中國城鎮污水處理工藝的主要污染物去除效率分析

陳敏敏 劉 杰 張 震 趙銀慧 王軍霞#

(1.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012；2.中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

一般地，城鎮居民生活污水、各種機構及公共設施排水和部分工業廢水、初期雨水都經城鎮污水收集系統進入城鎮污水處理廠進行集中凈化處理[1-2]。城鎮污水處理廠是城市水污染防治的重要一環，也是改善水環境質量的重要設施。我國城鎮污水處理行業整體發展迅速，隨著《城鎮污水處理提質增效三年行動方案(2019—2021年)》等政策文件的實施，城鎮污水收集和處理設施短板將加快補齊，實現城鎮污水的全收集、全處理[3-5]。

目前，針對我國城鎮污水處理廠污染物去除效率的研究較多，但主要集中于使用較多的工藝類型[6-7]，基于城鎮污水處理廠采用的所有污水處理工藝的綜合研究較少。為此，本研究統整了第二次全國污染源普查結果以及現場調研的污染源自行監測和執法監測數據，資料內容基本覆蓋2017年全部城鎮污水處理廠，可以較真實地反映出我國現階段城鎮污水處理廠的實際情況。通過分析我國城鎮污水處理廠的主要污水處理工藝使用情況，結合不同污水處理工藝的進出水濃度、處理規模等影響因素，探討了不同污水處理工藝下COD、氨氮兩項主要污染物的去除效率差異，以期為推進我國城鎮污水處理廠建設改造，全面提升城鎮污水處理能力提供參考及數據支持[8]。

1 我國城鎮污水處理廠污水處理工藝使用情況

根據第二次全國污染源普查結果，2017年我國城鎮污水處理廠有8 969家，設計污水處理能力為2.1億m3/d，污水實際處理量為595.8億m3，城鎮污水處理廠的數量占全國集中式污水處理單位總量的11.5%，設計處理能力、實際處理水量分別占全國污水處理總量的86.5%、91.4%[9]；由此來看，城鎮污水處理廠是我國集中處理污水的主體，作為工業污染源和生活污染源排放污水的主要處理單位，其運行情況將關系到環境水體的質量情況。

我國城鎮污水處理廠基本涵蓋現行主要的廢水處理方法，使用的污水處理工藝有36種，其中包括物理處理工藝7種，化學處理工藝5種，物理化學處理工藝3種，好氧生物處理工藝11種，厭氧生物處理工藝4種，穩定塘、人工濕地及土地處理工藝6種。

目前城鎮污水處理廠的污水處理級別分為一級處理、二級處理和深度處理。一級處理主要去除懸浮物，二級處理主要去除有機污染物，深度處理是對污水二級處理的出水進一步凈化處理的工藝。其中，物理處理、化學處理、物理化學處理工藝是以沉淀為主體的處理工藝，是城鎮污水處理廠去除懸浮物的污水處理工藝流程，一般作為好氧生物處理工藝、厭氧生物處理工藝和穩定塘、人工濕地及土地處理工藝的前后端輔助處理手段[10]。因此，本研究針對采用好氧生物處理工藝、厭氧生物處理工藝和穩定塘、人工濕地及土地處理3個工藝大類的20種工藝小類開展分析，不同工藝的COD、氨氮去除效果見表1。

表1 城鎮污水處理廠不同污水處理工藝下的COD、氨氮去除情況Table 1 COD and ammonia nitrogen removal efficiency of different wastewater treatment processes in municipal wastewater treatment plants

我國地域遼闊，各地根據不同的環境特征、土地資源、投資效益、污水處理工藝技術發展、進水特征和排放標準的要求等選擇不同的城鎮污水處理工藝。對城鎮污水處理廠使用的處理工藝按應用數量進行排序，我國城鎮污水處理廠使用最多的工藝大類為好氧生物處理，其中應用最多的工藝中類為活性污泥法。我國目前有7 322家城鎮污水處理廠使用活性污泥法，占我國城鎮污水處理廠總數的81.6%，工藝小類中A2/O工藝、普通活性污泥法、氧化溝類和A/O工藝應用最廣泛，4種應用占比合計68.0%。應用量居前10位的污水處理工藝小類統計結果見表2，除人工濕地外，其他9項工藝小類均歸屬于好氧生物處理工藝。隨著我國城鎮污水處理廠提標改造工作的持續推進，具有較高脫氮除磷效率的A2/O工藝、氧化溝類、SBR類、MBR類應用日益廣泛[11-12]，這4種工藝的設計處理能力已占我國城鎮污水處理設計總能力的76.9%。

