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量化分析 如果所有污水厂都提标改造到准Ⅳ类

北极星水处理网  来源:给水排水  作者:陈玮等  2018/7/12 9:25:55  我要投稿  

北极星水处理网讯:近年来,各地大力推进城镇污水处理厂提标改造工作,一些地方要求将主要指标提升到地表水Ⅳ类标准。根据全国城镇污水处理厂的运行数据(数据来源:行业主管部门全国城镇污水处理管理信息系统数据),基于产污系数法,测算城镇污水处理厂提标到准Ⅳ类水和改善污水收集管网两种情形下的污染物削减效能提升潜力以及相应的投入,并提出城镇污水处理提质增效的侧重点。

研究对象和方法

1.1污水处理厂排放标准现状

根据全国城镇污水处理管理信息系统数据,剔除没有标明实际执行排放标准的、以及规模小于1万m3/d的污水处理厂进行了梳理(以下简称规模以上),并结合有公开报道的情况,对污水处理厂实际执行的排放标准进行了更新。经分析,截至2017年底,城镇污水处理厂不同排放标准的规模分布情况如表1所示。

1.2城镇污水处理厂提标潜能分析

根据表2,针对COD、氨氮两个主要污染物指标,分析污水处理提标改造到准Ⅳ类后的新增污染物削减效能,按照式(1)计算:

新增削减能力理论值=(现行排放标准-改造后排放标准)×城镇污水处理规模(1)

从表2可知,在不考虑征地、拆迁、土地、技术等工程可行性前提下,若将现有城镇污水处理厂全部提升改造到准Ⅳ类,按准Ⅳ类和GB18918—2002标准限值之差推断出新增COD削减能力为138.4万t/年、氨氮削减能力为77.8万t/年,看起来也是相当可观的,然而,在实际中由于运行管理水平的不断提高、环境保护监管的日益严格,实际运行中的污水处理厂出水污染物浓度普遍低于排放标准要求,大部分污水处理厂出水的年均COD和氨氮指标已经达到甚至优于准Ⅳ类标准(见表3),因此,不能简单用不同排放标准的差值,当作可新增的污染物削减能力。

为此,对现有污水处理厂排放情况作进一步分析,目前执行准Ⅳ类的污水处理厂尾水的加权平均COD和氨氮浓度分别仅有18.7mg/L和0.7mg/L,假设所有污水处理厂改造后都能达到这个水平,则按式(2)计算实际可增加的削减能力:

新增削减能力=(出水实际加权平均值-改造后可望达到的标准)×城镇污水处理规模(2)

单就COD、氨氮两项指标而言,继续进行提标改造到地表Ⅳ类,可分别新增COD和氨氮削减能力为33.0万t/年、6.4万t/年,相对于改造所付出的工程代价,污染物削减效能提升的幅度将十分有限,从技术经济角度已经不具备合理的投入产出效益。

1.3城镇污水管网提质潜能分析

当前,我国城镇污水的另一个特点是进水污染物浓度南北方地区差异很大。笔者曾另文对此进行过分析(相关阅读:合流制管网截流倍数对城镇污水处理厂处理效能影响),由于南方地下水位高、河网丰富,客水进入污水管网稀释了污染物浓度,导致我国南方地区城镇污水处理厂进水的污染物浓度普遍偏低,侧面说明管网收集效率还有很大提升空间。

关于管网收集效能的研究方法有很多,若将整个城市看成一个封闭体系,污染物要么在管网、要么在污水处理厂、要么在城市环境当中。从总量平衡的角度,只要关心管网收集的污染物能达到多少即可,因此采用产污系数法分析较为适宜,这需要了解每个地区相对合理的进水污染物浓度应该是多少,而此方面我国开展的研究十分有限。2010年,国务院第一次全国污染源普查中曾给出过相对完整、准确的人均产污系数等基础数据,以下基于此数据开展分析。

