摘要：90年代以来，我国城市卫生建设取得显著进展：建成了广泛的污水处理基础设施，城市污水处理率达到94.5%，全国依法实施污水营养物质去除。然而，由于污水质量的独特性，市政污水处理厂仍然面临问题。本研究比较了我国和其他具有悠久污水处理历史的国家在城市污水处理中能源回收、养分去除和污泥生产方面的差异，揭示了我国废水的特点，即无机悬浮固体（ISS）浓度高、COD浓度低、碳氮比（C/N）低，以及与城市污水处理厂性能的因果关系， 并提出市政污水处理厂的设计和运行应基于当地水质特点，提出提高市政污水处理可持续性的具有成本效益的措施和方案，并评估实施这些措施可能带来的好处，并强调加强市政污水处理结果导向应用研究的必要性。

介绍

上世纪90年代以来，中国城市卫生建设取得了长足进步。2017年，城市污水处理能力达到49.2×109立方米，城市处理率达到94.5%。在国家一级，法律已经实施了营养物质（氮和磷）的去除。然而，许多市政污水处理厂面临着能量回收率低、除氮除磷成本高、污泥产生量高等问题。中国污水管网渗漏导致的污水/废水的独特特性是城市污水处理厂效率低下的主要原因。近日，中国三部委印发了《提高城市污水处理质量效益三年行动计划（2019-2021年）》，强调了污水管网修复在城市环境卫生和生态中的关键作用，标志着中国城市环境卫生战略的转折点。考虑到下水道管网修复涉及繁重的提升任务、巨额投资和较长的准备时间，必须采取具有成本效益和快速的行动和措施，以提高我国城市污水处理的效率和可持续性。本研究有三个目的：（1）比较中国和其他污水/废水处理历史较长的国家城市污水处理厂在能源回收、养分去除和污泥生产方面的差异;（2）揭示城市污水处理厂废水特性与工艺性能之间的因果关系;（3）推荐适合中国污水水质特点的具有成本效益的措施和解决方案，以提高城市污水处理厂的可持续性。

方法

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中国、欧洲、美国和新加坡的污水处理厂都是基于使用厌氧消化（AD）热电联产（CHP）进行能量回收（以下简称AD-CHP）。我国有相当数量的污泥厂省略了一次污泥沉淀（PS），少数处理厂采用污泥厌氧消化（AD），主要基于对给水中生物产率（系数）和无机悬浮固体（ISS）积累的观察。

结果与讨论

市政污水处理 - 可持续性

表1显示，中国城市污水处理厂采用污泥厌氧消化的比例不到5%，与欧洲、美国和新加坡相比，这一比例非常低。放弃使用污泥厌氧消化不仅会导致污泥稳定问题，还会造成二次污染和卫生问题，同时由于污泥厌氧消化中没有VSS损伤，加上通过对调节板和框架脱水加入石灰，也增加了污泥量（因为污泥厌氧消化中没有VSS破坏， 加上通过调节板和框架脱水添加石灰），增加了污泥处理的难度，增加了处置和再利用的难度。

为了满足严格的养分排放标准[例如中国市政污水处理厂A级排放标准，TN（总氮）

污水处理厂中的活性污泥由微生物、难熔颗粒和无机悬浮固体（ISS）组成，其产量和成分取决于废水的水质特性、处理工艺和现场环境。表2显示了2015年、2016年和2017年中国城市污水处理中基于COD去除量的年均污泥产量（干固体（DS））。三年平均值为0.69 kg/kgCOD。鉴于只有10-20%和不到5%的工厂使用初级污泥沉淀使用污泥厌氧消化，每去除一公斤COD产生的污泥量可以被视为活性污泥工艺定义的表观产量（系数）Yob。以2017年中国城市污水平均成分为基准，假设进水VSS/TSS比为80%，采用生物除氮除磷工艺和辅助化学除磷（摩尔铁/除磷比为1.5，脱除80%的磷），废水可生物降解COD（RBCOD）分数为8%，BOD/P为18%，污泥滞留时间（SRT）为18 d， 根据Paul等人（2001）提出的计算方法，污泥产量为0.48 kg/。去除 kg COD。这一数量比常规生物除氮 （BNR） 去除的 0.37 kg/kg COD 多 30%。原因是化学除磷中加入金属化学物质，导致化学污泥量增加。上述我国城市污水处理厂近三年平均污泥产量为0.69 kg/kg COD（见表2），比正常进水VSS/TSS比（80%）下0.48 kg/kg COD的理论估计值高出约44%。

