率高于100%,但全流域的CODCr、氨氮和總磷污染物處理率分別為37.50%、36.25%和30.14%,與該流域的水環境質量特征和污水管網建設水平相符;在污水管網未完善的地區,采用污染物處理率更能有效評價和反映區域污水收集和處理程度.

生活污水；污水處理率；污染物處理率；評價指標

20世紀末以來,我國開始大規模建設城鎮污水處理廠和污水管網,截至2015年,全國已建成3542座城鎮污水處理廠,總污水處理能力1.7億m3/d,在控制城鎮生活源污染上發揮了重要作用[1].一直以來,我國常用污水處理率(Sewage Treatment Rate),即經過處理的生活污水、工業廢水量占污水排放總量的比重作為區域污水處理設施完善程度的評價指標.截至2016年,我國城市污水處理率已達93.44%,縣城污水處理率已達87.38%,處于較高水平[2].

然而,盡管污水處理率逐年提高,城鎮水污染問題卻愈發突出,水質未見明顯好轉.2007~2016年,雖然城鎮污水處理規模總體大幅升高,但污染物減排量滯后于污水處理量的增幅,同時COD濃度從2007年的351mg/L下降到2017年的266mg/L,單位污水處理規模的處理效能不斷下降[3].研究發現,50%的典型城市污水處理廠進水COD、BOD5、氨氮分別低于195, 72.1, 20.5mg/L,濃度普遍偏低,反硝化碳源不足[4].同時,污水處理率往往以生活和工業污廢水總量為分母計算,未扣除工業廢水處理后直排量,2016年全國城市污水處理總量是綜合生活用水總量的1.43倍,處理量統計存在虛高[2].污水處理率只能代表污水處理廠處理來水的能力,由于雨污合流、地下水混入、工業廢水合并統計等原因,污水處理廠來水不一定全部為污水,無法評價污水收集和處理的真實水平,單一的污水處理率評價指標弊端漸顯[5].

從國外城鎮污染控制管理經驗看,英國采用城市污染管理(UPM)進行整體規劃[6],澳大利亞把城市分為3個階段開展可持續城市水管理(SUWM)[7-8],美國綜合采用國家消除污染物排放制度(NPDES)、最大日負荷總量(TMDL)、環境水體水質標準等制度,結合有力執行和法規約束進行排污管理,較少使用污水處理率評價污水收集和處理效果[9-12].結合我國環境管理實踐,為優化城鎮污水處理評價和考核標準,研究提出了基于污染物受納量的城鎮生活污水污染物處理率概念和核算方法體系,在劃分控制單元基礎上,核算城鎮生活污水污染物的產生量、處理量,并以成都市的岷江外江流域進行案例分析,探討流域污水處理特征.

1 研究方法

1.1 基于水量的污水處理率計算方法

傳統污水處理率基于水量計算,按下式計算:

式中:為污水處理率;Q為第座污水處理廠的全年實際處理量;為生活污水折污系數(排水系數);為城鎮人均綜合生活用水量;為常住人口數;0為本區域城鎮污水排放總量,實踐中也常直接采用當地統計年鑒、城市建設統計年鑒或水資源公報的數據.在污水處理廠實際處理量未有效統計的部分地區,存在以污水處理廠設計處理量代替實際處理量進行計算的情況,此時獲得的為名義污水處理率.

1.2 流域控制單元劃分

污水排放與地理分界或人為的排水分區有關,例如兩個相距較遠的區縣污水不會匯集到一起.為了更準確核算各行政區的污水處理率,評估對流域水環境的影響,國內外學者對流域進行分區子流域切割,以控制單元為基本實施單位開展污染貢獻研究和污染防治規劃[13-14].

