中国给水排水2020年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 (第十一届)邀请函暨征稿启事
 
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中国市政污水处理的瓶颈和起因以及可能的解决方案/下水道系统渗漏对黑臭水体和污水厂运行的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-03-10  浏览次数:106
核心提示:中国市政污水处理的瓶颈和起因以及可能的解决方案/下水道系统渗漏对黑臭水体和污水厂运行的影响
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2020年中国无废城市建设及固废资源化利用可持续高质量发展大会
 

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中国市政污水处理的瓶颈和起因以及可能的解决方案/下水道系统渗漏对黑臭水体和污水厂运行的影响 

中国市政污水处理的瓶颈和起因以及可能的解决方案

作者:曹业始,MCM Van Loosdrecht, 刘智晓, Glen Daigge

来源:中国水协教育委

摘要自90年代以来,中国在城市卫生方面取得了了不起进步:建立了广泛的污废水处理基础设施,城市污水处理率达到94.5%, 并且依法在全国范围内实施了污水营养物去除。但是,市政污水处理厂仍然面临着源自于独特污水水质特征的问题。这项研究了比较了中国和其他具有较长的污废水处理历史的国家在城市污水处理中的能量回收、营养物去除和污泥产量方面的差异,揭示了中国的污水特性,即高无机悬浮固体(ISS)浓度,低COD浓度和低碳氮比(C/N)以及与市政污水处理厂性能之间的因果关系,提出市政污水处理厂设计和操作应该结合当地的水质特征,给出了具有成本效益的改善市政污水处理可持续性的措施和方案,并评估了这些措施实施可能带来的收益,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。

关键词:能源回收,城市污水处理,营养物去除,污泥产生,可持续性,中国污水处理

导言

自90年代以来,中国在城市卫生方面取得了显著进步。2017年市政污水处理能力达到49.2 x 109 m³,在城市地区的覆盖处理率达94.5%。 去除营养物(氮和磷)已经在国家范围内依法实施。然而,许多市政污水处理厂面临很少能量回收,脱氮除磷成本高昂,污泥产量高等问题。污水管网渗漏造成中国污/废水的独特特征是市政污水处理厂效率低下的主要原因。最近,中国三部委颁布了题为“城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)”文件强调污水管网修复在城市环境卫生与生态关键功能,标志着中国城市环境卫生战略的转折点。考虑到污水管网修复所涉及的繁重任务,所需的巨大投资和长周期,必须采取具有成本效益的快速行动和措施,以改善中国市政污水处理效率和可持续性。 这项研究有三个目标:(1) 比较中国和其他具有更长的污/废水处理历史的国家在市政污水处理厂在能量回收、营养物去除和污泥产生量等方面的差异;(2)揭示市政污水处理厂的污水特征和工艺性能之间的因果关系;(3)建议适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持续性。

方法

中国、欧洲、美国和新加坡的污水处理厂均基于使用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)(以下简称AD-CHP)进行能源回收基于使用厌氧消化(AD)热电联产(CHP)。中国相当部分厂省略初级污泥沉降(PS), 很少有处理厂使用污泥厌氧消化(AD),污泥的产生主要基于观察生物产量(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,这个比例与欧洲、美国和新加坡相比非常低, 尽管具有较长污水处理历史的国家在很久之前已经广泛应用AD-CHP技术,但在中国,通过AD-CHP污泥厌氧消化和热电联产技术(下称AD-CHP)途径技术进行的能量回收非常有限。舍弃使用污泥厌氧消化不仅导致污泥稳定化问题,招致二次污染和卫生问题,同时,由于没有污泥厌氧消化中VSS破坏,加上调理板框脱水添加石灰还增加了污泥量(由于没有污泥厌氧消化中VSS破坏,加上调理板框脱水添加石灰)增加了污泥处理,增加了处置和再利用的困难难度。

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)<15 mg-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], 尽管舍弃没有设置初级污泥沉降,但中国许多污水处理厂仍需要额外采用了外投加碳源除氮(和磷)。从根本上讲,这是由于其根本原因归结为进水的低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情况下实现出水TN <10-15 mg-N/L。现今在一些污水厂中,化学药品花费仅次于电力。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),将给工污水厂运营和地方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,难降解的颗粒和无机悬浮固体(ISS)组成, 其产量和组成取决于废水的水质特性,处理工艺和场地环境。 表2列出了以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(DS))。三年平均量为0.69 kg/去除kgCOD。鉴于采用初级污泥沉降的污水厂只有10%–20%和少于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)Yob 。运用中国2017年市政污水的平均成分,假设进水VSS/TSS比80%, 采用的生物除氮和除磷工艺与辅助化学除磷(摩尔铁/磷去除比率为1.5, 去除了80%的P),废水的易于生物降解的COD (RBCOD)分数为8%,BOD/P为18%,污泥停留时间(SRT)为18天,根据 Paul 等(2001)提议计算方法算得污泥产率为0.48 kg/去除kg COD。这数量比传统生物除氮(BNR)的0.37 kg/去除kg COD 多30%。原因是化学除磷所添加的金属药剂导致化学污泥量的增加。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),比正常进水VSS/TSS比率(80%)条件下理论估算值0.48 kg/去除kg COD大约高出44%。

对中国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或甚至更高。分析认为高的污泥产率系数在很大程度上源自进水中高浓度无机悬浮颗粒。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/kg COD,为中国三分之一,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。通过与法国和新加坡污水污泥产率相比,可以看出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

a COD去除,kg x 10 -1 /米 3 ,市政污水处理厂的平均值(CUWA 2016)。

b 去除了COD,kg x 10 9 ,所有市政污水处理厂量,(CUWA 2017)。

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

d 污泥产生(DS),kg x 10 -1 /米 3 ,市政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量(CUWA 2017)。

f 污泥产生量(DS)kg x 10 9 ,所有市政污水处理厂量(CUWA 2018)。

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。较早的一项对中国和中国三个城市污水管网系统进行的渗漏比估算研究结果显示 污水管网系统渗漏导致的中国市政污水水质具有三个基本特征,即高的无机悬浮固体浓度(ISS),低COD和C/N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污水管网系统,某些地区的污水处理厂的进水VSS/TSS比在50% - 70%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。如式(1)所示, 在假设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非挥发性固体(MLISS)浓度。

MLISS = ISSIO x(τ/Θc) (1)