对我国部分污水处理厂的调查显示，当进水水质特征普遍正常时，污泥产量接近0.48 kg/kg COD，而当废水水质特征异常时，污泥产量接近0.69甚至更高。分析表明，污泥出率系数高，很大程度上是由于进水中无机悬浮颗粒浓度高。在法国，39%的污水处理厂进行了污泥厌氧消化（表1），平均污泥产量为0.44千克/千克COD。新加坡的污泥产量仅为0.24千克/千克化学需氧日，是中国的三分之一，新加坡所有城市污水处理厂均采用污泥厌氧消化进行能量回收，从而减少固体含量约35%。通过与法国和新加坡的污泥产量对比，可以看出，我国目前市政污水厂的污泥生产系数确实过高。

A 城市污水处理厂的平均 COD 去除量，kg x 10-1/m3（CUWA 2016）。

b 去除的COD，kg x 10 9，所有城市污水处理厂的容积（CUWA 2017）。

c 去除所有 COTP，kg x 10 9，所有污水处理厂体积 （CUWA 2018）。

d污泥产量 （DS），kg x 10-1/m3，城市污水处理厂的平均值（CUWA 2016）。

e 产生的污泥 （DS），kg x 10 9，所有市政污水处理厂的容积 （CUWA 2017）。

f 污泥产生量 （DS） kg x 10 9 ， 所有城市污水处理厂的容积 （CUWA 2018）。

性能低下的原因：独特的废水水质特性

废水水质特性对于活性污泥的设计和整个工厂过程至关重要。较早的中国和三个城市污水管网系统渗漏率估算研究表明，我国污水管网系统渗漏引起的城市污水水质具有三个基本特征，即无机悬浮物浓度（ISS）高、COD和C/N比低。

虽然需要更多的数据来描述国家情况，但初步调查显示，在我国，即使在建设质量和管理良好的下水道管网系统方面，一些地区污水处理厂的进水VSS/TSS比例也在50%至70%之间，低于60%至80%的正常范围。文献报道了低 COD/SS 比值

（

MLISS = ISSIO x（τ/Θc） （1）

其中，ISSIO：进水ISS;Θc：污泥滞留时间SRT;τ：水力滞留时间。

对于没有初始沉降的活性污泥工艺，12 d的SRT和0.5 d的HRT，进水VSS为180 mg/L，ISS为79 mg/L [VSS比值为70% [180/（79+180）]，当进水VSS比值降低10%（ISS增加到120 mg/L）时，混合ISS增加了约1,000 mg-ISS/L， 表明进水 ISS 对 MLSS 评分的混合 MLVSS/敏感性有影响。

仿真结果表明，当进水的ISS/TSS增加10%（VSS/TSS比值降低）时，MLVSS/MLSS评分可降低约10%（见图1）。在中国大多数污水处理厂中，活性污泥（和污泥厌氧消化进料）的MLVSS/MLSS比例在30%至60%之间。较低的MLVSS/MLSS比值通常来自进水浓度较高的污水处理厂，并连接到相对严重的渗漏下水道管网系统，而中国北方污水处理厂的进水中MLVSS/MLSS比值相对较高，通常来自维护和管理良好的管网系统连接到管理良好的管网系统或有渗漏的下水道管网系统。最近的报告显示，我国污水处理厂活性污泥混合物的平均挥发性固体含量低于50%，远低于70%-75%的正常范围，表明活性污泥系统中进水中高浓度无机固体（ISS）的积累是显着的，即使考虑到化学除磷形成的化学污泥和矿物质（60%挥发性固体含量）的积累。

