曹業(yè)始：污水稀釋倍數(shù)和污水廠處理量確定污染物溢流排放負荷
2022年12月24日，在三峽集團與清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院聯(lián)合舉辦的“2022城鎮(zhèn)溢流污染控制高峰論壇”上，中持新概念環(huán)境發(fā)展宜興有限公司總工藝師、新加坡PUB (公用事業(yè)局，國家水管理機構(gòu))前首席專家曹業(yè)始博士，以《污水稀釋倍數(shù)和污水廠處理量確定污染物溢流排放負荷》為題，分享了一個國內(nèi)外專家組織近幾年在中國城市污水系統(tǒng)提質(zhì)增效研究項目的階段性成果。
曹業(yè)始在新加坡從事多年水業(yè)應(yīng)用研究工作，在論壇上，他介紹了專家組開發(fā)的市政污水系統(tǒng)簡化模型，包括外水入侵在合流制和分流制管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將國內(nèi)和歐洲一些國家的污水廠處理量與同一服務(wù)區(qū)內(nèi)用水量和由此導(dǎo)致的溢流負荷情況做了對比，指出國內(nèi)需要制定因地制宜、具有成本效益的改善城市污水系統(tǒng)效能和城市水環(huán)境的系統(tǒng)規(guī)劃。
提高污水系統(tǒng)性能：四大因素來擔當
污水系統(tǒng)的效率在城市水環(huán)境保護中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，在考慮提高污水管網(wǎng)污染物（如 ＣＯＤ ）濃度和污水處理廠效率時，應(yīng)同時關(guān)注污染物溢流排放負荷對受納水體水質(zhì)的影響。他們的研究表明，污水管網(wǎng)外來水入侵、管網(wǎng)污水收集率、市政用水量（用水效率）和污水處理廠處理量四個因素在很大程度上決定了污水系統(tǒng)性能和效率。從某種意義上來說，研究污水系統(tǒng)的改進和優(yōu)化就是探索和發(fā)現(xiàn)四個因素的因地制宜的最佳組合。應(yīng)用四個因素，可以定量化描述一個城市的污水系統(tǒng)，包括供水、污水管網(wǎng)、污水處理廠和受納水體的狀況以及下一步如何實現(xiàn)三部一委要求到2025年城市生活污水廠進水COD>250 mg/l,BOD≥100 mg/l和污水集中收集率達到>70%目標。
圖1表示了一個城市污水的簡化概念模型，系統(tǒng)包括市政用水、污水系統(tǒng)收集和運輸、污水處理廠、溢流排放和受納水體。應(yīng)用質(zhì)量平衡原理，以個人日負荷 (120 g COD/(人.天)和個人日綜合用水 (SCWC,L/ (人.天)作為污染物和水量計算單位，假設(shè)服務(wù)區(qū)內(nèi)很少的制造業(yè)（污水幾乎都是市政污水）。ＣＯＤ 在線降解忽略不計，污水流動橫截面充分混合，外來水污染可忽略不計，計算結(jié)果為在穩(wěn)態(tài)條件下獲得。
表1匯總了相關(guān)定義、數(shù)據(jù)來源和計算公式。假設(shè)在污水全收集條件下，人均日綜合用水量即人均日排污水量和管網(wǎng)收集量。稀釋倍數(shù)是表示外來水侵入程度的重要參數(shù)，根據(jù)定義，當沒有外來水時，稀釋倍數(shù)是1。污水處理廠處理量比定義為污水廠處理量與污水管網(wǎng)服務(wù)區(qū)用水量的比（污清比，ＳＱ ＯＵＴ ／ＳＣＷＣ ）。
普遍難題：外來水入侵
在講外來水問題之前，首先談分流制和污流制的外來水的差別，德國的一套數(shù)據(jù)顯示合流制的平均稀釋倍數(shù)是4，即管網(wǎng)中原污水的比例占25%，意味著如果管網(wǎng)中有10萬噸混合污水，只有2.5萬噸是原污水，7.5萬噸是外來水。分流制外來水平均稀釋倍數(shù)是1.8，意味著管網(wǎng)中10萬噸污水中有5.6萬噸是原污水，4.4萬噸是外來水。可以看到合流制和分流制外來水存在很大的差別，但分流制污水管網(wǎng)中仍有相當比例的外來水。
如表3，德國分流制占比約40%，丹麥和芬蘭約70%，最近報道國內(nèi)的分流制管網(wǎng)超過80%。從稀釋倍數(shù)上來說，最好的分流制管網(wǎng)稀釋倍數(shù)能做到1.4（德國北部）。丹麥和芬蘭平均的稀釋倍數(shù)在1.7-2范圍。意味著10萬噸管網(wǎng)中的水，大約6萬噸的原污水和4萬噸的外水，可見外來水是全球性的問題而非是中國獨有的。現(xiàn)在歐洲每年都在花錢修管網(wǎng)。從某種程度上說老管網(wǎng)中的污水有一半是原污水，可算及格。當然由于國內(nèi)用水的效率比西歐和北歐的國家要低，總的外水比人家要多，盡管稀釋倍數(shù)相當。