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 [VSS比率为70%[180/(79+180)],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1,000 mg-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% (见图 1)。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,连结渗漏相对严重污水管网系统的污水处理厂,而相对较高MLVSS/MLSS比通常来自连结维护管理较好管网系统或发生渗出性渗漏污水管网系统的中国北方污水处理厂,它的进水ISS较低。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, 即使考虑到化学除磷形成的化学污泥及矿物的积累(挥发性固体成分60%)。

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30%。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高氨氮。

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。沼气产量降低与砂子等固体在污泥厌氧消化池沉积,以及砂子引起材料磨损和管道堵塞在很大程度上限制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% (见图 1)。与污泥增加有关, 高ISS导致剩余污泥明显增加需要二沉池额外的表面积(容量)和固体处理设施(比如脱水和泵)容量,以及处理固体的能量, 将大大的增加了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。

图 1. 进水VSS/TSS比对MLVSS/TSS和污泥产量的影响。使用GPX-s(6.02)没有初沉COD去除和硝化活性污泥过程。进水成分:COD:429 mg-COD/L,sCOD:107 mg-COD/L,可生物降解颗粒物COD:238 mg-COD/L,ISS随进水VSS/TSS比值变化。

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。

表3 中国市政污水处理厂和其他地方的进水COD浓度(mg-COD / L)

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到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, 而省略了初沉池。考虑初沉池去除30%–40%进水COD,在省略初沉池情况下,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的提高决定因素,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。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,以及具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)。购买碳和化学物质正成为工厂运营沉重负担。

潜在的解决方案

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方部分地区的低COD浓度进水(例如,COD <100 mg-COD/L)处理,而基于膜分离的技术或SANI(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可行,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议程得到足够的关注。早在在世纪之交的美国,基于其经济上的可行性, 许多处理规模大约或超过100,000 m³/d的污水处理厂使用污泥厌氧消化。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。欧洲数据则显示处理量大约或超过10,000 m³/d (50,000 PE)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

鉴于污水管网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,以及制定整合了各个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。下面将谈及除砂池的改进,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、且具有较高的进水COD浓度的污水处理厂。

增强除砂池除砂效率。从上面讨论可以明显看出,混合液低挥发性固体分数和高污泥产量归因于:

i. 很多情况下除砂装置的设计存在技术缺陷,如停留时间不足(低估)和运营中缺乏必要维护。

ii. 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微米的微细无机固体(这部分微细无机固体难以被常规除砂单元去除)。

建议性措施包括:

研究现有除砂单元的性能,包括ISS固体负荷和去除效率,并定期加以维护。另外,升级或改造现有的常规除砂设备,例如增加水力停留时间以提高效率。一些例子表明, 经简单升级后, 一些常规的除砂装置性能提升后可能将生物池混合液挥发性固体MLVSS/MLSS提高到55%至60%。总之,现场调查认真评估除砂设施对小于200微米颗粒物的去除效率非常必要的。考虑中国污水中广泛存在的高浓度的细小无机固体(ISS),以及ISS对许多污水处理厂运行性能产生的的负面影响,国内亟需开展对进水除砂尤其是ISS高效去除技术方面的研究或者设备开发。

基于上述分析, 对改善中国污水处理厂除砂工艺运行性能提供如下的建议:

i. 对城市污水处理厂污水中和混合液中的挥发性固体成份进行广泛调查;测量和估算不同类型除砂工艺的除砂性能,尤其是粒径低于200微米砂砾去除效率;

ii. 通过提高除砂装置的效率来减少过程中的ISS积累:通过提高除砂效率可使混合液中的挥发性固体成分增加约10%,有望将小型污水处理厂的混合液中的挥发性固体成分提高到55%-60%,中大型污水处理厂(≥50,000 m³/d)提高到60 %- 65%,

污泥发酵。最大限度地利用污水所含有的COD应该是解决生物脱氮除磷工艺中的碳短缺的首要途径。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2显示了中国某地生产规模污水厂初沉污泥发酵数据,从进料到出料,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、瑞典和美国和欧洲等国家得到广泛应用。中国已经有初沉污泥和活性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,这可能是由于国内对这些污泥发酵项目后期长周期跟踪性研究不够所致。

图2 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 [VFA出 -VFA入],温度16–18°C,NH4-N和磷的净释放量分别为2和1 mg/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已被行业规模化应用,SANI处于中试规模,仍然有待工程尺度的应用验证。此外,西安四污出现的主流厌氧氨氧化现象也值得进一步关注和研究。

未来

增加能量回收。对于那些具有适当处理能力和较高的进水COD的浓度(例如 > 300 mg / L)的污水处理厂,污泥混合液挥发性固体组份(MLVSS/MLSS比)是应用污泥厌氧消化的关键。根据计算,如果将混合液MLVSS/MLSS由55%提高到65%,挥发份只是提高10%,就可以增加20%沼气产率。污泥挥发份的提升也有效提高了生物池的污泥活性,提高了池容利用效率,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可节省经营污水处理厂电力的大约30%。上海白龙港污水处理厂(产能2,000,000 m³ / d ),进水COD浓度为250 mg/L,苏黎世污水处理厂初沉池出水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。对于中国处理能力超过100,000 m³ /d的污水厂,即便只有一半的应用了污泥厌氧消化进行能量回收,其对污水处理厂运行效益和环境可持续也有很大的提高。对于规模较小的污水处理厂,可以考虑脱水污泥合并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酸氮浓度降低了约5 mg-N/L,有助于实现在几乎没有或添加少量碳情况下实现出水总氮浓度少于10 mg-N / L。

减少污泥量。通过增进进水砂粒去除, 提高10%进水VSS / TSS分数,可将污泥产量减少约20%。

结合污泥厌氧消化去除大约40%VSS(Grady等,1999)污泥量减少可达约50%。

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%。连同能量回收增加的和购买化学品成本减少,落实减少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。要大力加强针对克服或解决中国污水水质特性形成的技术瓶颈进而实现高效污水处理目标的可持续性研究与技术开发,从开始就需要制定详细的可行性研究计划,针对污水特性,尤其是进水ISS,和硝酸盐还原速率等研究与实际测试,将有助于从技术确定是否需要初沉池。通过生化挥发物脂肪酸潜力(BVFAP)等指标测试可用于评估初沉污泥和活性污泥发酵的可行性。目前看来,现在针对实际水质特征条件下的污水厂设计,针对解决独特中国污水水质相关的市政污水处理现实问题的研究仍然相对薄弱。最近几年中国在水科学研究方面取得了出色的进步,现在也正是时候,可进一步加强在可持续市政污/废水处理应用领域的研究。

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,营养物去除高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C / N比。这项研究揭示了污水水质特性和市政污水处理厂的低效率之间的因果关系。进一步提出建议,要根据当地的实际水质特性,进行污水处理厂的设计和运行。鉴于管网完善需要一定周期, 污水处理厂的可持续性改进可以与管网提质增效、管网修复等工作并行。提供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脱氮除磷工艺,并估算了实施可能带来的收益。强调了未来加强以结果导向的市政污水处理应用研究的必要性。

致谢

杨向平(中国城镇供水与排水协会),张悦(中国水工业协会),郑兴灿(中国市政工程华北设设计研究总院有限公司),甘一苹(中国城镇供水和排水协会),王洪臣(中国人民大学),王佳伟(北京排水集团),胡维杰(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司),吴远远 (北京首创),杨岸明(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 激(江南大学), 王 燕(江南大学)和吕 贞(常州市排水管理处)等提供了有用的信息和观点.