控制單元即細化排水分區,劃分原則包括行政區完整性和水系完整性原則,盡量以流域分水嶺作為控制單元間的隔離邊界,保證污染物全部來自本控制單元.本研究采用的劃分方法是依據水系圖、地形圖等資料,以流域最終控制斷面為起始點,勾畫出全部流域范圍,在GIS等相關技術的支持下,進行自然匯水單元提取、人工排污單元識別以及二者的融合、矯正,以行政區邊界對水文響應單元進行分割,建立流域-控制單元的劃分體系.實際劃分時采用一個或數個街道/鄉鎮為一個最小單元,不再對街道/鄉鎮進行切割.

1.3 區域污染物產生量

區域城鎮生活污水污染物產生量常用產排污系數法、全面調查法、污水廠進口核算法等[15-18].考慮到產排污系數對于一個小流域而言準確性不足,全面調查工作量龐大,污水廠進口污染物量與區域總產生量并不對等,本研究擬采用城鎮綜合生活污水平均濃度與生活污水產生量相乘核算污染物產生量.對每個控制單元、每項主要污染物指標分別計算,按式(3)計算[19]:

式中:0k為第個控制單元污染物產生量;為城鎮綜合生活污水平均濃度;0k為第個控制單元城鎮綜合生活污水排放量,一般與生活污水產生量相等.

確定城鎮綜合生活污水平均濃度是計算污染物產生量的關鍵.生活污水濃度受用水習慣、生活習慣、服務業和第三產業特征等因素影響,而污水處理廠進水濃度還存在雨水、地下水、工業廢水干擾的情況,一個城市污水處理廠進水濃度在污水處理廠間和月份間往往波動極大.為避免雨季稀釋,城鎮綜合生活污水平均濃度取生活污水處理廠的全年最高月均進水濃度,根據污水處理廠處理水量進行加權平均計算:

式中:c為第座生活污水處理廠最高月均進水濃度,或取枯水期(旱季)進水濃度;Ti為第座生活污水處理廠的全年生活污水處理量;為納入核算的生活污水處理廠數量.實際工作中,城鎮綜合生活污水平均濃度還應參考當地污水處理設計濃度、當地生活源產排污系數等綜合確定.

1.4 區域污染物處理量與處理率

當前國內不少地區已建立了城鎮生活污水處理績效的考核和評估體系,但指標設計和實踐工作中仍過多關注水量集中處理率、負荷率、財政支出績效等因素,未真正與環境質量改善關聯[20-21].污水處理廠作為城鎮生活污水處理的終端,核心目標是污染物削減,在排放標準控制下,污染物削減能力易于評價和提高,而污染物收集能力才是污水處理系統最關鍵一環.

因此,本研究采用每個控制單元污水處理廠受納污染物量與單元污染物產生量的比值作為污染物處理率,表征污染物實際收集和可能得到削減的最大潛力.按式(5)計算:

式中:E為第個控制單元基于污染物受納量的處理率;Tki為第個控制單元第座污水處理廠受納處理的生活源水污染物量;Tij為第座污水處理廠、第月監測進水濃度;Tij為第座污水處理廠、第月處理生活污水量(應扣除工業廢水處理量);0k為第個控制單元污染物產生量;為本控制單元污水處理廠總數.

整個城市的污染物處理率按式(6)計算:

式中:E為城市污染物處理率;Tk為第個控制單元污水處理廠受納處理的生活源水污染物量,不得大于0k;0k為第個控制單元污染物產生量;為城市控制單元總數.

對CODCr、BOD5、氨氮、總磷等常規指標分別進行計算和綜合分析,不應進行平均處理,也可采用CODCr等單一指標的處理率作為橫向比較.當利用本方法作為城市間考核時,為簡化計算,可不劃分控制單元而僅利用污染物總處理量和總產生量進行計算,此時類似于《城鎮污水處理工作考核暫行辦法》[22]中的方法,但由于實際排水分區的存在而存在較大誤差.

