探究：市政污水处理瓶颈、起因及解决方案
考虑到下水道修复所涉及的繁重任务，所需的巨大投资和长周期，采取具有成本效益的快速行动以改善中国市政污水处理效率和可持续性，与下水道修复应该同时进行。这项研究有三个目标：(1) 比较中国和其他具有更长废水处理传统的国家的市政污水处理在能量回收，营养物去除和污泥产生量的差异；(2)揭示市政污水处理厂的进水水质特征与工艺性能和效率之间的因果关系；(3)建议适合于中国污水水质特性的具有成本效益的措施和解决方案，以提高市政污水处理厂的可续性。方法
中国、欧洲、美国和新加坡的污水处理厂能源回收基于使用厌氧消化（AD）和热电联产（CHP），而中国相当部分厂省略初级污泥沉降（PS），很少厂使用污泥厌氧消化(AD)，污泥的产生主要基于观察微生物(剩余污泥)生长量(系数)和进水无机悬浮固体(ISS)积累。
结果和讨论
市政废水处理 – 可持续性
表1 显示，不到5％的中国城市污水处理厂使用污泥厌氧消化，与欧洲、美国和新加坡相比，比例非常低，说明通过污泥厌氧消化和热电联产（下称AD-CHP）途径进行的能量回收非常有限，尽管具有较长污水处理传统的国家很久之前已经广泛应用AD-CHP技术。舍弃使用污泥厌氧消化不仅导致污泥稳定化问题，招致二次污染卫生问题，还大大增加了污泥量（由于没有污泥厌氧消化过程中VSS破坏, 加上调理板框脱水添加石灰）增加了污泥处理、 处置和再利用的费用和困难。
表1 | 在中国和其他国家/地区采用污泥厌氧消化的市政污水处理厂占比（％）
为了达到严格的营养物排放标准[如中国市政污水处理厂一级A排放标准，TN（总氮）<15mg-N/L，TP(总磷）< 0.5 mg-P/L，和在一些省份敏感地区实施的TN <10 mg-N/L，TP <0.3 mg-P/L], 尽管舍弃初级污泥沉降, 中国许多污水处理厂采用了外加碳源除氮(和磷)。从根本上讲，这是由于进水的低C/N比，因为对于典型的污水，常规的生物脱氮工艺可以在不添加或添加少量碳的情况下实现出水TN <10-15 mg-N/L。现今在一些厂中，化学药品花费仅次于电力, 排名第二。如果实行更严格的营养物排放标准（例如TN <5 mg-N/L和TP < 0.1 mg-P/L）, 将给工厂运营和地方当局带来进一步的经济负担，此外，考虑初级能源的使用和相应的温室气体排放，过量化学物质添加对环境也是不可持续的。
污水厂活性污泥由微生物(VSS)、惰性有机物颗粒、矿物粒子（ISS）组成，其生长量和组成取决于污水的水质特性、处理工艺和场地环境。表2列出了中国市政污水处理在2015年、2016和2017年基于COD去除量计算的年平均污泥产量（干固体）。三年平均量为0.69 kg/去除kg COD。鉴于采用初级污泥沉降的污水厂只有10–20％，少于5％污水厂采用污泥厌氧消化，每去除kg化学需氧量产生的污泥量可以视为活性污泥过程定义的表观产率（系数）Yobs。运用中国2017年市政污水平均成分，采用的生物脱氮除磷工艺辅助化学除磷（摩尔铁/磷去除比率为1.5, 80％的磷去除）活性污泥法，污水易于生物降解的COD (RBCOD）分数为8％，BOD/P为18％，污泥停留时间（SRT）为15天，根据Paul 等（2001）基于污泥产量系数和化学除磷计量关系结合现场数据得出的图表算的污泥产率为0.48 kg/去除kg COD。这数量比常规异养活性污泥(VSS/TSS为80％）的污泥产率0.37kg/去除kg COD 多30％。原因是化学除磷添加金属药剂导致非挥发化学污泥的增加。上文提到的中国市政污水厂近三年平均量污泥产率0.69 kg/去除kg COD（见表2）比0.48 kg/去除kg COD高出约44％。