参考资料(省略)

来源:中国水协教育委 作者:曹业始,MCM Van Loosdrecht, 刘智晓, Glen Daigge

中国给水排水2020年中国污水处理厂提标改造(污水处理提质增效)高级研讨会

(第四届)邀请函暨征稿启事

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(请提前报名,限1000人;2019年1400余人参会)

时间:2020年8月—9月 ,第一天报到,第二、第三天会场研讨,第四天参观

地点:山西 太原市 (具体酒店待定)

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曹业始:国内城市污水处理的瓶颈与潜在解决方案

原创:中国给水排水water8848

国内城市污水处理的瓶颈与潜在解决方案

中国给水排水

曹业始(报告者)Mark van Loosdrecht, Daigger G. T.【国际水协会士(IWA Fellow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)前首席专家。】

Mark van Loosdrecht【荷兰代尔夫特大学 (TUD)教授,斯德哥尔摩 (Stockholm)水奖和李光耀 (Lee Kuan Yew)水奖获得者。荷兰科学和艺术院院士,美国工程院院士。】

Daigger G.T. 【密西根大学土木与环境工程系教授 ,美国工程院院士 ,国际水协 (IWA)和美国水环境联盟 (WEF)前主席】

摘要:近几十年来, 中国在城市卫生方面取得了显著进展,拥有了世界上最大的废水处理能力, 法律要求的全国范围营养物去除。然而, 由于污水高细无机悬浮固体 (ISS) 浓度、低COD和C/N 比, 我国废水处理存在低效率能量回收、高成本营养物去除、高污泥产量等问题。本研究重点揭示了城市污水处理厂污水特性与工艺性能之间的因果关系。显然需要根据我国废水独特的污水特性制定城市污水处理 (WWT) 设计和运营综合指南. 本文介绍了在制定指南之前, 一些潜在的能够显著提高城市污水处理系统的效率和可持续性措施和解决方案。

【延期通知】2020年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会同期召开中国无废城市建设及固废资源化利用大会延期举办的通知

《中国给水排水》杂志社2020年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会(第十一届)同期召开中国无废城市建设及固废资源化利用可持续高质量发展大会邀请函(请提前报名,限1000人)

时间延期至疫情后(因新冠肺炎疫情影响,会议延期至疫情结束后召开,新的具体召开日期另行通知)

地点:西安香格里拉大酒店(会场酒店)

酒店地址陕西省西安市雁塔区科技路38号乙

《中国给水排水》杂志社
普拉克环保系统
(北京)有限公司

国家环境保护污泥处理处置与资源化工程技术中心(生态环境部下属)

中国水业网(www.water8848.com

同济大学环境科学与工程学院、台湾交通大学、清华大学环境学院、哈尔滨工业大学环境学院、上海交通大学环境科学与工程学院、天津大学环境科学与工程学院、浙江大学地球科学学院、中国科学院城市环境研究所、北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室、 中—荷污水处理技术研发中心、东北大学、沈阳建筑大学、中国科学院地理科学与资源研究所

支持媒体:《中国给水排水》杂志、中国水业网(www.water8848.com )、 中国环保在线、《环境卫生工程》杂志、中国给水排水杂志网站http://www.cnww1985.com)、中国水网、慧聪水工业网、水世界-中国城镇水网、必高环保人才网、亚洲环保杂志 、水处理技术杂志等.

为了进一步提高我国污泥处理处置技术水平,了解国内外污泥处理处置的现状、前景与发展趋势,切实达到污泥无害化、减量化、稳定化、资源化的要求,避免由此引起的二次污染,《中国给水排水》杂志社联合西安水务(集团)有限责任公司、西安水务(集团)生物质能源发展有限公司、德国施维英机械有限公司、天津创业环保集团股份有限公司、苏伊士新创建有限公司、普拉克环保系统(北京)有限公司、 广东芬尼克兹节能设备有限公司、广东派沃新能源科技有限公司、

附件:2019年的部分技术报告:

作者:曹业始,Daigger G.T.

3、设计单位、工程总承包公司:中国市政工程华北设计研究总院、中国市政工程西北设计研究院、北京市市政工程设计研究总院、中国市政工程中南设计研究院、中国市政工程东北设计研究院、中国市政工程西南南设计研究院、上海市政工程设计研究总院、天津市市政工程设计研究院、上海市城市建设设计研究总院(集团)、广州市市政工程设计研究总院、同济大学设计院、天津大学设计院、中国能源建设集团、中国铁道科学研究院、湖南省建筑设计院有限公司、深圳中铁二局工程有限公司、太原市市政工程设计研究院、河南省城乡规划设计研究总院、中国市政工程华北设计研究总院有限公司昆明分公司、福州城建设计研究院有限公司、镇江市规划设计研究院、同济大学建筑设计研究院(集团)、武汉市勘察设计有限公司、浙江省工业设计研究院、浙江省环科院、中国航空规划设计研究总院有限公司、河南省建筑设计研究院有限公司、福州市规划设计研究院、辽宁城建设计院、北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院、中设设计集团、山东省阳光工程设计院、光大环保技术研究院、中船第九设计研究院工程有限公司、北京京城环保股份有限公司、华陆工程科技有限责任公司 (化学工业部第六设计院)、中国联合工程有限公司、南京市市政设计院、净化集团(玉环)给排水设计研究院有限公司、山东省环科院、青岛市市政工程设计研究院、华锦建设集团股份有限公司、中建铁路投资建设集团有限公司、中国电建集团装备研究院有限公司、中化商务有限公司、中国联合工程有限公司、天津市水利科学研究院、北京市水科学技术研究院、武汉市给排水工程设计院、常德市市政建设有限责任公司、大唐环境产业集团股份有限公司、辽宁省市政工程设计研究院有限责任公司、南京市给排水工程设计院、北京京城环保股份有限公司、机科发展科技股份有限公司、同方环境股份有限公司、中节能工程技术研究院、四川蓉信开工程设计有限公司 等。