表2 城鎮污水處理廠污水處理工藝小類前10位占比Table 2 The proportion of top 10 wastewater treatment subdivision processes in municipal wastewater treatment plants

2 不同污水處理工藝的主要污染物去除效率

污染物的去除效率是評價城鎮污水處理廠運行效果、效率和穩定性的重要指標，能夠反映出城鎮污水處理廠的環境效益。

2.1 COD去除效率分析

我國城鎮污水處理廠COD進水質量濃度在30.0～977.5 mg/L，平均值為202.7 mg/L，中位值為182.5 mg/L，80%分位數為265.0 mg/L，COD的進水濃度與其他典型污水處理廠基本持平[13-14]，平均出水質量濃度為26.3 mg/L，COD平均去除率為84.5%。

采用好氧生物處理工藝的城鎮污水處理廠進水COD平均質量濃度為202.8 mg/L；出水COD平均質量濃度為25.8 mg/L，COD平均去除率為84.6%，略高于全國城鎮污水處理廠總體平均值。包含8個工藝小類的活性污泥法進水COD平均質量濃度為205.5 mg/L，比好氧生物處理工藝平均值高1.3%，出水COD平均質量濃度為25.3 mg/L，COD平均去除率為85.0%，比好氧生物處理工藝平均值高0.4百分點。包含3個小類工藝的生物膜法進水COD平均質量濃度為180.9 mg/L，比好氧生物處理工藝平均值低10.8%，出水COD平均質量濃度為28.7 mg/L，COD平均去除率為81.2%，比好氧生物處理工藝平均值低3.4百分點。

厭氧生物處理工藝不在我國城鎮污水生物處理工藝的推薦工藝中，但也約有5.4%的城鎮污水處理廠采用厭氧水解、厭氧生物濾池等厭氧生物處理工藝。采用厭氧生物處理工藝的城鎮污水處理廠進水COD平均質量濃度為193.9 mg/L，出水COD平均質量濃度為28.4mg/L，COD平均去除率為82.9%，比全國城鎮污水處理廠平均值低1.6百分點。

穩定塘、人工濕地及土地處理是利用土壤和植物的凈化能力去除污水中的污染物的自然凈化工藝，需要占用土地資源，約有9.6%的城鎮污水處理廠采用該類污水處理工藝。采用穩定塘、人工濕地及土地處理工藝的城鎮污水處理廠進水COD平均質量濃度為195.6 mg/L，出水COD平均質量濃度為29.6 mg/L，COD平均去除率為82.7%，比全國城鎮污水處理廠平均值低1.8百分點。3個中類工藝比較，人工濕地、土地滲濾對COD的去除率相近，分別為83.5%、83.1%，高于穩定塘79.0%的去除率。

通過上述分析可知，我國城鎮污水處理廠不同污水處理工藝的進水COD濃度較為平均，差異不顯著；進水COD濃度普遍較低，全國僅有約20.6%的城鎮污水處理廠進水COD能達到260 mg/L的要求。從COD去除效果上看，3個污水處理工藝大類對COD的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩定塘、人工濕地及土地處理工藝；活性污泥法對COD去除效果較好，所屬的8個工藝小類對COD的去除效果差距不大，去除率最大值與最小值僅相差2.3百分點，生物膜法的3個工藝小類對COD的去除效果差距較大，去除率最大值與最小值相差高達5.2百分點，COD平均去除率低于全國平均值，另外兩個工藝大類對COD的去除率也低于全國平均值。經統計，不同的污水處理工藝的去除率與進水COD濃度有正向相關的趨勢，當進水COD濃度較高時，COD的去除效率較高；因此未來新建污水處理廠建議選用活性污泥法污水處理工藝、提高進水COD濃度以保證有機負荷維持較高的水平，從而提升COD的去除效率。

