曹业始：污水稀释倍数和污水厂处理量确定污染物溢流排放负荷
2022年12月24日，在三峡集团与清华大学环境学院联合举办的“2022城镇溢流污染控制高峰论坛”上，中持新概念环境发展宜兴有限公司总工艺师、新加坡PUB (公用事业局，国家水管理机构)前首席专家曹业始博士，以《污水稀释倍数和污水厂处理量确定污染物溢流排放负荷》为题，分享了一个国内外专家组织近几年在中国城市污水系统提质增效研究项目的阶段性成果。
曹业始在新加坡从事多年水业应用研究工作，在论坛上，他介绍了专家组开发的市政污水系统简化模型，包括外水入侵在合流制和分流制管网系统数据，并将国内和欧洲一些国家的污水厂处理量与同一服务区内用水量和由此导致的溢流负荷情况做了对比，指出国内需要制定因地制宜、具有成本效益的改善城市污水系统效能和城市水环境的系统规划。
提高污水系统性能：四大因素来担当
污水系统的效率在城市水环境保护中发挥着关键作用，在考虑提高污水管网污染物（如 ＣＯＤ ）浓度和污水处理厂效率时，应同时关注污染物溢流排放负荷对受纳水体水质的影响。他们的研究表明，污水管网外来水入侵、管网污水收集率、市政用水量（用水效率）和污水处理厂处理量四个因素在很大程度上决定了污水系统性能和效率。从某种意义上来说，研究污水系统的改进和优化就是探索和发现四个因素的因地制宜的最佳组合。应用四个因素，可以定量化描述一个城市的污水系统，包括供水、污水管网、污水处理厂和受纳水体的状况以及下一步如何实现三部一委要求到2025年城市生活污水厂进水COD>250 mg/l,BOD≥100 mg/l和污水集中收集率达到>70%目标。
图1表示了一个城市污水的简化概念模型，系统包括市政用水、污水系统收集和运输、污水处理厂、溢流排放和受纳水体。应用质量平衡原理，以个人日负荷 (120 g COD/(人.天)和个人日综合用水 (SCWC,L/ (人.天)作为污染物和水量计算单位，假设服务区内很少的制造业（污水几乎都是市政污水）。ＣＯＤ 在线降解忽略不计，污水流动横截面充分混合，外来水污染可忽略不计，计算结果为在稳态条件下获得。
表1汇总了相关定义、数据来源和计算公式。假设在污水全收集条件下，人均日综合用水量即人均日排污水量和管网收集量。稀释倍数是表示外来水侵入程度的重要参数，根据定义，当没有外来水时，稀释倍数是1。污水处理厂处理量比定义为污水厂处理量与污水管网服务区用水量的比（污清比，ＳＱ ＯＵＴ ／ＳＣＷＣ ）。
普遍难题：外来水入侵
在讲外来水问题之前，首先谈分流制和污流制的外来水的差别，德国的一套数据显示合流制的平均稀释倍数是4，即管网中原污水的比例占25%，意味着如果管网中有10万吨混合污水，只有2.5万吨是原污水，7.5万吨是外来水。分流制外来水平均稀释倍数是1.8，意味着管网中10万吨污水中有5.6万吨是原污水，4.4万吨是外来水。可以看到合流制和分流制外来水存在很大的差别，但分流制污水管网中仍有相当比例的外来水。
如表3，德国分流制占比约40%，丹麦和芬兰约70%，最近报道国内的分流制管网超过80%。从稀释倍数上来说，最好的分流制管网稀释倍数能做到1.4（德国北部）。丹麦和芬兰平均的稀释倍数在1.7-2范围。意味着10万吨管网中的水，大约6万吨的原污水和4万吨的外水，可见外来水是全球性的问题而非是中国独有的。现在欧洲每年都在花钱修管网。从某种程度上说老管网中的污水有一半是原污水，可算及格。当然由于国内用水的效率比西欧和北欧的国家要低，总的外水比人家要多，尽管稀释倍数相当。