4、高校(研究院所): 清华大学、台湾交通大学、中国科学院、同济大学、天津大学、中国人民大学、哈尔滨工业大学、中国科学院、重庆大学、北京工业大学、北京交通大学、北京建筑大学、河北农业大学城乡建设学院、江南大学 、武汉科技大学、华中科技大学、香港科大、上海大学、太原理工大学、太原学院、斯坦福大学 威廉与克罗伊•科第伽资源回收研究中心、中国科学院过程工程研究所、南京河海环境研究院、宁波诺丁汉大学、北京交通大学、中原工学院、浙江工商大学、 河北工程大学、福建师范大学、吉林建筑大学、中南大学、江苏大学、中国科学院生态环境研究中心、苏州科技大学、西安理工大学、浙江工业大学、吉林化工学院、大连理工大学、中国科学院成都生物研究所、华东理工大学、韩国庆北国立大学、浙江大学热能所、宁波诺丁汉大学、中国石油大学(北京)克拉玛依校区等。

5、各地水务、环保、污泥投资建设运营单位:天津创业环保集团、北控水务集团、北京城市排水集团、北京首创、北京碧水源、启迪桑德、天津水务集团、成都市兴蓉环境、安徽国祯环保、深圳市水务(集团)、上海城投水务、重庆水务集团、东莞市水务投资、广州市水务投资集团、南京水务集团、杭州市水务集团、武汉市水务集团、沈阳水务集团、厦门水务集团、珠海水务集团、山东水务发展集团、青岛水务集团、济南水务集团、上海巴安水务、中环保水务投资、昆明滇池水务、云南水务、中国水务集团、中国水务投资、粤海水务、威立雅水务、苏伊士环境集团、中法水务投资、中国光大水务、贵州水务、海口市水务、华衍水务、天津华博水务、中环水务集团、成都排水、首创爱华市政环境、重庆康达环保、江苏长江水务、铁汉生态环境、沈阳振兴环保、大连德泰小窑湾污水处理有限公司、成都自来水公司、中美绿色投资管理有限公司、 信开水环境投资有限公司、重庆康达环保产业(集团)、中持水务、江苏大禹水务股份有限公司、银泰达环保集团有限公司、陕西环保集团、济宁中山公用水务有限公司、济南市西区污水处理厂、常州市金坛区城市污水处理有限公司、上海南汇自来水公司、包头排水公司、中山公用水务、镇江市水业总公司、国电东北环保产业集团、苏州工业园区中法环境技术有限公司、南京中电环保固废资源有限公司、启迪桑德环境资源股份有限公司、上海国惠环保科技集团有限公司、重庆市环卫集团、湖南军信环保集团、大连德泰控股有限公司、福建海峡环保集团股份有限公司、广州市花都净水有限公司、国电东北环保产业集团有限公司、福州市水务投资发展有限公司、首都机场动力公司、济宁中山水务公司、山东公用控股污水公司、湖南新晃污水厂、重庆渝水环保科技有限公司、浙江建投环保工程有限公司、北京城市排水集团研发中心、中海油节能环保服务有限公司、昆明滇池投资有限责任公司、东营市财金水务有限责任公司、昆明通用水务公司、合肥热电集团、瀚蓝绿电固废处理(佛山)有限公司、郑州市污水净化有限公司、北京首创污泥处置技术有限公司、天津生态城市政景观有限公司、金州水务集团股份有限公司、泰州城北污水处理厂、长沙市联泰水质净化有限公司等。

6、环保、生态环境、污水、污泥处理处置技术和设备工程公司等。成都德菲环境工程有限公司、深圳瑞新达新能源科技有限公司、东莞市凯威尔环保材料有限公司、湖南北控威保特环境科技股份有限公司、可徕卡(上海)环境科技有限公司、蒂蔼欧环保科技发展(上海)有限公司、天津管得通环保科技有限公司、常州帕斯菲克自动化技术股份有限公司、湖北华耀生物科技有限公司、河南宜居环境建设有限公司、宇星科技发展(深圳)有限公司、无锡通源环保技术工程有限公司、宁波鸿环土工材料有限公司、湖南鼎玖能源环境科技股份有限公司、中大万邦(厦门)有机质科技有限公司 、安德里茨(中国)有限公司、广东派沃新能源科技有限公司、郑州国研环保科技有限公司、河南爱尔福克化学股份有限公司、上海在伊环保科技有限公司、杭州水管家环保技术有限责任公司、安德里茨(中国)有限公司、Prof. Numrich GEV 、大连青乌环保、江苏优联环境发展有限公司、科尼兹环保科技(大连)有限公司、北排建设、吉林省拓达环保、苏州四方特种滤布、 无锡国联环保科技股份有限公司、河南百川畅银环保能源股份有限公司、新乡仲德能源科技有限公司、 安阳艾尔旺新能源环境、成都中科能源环保有限公司、上海环保工程成套有限公司、科蓝博(北京)环境技术有限公司、石垣环境机械(苏州)有限公司、上海美伽水处理技术有限公司、上海力洁环保科技有限公司、维美德自动化公司、德国 Prof. Numrich GEV 、昆山威胜达环保设备有限公司、辽宁裕嘉和盛环保科技有限公司、安徽国祯环保节能科技股份有限公司、合肥中安清源环保科技有限公司、奥图泰、菱重环环境技术、中国船舶重工集团公司第七一一研究所、河南光宇鸿恺电子、普茨迈斯特、艾特克控股集团、陕西先科环境、帕克环保技术、山东省环保产业股份有限公司、成都龙之泉科技股份有限公司、天津凯英科技发展、上海莱韦环保科技有限公司、上海泰誉环境科技有限公司、广州市百明汇照明科技有限公司、无锡爱姆迪环保科技有限公司、神美科技有限公司、上海同化新材料科技有限公司、山东华利环保工程有限公司、南京万德斯环保科技股份有限公司、福建创源环保有限公司、江苏东邦机械有限公司、北京华瑞朗斯水资源科技有限公司、株洲时代新材料科技股份有限公司、湖北加德科技股份有限公司、上海康识食品科技有限公司、天津凯英科技发展股份有限公司、索理思(巴斯夫)、广东天凯环保有限公司、上海贡境环境科技有限公司、江苏宝联气体有限公司、航天晨光股份有限公司、浙江天源环保科技股份有限公司、常州天兴环保科技有限公司、贝卡特环境技术(北京)有限公司、大连迈克环境科技工程有限公司、九洲环境科技(天津)有限公司、聚光科技(杭州)股份有限公司、浙江卓锦环保科技股份有限公司、广州凯能电器科技有限公司、天府重工有限公司、徐州三原环境工程有限公司、上海华严检测技术有限公司、北京清源华建环境科技有限公司、广东芬蓝环境科技有限公司、宁波甬和环保科技公司、格兰富(上海)公司、青岛金海晟环保科技公司、浙江三联环保科技公司、南京万德斯环保科技公司、青岛思普润环保科技公司、爱森絮凝剂中国公司、山东中科恒源环保公司、江苏康泰环保科技公司、山东恒远利废环保公司、深圳深能环保上洋公司、扬州四启环保设备有限公司、烟台桑尼核星环保设备有限公司、国美水技术公司、山东创业环保科技发展有限公司、太原正阳环境工程有限公司、大连海川博创环保科技有限公司、江苏博一环保科技有限公司、上海和惠生态环境科技有限公司、重庆金瑞图环保科技有限公司、香港侨邦国际有限公司、 上海环信环境工程有限公司、中铝山东有限公司、华章科技、杭州楚天科技有限公司、常熟市德润智慧能源有限公司、重庆泽正、九洲环境科技(天津)有限公司、爱森(中国)絮凝剂有限公司、浙江卓锦环保科技股份有限公司、徐州巨旋重型机械有限公司、厦门曙光伟业环保工程有限公司、徐州格雷安环保设备有限公司、四川宏佳蚓生物科技有限公司、菱重环环境技术服务(北京)有限公司、湖南奇思环保设备制造有限公司、宁波格林兰生物质能源开发有限公司、杰瑞环保科技有限公司、山东蔚蓝生物科技有限公司、江苏富淼科技股份有限公司、上海中发环保(集团)有限公司、桐乡市小老板特种塑料制品有限公司、三川德青科技有限公司、河北瑞诺环保科技有限公司、郑州柳成行垃圾处理工程有限公司、广东新环环保产业集团有限公司、深圳华净环境科技有限公司、青岛软控海科环保有限公司、徐州矿源环保科技有限公司、等。