第一次全国污染源普查中,根据气候和地理特征将全国划分为5个地区,其中一区包括北京、天津、辽宁、山西、山东、黑龙江、吉林、内蒙古、河北;二区包括江苏、上海、浙江、福建、广东、广西、海南;三区包括湖南、湖北、江西、河南、安徽;四区包括重庆、四川、贵州、云南;五区包括陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆、西藏。同时,根据经济水平、人口等又将每个区中的城市划分为了5类,对每一类城市的人均污水日排放量、COD日产生量、氨氮日产生量等给出了具体数值,可以计算出该城市产生的生活污水COD和氨氮浓度,并考虑在污水管网输送过程中COD降解20%、氨氮基本保持不变,以此为基础,将每座污水处理厂按照其所在地“对号入座”,得到各厂理论上合理的进水污染物浓度,然后再按污水处理规模加权平均后,作为该省份的理论进水浓度,进而求出改善污水收集效能(管网质量提升)可能带来的污染物削减效能潜力,计算见式(3):

每省理论新增污染物削减能力=(进水污染物浓度理论值-进水污染物实际值)×该省城镇污水处理规模(3)

完善污水管网可带来的污染物削减效能如表4所示。通过完善污水管网,理论上可将COD和氨氮的年削减能力分别增加722.8万t和213.4万t,分别是城镇污水处理厂提标到准Ⅳ类可新增削减能力的21.9倍和33.3倍,由此可见,改造管网比单纯将污水处理厂提标到准Ⅳ类更高效。

城镇污水处理提质增效投入产出分析

2.1可行性分析

城镇污水处理水平应随着城镇化发展和环境质量要求不断提升,这是毋庸置疑的,但提质增效的技术路线重点应放在污水处理厂提标还是污水管网完善上则应因地制宜,“厂网并重、厂网同改”当然是技术上最理想的考虑,然而从经济可行性,特别是对于工程实施后所能达到的收益而言,就必须要有所侧重。总体上,污水处理厂提标和管网改造的主要优缺点如表5所示。

在水环境质量改善方面,简单利用污水处理厂提标对水环境质量进行改善可能是杯水车薪,一方面,影响水环境质量(特别是城市黑臭水体)的成因非常复杂,在工业点源的直接排污、小散乱企业的偷排、农业面源的污染、城市面源的污染、应收未收的直排污水、合流制管网的溢流污染没有得到杜绝之前,将所有的工程重点都放在污水处理厂可能是舍本逐末;另一方面,一些南方水网地区,河道本身的水质都达不到地表水Ⅳ类标准,甚至是黑臭河,将污水处理厂的排放标准提到准Ⅳ类后再排到其中,是一种投资浪费。

因此,如果能认识到“表象在水中、根源在岸上”,通过完善污水管网系统,将直排、偷排、溢流的污水都查清、堵住,水环境将能得到立竿见影的改善,我国2015年开始的城市黑臭水体整治工作中已经多次验证了这一技术路线的正确性。

在技术难度上,对城镇污水处理厂提标改造到准Ⅳ类,需要增加大量的工艺流程,国内很多地方采用了基于膜工艺的深度处理技术,这对材料技术发展产生了依赖性。而管网改造在技术上不存在太大难题,除了局部使用的非开挖修复等新工艺、新技术外,大部分管网改造采用传统工程做法、只要提高设计施工质量即可。

在配套要求上,污水处理厂提标改造主要受限于是否有足够的预留用地空间;污水管网改造则涉及到大量的沿线征地拆迁等工作,且施工时道路开挖量大,对城市运转、居民生活影响较大,这也是许多城市虽然认识到管网改造的重要性、但却不愿意实施的重要原因。

在投入上,污水处理厂改造周期较短,一般1年左右即可完成,短期的投资强度高;管网改造需要分批、分段进行,且多随道路等其他工程逐步完善,周期长,投资强度不高。

在运行维护上,提标改造后的污水处理厂,由于膜工艺的大量采用,更新、维护成本很高;同时,对运行管理人员的要求更高,人才队伍建设、管理经验的积累都需要时间;管网改造后,只要维护费用投入跟上就可以保证较好的养护水平。

综合来看,管网的投入虽然是个“久久为功”的过程,但综合效费比是最优的(如图1所示)。

2.2投资效益分析

基于前述研究结果,对改造污水处理厂和改造建设污水管网的资金投入情况进行简单估算,估算投入不包括征地、拆迁等相关费用。

对于城镇污水处理厂从一级A提标到准Ⅳ类,按照平均单位水量投入500元估算;从一级B提升到准Ⅳ类,按照单位水量投入1000元估算;从二级及其他排放标准提升到准Ⅳ类,按照单位水量投入1500元估算。