对中国江苏南部部分污水处理厂的调查表明，当进水水质特性大致正常时，污水处理厂污泥产率接近0.48 kg/去除kg COD，而当污水水质特性异常，污泥产率接近0.69 kg/去除kg COD或甚至更高。在法国，39％的污水处理厂具有污泥厌氧消化 (表1)，其平均污泥产率为0.44 kg/去除kg COD。新加坡的污泥产率仅0.24 kg/去除kg COD，为中国的三分之一。新加坡所有市政污水处理厂采用污泥厌氧消化进行能量回收，由此减少约35％的固体，虽然仅在个别活性污泥过程实行生物除磷。通过与法国和新加坡污水污泥产率相比，可以看出进水中无机悬浮颗粒浓度以及厌氧污泥消化对污泥产率系数的影响，也说明中国目前的市政污水厂污泥产量系数确实过高。
表2 | 2015年，2016年和2017年中国年度市政污水处理COD去除量和污泥产量以及污泥的观测产率系数
污水处理厂低性能原因：独特的污水水质特性
污水水质特性对于活性污泥和整个厂工艺的设计至关重要。较早的一项对中国三个城市下水道系统进行的渗漏比估算研究结果显示，下水道系统渗漏导致了中国市政污水水质的三个基本特征，即高无机悬浮固体浓度(ISS)、低COD、低碳氮比。
尽管需有更多数据描述全国情况, 但初步调查显示，在中国，即便在施工质量及管理维护良好的下水道系统，某些地区的污水处理厂进水VSS/TSS比在50％ - 70％的范围，低于60-80％的正常范围。文献报告进水低 COD / SS比(<1)和BOD5/SS比(0.3-0.5)较低反映污水含高ISS（砂质、粉土和粘土等）, 表明国内污水厂进水“无机化”特性显著。
如公式（1）所示, 假设在没有初沉和最终出水中无ISS条件下, 进水的ISS/TSS率直接影响到混合液无机悬浮固体浓度MLISS。其中，ISSIO：进水ISS;Θc：污泥停留时间SRT；τ：水力停留时间。
对于没有初沉，12天SRT和0.5天HRT的活性污泥工艺，进水VSS为180 mg/L，ISS为79 mg/L，当进水VSS比率减少10％（ISS增加至120 mg/L）使用公式（1）, 混合液ISS增加大约1,000mg-ISS/L，表明了进水ISS对混合液MLVSS/MLSS分数的敏感性。模拟显示，当进水的ISS/TSS增加(VSS/TSS比率减少)10%, MLVSS/MLSS分数可减少约10-15％。在中国大多数污水处理厂活性污泥（和污泥厌氧消化进料）中，MLVSS/MLSS比在30至60％范围。较低的MLVSS/MLSS比通常来自进水高ISS浓度，连结渗漏相对严重下水道系统的污水处理厂，而相对较高MLVSS/MLSS比通常出现在进水ISS较低的污水厂，它们或者是管网系统维护较好，或者是位于中国北方。最近报告显示中国污水厂活性污泥混合液平均挥发性固体分数低于50％，远低于正常的70-75％的范围, 表明进水含高浓度的无机固体(ISS)在活性污泥系统中的积累影响显著, 即使和只用化学除磷条件下高化学污泥及矿物的积累形成的混合液低挥发固体成分(≈60％）相比。
低混合液MLVSS/MLSS比对市政污水处理厂工艺性能和运行有多方面的不利影响。以活性污泥固体含量70％作为比较基准，为了在反应器中保留相同数量的生物量, 较低的MLVSS/MLSS-50％则意味着需要活性污泥池的容积增加约40％。另外，混合液中无机颗粒增加导致单位体积活性微生物含量的减少，其影响类似于在设计中忽略了高进水ISS，二者都会影响生化过程性能，比如低水温硝化污泥龄不足导致冬天出水氨氮高。