普通参会人员(设计院、水务公司、政府部门)为2300元/人(含会务、资料、场地、用餐、参观考察等费用,不含住宿费);2020年3月18日前返回参会回执并汇款的普通参会人员为2000元/人;设备工程技术企业参会人员为2900元/人;2020年3月18日前返回参会回执并汇款的设备厂家参会人员为2600元/人。现场不能刷卡交会议费。注:需要现场或者提前领到发票的参会代表,请提前将会务费汇款到杂志社。会议费现场只能收现金,不能刷卡。

酒店房间紧张,请提前回执、预订房间并付款。请3月18日前联系中国给水排水杂志社的 金晟18622273726, 办理预定房间手续,请将预定住房费用汇款至:金晟6217 9002 0000 4602 885 中国银行天津分行;汇款时请注明入住参会代表姓名及单位名称,入住香格里拉酒店的代表需提前支付实际住宿天数房费,入住蓝溪国际酒店的代表需提前支付首晚住宿房费。 广东芬尼克兹节能设备有限公司广东派沃新能源科技有限公司

同济大学环境科学与工程学院、台湾交通大学、清华大学环境学院、哈尔滨工业大学环境学院、上海交通大学环境科学与工程学院、天津大学环境科学与工程学院、浙江大学地球科学学院、中国科学院城市环境研究所、东北大学、沈阳建筑大学、浙江工业大学、中国科学院地理科学与资源研究所

支持媒体:《中国给水排水》杂志、中国水业网( www.water8848.com )、《环境卫生工程》杂志、中国给水排水杂志网站、中国水网、慧聪水工业网、水世界-中国城镇水网、必高环保人才网、亚洲环保杂志 、水处理技术杂志等。

附件:(部分报告)

题 目1:城市静脉产业构建(固废资源化会场)

题 目2污泥处理处置的后发优势(污泥会场)

题 目:城市污水厂干化污泥协同餐厨垃圾生物转.化研究

报告人:同济大学环境学院联合国环境署环境与可持续发展学院李风亭教授副院长

目:污水厂COD衡算和用以分析污泥产率和能源回收 1(报告人), Helmut Kroiss2,Glen T. Daigger31:国际水协会士(IWA Fellow),中持新概念环境发展宜兴有限公司首席工艺师,新加坡PUB前首席专家 2Helmut Kroiss:教授, 水质、资源和废物管理研究所, 维也纳技术大学,欧洲科学与艺术院院士 3Glen T. Daigger:教授, 土木与环境工程系, 美国密歇根大学,美国工程院院士,中国工程院外籍院士 摘要演讲介绍了在欧美部分地区用于污水处理厂定量管理和”对标比较”的工具: 污水处理厂质量流,平衡. 包括原理,步骤和采用该工具带来的益处. 並比较了传统的城市污水处理和目前普遍的省略初沉和厌氧消化的工艺过程污泥产量和能源回收的差异。

目:生物质炭增强污泥稳定化过程及温室气体减排效应报告人:同济大学环境科学与工程学院杨长明教授

报告人:北京建筑大学郝晓地教授 ( 郝晓地,男,山西柳林人,教授,从事市政与环境工程专业教学与科研工作,主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术、污水处理数学模拟技术、可持续环境生物技术。现为国际水协期刊《WaterResearch》区域主编(Editor))

报告人:哈尔滨工业大学许国仁教授国家“万人计划”专家

许国仁教授国内外学术组织及学术期刊任职:Water Science & Technology Editor, Water Supply Editor;国际水协(IWA)小规模水和废水专家委员会 副主席;国际水协(IWA)污泥专家委员会 秘书长;国家标准化委员会(ISO)污泥专业委员会工作组专家;

报告人:武汉理工大学桑稳姣市政工程系副主任,副教授

桑稳姣工学博士,硕士生导师,民盟成员。现任武汉理工大学土木工程与建筑学院市政工程系副主任,副教授,民盟湖北省委科技工作委员会委员,民盟武汉理工大学委员会第一支部主委,国际水协会员,湖北省公共资源交易平台专家。