对于改造管网的费用从几个方面考虑:一是对现有的合流制管网采取雨污分流、合流制溢流污染调蓄与处理控制措施,按照《2016年中国城市建设统计年鉴》,对现有城市、县的159735km合流制管网进行改造,按照《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》确定的合流制管网改造单位投资175万元/km进行估计;二是对建成时间超过30年的老旧管网进行改造,包括原位修复、局部更换等,这部分任务量和投资在《“十三五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》已有体现,总长度27708km、单位投资约180万元;三是现有雨污分流管网的查缺补漏、质量提升,针对正在服役的管网进行查缺补漏,封堵漏点、改造错接等,由于缺少管网质量情况的统计数据,暂按《2016年中国城市建设统计年鉴》城市、县的312112km雨污分流管网的30%需要改造考虑,主要以原位修复为主,按100万元/km估算。

理想情况下的城镇污水处理提质增效投入分析结果如表6所示。

根据估算结果,不考虑工程可行性和实施期限的前提下,污水处理厂全面提标到准Ⅳ类,投资需1557.5亿元,折合污染物削减能力费效比(提升单位污染物削减能力的投资额)为,COD33.0亿元/(万t/年),氨氮242.2亿元/(万t/年)。改造污水管网、提升收集效能的总投资是4230亿元,折合成COD削减能力费效比是5.85亿元/(万t/年),氨氮19.8亿元/(万t/年)。

技术路线选择的思考

尽管许多地方也都认识到水环境改善必须要抓好“控源截污”这个关键环节,“控源截污”的核心在于做好污水收集,但污水处理厂提标改造到地表Ⅳ类仍然愈演愈烈,甚至连财力较为薄弱的部分西北地区都要以准Ⅳ类作为污水处理的排放标准。之所以产生这样的现象,笔者认为有以下几个原因:

一是没有抓住问题的关键环节。水环境治理是系统工程,系统工程不能用单一的工程思维和末端治理思维去考虑问题。污水处理的最终目的是水环境质量的改善,如果不能把污水产生、收集、处理、回用从全系统、全环节考虑,并和最终水环境质量挂钩,就可能过分强调某一个环节从而走向极端,高投入最后很可能会导致“就水论水、事倍功半”。

二是想当然地看待城镇污水收集、处理工程体系。理论上,传统的城镇污水收集、处理模式如图2所示。然而在现实中,特别是地下水位高、河网丰富且管网系统质量不高的地区,污水收集处理体系是“四水合一、首尾联通”的,原本“一夫当关万夫莫开”的污水处理厂往往被“短路”(如图3所示),发挥的作用大打折扣。加之管网属于地下工程,渗漏、混接、倒灌等问题难以及时发现。如果把资金投入和技术重点都关注在污水处理厂,无疑是“只见树木、不见森林”。根据估算结果,不考虑工程可行性和实施期限的前提下,污水处理厂全面提标到准Ⅳ类,投资需1557.5亿元,折合污染物削减能力费效比(提升单位污染物削减能力的投资额)为,COD33.0亿元/(万t/年),氨氮242.2亿元/(万t/年)。改造污水管网、提升收集效能的总投资是4230亿元,折合成COD削减能力费效比是5.85亿元/(万t/年),氨氮19.8亿元/(万t/年)。

技术路线选择的思考

尽管许多地方也都认识到水环境改善必须要抓好“控源截污”这个关键环节,“控源截污”的核心在于做好污水收集,但污水处理厂提标改造到地表Ⅳ类仍然愈演愈烈,甚至连财力较为薄弱的部分西北地区都要以准Ⅳ类作为污水处理的排放标准。之所以产生这样的现象,笔者认为有以下几个原因:

一是没有抓住问题的关键环节。水环境治理是系统工程,系统工程不能用单一的工程思维和末端治理思维去考虑问题。污水处理的最终目的是水环境质量的改善,如果不能把污水产生、收集、处理、回用从全系统、全环节考虑,并和最终水环境质量挂钩,就可能过分强调某一个环节从而走向极端,高投入最后很可能会导致“就水论水、事倍功半”。