图2展示了人均日综合用水量稀释倍数与污水厂进水COD浓度的关系。西欧和北欧COD浓度是400-700 mg/l（当量区间），我们COD浓度100-500 mg/l。人均综合用水量是可从水务公司查到的，污水厂进水COD浓度也是可以查到的，据图2即可找到管网污水稀释倍数，根据图2，当倍数是1，综合用水量300mg/l时，污水厂进水COD浓度最高时也只能够到400mg/l，所以目前已经达到250mg/l或更高值，再往上升比较难了。与欧洲一些国家相比，由于有待改进污水管网质量与管理水平，国内污水管网系统较高的外来水是管网污水COD低浓度的主要因素之一，也是导致污水处理厂较低的运营效率的主要原因之一。
表4显示了2018年几个城市污水处理和用水量的数据，人均日污水处理量和人均日综合用水量比在0.8-1.2之间，平均约为1，当然，国内这两年经过大规模的城市污水系统改造，有的城市污清比有了增加。2021年《室外排水设计标准》(GB50014- 2021)已增加了与污水处理厂流量相关系数值, 并要求在分流制管网和污水处理厂设计中考虑包括雨水在内的外来水因素。
表5呈现了西北欧四个国家的污水厂污清比数据，荷兰污清比是2.1，瑞典几个大的污水厂是2.8，德国公共设施的供水量是51亿立方米；公共设施污水处理量是101亿，实际上污清比值约为2。丹麦水协会每年都会发表报告，污水厂进水量同一个地区卖出来的水量平均值是3（相当污清比约等于3）。
表6呈现了污水厂污清比、污水稀释倍数和污染物溢流负荷之间的定量关系。黄色区域代表国内情况，污清比/稀释倍数＜1；绿色区域代表部分西北欧国家情况，污清比/稀释倍数＞1。由于国内污水厂污清比大大小于西北欧数据，在相同稀释倍数下污染物溢流负荷比也较西北欧几个国家高不少。由于雨季雨水侵入导致外来水或稀释倍数的增加，污染物的溢流排放负荷可增加一倍，这往往是夏季河流黑臭的重要原因。因此，合理的污水处理厂处理量（污清比）常是控制污染物溢流负荷的重要因素。
如表7所示，污水集中收集率也与污水处理厂污清比直接相关。在许多情况下，污水厂的污清比在控制受纳水体水质方面发挥着主导作用。由于目前国内不少污水处理厂低污清比的情况，相当部分污染物排放到受纳水体。在这种情况下，进一步提高污水处理厂的去除效率或者单纯依赖提高排放标准对改善受纳水体水质的影响可能有限。
他山之石：瑞士苏黎世污水厂如何应对外来水？
苏黎世污水厂旱季平均日处理量17万吨，雨季流量52万吨，活性污泥泥龄14天，经过十几年的管网改造，污水稀释倍数2，设计污清比3，在旱季的时候有200%的流量余度。年均污水排放负荷小于3%。
图4显示雨季时候的情况，蓝线是进水的流量，最大已经超过设计52万万吨/天达56万吨/天，超过旱季三倍平均流量17万吨/天。一天当中流量经历了剧烈变化，蓄水槽的水位随着流量的增加而增加。黄线是氨氮的浓度，除了有三个数据是超过1mg/l以外，整个氨氮小于0.5mg/l，红色是硝酸氮数据，有个别最高浓度超过10mg/l。原则上可以做到总氮控制在10mg/l以内。它的SRP和水力停留时间，比国内现在采用的大部分污水厂的活性污泥还要底一些，雨季流量增加主要影响的是物理和化学过程。
人日均外来水，污水收集率，人日均综合用水和污清比这四个参数对于描述和理解城市污水系统是非常重要的，这四个参数效率的提升将有助于实现三部一委要求的目标。
最后曹总总结道：“未来为减少污水溢流以消除雨后河流黑臭, 改善城市水环境，提高现有部分污水厂的处理能力应成为城市水环境保护议程上一项重要议题和任务.与建造新工厂和大截流比较，对现有污水厂部分物理和化学单元进行升级以提高处理能力是可行且更具成本效益，也有助于提高部分管网修复的效益。当前迫切需要找到合适的案例进行工程实验, 积累实践经验”。
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