2 結果與討論

2.1 研究流域特征

研究流域位于成都市岷江外江流域.成都市具有平原、山區和丘陵過渡帶的地貌組合特征,屬亞熱帶濕潤季風氣候區,熱量豐富、雨量充沛、雨熱同季、四季分明,年均氣溫15.2℃~16.6℃.研究流域位于成都市西部,總體屬于平原水網地區,流域內既有過境江河,也有本地發源的河流,過境水資源量略大于本地水資源量.流域范圍包括8個區(縣、市)、112個鎮(鄉、街道),流域面積5350km2,常住人口約為170.5萬人,經濟發展較快,以第二產業和第三產業為主.由于城區中心不在該流域內,流域內城鎮人口居住較為分散,主要居住在縣城和鎮中心.流域內過境江河水質基本維持在III類至IV類間,但本地發源的河流水質較差,部分河流為V類或劣V類水質,近年來水質下降明顯.

2.2 流域控制單元劃分結果

圖1 控制單元劃分

結合地形圖、水系圖、鄉鎮邊界,流域內共劃分了16個控制單元,每個控制單元包括2~11個鄉鎮不等(圖1).為便于厘清污染貢獻和規劃治污安排,每個控制單元均確定了控制斷面和水質改善目標.

2.3 污染物處理率計算實例

通過收集當地統計年鑒和其他統計資料,獲得流域內各鎮街的城鎮常住人口數(2015年數據).通過水資源公報,獲得各區縣的生活用水量和用水人口,按常住人口修正為實際生活用水總量和生活污水排放總量,折污系數取0.9[23].收集和分析流域內104座污水處理廠2015年12個月的運行資料,并按所在地點和納污范圍識別至相應的控制單元.取以處理生活污水為主的城鎮污水處理廠的枯水期進水濃度,并經當地一般污水處理廠設計進水濃度校核,確定城鎮綜合生活污水中的CODCr、氨氮和總磷平均濃度分別按300, 35, 5mg/L核算.

逐個控制單元計算生活污水污染物產生量和處理量,結果見表1.流域內總城鎮常住人口為1705462人,生活污水排放量為14330萬m3/a, CODCr、氨氮和總磷的產生量分別為42988.57, 5015.32, 716.48t/a.根據城鎮污水處理廠逐月計算的實際處理量,扣除工業廢水量和部分鄉鎮高于當地污染物產生量的異常量,進入污水處理廠處理的生活源CODCr、氨氮和總磷分別為16118.61,1818.26, 215.95t/a.

表1 各控制單元污染物產生量和處理量

通過處理量和產生量,核算各控制單元的污染物處理率.各區縣各控制單元差異較大.以CODCr計,最低的僅有8.25%,說明高達92%的污染物并未進入污水處理廠;最高的為93.59%,該地區污染物接近全收集全處理;其余多數控制單元的處理率為20%~ 50%,全流域總處理率為37.50%,即60%以上的污染物直排環境(圖2).不同污染物種類的處理率大體接近,全流域CODCr、氨氮和總磷的處理率分別為37.50%、36.25%、30.14%,反映了各污染物較一致的流達過程.

圖2 各控制單元污染物處理率

2.4 污水處理特征

為探索流域污染物處理率偏低的原因,分析污水收集和處理特征.流域內的104座污水處理廠絕大部分為生活污水處理廠,僅有1家處理工業廢水比例達到50%以上.處理規模高于1萬m3/d的共12座,服務區縣或較大鎮;其余污水處理廠均為鄉鎮污水廠,處理規模大多不高于5000m3/d,全流域總處理規模為46.76萬m3/d.

從處理水量分析,全流域污水處理廠總運行負荷率高為88.6%,26座高于100%,表面看污水處理設施運行良好.但從進水濃度分析,絕大部分的污水處理廠均無法達到設計濃度要求.2015年,流域各污水處理廠CODCr全年平均進出水濃度為157.82, 24.63mg/L,氨氮全年平均進出水濃度為16.92, 2.45mg/L,總磷全年平均進出水濃度為1.82, 0.31mg/L,分別低于生活污水平均濃度的47.4%、51.7%和63.6%.以氨氮為例,全流域僅有25座污水處理廠氨氮進水濃度可達20mg/L以上,其余79座均不足20mg/L,各污水處理廠氨氮進水濃度分布見圖3.