题 目:污泥处理处置技术探讨及工程案例分享

目:破解城镇污泥处置难题--威立雅污泥处置解决方案及案例介绍

报告人:威立雅水务工程(北京)有限公司王维燕污泥市场拓展经理

报告人:广东省建筑设计研究院李骏飞副总工程师/广东省勘察设计大师

题 目:市政污泥处理处置系统解决方案及工程化应用

报告人:吴伟祥--博士,教授,博导,研究方向“废物处理处置资源化”。浙江省杰出青年基金项目获得者,2007年入选国家教育部新世纪优秀人才支持计划。2010年入选“浙江省新世纪151人才工程”培养计划。现担任浙江大学环境保护研究所所长 浙江大学环资学院固废研究中心主任

题 目城市污泥热解炭化产业化应用及发展趋势

题 目微塑料汚染对汚泥处理与管理的新挑战报告人:吴唯民斯坦福大学土木与环境工程系高级研究员Challenge of Emerging Pollution of Microplastics to Sludge Treatment and Management Dr. Wei-Min Wu, Senior Researcher, Department of Civil & Environmental Engineering, Stanford University

题 目It is now possible to give water industry waste residuals a second life 赋予自来水厂污泥“第二次生命” 报告人: Yaqian Zhao (赵亚乾) (Xi’an University of Technology/University College Dublin) (西安理工大学/爱尔兰都柏林大学) 国际水协会会士(FIWA) 陕西省”百人计划”特聘教授 甘肃省”飞天学者”讲座教授 Water Science & Technology副主编

普通参会人员(设计院、水务公司、政府部门)为2300元/人(含会务、资料、场地、用餐、参观考察等费用,不含住宿费);2020年3月18日前返回参会回执并汇款的普通参会人员为2000元/人;设备工程技术企业参会人员为2900元/人;2020年3月18日前返回参会回执并汇款的设备厂家参会人员为2600元/人。现场不能刷卡交会议费。注:需要现场或者提前领到发票的参会代表,请提前将会务费汇款到杂志社。会议费现场只能收现金,不能刷卡。

共创、共生、共赢-- -- 鼎力打造中国给水排水核心技术品牌生态圈

下水道系统的渗漏及其对水体黑臭和污水处理厂运行的影响 报告人:曹业始--新加坡公用事业局(PUB)前首席专家,国际水协会会士

原创:曹业始water8848

下水道系统的渗漏及其对水体黑臭和污水处理厂运行的影响 报告人:曹业始--新加坡公用事业局(PUB)前首席专家,国际水协会会士(IWA Fellow), 国际水协会营养物去除和回用专家领导小组成员,世界银行环境顾问

下水道系统的渗漏及其对水体黑臭和污水处理厂运行的影响

介绍

中国在解决水污染问题上付出了巨大的努力并取得重大成就:总处理能力在2016年达到了 1 7.6亿 m3/d ( 1 CUWA, 2017), 是世界上第一( 1 CUWA, 2017)。然而,消除 "黑臭水体" 仍然是具有挑战性的任务, 同时许多污水处理厂面临着由于异常低进水COD浓度(表 1) 和低COD/N 比 (表 2), 外部加碳去除营养物和低效率能量回收等形成操作成本的增加。在许多因素中, 下水道渗漏 (包括外渗和流入) 对改善水环境质量和污水处理厂运行起着中心作用 (张悦, 2017; 1 唐建国, 2017).但定量和整体性研究仍不多。本研究的目的是: 1.建立一种对下水道系统污水、COD、N、P 质量负荷渗透百分率和生物COD 去除率简便的计算方法.五例[中国(排除香港、澳门和台湾)、上海、广州、天津、北京,四个城市具有处理能力≥ 100 000 m3/d 的污水处理厂]被用作量化分析;2. 探讨污水渗漏与水环境以及城市污水处理厂性能和运行的关系;3. 据此提出相应建议。

目:下水道系统的渗 及其对水体黑臭和污水处理厂运行的影响

目:污水处理厂审计物流与能源效率

报告人:曹业始--新加坡公用事业局(PUB)前首席专家,国际水协会会士(IWA Fellow), 国际水协会营养物去除和回用专家领导小组成员,世界银行环境顾问

下水道系统的渗漏及其对水体黑臭和污水处理厂运行的影响

(详细摘要)

介绍

中国在解决水污染问题上付出了巨大的努力并取得重大成就:总处理能力在2016年达到了 1 7.6亿 m3/d ( 1 CUWA, 2017), 是世界上第一 ( 1 CUWA, 2017)。然而,消除 "黑臭水体" 仍然是具有挑战性的任务, 同时许多污水处理厂面临着由于异常低进水COD浓度(表 1) 和低COD/N 比 (表 2), 外部加碳去除营养物和低效率能量回收等形成操作成本的增加。在许多因素中, 下水道渗漏 (包括外渗和流入) 对改善水环境质量和污水处理厂运行起着中心作用 (张悦, 2017; 1 唐建国, 2017).但定量和整体性研究仍不多。本研究的目的是: 1.建立一种对下水道系统污水、COD、N、P 质量负荷渗透百分率和生物 COD 去除率简便的计算方法.五例[中国(排除香港、澳门和台湾)、上海、广州、天津、北京,四个城市具有处理能力≥ 100 000 m3/d 的污水处理厂]被用作量化分析;2. 探讨污水渗漏与水环境以及城市污水处理厂性能和运行的关系;3. 据此提出相应建议。

方法和方法

图1说明了污水下水道系统的渗漏的概念和在本研究中采用的方法。新加坡的个人(民用)用水量、COD、氮、磷的个人负荷 (PLs)被用作参考值: 0.176 m3/日.个人, 9.7 克氮/日.个人, 1.0 克磷/日.个人。70% 的新加坡个人负荷被采纳作为研究整个中国参考值, 而100% 新加坡个人负荷为用于四个城市研究。分别从 2 CUWA (2017) 和 1 CUWA (2017)计算中国在污水处理厂的进入地点个人(民用)用水量、COD、氮、磷的个人负荷 (PLs)值。假设氮、磷为保守化合物,以COD的 渗透百分率与氮、磷的外渗透平均百分率差计算生物COD去除率。

结果

污水渗漏呈现很高百分率: 39% 的外渗漏(中国) 和48% 的内渗漏 (天津) (表 3).COD 的外渗漏百分率在 17% (北京) 和 66% (中国) 之间 (图 2), 平均为44%. N 和 P 的外渗漏百分率平均值分别为21.5% 和23.2%。生物 COD 去除率的平均分数至少为24%。大量外渗漏的污水、氮和磷污染了地下水和河流,并形成扩散源而难以控制(Metcalf and Eddy, 2004 ), 往往是造成"黑色和恶臭水体’’主要原因.外渗漏污水中的硫酸盐、氯化物和氮化合物可以再渗入受损的下水道系统 (Eiswirth和Hotzl, 2004)。高COD生物去除率意味着COD用于还原地下水中硝酸盐的可能性 (Nielson, et, 1991;Talib 等, 2002;van Loosdrecht, 2018),消耗的 COD和有氧异养转化消耗的 COD数量级相同(Huisman等, 2004).广泛存在于中国地下水硝酸盐已被证明 (Gu etc., 2013; Hanetc., 2013).低碳/氮比率的另一个可能因素是排放系统中化粪池溢出含有更少 COD(Kroiss, 2018; Daigger, 2018).

