城鎮污水處理廠出水排放限值分級及提標成本研究

蔡木林， 盧延娜， 劉 琰， 趙麗娜， 楊占紅， 魏玉霞， 王海燕

中國環境科學研究院， 環境基準與風險評估國家重點實驗室， 北京 100012

由于快速的城市化和人口增長，嚴重的水資源短缺已成為全球關注的問題. 城鎮污水處理廠被認為是改善城市水環境的基本工具，除此之外還在生態系統資源保護和水資源循環利用中起到重要作用[1]. 因此，發展環境可持續和經濟上可行的水處理技術，補充有限的水資源，是實現水資源可持續性的一種可行的工程解決方案，這一點已經得到廣泛的認同[2-4]. 城鎮污水處理廠既是城鎮污水的治理單位，也是主要的水污染物排放單位之一，是實現水環境質量改善必須考慮的污染物減排單位. 目前，中國擁有世界上數量最多和處理能力最大的城市污水處理廠. 截至2018年6月底，全國已建成城鎮污水處理廠 5 222 座，處理能力達2.28×108m3/d[5]. 我國城鎮污水處理廠普遍執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》，其中針對常規污染物根據不同排放去向規定了一級A、一級B、二級和三級4個不同水平的排放限值. 2006年，原國家環境保護總局在太湖流域推行提標到一級A標準. 隨著水環境質量改善壓力的加大，各地陸續出臺了專門的城鎮污水處理廠排放標準或涵蓋其排放控制要求的流域水污染物排放標準. 有些地方排放標準的主要污染物排放限值提升至GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類或Ⅲ類，如北京、浙江和江蘇等地均出臺了嚴于國家標準的地方城鎮污水處理廠排放標準[6-13]，其技術經濟可行性成為標準制定與實施的重要基礎和保障. 同時，我國圍繞固定源排放管理，逐步建立起以排污許可制為核心的環境管理制度，如何支撐環境質量改善成為排污許可制設計必須面對的問題，其中城鎮污水處理廠為重點關注的水污染物排放源之一[14]. 因此，該研究系統梳理現行標準，并結合排污許可提出許可排放濃度和排放量的限值分級設計框架，針對城鎮污水處理廠主要污染物的不同排放濃度水平，開展技術經濟可行性評估，以期為城鎮污水處理廠的提標改造提供參考.

1 許可排放限值分級體系設計

許可排放限值主要包括許可排放濃度限值和許可排放量限值兩部分:許可排放濃度限值主要依據排放標準確定；許可排放量限值則一般在排污許可技術規范中給出確定方法，最終實現改善環境質量的目的. 許可排放量的確定方法可以基于排放標準計算，當執行此要求仍不能使環境質量達標時，應由環境質量目標倒推來確定許可排放量. 根據我國國情，目前許可排放量限值仍主要基于排放標準計算，同時結合總量控制目標或環評批復要求確定. 因此，污染物排放標準是許可排放限值確定的重要依據. 針對水污染物排放控制而言，排放標準主要分為國家行業排放標準、地方行業排放標準和地方流域排放標準，實施順序為地方標準優先于國家標準，流域標準優先于行業標準. 需要說明的是，污水綜合排放標準可視作一種特殊的行業排放標準，適用于無行業排放標準的其他行業. 該研究以水環境質量改善為目標，按照從寬松到嚴格的順序，提出許可排放限值的分級體系設計(見表1)，各地可結合水環境質量改善需求，選擇執行的級別即確定許可排放限值的方式，直至針對單個污染源核定基于水環境質量改善目標的許可排放量.

表1 許可排放限值分級體系設計

2 城鎮污水處理廠排放濃度限值分級

目前，全國多個省份都出臺了城鎮污水處理廠排放標準. 如北京的DB 11/890—2012《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》[6]、浙江省的DB 33/2169—2018《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》[7]、江蘇省的DB 32/1072—2018《太湖地區城鎮污水處理廠及重點工業行業主要水污染物排放限值》[8]，以及河北省的DB 13/2795—2018《大清河流域水污染物排放標準》[9]等. 其中北京地方標準的A標準和河北省《大清河流域水污染物排放標準》的核心控制區標準是現階段全國范圍內最嚴的強制性污水處理廠排放標準，其主要水污染物排放要求均嚴于GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》，主要水質指標排放限值(除TN外)均達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅲ類標準(見表2). 隨著地方標準的發布實施以及再生水資源利用的逐步推廣，大量已建城鎮污水處理廠存在提標改造的需求.