圖3 各污水處理廠氨氮進水濃度分布

除總體進水濃度偏低外,污水處理廠進水還存在季節性波動.以流域內某設計規模為4萬m3/d的城區污水處理廠為例,全年平均負荷率為123.3%,屬于超負荷運行,CODCr、氨氮和總磷的全年平均進水濃度為237.92, 20.46, 3.22mg/L.但月度變化存在一定規律,在6~9月的豐水期,負荷率明顯高于12~3月的枯水期,CODCr和氨氮進水濃度則呈現枯水期高于豐水期的規律,12~3月的CODCr、氨氮和總磷進水濃度分別比6~9月高45.7%、5.7%和17.3%,存在進水濃度與負荷率反向波動的特征(圖4).這是流域內各污水處理廠較普遍的特征,并與西安等其他地區研究成果一致[24].由于城鎮居民的用排水特征受季節影響很小,豐水期雨水較多、地下水位較高,可能存在混入稀釋情況,處理來水并非全為污水,導致污染物實際處理率較低.枯水期進水數據受雨水等影響較小,驗證了在產生量核算中,取枯水期或最高月均進水濃度更能代表當地生活污水濃度.

圖4 某污水處理廠各月運行負荷率及進水濃度

2.5 污染物處理率比較

如采用傳統的污水處理率評價,流域內各污水處理廠的總設計規模為46.76萬m3/d,累計年實際處理水量為15115.73萬m3,超過了流域生活污水排放總量(14330萬m3),即總污水處理率達到100%,似乎說明流域內污水處理設施建設較高.然而,利用污染物處理率法核算的CODCr、氨氮和總磷的處理率僅有37.50%、36.25%、30.14%,均不足40%,CODCr直排量達26869.96t/a.

上述計算結果與流域環境特征吻合.該流域有兩個子流域,上游入境或本地源頭水質均為II類,沿程逐漸下降,出境省控斷面水質分別為劣V類和IV類,屬于輕度至重度污染.為進一步構建污染物核算-水環境響應-允許排污量的完整體系,本研究另設置了17個水質水量同步監測點位,通過上下游污染物通量監測,全流域CODCr通量增加值約為22015t/a;通過河網水環境數學模型,考慮衰減系數后,污染物通量變化及衰減符合直排量核算結果.在污水處理設施方面,流域基本實現污水處理廠鄉鎮全覆蓋,污水處理率和運行負荷較高,但全流域實際建設的污水配套管網為542.27km,比設計長度低41%,平均每家污水處理廠管網長度僅為5.26km,每萬噸水設計規模管網長度12.0km,低于全國平均水平(16.1km)[2].

以控制單元B-1為例,該控制單元共有23.5萬常住人口,分布在11個鄉鎮中.目前已建13座污水處理廠,鄉鎮全覆蓋,總設計處理規模10萬m3/d,污水處理率達到100%.但13座污水處理廠中,CODCr、氨氮、總磷進水濃度分別達到200, 20, 2mg/L僅有1座、2座、2座.該控制單元的CODCr、氨氮和總磷的處理率為43.8%、48.1%和31.0%,仍有3000t/a以上的CODCr及其他污染物直排環境.實地調查發現,鄉鎮污水管網基本未配套建設,已建管網存在管道斷頭、走向不清、次支管未接駁等問題,生活污水很可能通過小河渠、雨水管道、污水直排口等途徑直排環境.

污染物處理率偏低的原因是污水處理廠進水濃度普遍偏低,而濃度偏低的原因則是污水收集系統存在問題,污水處理廠進水不完全是城鎮生活污水.污水收集系統獨立于處理設施,收集系統的水平和效率與污水廠工藝、運行狀況、處理深度無關,考核評價中不應混為一談.當前,我國污水收集系統不足的主要原因是管網建設滯后于處理廠建設,廠網脫節;南方地區雨水較多且地下水位相對較高,混接錯接普遍,雨水等清潔水容易代替污水進入重力流式管道,甚至部分廠抽取河水處理,以提高污水處理收益;此外,當合流制地區設計截流倍數()較低時,雨季時污水溢流也是污染物流失的原因[25-27].