类似于活性污泥, 污泥厌氧消化池进料中的低挥发性固体含量，降低了单位有效体积（或每单位污泥）的沼气产率, 减少沼气产量。而为了达到预定VSS的削减率和产气率,需要增加额外容积或延长SRT。沼气产量降低与泥沙等固体在污泥厌氧消化池沉积，以及泥沙引起材料磨损和管道堵塞在很大程度上限制了污泥厌氧消化在中国的应用。废水中较高的ISS含量被认为是中国应用污泥厌氧消化的主要技术障碍。
进水中ISS在初沉污泥和二沉污泥的积累导致增加污泥产生量。模拟表明，在有或没有初沉条件下, 在进水VSS/TSS 35-75%的范围内, 当进水VSS/TSS比每降低10％，(剩余)污泥产量（DS）降低20-30％。与污泥增加有关, 高ISS导致剩余污泥明显增加需要额外的二沉池表面积(容量)和固体处理设施容量(比如脱水和泵)，再加之处理固体的能量, 将大大增加市政污水处理厂处理固体所需的投资。综上所述，当下污水中高ISS对中国市政污水处理厂的绩效和运营造成多种不利影响, 极大地影响其可持续性。
2016年中国市政污水处理厂的进水COD浓度平均值仅为267 mg-COD/L，约为表3所列国家污水厂的进水浓度的一半。这归因于下水道在线生物降解和高渗漏比率。许多污水处理厂进水悬浮固体（SS）浓度在100 mg/L范围，比污水典型值低约150 mg/L, 颗粒在下水道中沉降和积累可能是原因之一。
进水低COD导致活性污泥池低生物量（MLVSS）浓度。进水ISS越高，混合液中的相对于去除单位COD的非挥发性固体分数和污泥产量越高。这使得高效除砂在处理COD较低进水时尤其至关重要。这里需要注意的是, 较低的进水COD浓度并不意味着必须废除污泥厌氧消化(参见下文), 尽管与进水COD较高相比，能量回收的量可能会受到影响。中国城市污水处理厂的进水C/N比在5.4-10.9之间，北京、上海和广州污水处理厂的进水碳氮比介于7.5（广州）到8.8（北京）之间，平均8.0, 低于其他地方的典型范围8到12。低C/N比率导致碳短缺, 尤其是面对高效生物脱氮时。此外, 鉴于潜在的高浓度惰性颗粒化学需氧量，与具有类似进水的典型污水(较低比例的惰性颗粒COD)的活性污泥相比，反硝化效率和生物除磷效率可能进一步减少。
在中国许多污水处理厂，由于进水COD较低，为增加碳供应，提高生物脱氮(反硝化)效率，省略了初沉池。考虑初沉池去除30–40％进水COD，省略初沉池情况下，则生物池的池容将增加约40％，同时二沉池表面积也须显著增加，导致设施体积和水力停留时间增加，增加了建设成本。而由于引入了更多可生物降解的颗粒COD, 颗粒的水解速率成为反硝化效率能否提高的决定因素。由于水解和温度的关系，夏季反硝化效率的提高是可能的, 但是冬季则未必，所以，省略初沉池的目的并不一定是可以实现的。污水厂因此需要全面详细分析污水特征，测量在不同温度范围下硝酸盐还原速率等，采用具有灵活性操作策略的的设计。
另一方面，为了满足日趋严格的营养物排放标准（例如，TN <10 mg-N/L），外加碳源被越来越普遍地实践。以当前市场价格粗略估计, 一个100,000 m3/d的污水处理厂为购买相当于20 mg-HAc/L醋酸（HAc）, 每年花费大约300万元人民币（约45万美元）。购买碳源和化学物质正成为工厂运营沉重负担。
潜在解决方案
综合污水水质特征考虑市政污水处理厂的设计和运行
面对中国独特的污水水质特征，污水处理厂设计和运营须综合考虑当地的污水水质特征、排放要求、地理位置、处理能力，以及能源供给、化学药品和污泥处置成本. 污水水质特性在污水处理厂的工艺选择和设计中起着至关重要的作用。传统生物工艺可能不适用于中国南部部分地区的低COD浓度进水（例如，COD <100 mg-COD/L）处理, 而基于膜分离的工艺或SANI工艺（硫酸盐还原，自养反硝化和硝化）可能是适用的技术。省略初沉池利用可生物降解的颗粒COD提高反硝化效率在温暖气候条件下可能会实现，但在寒冷的地区则未必可行。