參考表2中各排放標準及限值的設置情況，按照從寬到嚴的順序，分別將本研究的排放限值設計為GB 18918—2002一級A、GB 3838—2002準Ⅴ類、GB 3838—2002準Ⅳ類和GB 3838—2002準Ⅲ類的濃度水平，并據此確定對應的主要水污染物濃度限值分級設計(見表3).

表2 城鎮污水處理廠主要污染物排放標準及限值比較[6-13]

表3 城鎮污水處理廠排放限值分級設計

3 提標改造工藝技術的選擇

廢水處理工藝通常分為3個級別，即一級處理、二級處理和三級處理. 其中，一級處理主要為格柵、沉沙等預處理；二級處理主要為生物處理，包括常規活化污泥法(CAS)、厭氧/缺氧/好氧法(A2/O)、氧化溝法、SBR法、移動床生物膜反應器(MBBR)和膜生物反應器(MBR)等[15-19]；三級處理主要為高效過濾、高級氧化、膜處理等深度處理技術，包括活性砂濾池或濾布濾池、反硝化濾池、臭氧接觸池、超濾、反滲析或電滲析等[20-25]. 對于排放要求較高的污水處理廠，其處理工藝大多采用預處理+生化處理+深度處理的組合方式. 例如，廣東某污水處理廠由A/A/O+微曝氧化溝+纖維濾池改造為曝氣生物濾池+高效沉淀池+精密過濾工藝，出水水質指標由GB 18918—2002一級A標準提升至GB 3838—2002 Ⅳ類水質標準[15]. 宋浩亮等[16]在強化二級處理的基礎上，深度處理單元選用反硝化深床濾池，通過在濾池進水渠投加碳源及聚合氯化鋁(PAC)，達到反硝化脫氮及化學除磷的效果，同時利用濾料的截留作用去除水中懸浮物，使出水達到準Ⅳ類標準. 上海某污水處理廠選用超濾膜作為深度處理工藝提升排放水質[17]. 吳軍[18]采用強化生物處理+超濾膜過濾+臭氧催化氧化工藝將出水排放標準由一級A提標至地表水Ⅳ類水. 北京和昆明的再生水廠成功采用A2/O+MBR+臭氧接觸+活性炭濾池工藝穩定達到準Ⅲ類排放標準. 典型的各級排放標準達標技術路線示例如圖1所示.

圖1 不同分級排放限值的達標技術路線示例

4 各級排放限值達標成本分析

城鎮污水處理廠排放限值達標技術的成本組成主要包括投資成本、運行成本和新增占地成本等. 投資成本包括構筑物建設和設備(如膜組件)購置所需要的費用. 通過對各地污水處理廠提標改造的實際案例進行研究，并向污水處理廠設計和運行領域業內資深專家進行咨詢，得到各類新建處理單元的成本分析結果. 從投資成本來看：MBR的膜組件為700～1 000元/t、反硝化濾池為500元/t、高效沉淀池為200元/t、臭氧接觸池為100元/t、活性砂濾池為300元/t、活性炭濾池為300元/t. 運行成本是污水處理設施在整個運行過程中所需各項成本的總和，具體包括：①電費，通常情況下電費占總運行費用的60%，其中曝氣成本占電力成本的40%～75%[26]；②藥劑費，即在對污水進行處理時添加相關藥劑(包括絮凝劑、碳源、化學除磷劑等)產生的費用；③修理費，主要是設備專修時使用的資金；④設備維護費，即對相關設備進行維護時所需要的費用；⑤人員工資福利費；⑥其他費用，主要包括污泥外運、處理造成的費用等. 此外，由于提標改造需要新建處理設施和安裝新設備，還可能新增占地成本. 運行成本主要核算了電費和藥劑費，未包括全國不同地區和污水處理廠差異較大的人工費、修理費、維護費等其他費用，因此運行成本較實際情況略低，但可為主要運行成本核算提供參考.