2.2 氨氮去除效率分析

我國城鎮污水處理廠氨氮的進水質量濃度在1.6～192.9 mg/L，平均值為23.8 mg/L，中位值為22.6 mg/L，80%分位數為30.6 mg/L，進水氨氮濃度比其他典型污水處理廠略高；出水氨氮平均值為2.5 mg/L，氨氮平均去除率為88.5%。

采用好氧生物處理工藝的城鎮污水處理廠進水氨氮平均質量濃度為23.7 mg/L，出水氨氮平均質量濃度為2.3 mg/L，氨氮平均去除率為88.8%，比全國城鎮污水處理廠平均值高0.3百分點。包含8個工藝小類的活性污泥法進水氨氮平均質量濃度為23.7 mg/L，與好氧生物處理工藝平均值相同，出水氨氮平均質量濃度為2.2 mg/L，氨氮平均去除率為89.4%，比好氧生物處理工藝平均值高0.6百分點。包含3個工藝小類的生物膜法進水氨氮平均質量濃度為23.3 mg/L，比好氧生物處理工藝平均值低1.7%；出水氨氮平均質量濃度為3.1 mg/L；氨氮平均去除率為84.8%，比好氧生物處理工藝的平均值低4.0百分點。

采用厭氧生物處理工藝的城鎮污水處理廠進水氨氮平均質量濃度為24.5 mg/L，出水氨氮平均質量濃度為3.0 mg/L，氨氮平均去除率為87.1%，比全國城鎮污水處理廠平均值低1.4百分點。

采用穩定塘、人工濕地及土地處理工藝的城鎮污水處理廠進水氨氮平均質量濃度為24.0 mg/L，出水氨氮平均質量濃度為4.1 mg/L，氨氮平均去除率為83.4%，比全國城鎮污水處理廠平均值低5.1百分點。3種中類工藝比較，人工濕地、土地滲濾對氨氮的去除率相近，分別為85.4%、85.6%，高于穩定塘的平均氨氮去除率(78.9%)。

通過上述分析可知，不同污水處理工藝中進水氨氮濃度最大的工藝小類為AB法，最小的為土地滲濾法，各工藝進水氨氮濃度波動不大。AB法、好氧氧化塘的出水氨氮能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2012)一級B標準，其他18個工藝小類的出水氨氮可達到GB 18918—2012一級A標準。從氨氮去除效果上看，3個污水處理工藝大類對氨氮的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩定塘、人工濕地及土地處理工藝；活性污泥法對氨氮去除效果較好，所包含的8個工藝小類中，5個工藝小類的氨氮去除率超過全國城鎮污水處理廠平均值；而生物膜法、厭氧生物處理法以及穩定塘、人工濕地及土地處理工藝對氨氮的去除率均低于全國平均水平；與COD不同的是，氨氮去除率與進水氨氮濃度有負向相關的趨勢，當進水濃度低時去除率較高，當進水濃度高時去除率較低；這是因為氨氮的去除主要通過硝化細菌的硝化作用實現，當氨氮濃度低時，硝化反應能相對徹底地去除氨氮，使氨氮的去除效率提高。

3 結論和建議

(1) 城鎮污水處理廠在我國集中式污水處理設施中的數量占比僅11.5%，但設計處理能力、實際污水處理量占比分別達86.5%、91.4%，是我國當前集中式污染治理設施處理污水的主體。我國城鎮污水處理廠使用的污水處理工藝相對集中，好氧生物處理工藝大類中的活性污泥法使用最多，占城鎮污水處理廠總數的81.6%，其中的A2/O工藝、普通活性污泥法、氧化溝類和A/O工藝4種工藝應用占比合計68.0%。

(2) 在城鎮污水處理廠3種大類工藝中，對COD的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩定塘、人工濕地及土地處理工藝；對氨氮的去除率由高到低分別為好氧生物處理工藝，厭氧生物處理工藝，穩定塘、人工濕地及土地處理工藝。活性污泥法的各個小類工藝相較于其他工藝類型，對COD和氨氮均有較好的去除效果。

(3) 隨著我國生態環境質量改善需求的增加和城鎮污水處理廠的污染物排放標準限值的加嚴，城鎮污水處理廠建設改造時建議選擇活性污泥法等污染物去除效率高、運行管理技術更成熟的處理工藝，同時盡可能提高進廠污水中易降解碳源的含量，以達到更低的排放濃度和更高的達標率，滿足水環境治理改善的需要。