下水道系统高COD生物去除率对低进水COD/N (五例:7.7 - 8.8 之间,新加坡:11.3) (表 2) 和在许多市政污水处理厂测得低进水 VSS/TSS 比率(30% -60%) (戴晓虎, 2017;郑兴灿, 2017;吉芳英, 2017;吴远远, 2018) 表明固体的生物降解性较差 (Henzeetc,, 2002)。后者由于渗透细砂和黏土与直径 200µm (吉芳英, 2017)变的更糟。进水碳的短缺和生物降解性差和法定的营养物排放要求构成了在许多污水处理厂中省略主沉淀池,外部加碳和低百分比 (« 10%)厌氧消化池用于能量回收在中国 (戴晓虎, 2017)的主要原因。

在许多污水处理厂活性污泥池中惰性细颗粒降低了混合液的 VSS/MLSS 比率(30% - 50%, (郑兴灿, 2017; 吉芳英, 2017; 李激, 2018) 与正常范围的70% - 80% (Henze等, 2002) 相比, 活性污泥罐和厌氧消化池要求额外的反应器容积(Daigger, 2014)。同时在反应器沉降的惰性固体减少了有效的反应器容量 (吉芳英, 2017)。厌氧消化池污泥低 COD进料负荷和高惰性无机含量导致低沼气产量 (吉芳英, 2017),高污泥产量。

建議

五例分析结果表明总的来说下水道系统渗漏严重.渗漏污染地下水, 与"黑臭水体"密切相关;同时导致废水处理厂操作偏离可持续发展性. 因此恢复下水道系统的完整性以消除渗透有助从根本上解决以上两个问题,是当前实现综合和可持续水和实现城市水循环闭环管理的一项紧迫任务。为此, 主要建議如下:

§ 对目前下水道 (和部分雨水集体系统) 的渗漏进行全国范围的调查。

§ 研究在当地条件下,渗漏对水环境和 "黑臭味水体" 的影响;

§ 研究渗水/河水与污水、化粪池在下水道中的相互作用及对生物 COD 去除的影响, 以提高污水处理厂的进水COD浓度;

§ 根据成本效益分析, 制定任务清单,替代方案和优先考虑,经济高效制定破损下水道系统修复工作计划并付诸实行。

§ 实施下水道系统、污水处理厂和接收水体进行一体化管理.

§ 评估现有现有的单元和过程(和新开发的除砂/粘土微粒去除装置)的效率,

§ 进行在当地条件下,原污水COD的成分特性研究,特别是在惰性固体COD含量;

§ 研发在目前的进水特性条件下,各个单元/过程设计和以一体化的方式设计污水处理厂的基本原理准则,并制定升级和重建设计指南.

参考文件 (省略)

Appendix: Tables and Figures

Table 2Characteristics of influent municipal sewage of municipal WWTPs in China and Singapore (in mg/L)

 

COD

BOD

SS

TN

NH 4 -N

TP

China

267

111

182

34

25

3.8

Shanghai

280

138

158

32

24

4.1

Guangzhou

181

92

186

24

19

3.5

Tianjin

470

202

242

59

43

5.9

Beijing

513

225

289

56

38

6.7

Singapore

565

325

296

50

38

6.5

Table 2The ratios of organic carbon and nitrogen of the sewages of China, four cities and Singapore

Ratio

China

Shanghai

Guangzhou

Tianjin

Beijing

Singapore

COD/BOD5

2.4

2.0

2.0

2.2

2.3

1.8

COD/TN

7.7

8.7

7.5

8.0

8.8

11.3

BOD5/TN

3.3

4.4

3.8

3.6

4.0

7.6

Table 3Person Loads of water consumtion, treated, COD and exfiltration fractions estimated

 

PL of water consumption*

m3/cap.d

PLin of water treated**

m3/cap.d

Per. PL of water in- or ex- filtrated

%

PLin of COD in

inf. WWTPs

g COD /cap.d

PL of COD

disappeared

g COD/cap.d

Per. PL of COD

Disappeared,

%

China

0.168

0.103

39***

28

56

66

Shanghai

0.223

0.252

13

71

50

41

Guangzhou

0.246

0.277

13

50

71

59

Tianjin

0.109

0.162

48

76

45

37

Beijing

NA

0.194

`NA

100

21

17

Singapore

0.176

0.196

10

110

11

10

* 2 中国供水和污水处理协会(2017), ** 1 中国供水和污水处理协会(2017), *** - exfiltration

Fig. 2COD fate in the sewer systems of China, Shanghai, Guangzhou, Tianjin and Beijing

下水道系统渗漏对黑臭水体和污水厂运行的影响:北京、上海、广州、新加坡四地的对比分析研究

来源 :IWAIWA国际水协会

中国在水污染治理问题上已经取得了显著的进步。中国住房和城乡建设部2018年第二季度全国城镇污水处理设施建设运行情况通报显示,截至2018年6月底,全国设市城市、县(以下简称城镇,不含其它建制镇)累计建成污水处理厂3,802座,污水处理能力达1.61亿立方米/日,成为全世界单日污水处理量最大的国家。然而,消除黑臭水体依然是巨大挑战,同时中国污水厂面对日益严格的排放标准,也有很多问题尚待解决,其中一大问题是进水COD往往异常的低。中国城镇供水排水协会(CUWA)2017年发布的数据显示,市政污水厂的进水COD平均值仅为267mg/L,南方地区的一些污水厂COD甚至低于100mg/L,而欧洲污水厂的进水COD一般在400-1,000mg/L。

表1. 中国各地区污水厂进水水质和新加坡的对比(单位:mg/L)