目前，城鎮污水處理技術研究和應用歷史較長，大多較為成熟，完全可以滿足收嚴到各級排放限值的需要，如臭氧活性炭法、超濾+反滲透或電滲析等很多工藝和方法都能使污水處理廠的排放達到Ⅳ類甚至Ⅲ類的要求[27-29]. 但相應的是，排放限值的收嚴必然會增加各項成本. 提標改造的關鍵點在于提升脫氮除磷的水平[30-31]，該研究以執行GB 18918—2002一級A的一座10×104t/d規模的城鎮污水處理廠為例，分別計算達到這4個排放限值分級所需的各項成本[32-36]，估算結果如表4所示. 由表4可以看出，一座10×104t/d規模的城鎮污水處理廠在GB 18918—2002一級A的基礎上進一步加嚴到各級別的排放限值，需要增加的投資成本和運行成本均有大幅增加. 排放限值從四級提升到最嚴格的一級，需要增加投資成本1.1×108～1.4×108元，增加運行成本1.6～1.8元/t，增加土地占用面積 2 000 m2.

5 研究成果應用

以我國某中等城市為例，該城市共建有34座城鎮污水處理廠，總設計處理規模為222.1×104t/d，實際處理水量為171.8×104t/d. 處理工藝以A2/O、MBR和氧化溝+高效沉淀池或微絮凝過濾為主，目前全部執行GB 18918—2002一級A標準，此類情況在全國具有一定代表性. 由于該市水環境容量小，水質改善目標考核壓力較大，因此該市計劃制定城鎮污水處理廠整體提標方案，并制定配套的地方標準. 各污水處理廠需要在原有處理工藝的基礎上增加深度處理技術. 采用表4所示的各項成本評估方法，估算該城市城鎮污水處理廠的整體技術改造所需的成本，結果如表5所示. 從表5可以看出，如需在GB 18918—2002一級A的基礎上進一步提標到各級別的排放限值，需要增加的各項成本均有不同程度地增加. 達到最嚴格的一級限值最高需要增加投資成本24.4×108～31.1×108元，增加運行成本13.0×108～14.6×108元/a，增加占地面積約6.8×104m2. 該市相關管理部門通過參考成本分析的結果并綜合評估后，對地方污水處理廠排放標準限值的設置方案進行了相應調整.

表4 城鎮污水處理廠排放限值分級與成本分析

表5 某中等城市所有城鎮污水處理廠技術改造成本估算

6 結論與建議

a) 對于一座處理能力為10×104t/d的城鎮污水處理廠，將其排放濃度限值由GB 18918—2002一級A(四級)分別提標到GB 3838—2002中準Ⅴ類水質標準(三級)、準Ⅳ類水質標準(二級)和準Ⅲ類水質標準(一級)的濃度水平，成本與占地面積逐步增加. 當排放限值從四級提高到一級時，成本與占地面積均大幅增加，其中投資成本增加1.1×108～1.4×108元，運行成本增加1.6～1.8元/t，土地占用面積增加約2 000 m2. 以我國某中等城市為例，達到最嚴格的一級限值需要增加投資成本為24.4×108～31.1×108元，增加運行成本13.0×108～14.6×108元/a，增加占地面積約6.8×104m2.

b) 通過排放限值分級設計，評估單個污水處理廠或城市區域內城鎮污水處理廠提標改造，達到各級排放限值的技術經濟可行性，是優化城鎮污水處理廠提標改造方案或規劃決策的重要依據. 地方在制定城鎮污水處理廠提標改造方案或制定標準時，應統籌考慮水環境質量改善需求和提標改造的技術經濟可行性，根據各地自身條件和經濟能力確定合理目標，因地制宜制定實施適合本地區的地方標準.