過于注重規模提升,污水管網水平不能匹配較高的污水處理規模,是部分區域水環境質量遲遲未得到改善的關鍵原因之一.污染物處理率核算與評價,有助于污水處理主管部門發現短板區域,有針對性的完善污水管網建設.

3 結論

3.1 在傳統污水處理率基礎上,通過劃分流域控制單元、核算污染物產生量、核算污染物排放量,研究提出了基于污染物受納量的城鎮生活污水污染物處理率概念和核算方法體系.

3.2 以成都市岷江外江流域為案例進行分析,流域面積5350km2.發現該流域104座污水處理廠的CODCr、氨氮和總磷平均進水濃度分別為157.82, 16.92, 1.82mg/L,明顯低于常規生活污水濃度和設計進水濃度.進水水質存在季節性波動,豐水期處理負荷較高而進水濃度較低,說明在豐水期可能存在雨水、河水或地下水混入稀釋的情況,枯水期進水數據更能反映區域生活污水實際濃度.

3.3 根據傳統污水處理率計算,該流域污水處理率高于100%.但利用污染物處理率計算,全流域CODCr、氨氮和總磷處理率為37.50%、36.25%和30.14%,污水收集系統存在問題,與該流域的水環境質量特征和污水管網建設水平相符.因此,在污水管網未完善的地區,傳統污水處理率指標難以支撐區域水環境質量改善,采用污染物處理率指標可更有效評價和反映區域污水收集和處理程度.

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Use the indicator of receivied pollutant to evaluate domestic sewage treatment status.

ZHU Jia-liang1, CAI Mei-fang1, JIA Bin-yang2, WU Xiao-qing1, WANG Yis-hu1, RONG Nan1, WANG Zhao-li2, CHEN Zhong-ying1*, LI Kai-ming1

(1. State Environmental Protection Key Laboratory of Water Environmental Simulation and Pollution Control, Guangdong Key Laboratory of Water and Air Pollution Control, South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment of the People’s Republic of China, Guangzhou 510530, China；2. Chengdu Research Academy of Environmental Protection Science, Chengdu 610072)., 2019,39(7)：3130~3136

The ratio of treated domestic sewage was used to evaluate the sewage treatment level in China. However, due to the current situation of incomplete sewer networks and rain sewage mixed flow in drainage system, clean water from raining or river flowed into wastewater treatment plant together with wastewater, therefore, herein sewage treatment ratio was referred to the amount of how much wastewater was treated, but not the amount of treated pollutant. A new indicator was used to evaluate the domestic sewage treatment status in a southwestern city of China based on pollutant treated. The concentration of concerned pollutants in influent to wastewater treatment plants (WWTP) was generally low and also fluctuated with seasons, which indicating the dilution by rainwater, river water or groundwater during the raining season. Thus, the influent data of WWTP in dry seasons was considered more suitable for the real concentration of regional domestic sewage. The sewage in our study basin was 100% treated if the traditional indicator of sewage treatment was applied. But in fact, the treatment ratios of CODCr, NH3-N and TP in the whole basin were 37.50%, 36.25% and 30.14%, respectively, based on our new evaluation method. It meant more than half of the pollutants were discharged directly into the environment, which was consistent with the water quality characteristics and incomplete sewer network of the basin. In conclusion, pollutant treatment ratio is a better and more effective indicator to evaluate the level of regional sewage collection and treatment in area where the sewer network are not widespread.

domestic sewage；sewage treatment ratio；pollutant treatment ratio；evaluation indicator

X522

A

1000-6923(2019)07-3130-07

朱家亮(1985-),男,廣東廣州人,助理研究員,碩士,主要從事水污染控制技術研究.發表論文10余篇.

2018-11-03

國家環保專項(144028000000175027);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2017ZX07202006-002);中央級公益性科研院所基本科研業務專項(PM-zx703-201701-054)

* 責任作者, 研究員, chenzhongying@ scies.org