低混合MLVSS/MLSS比对市政污水处理厂的工艺性能和运行产生了许多不利影响。以70%的活性污泥固体含量为基准，MLVSS/MLSS-50%的MLVSS/MLSS-50%需要活性污泥池的容积增加约30%，以便在反应器中保留相同数量的生物质。此外，混合物中无机颗粒的增加导致单位体积活性微生物含量的降低。其影响类似于在设计中忽略高进水ISS，两者都会影响生化工艺性能，例如低水温硝化污泥年龄导致冬季出水中氨氮含量高。

与活性污泥类似，污泥厌氧消化池进料中的低挥发性固体含量会降低单位有效体积（或每单位污泥）的沼气产量并减少沼气产量。为了达到预定的VSS还原率和产气率，需要增加SRT的体积或扩展。沼气产量的降低和污泥厌氧消化池中沙子等固体的沉积，以及沙子造成的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我国的应用。废水中ISS含量高被认为是我国污泥厌氧消化应用的主要技术障碍。

国际空间站在进水中的积累导致污泥产量增加。仿真表明，在进水VSS/TSS的35%-75%范围内，进水VSS/TSS每减少10%（剩余），污泥产量（DS）就会减少20%-30%（见图1）。关于污泥的增加，由于高ISS导致剩余污泥的显着增加，需要额外的二级沉淀池和固体处理设施（例如脱水和泵）的表面积（容量），以及处理固体的能源，这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，目前的国际空间站对我国城市污水处理厂的性能和运行产生了诸多不利影响，极大地影响了其可持续性。

2016年，我国城市污水处理厂平均进水COD浓度仅为267 mg-COD/L，约为表3所列国家污水处理厂进水浓度的一半。这归因于下水道的在线生物降解和高泄漏率。在许多污水处理厂中，进水中的悬浮固体（SS）浓度在100mg/L范围内，比污水的典型值低约150mg/L，下水道中颗粒的沉淀和积聚可能是原因之一。

进水中的低COD导致活性污泥池的生物量（MLVSS）浓度较低。给水中的 ISS 越高，相对于去除单位 COD 而言，混合物中非挥发性固体和污泥产量的比例就越高。因此，在处理低 COD 进水物时，高效除砂尤为重要。这里需要注意的是，较低的进水COD浓度并不意味着必须取消污泥厌氧消化（见下文），尽管与较高的进水COD相比，回收的能量可能会受到影响。中国城市污水处理厂的进水C/N比在5.4-10.9之间，北京、上海和广州的污水处理厂的进水C/N比在7.5（广州）到8.8（北京）之间，平均为8.0，低于其他地方8-12的典型范围。低碳氮比导致碳短缺，尤其是在高效的生物脱氮的情况下。此外，鉴于惰性颗粒物化学需氧量可能很高，与具有类似进水的典型流出物（惰性颗粒 COD 比例较低）的活性污泥相比，反硝化效率和生物除磷效率可能会进一步降低。

在我国许多污水处理厂中，由于进水COD低，为了增加碳供应，提高生物反硝化（反硝化）的效率，省略了一级沉淀池。考虑到初级沉淀池去除30%-40%的进水COD，如果省略初级沉淀池，生物罐的罐容量将增加约40%，二级沉淀池的表面积也必须显着增加，导致设施容积和水力滞留时间的增加， 这增加了建筑成本。然而，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提高反硝化效率的决定性因素，由于水解与温度的关系，这在夏季是可能的，但在冬季不一定是可能的。因此，省略初级沉淀池的目的不一定是可以实现的。需要对废水的特性进行彻底和详细的分析，测量不同温度范围内的硝酸盐还原率，并设计灵活的操作策略。

另一方面，为了满足日益严格的营养物质排放标准（例如，TN

可能的解决方案

综合污水水质特征考虑市政污水处理厂的设计和运行

面对我国污水水质的独特特点，污水处理厂的设计和运行必须考虑当地的废水水质特点、排放要求、地理位置、处理能力，以及能源供应、化学品和污泥处理成本。废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。常规生物工艺可能不适用于中国南方部分地区的低COD浓度给水（如COD）

