曹業始：污水稀釋倍數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環境學院聯合舉辦的“2022城鎮溢流污染控制高峰論壇”上，中持新概念環境發展宜興有限公司總工藝師、新加坡PUB (公用事業局，國家水管理機構)前首席專家曹業始博士，以《污水稀釋倍數和污水廠處理量確定污染物溢流排放負荷》為題，分享了一個國內外專家組織近幾年在中國城市污水系統提質增效研究項目的階段性成果。
曹業始在新加坡從事多年水業應用研究工作，在論壇上，他介紹了專家組開發的市政污水系統簡化模型，包括外水入侵在合流制和分流制管網系統數據，并將國內和歐洲一些國家的污水廠處理量與同一服務區內用水量和由此導致的溢流負荷情況做了對比，指出國內需要制定因地制宜、具有成本效益的改善城市污水系統效能和城市水環境的系統規劃。
提高污水系統性能：四大因素來擔當
污水系統的效率在城市水環境保護中發揮著關鍵作用，在考慮提高污水管網污染物（如 ＣＯＤ ）濃度和污水處理廠效率時，應同時關注污染物溢流排放負荷對受納水體水質的影響。他們的研究表明，污水管網外來水入侵、管網污水收集率、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性能和效率。從某種意義上來說，研究污水系統的改進和優化就是探索和發現四個因素的因地制宜的最佳組合。應用四個因素，可以定量化描述一個城市的污水系統，包括供水、污水管網、污水處理廠和受納水體的狀況以及下一步如何實現三部一委要求到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，系統包括市政用水、污水系統收集和運輸、污水處理廠、溢流排放和受納水體。應用質量平衡原理，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，假設服務區內很少的制造業（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，計算結果為在穩態條件下獲得。
表1匯總了相關定義、數據來源和計算公式。假設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收集量。稀釋倍數是表示外來水侵入程度的重要參數，根據定義，當沒有外來水時，稀釋倍數是1。污水處理廠處理量比定義為污水廠處理量與污水管網服務區用水量的比（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，德國的一套數據顯示合流制的平均稀釋倍數是4，即管網中原污水的比例占25%，意味著如果管網中有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是1.8，意味著管網中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%，最近報道國內的分流制管網超過80%。從稀釋倍數上來說，最好的分流制管網稀釋倍數能做到1.4（德國北部）。丹麥和芬蘭平均的稀釋倍數在1.7-2范圍。意味著10萬噸管網中的水，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。現在歐洲每年都在花錢修管網。從某種程度上說老管網中的污水有一半是原污水，可算及格。當然由于國內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，盡管稀釋倍數相當。
圖2展示了人均日綜合用水量稀釋倍數與污水廠進水COD濃度的關系。西歐和北歐COD濃度是400-700 mg/l（當量區間），我們COD濃度100-500 mg/l。人均綜合用水量是可從水務公司查到的，污水廠進水COD濃度也是可以查到的，據圖2即可找到管網污水稀釋倍數，根據圖2，當倍數是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質量與管理水平，國內污水管網系統較高的外來水是管網污水COD低濃度的主要因素之一，也是導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據，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，國內這兩年經過大規模的城市污水系統改造，有的城市污清比有了增加。2021年《室外排水設計標準》(GB50014- 2021)已增加了與污水處理廠流量相關系數值, 并要求在分流制管網和污水處理廠設計中考慮包括雨水在內的外來水因素。
表5呈現了西北歐四個國家的污水廠污清比數據，荷蘭污清比是2.1，瑞典幾個大的污水廠是2.8，德國公共設施的供水量是51億立方米；公共設施污水處理量是101億，實際上污清比值約為2。丹麥水協會每年都會發表報告，污水廠進水量同一個地區賣出來的水量平均值是3（相當污清比約等于3）。
表6呈現了污水廠污清比、污水稀釋倍數和污染物溢流負荷之間的定量關系。黃色區域代表國內情況，污清比/稀釋倍數＜1；綠色區域代表部分西北歐國家情況，污清比/稀釋倍數＞1。由于國內污水廠污清比大大小于西北歐數據，在相同稀釋倍數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致外來水或稀釋倍數的增加，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。在許多情況下，污水廠的污清比在控制受納水體水質方面發揮著主導作用。由于目前國內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的影響可能有限。
他山之石：瑞士蘇黎世污水廠如何應對外來水？
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，經過十幾年的管網改造，污水稀釋倍數2，設計污清比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，最大已經超過設計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，除了有三個數據是超過1mg/l以外，整個氨氮小于0.5mg/l，紅色是硝酸氮數據，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。它的SRP和水力停留時間，比國內現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對于描述和理解城市污水系統是非常重要的，這四個參數效率的提升將有助于實現三部一委要求的目標。
最后曹總總結道：“未來為減少污水溢流以消除雨后河流黑臭, 改善城市水環境，提高現有部分污水廠的處理能力應成為城市水環境保護議程上一項重要議題和任務.與建造新工廠和大截流比較，對現有污水廠部分物理和化學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修復的效益。當前迫切需要找到合適的案例進行工程實驗, 積累實踐經驗”。
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