中国大多数城市污水厂进水COD的C/N为7.5-8.8,属于中等偏低的水平,而且有大量惰性固体组分。为了保留更多碳源用于脱氮除磷,许多污水厂都略去初沉池,而且有厌氧消化工艺的污水厂占比不到10%,因此大部分污水厂都要通过外加碳源满足一级A的总氮标准(TN<10mg/L)。

进水COD浓度低也可能是由于污水管网存在渗漏问题,包括了外渗和内渗。黑臭水体问题很大程度跟管网渗漏有关。专家认为,要解决黑臭水体问题,先要解决污水厂进水低浓度的问题,并且要对管网渗漏情况进行量化。国内外水务专家就此进行了联合研究,目的是开发出一套简易的量化方法,探讨管网渗漏对黑臭水体和污水厂运行的影响,最后提出相关建议。专家团包括新加坡PUB前首席专家的曹业始博士、荷兰TU Delft的Mark van Loosdrecht教授,国际水协会前主席Helmut Kroiss教授和Glen Daigger教授、上海城市建设设计研究总院总工唐建国、中国水协排水委员会杨向平 主任、甘一萍 秘书长、江南大学李激教授、中国土木工程学会水工业分会张悦 理事长等。他们的报告发表在国际水协会的期刊《Water Science & Technology》上。

研究方法

研究人员将污水厂进水的氮磷浓度分解为三个来源,第一是人们日常生活用水产生的负荷,第二是污水管网的内渗和外渗,第三是少量进入管网的工业废水。此外,还有部分污水在管网里发生生物降解,这都会影响进水COD的浓度。

图1. 污水下水道的内渗外渗过程示意图

研究团队首先以新加坡为例,计算人均污水负荷值。结果显示,新加坡的人均用水量为200L/天,假设内渗率约10%(旱天),没有外渗现象,COD在管网的降解率为10%,可以算得COD、氮和磷的个人负荷人别为121、9.7、1.0g/人/天。这些数值和奥地利、德国等欧洲国家几乎一模一样。

初步计算反映了中国污水管网存在严重的渗漏问题。在这次研究里,他们专门考察了北京、上海和广州的情况,并和新加坡进行对比。下表是人均用水和渗漏对比的概况,统计的都是处理量在10万m³/天以上的污水厂。

表2. 人均用水、处理率和渗漏率的对比

表3.污水厂进水氮、磷和外渗情况的对比

渗漏对水环境的影响

上表2统计显示,中国污水管网的整体外渗率达39%,考虑到南方水位较高,他们认为外渗情况主要发生在北方,而南方以内渗为主,致使进水浓度便低。但总的来说,这些外渗的COD和氮磷进入地下水或者地表水,导致黑臭水体的形成。这种扩散污染很难控制,而且其中形成的硫化物、硝酸盐或亚硝酸盐会进一步消耗可降解的COD。

图2. 管网系统的COD去向统计

另外,数据显示上海污水厂COD的惰性颗粒组分超过30%,欧洲只为8-20%,VSS/SS比范围在30-60%之间,低于欧洲的70%。具体参数见下表4。

表4

作者认为,上述结果说明合理设计和运行下水道系统,对于保护水生环境、消除黑臭水体,以及确保污水厂可持续运行至关重要。北京的案例证明了“厂网一体化”管理策略的有效性。最近住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019—2021年)》对下水道的修复技术做出了指示,应该能加快污水管网系统的修复和完善。

对污水厂运行的影响

管网的渗漏问题使污水厂的运行表现偏离其设计能力。下水道系统的COD生物去除率高,使得进水COD/N比值偏低,平均在7.7-8.8之间,低于新加坡的11.2(表 4)。许多污水厂测得的进水VSS/TSS比率很低,约为30-60%,这表明固体的生物降解性较差。这是由于内渗引入的许多细砂和黏土(直径小于200µm)造成的,这些物质来自土地开发和城市化发展。进水碳源短缺、生物降解性差,为了满足氮磷的出水要求,必须外加碳源才能达标排放。这些细砂也占据了活性污泥池和厌氧消化管的空间,降低了处理效率和沼气产量。作者认为目前移除初沉池和厌氧污泥消化的常规做法过于简单,管理者需要根据当地具体情况,对污水厂运行进行优化。

七点建议

研究团队的比较分析方法对中国下水道管网的渗漏进行了初步量化,总的来说40%的水量流失和50%的COD和氮磷外渗量十分惊人。这也反应了管网问题确实和黑臭水体密切相关,同时也降低了污水处理厂的运行效率。他们指出,修复下水道管网的完整性,消除渗漏问题,能帮助中国从根本上解决黑臭水体的问题,实现城市可持续水管理的目标。对于日后应该采取怎样的措施,作者们列出了以下七点建议:

有四点建议是关于对管网渗漏调查的优化

1. 开展全国范围的调查,评估对目前下水道 (以及部分雨水系统) 的渗漏情况。要达到量化的目的,调查要考虑旱天和雨天天气、时间/空间条件的变化情况(例如一年里地下水位的变化),这样有助了解表面现象背后的复杂机制;

2. 研究在当地条件下,渗漏对水环境和黑臭水体的影响;

3. 研究内渗地下水/河水与污水的相互作用、以及外渗污水和地下水/河水的相互作用,以及这些相互关系对水环境和COD在管网里的生物降解的影响;

4. 根据成本效益分析, 制定任务清单和替代方案,并列明优先级,最终制定下水道系统的修复计划,并予以执行。

另外三点建议是关于如何在现有进水水质条件下改善污水厂的运行表现:

5. 结合当地情况,评估当前污水水质,尤其是可生物降解和惰性固体的组成比,因为了解进水特性是污水厂设计和运行必不可少的首要任务。

6. 评估现有工艺单元的运行效率,特别是沉砂池和生物处理单元。分析并确定对污水厂进行升级或改造会遇到的瓶颈问题。

7. 根据目前的进水特性,对各单元/工艺开发一套合理的、一体化的设计指南,尤其是那些渗漏情况严重的地区。

参考资料

The leakage of sewer systems and the impact on the black and odorous water bodies’ and WWTPs in ChinaY. S. Cao, J. G. Tang, M. Henze, X. P. Yang, Y. P. Gan, J. Li, H. Kroiss, M. C. M. van Loosdrecht, Y. Zhang and G. T. Daigger, Water Science and Technology, Volume 79, Issue 2,Feb 2019

doi: 10.2166/wst.2019.051

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