能源回收应在市政污水处理厂的议程上得到足够的重视。早在世纪之交，美国许多处理能力在10万立方米/天以上的污水处理厂就基于其经济可行性，采用污泥厌氧消化法。近年来的数据显示，即使是产能为20,000-40,000 m³/d的工厂，使用污泥厌氧消化在经济上仍然是有利可图的。欧洲数据显示，在容量约为或超过10,000 m³/d（50,000 PE）的工厂中使用污泥厌氧消化在经济上是可行的。中国的情况与美国和欧洲的情况不同，在因地制宜的条件下，在城市污水处理厂中应用污泥厌氧消化的经济可行性和必要性，包括能量回收和营养物去除之间的平衡以及成本效益分析，其紧迫性是显而易见的。

建议的操作

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鉴于修复下水道网络需要很长时间，以及市政污水处理厂的广泛存在，需要确定和实施具有成本效益的措施和解决方案，以及污水处理厂的设计和运营指南，这些指南整合了各种因素，以提高污水处理厂的运营绩效。下面将讨论除砂罐的改进、污泥发酵的应用、污泥厌氧消化和热电回收。考虑到诸多效益和有限的成本，所有污水处理厂，无论规模大小，都值得提高除砂效率，而污泥发酵、污泥厌氧消化和热电联产应用可能适用于处理量相对较大、进水COD浓度较高的污水处理厂。

提高除砂罐的除砂效率。从上面的讨论中可以明显看出，混合物的低挥发性固体部分和高污泥产量归因于：

我。在许多情况下，去砂装置的设计存在技术缺陷，例如停留时间不足（被低估）和运行中缺乏必要的维护。

ii. 在我国许多地方，废水中的ISS浓度非常高，其中含有相当一部分直径远小于200微米的细小无机固体（这些细小的无机固体很难用常规的去砂装置去除）。

建议的措施包括：

定期研究和维护现有除砂装置的性能，包括国际空间站固体负荷和去除效率。此外，升级或改造现有的常规除砂设备，例如增加水力保留时间以提高效率。一些例子表明，一些常规去砂装置的性能可能会在简单升级后将生物池混合物的挥发性固体MLVSS/MLSS提高到55%至60%。总之，有必要进行现场调查，以仔细评估除砂设备去除小于 200 微米的颗粒的效率。考虑到我国废水中细小无机固体（ISS）浓度高，以及ISS对许多污水处理厂运行性能的负面影响，亟需开展进水除砂的研究或设备开发，特别是ISS高效除砂技术。

基于上述分析，为我国污水处理厂脱砂工艺运行性能的提升提出了以下建议

i. 对城市污水处理厂废水混合物中挥发性固体的组成进行广泛调查;测量和估计不同类型除砂工艺的除砂性能，特别是200微米以下颗粒的除砂效率;

ii. 通过提高除砂装置的效率，减少过程中的ISS积累：通过提高除砂效率，可使混合物中的挥发性固体含量提高10%左右，预计小型污水处理厂混合物中的挥发性固体含量提高到55%-60%，中大型污水处理厂的挥发性固体含量提高到60%-65%（≥50，000 立方米/天）。

污泥发酵。最大限度地利用废水中的COD应该是解决生物脱氮除磷过程中碳短缺的主要途径。在充分利用易于生物降解的可溶性COD时，您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，初级污泥发酵是一种应用广泛的技术。图2显示了中国某大型污水处理厂的初级污泥发酵数据，从进料到排放，挥发性脂肪酸（VFA）平均增加40 mg-VFA/L。同时，利用回流活性污泥（和在线混合）发酵技术提高除氮除磷效果，已在丹麦、瑞典、美国和欧洲得到广泛应用。我国已有初级污泥和活性污泥发酵的工程实例，但缺乏长期成功运行报告，影响了污泥发酵技术的广泛应用，这可能是由于我国缺乏对这些污泥发酵项目的长期跟踪研究。

满足低碳要求的养分去除工艺。可以考虑BCFS（生化除磷和除氮）、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）等工艺，用于在低碳条件下去除营养物质。BCFS和MABR在行业内已大规模应用，SANI处于中试规模，仍需在工程规模上进行验证。此外，习四种污染物的主流厌氧氨氧化现象也值得进一步关注和研究。