能源回收应在市政污水处理厂中得到足够的关注。早在本世纪初，美国许多处理量超过100,000 m3/d的污水处理厂使用污泥厌氧消化就是经济可行的。最近几年数据显示，甚至处理量为20,000–40,000 m3/d的工厂使用污泥厌氧消化在经济上仍然有利。欧洲数据是处理量约或超过10,000 m3/d (50,000PE）厂使用污泥厌氧消化经济上是可行的。中国的条件与美国和欧洲有所不同，研究在当地条件和因素情况下市政污水处理厂应用污泥厌氧消化经济可行性和必要性的迫切性是显而易见的，包括能量回收与营养物去除两者之间的平衡和成本-效益分析。
建议措施
鉴于下水道修复耗时长久和当前广泛存在市政污水处理厂的状态，需要找出具有成本效益的措施和解决方案并加以实施，制定整合了各方面因素的污水处理厂设计与运行指南, 以提高污水处理厂的运行绩效。下面将谈谈改进除砂池、污泥发酵、污泥厌氧消化和热电回收的应用。考虑到众多效益和有限成本，所有污水处理厂，不管规模多大，提高砂粒去除效率都是值得去做的；而污泥发酵、污泥厌氧消化和热电联产的应用可能适合处理能力相对较大的污水处理厂，并具有较高的进水COD浓度。
增强除砂池除砂效率
混合液低挥发性固体分数和高污泥产量归因于：
很多情况下除砂装置的设计存在技术缺欠如容量不足(低估)和运营中缺乏维护；
在中国的许多地方，污水中的ISS浓度很高，且含相当部分直径远小于200 μm的微细无机固体。这部分微细无机固体难以被由主要针对直径超过200μm和密度2.7g/cm3砂粒的常规除砂单元去除。
从简单到复杂的可行措施包括：研究现有除砂单元的性能，包括ISS质量负荷和清除效率，并定期加以维护。另外，升级现有的常规除砂设备，例如增加HRT以提高去除效率。一些例子表明，经简单升级后一些常规的除砂装置可能实现55％-60％的混合液挥发性固体分数。现场调查能够去除直径小于200 μm颗粒物的设备的去除效率也是有帮助的。从根本上说，考虑中国污水中广泛存在的高浓度的细小无机固体，以及对许多污水处理厂性能的严重影响，紧急需要发起和增强对除砂工艺的研究。
以下是对改进中国污水处理厂除砂行动计划有关的建议：
对城市污水处理厂污水中和混合液中的挥发性固体成分进行广泛调查；测量和估算每种类型除砂单元的除砂性能；
通过提高除砂装置的效率来减少过程中的ISS积累；通过提高除砂效率使混合液中的挥发性固体成分增加约10％.将小型污水处理厂的混合液中的挥发性固体成分的目标设置为55-60％，中大型污水处理厂(≥50,000m3/d）为60- 65%。
污泥发酵
最大限度地利用污水中的COD应该是解决生物脱氮工艺中碳短缺问题的首要途径。在充分利用易生物降解的可溶性COD方面, 可以参考苏黎世污水处理厂。在充分利用可生物降解的固体COD方面，初沉污泥发酵是一种被广泛应用的技术。图1显示了中国某地生产规模污水厂的初沉污泥发酵数据, 平均增加40 mg-VFA/L挥发性脂肪酸(VFA)。同时，利用回流活性污泥（和在线混合液）发酵技术改善脱氮除磷效果已在丹麦、瑞典和美国等国家得到广泛验证。中国已经有初沉和回流污泥发酵的工程实例, 但缺乏长期成功运营报告, 因此, 影响了污泥发酵技术的广泛应用。忽视足够长的详细的现场工程研究的必要性可能是原因之一。
图1 | 生产规模初级污泥发酵中的VFA进出，显示平均增加40 mg-VFA/L ，温度16–18°C，NH4-N和磷的净释放量分别为2mg/L和1mg/L。