二是想当然地看待城镇污水收集、处理工程体系。理论上,传统的城镇污水收集、处理模式如图2所示。然而在现实中,特别是地下水位高、河网丰富且管网系统质量不高的地区,污水收集处理体系是“四水合一、首尾联通”的,原本“一夫当关万夫莫开”的污水处理厂往往被“短路”(如图3所示),发挥的作用大打折扣。加之管网属于地下工程,渗漏、混接、倒灌等问题难以及时发现。如果把资金投入和技术重点都关注在污水处理厂,无疑是“只见树木、不见森林”。

.三是标准的导向值得商榷。我国的污水处理标准随着经济社会发展不断提升是必要的,过去的排放强度导向也发挥了重要作用,但随着经济社会发展、污水处理水平已经到了新的阶段,标准提升的思路不应再重复排放强度导向、全国“一刀切”,更应注重“分类分区指导、环境质量倒逼”的思路,例如可借鉴美国采用的最大日负荷量TMDLs(TotalMaximumDailyLoads),按照水环境可接纳的最大日污染负荷总量,反推各类工程措施的治理要求、确定排放标准。

对策和建议

4.1建立水环境治理的系统思维

当前水环境治理的复杂性、艰巨性,都决定了工程技术人员要尽快从传统的“末端治理”转向“源头减排、过程控制、系统治理”。在源头减排上,应运用海绵城市理念,从建筑小区、道路等雨水产汇流入手,一方面,尽可能将雨水原地消纳、滞蓄、利用,减少雨水进入合流制管网的水量,就能降低合流制管网溢流频次,减少污染;另一方面,将雨水带来的大气湿沉降、冲刷路面等城市面源污染,尽可能在源头消纳,减少进入水体。

在过程控制上,应把管网质量的改善作为重中之重,持之以恒地推进,既要防止污水“跑冒滴漏”进入环境,也要防止外水倒灌“鸠占鹊巢”。在系统治理上,应紧紧把握水环境改善这个“初心”,多专业协同、全环节考虑,从城市规划时就要保护好城市生态本底,先“梳山理水”,再“造地营城”;城市建设中要统筹考虑建筑、道路、园林绿地、污水收集处理、河流水体等,系统建设,避免“头疼医头、脚疼医脚”;在管理上要提升精细化水平,推动水环境治理从“工程导向、简单粗暴”向“效果导向、精雕细琢”转变,从高速度发展向高质量发展转变。

4.2管网改造应作为污水处理提质增效的核心内容

管网的改造是长期性的,难以一蹴而就,但要充分认识到管网对于污水收集的重要意义,并作为水环境治理的核心工作常抓不懈。对于南方河网地区,管网改造的重点是防地下水渗漏、防河水倒灌,特别是要谨慎采用沿河敷设大规模截流干管的方式;对于北方缺水地区,管网改造的重点是堵漏,防止污水外漏污染土壤和地下水。

此外,一些城市热衷于造坝拦水、抬高城市内河水位以营造景观,在制定排水与污水处理技术方案时,要认真分析人为抬高河道水位可能造成的污水管网倒灌等问题。

4.3污水处理厂提标应因地制宜

城镇污水处理厂的标准不能盲目提高,要认真分析水环境治理的目标和需求,逐步建立以水环境容量倒推污水处理排放标准的思路。对于具有土地空间、具备建设人工湿地等自然生态处理方式的地区,应鼓励将污水处理厂尾水经自然生态处理后达到准Ⅳ类,并作为生态景观用水加以利用;对于经济发达、干旱缺水、环境容量低、技术力量强的地区,可将污水处理厂排放标准直接提升到准Ⅳ类,并用于河道景观、生态补水、市政杂用、工业用水等;对于经济实力强、水资源丰富、水质型缺水地区,可在综合分析污水处理厂提标、管网系统改造的技术经济性基础上,多管齐下,“厂、网、河”全方位提升;对于经济实力薄弱地区,应把近期工作放在污水管网“控源截污、查缺补漏”上,全面摸清污水管网状况,而不应盲目地把污水处理厂提标到准Ⅳ类放在优先位置。

微信对原文有删减。原文标题:基于产污系数法测算城镇污水处理系统的主要污染物削减效能提升潜力;原文作者:陈玮、徐慧纬、高伟、赵晔、程彩霞、张晓亮、梁雨雯;作者单位:住房和城乡建设部城乡规划管理中心、中科院地理科学与资源研究所、住房和城乡建设部信息中心、中国市政工程华北设计研究总院北京分院。刊登在《给水排水》2018年第7期。

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