前途

增加能量回收。对于具有适当处理能力和高进水COD浓度（例如>300 mg/L）的污水处理厂，污泥混合物中的挥发性固体成分（MLVSS/MLSS比值）是应用污泥厌氧消化的关键。根据计算，如果将MLVSS/MLSS混合物从55%提高到65%，挥发物含量仅可增加10%，沼气产量可提高20%。污泥挥发物的增加也有效提高了生物池的污泥活性，提高了池的产能利用效率，显著降低了金属材料的磨损和管道的堵塞，大大消除了污泥厌氧消化技术应用的障碍。通过热电联产对污泥进行厌氧消化回收的电力，可节省污水处理厂运行中约30%的电力。上海白龙港污水处理厂（容量2,000,000 m³/d） 苏黎世污水处理厂进水COD浓度为250 mg/L，一次沉淀池出水COD浓度约为250 mg/L，两家工厂均采用污泥厌氧消化进行能量回收。对于我国容量超过10万立方米/天的污水处理厂，即使只有一半的污泥厌氧消化用于能源回收，污水处理厂的运行效率和环境可持续性也大大提高。对于较小的污水处理厂，考虑将脱水后的污泥合并并送往大型污泥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酸盐浓度降低约 5 mg-N/L，使总出水氮浓度低于 10 mg-N/L，碳很少或没有碳。

减少污泥量。通过改善进水砂的去除，将进水的VSS/TSS分数提高10%，污泥产量可减少约20%。

结合污泥厌氧消化，可去除约40%的VSS（Grady等，1999），污泥量可减少约50%。

这意味着，如果大约一半的污水处理厂实现ISS减排，并应用污泥厌氧消化，则全国污泥产量可减少约25%。随着能源回收率的提高和化学品采购成本的降低，国际空间站减排的实施和污泥厌氧消化的应用将大大提高污水处理厂的可持续性。

加强以结果为导向的应用研究。为大力加强以克服或解决我国废水水质特性形成的技术瓶颈为目标，实现高效废水处理目标的可持续研究和技术开发，有必要从一开始就制定详细的可行性研究方案，并对出水特性进行研究和实际试验， 特别是进水国际空间站和硝酸盐还原率，将有助于从技术角度确定是否需要初级沉淀池。生化挥发性脂肪酸电位（BVFAP）等测试可用于评估初级污泥和活性污泥发酵的可行性。目前看来，我国实际水质特征下的污水处理厂设计研究以及与城市污水处理独特污水水质相关的实际问题还比较薄弱。近年来，中国在水科学研究方面取得了显著进展，现在是进一步加强可持续市政污水/污水处理应用领域研究的时候了。

结束语

上世纪90年代以来，我国城市环卫工程取得长足进步。然而，市政污水处理仍面临能源回收效率低下、养分去除成本高、污泥量大等问题。这些挑战源于废水水质的独特特征：高 ISS、低 COD 和 C/N 比。本研究揭示了污水水质特征与城市污水处理厂效率低下之间的因果关系。进一步建议，污水处理厂的设计和运行应根据当地实际水质特点进行。鉴于管网的改善需要一定的时间，污水处理厂的可持续改善可以与管网质量和效率的提高以及管网的修复并行进行。关于具有成本效益的措施和解决方案的建议，即高效除砂、污泥发酵和应用低碳生物除氮和除磷工艺，并估计实施可能产生的效益。强调今后要加强城市污水处理结果化应用研究。

确认

杨向平（中国城市给排水协会）、张跃（中国水工业协会）、郑兴灿（中国市政工程华北设计研究院有限公司）、甘一平（中国城市给排水协会）、王红晨（中国人民大学）、王家伟（北京排水集团）、胡伟杰（上海市政工程设计研究院（集团）有限公司、 Ltd.）、吴媛（北京开拓）、杨安明（北京排水集团）、李金河（天津创业环保）、丁永伟（苏州水务集团公司）、李骥（江南大学）、王岩（江南大学）和吕震（常州排水管理办公室）提供了有用的信息和观点