低碳要求的营养物去除工艺
可以考虑采用像BCFS（生物化学除磷和除氮）、SANI (综合硫酸盐还原，自养反硝化和硝化)和MABR（膜曝气生物反应器）等可在低碳情况下去除营养物的工艺。BCFS和MABR已被行业规模应用，SANI处于中试规模，应用仍然有待工程尺度验证。为了在中国其他地方实现应用，最近报告的西安第四药厂污水处理厂部分硝化和厌氧氨氧化去除氮值得进一步研究。
未来展望
增加能量回收
对于那些具有适当处理能力和较高进水COD（例如 > 300 mg / L）的污水处理厂，污泥混合液挥发性固体分数是应用污泥厌氧消化的关键。相对于初始混合液挥发性固体分数55％，挥发性固体分数增加10％可以使沼气产量增长20％。同时，显著减少了金属材料磨损和管道堵塞，大大消除了技术上应用污泥厌氧消化的障碍。通过热电联产从污泥厌氧消化回收的电能可为污水处理厂节省30％的运营所需电力。上海白龙港污水处理厂(处理量2, 000, 000 m3/d)进水COD浓度约为250 mg/L，苏黎世污水处理厂初沉污水COD浓度约为250 mg/L，两个厂都使用污泥厌氧消化用于能量回收。中国大约一半的市政污水由处理量超过100, 000 m3/d的工厂处理，即使这些大型污水处理厂中只有一半应用了污泥厌氧消化来做能量回收，其对污水处理厂运行效率都会有很大的提高。对于较小的污水处理厂，脱水污泥可以送到大型污泥工厂或区域污泥处理中心进行能量回收。
减少碳支出
目标是通过污泥发酵获得净25 mg-COD/ L。这相当于最终出水硝态氮浓度降低了约5 mg-N/L，有助于实现在几乎不外加碳源或添加少量碳的情况下实现出水总氮浓度少于10 mg-N / L。
减少污泥量
通过增进进水沙砾去除，提高10%进水VSS/TSS分数，可将污泥产量减少约20%。结合污泥这意味着如果在约一半的污水处理厂实现了ISS减少并应用污泥厌氧消化，则全国范围内污泥产生量可能减少约25%。连同能量回收的增加，以及购买化学品成本的减少，落实降低ISS并应用污泥厌氧消化将在很大程度改善污水处理厂的可持续性。
加强结果导向的应用研究
强大的研发能力对于去除市政废水处理瓶颈并实现可持续性目标而言必不可少。污水厂从开始就需要制定详细可行的研究计划。过程效率优化、控制、维护等只能在现场动态条件下进行。污水特性，尤其是难生物降解的颗粒COD百分率、 降解速率和硝酸盐还原速率等指标上的测试，将有助于从技术上确定是否需要初沉池，生化挥发物脂肪酸潜力（BVFAP）测试将用以评估初级和活性污泥发酵的可行性。最近几年中国在水科学研究方面取得了很大的进步，但一般来说，针对实际条件下的过程设计，对市政污水处理现实问题的研究似乎相对薄弱。现在正是时候进一步加强可持续的市政污水处理应用研究。
结束语
自90年代以来，中国在城市卫生工程方面取得了显着进步。但是，市政污水处理仍然面临着低效率的能量回收、高营养物去除成本和高污泥量问题。这些难题源于独特的污水水质特性: 高ISS、低COD和低碳氮比。曹业始博士团队的研究揭示了污水水质特性和市政污水处理厂的低效率表现之间的因果关系。提出需要根据当地的水质特性进行污水处理厂的设计和运行。鉴于下水道修复工作耗时长久, 污水处理厂的可持续性改进可以与下水道修复并行。为此需选择具有成本效益的措施和解决方案，以便迅速采取行动。这项研究提出了高效除砂，污泥发酵和应用低碳生物脱氮工艺，并估算了实施这些技术可能带来的收益。同时，研究强调了加强以结果导向的市政污水处理应用研究的必要性。
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