圖2展示了人均日綜合用水量稀釋倍數(shù)與污水廠進水COD濃度的關(guān)系。西歐和北歐COD濃度是400-700 mg/l（當量區(qū)間），我們COD濃度100-500 mg/l。人均綜合用水量是可從水務(wù)公司查到的，污水廠進水COD濃度也是可以查到的，據(jù)圖2即可找到管網(wǎng)污水稀釋倍數(shù)，根據(jù)圖2，當倍數(shù)是1，綜合用水量300mg/l時，污水廠進水COD濃度最高時也只能夠到400mg/l，所以目前已經(jīng)達到250mg/l或更高值，再往上升比較難了。與歐洲一些國家相比，由于有待改進污水管網(wǎng)質(zhì)量與管理水平，國內(nèi)污水管網(wǎng)系統(tǒng)較高的外來水是管網(wǎng)污水COD低濃度的主要因素之一，也是導(dǎo)致污水處理廠較低的運營效率的主要原因之一。
表4顯示了2018年幾個城市污水處理和用水量的數(shù)據(jù)，人均日污水處理量和人均日綜合用水量比在0.8-1.2之間，平均約為1，當然，國內(nèi)這兩年經(jīng)過大規(guī)模的城市污水系統(tǒng)改造，有的城市污清比有了增加。2021年《室外排水設(shè)計標準》(GB50014- 2021)已增加了與污水處理廠流量相關(guān)系數(shù)值, 并要求在分流制管網(wǎng)和污水處理廠設(shè)計中考慮包括雨水在內(nèi)的外來水因素。
表5呈現(xiàn)了西北歐四個國家的污水廠污清比數(shù)據(jù)，荷蘭污清比是2.1，瑞典幾個大的污水廠是2.8，德國公共設(shè)施的供水量是51億立方米；公共設(shè)施污水處理量是101億，實際上污清比值約為2。丹麥水協(xié)會每年都會發(fā)表報告，污水廠進水量同一個地區(qū)賣出來的水量平均值是3（相當污清比約等于3）。
表6呈現(xiàn)了污水廠污清比、污水稀釋倍數(shù)和污染物溢流負荷之間的定量關(guān)系。黃色區(qū)域代表國內(nèi)情況，污清比/稀釋倍數(shù)＜1；綠色區(qū)域代表部分西北歐國家情況，污清比/稀釋倍數(shù)＞1。由于國內(nèi)污水廠污清比大大小于西北歐數(shù)據(jù)，在相同稀釋倍數(shù)下污染物溢流負荷比也較西北歐幾個國家高不少。由于雨季雨水侵入導(dǎo)致外來水或稀釋倍數(shù)的增加，污染物的溢流排放負荷可增加一倍，這往往是夏季河流黑臭的重要原因。因此，合理的污水處理廠處理量（污清比）常是控制污染物溢流負荷的重要因素。
如表7所示，污水集中收集率也與污水處理廠污清比直接相關(guān)。在許多情況下，污水廠的污清比在控制受納水體水質(zhì)方面發(fā)揮著主導(dǎo)作用。由于目前國內(nèi)不少污水處理廠低污清比的情況，相當部分污染物排放到受納水體。在這種情況下，進一步提高污水處理廠的去除效率或者單純依賴提高排放標準對改善受納水體水質(zhì)的影響可能有限。
他山之石：瑞士蘇黎世污水廠如何應(yīng)對外來水？
蘇黎世污水廠旱季平均日處理量17萬噸，雨季流量52萬噸，活性污泥泥齡14天，經(jīng)過十幾年的管網(wǎng)改造，污水稀釋倍數(shù)2，設(shè)計污清比3，在旱季的時候有200%的流量余度。年均污水排放負荷小于3%。
圖4顯示雨季時候的情況，藍線是進水的流量，最大已經(jīng)超過設(shè)計52萬萬噸/天達56萬噸/天，超過旱季三倍平均流量17萬噸/天。一天當中流量經(jīng)歷了劇烈變化，蓄水槽的水位隨著流量的增加而增加。黃線是氨氮的濃度，除了有三個數(shù)據(jù)是超過1mg/l以外，整個氨氮小于0.5mg/l，紅色是硝酸氮數(shù)據(jù)，有個別最高濃度超過10mg/l。原則上可以做到總氮控制在10mg/l以內(nèi)。它的SRP和水力停留時間，比國內(nèi)現(xiàn)在采用的大部分污水廠的活性污泥還要底一些，雨季流量增加主要影響的是物理和化學(xué)過程。
人日均外來水，污水收集率，人日均綜合用水和污清比這四個參數(shù)對于描述和理解城市污水系統(tǒng)是非常重要的，這四個參數(shù)效率的提升將有助于實現(xiàn)三部一委要求的目標。
最后曹總總結(jié)道：“未來為減少污水溢流以消除雨后河流黑臭, 改善城市水環(huán)境，提高現(xiàn)有部分污水廠的處理能力應(yīng)成為城市水環(huán)境保護議程上一項重要議題和任務(wù).與建造新工廠和大截流比較，對現(xiàn)有污水廠部分物理和化學(xué)單元進行升級以提高處理能力是可行且更具成本效益，也有助于提高部分管網(wǎng)修復(fù)的效益。當前迫切需要找到合適的案例進行工程實驗, 積累實踐經(jīng)驗”。
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