新春特辑|经典资料：德国污水处理大数据
日期：2017-02-16
神猴辞岁，金鸡迎春，回首2016，我们的水业大家庭已逾九万人，在您的陪伴下我们又度过了美好而充实的一年。值此新春佳节之际，让我们共同回顾2016年水业的大事小情，汇百家之言，问用水之道。
德国水协（DWA）2012年对德国污水处理情况进行了回顾，比较了25年的相关情况。我国基本上也是在20多年前开始借助于国外政府贷款进行大规模的污水处理厂建设，故相关比较结果对我们有较好的借鉴和启示作用。
唐建国
上海市城市建设设计研究院总工程师
《给水排水》杂志编委
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德国污水处理基本情况
德国目前拥有9623座城镇污水处理厂，其总规模达1.521亿当量人口（相当于3000万m3/d），其中5917座厂的总规模就达1.426亿当量人口，占总规模的93.7%。
（作者注释：德国采用当量人口来衡量污水处理厂的处理负荷，其包括居民人口数和将工业废水折算的人口数。当量人口一般按照生化需氧量BOD5:60 g/（人·d）折算。也可以按照如下参数折算：化学需氧量COD：120 g/（人·d），总氮TN：11 g/（人·d），总磷TP：1.8 g/（人·d），或者污水产生量：200 L/（人·d）折算。）
德国按照当量人口规模，将污水处理厂分为五级，在统计的5917座城镇污水处理厂中，超过10万当量人口规模（相当于2万m3/d）的污水处理厂为226座，虽然数量仅占分析统计污水处理厂数量的3.82％，但是合计总处理规模达0.742亿当量人口，占统计厂总服务人口的52.3％，各类规模污水处理厂数量和服务的当量人口情况详见表1。表2汇总了这些污水处理厂2012年的基本情况。
从表2可以总结出如下几点特征：
1．按照德国实际处理水量和实际当量人口负荷计算，虽然各地平均单位当量人口污水量虽然差距较大，为119.8~281.7 L/（人·d），但是全国平均219.1 L/（人·d），其高于当量人口标准值200 L/（人·d），可以解释为外来水渗入的影响。
2．德国各地污水处理厂进水水质年平均值差别很大，有的甚至相差一倍。其中，北部高于南部，以德国东北部地区的进水浓度最高，次之是北部地区。造成进水水质差别大的主要原因为：一是东北部和北部地区单位当量人口的污水量低于其它地区，有的甚至仅为南部州的50%；二是排水体制的不同，德国北部以分流制排水体制为主，而南部则以合流制排水体制为主；三是农村粪便污水的接入量的不同也是造成进水水质有差异（德国许多农村地区污水是通过吸粪车定时送入污水厂的）。
3．采用分流制的北部和东北部地区，其污水浓度远高于南部合流制地区，也证明分流的水平和彻底性，我国，特别是南方地区很多分流制系统的污水处理厂，进水COD浓度不足200mg/L，甚至达不到德国合流制地区的水质浓度的一半，证明我国分流制地区的雨污混接、外来水渗入十分严重。
4．德国单位处理水量的耗电量差距较大，其余进水水质呈正相关，而单位当量人口耗电量十分接近，这也是由于南北单位当量人口水量和进水浓度差异造成的。
5．令人称奇的是，按照德国各地污水处理厂处理水量、当量人口负荷和进水COD、总氮和总磷浓度折算的COD、总氮和总磷当量人口值与标准规定的当量人口值及其接近，充分一则证明德国以当量人口核定污水处理厂规模有准确的数据依据；二则充分证明德国对源头管理的高度到位，用污染物负荷总量管理的合理性，排污浓度高，污水量就必须小，这证明了我国单纯用水质浓度指标管理是有缺陷的；三则充分说明德国按照当量人口确定污水处理厂规模以按照当量人口污染物负荷设计污水处理厂的合理性，该规模指标也真正实现了污水处理厂规模的可比性。
图1德国已有100年历史的Hanau城市污水厂
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比较与分析
出水水质比较
从90年代初开始，德国污水处理厂要求进行除磷和除氮，1991年德国当时的“Abwassertechnisch enVereinigung e.V”（ATV——污水技术协会）发布了《ArbeitsblattA131—Bemessung von einstufigen Belebungsanlangen ab 500 Einwohnerwerten》（5000当量人口以上一段活性污泥法计算规程——A131）拉开了德国污水处理厂除磷、除氮的序幕。从图2可以看出，德国污水处理厂出水污染物浓度自90年代急剧现将，表明除磷除氮改造取得了明显成效。近年来，德国污水处理厂出水COD、NH4—N、TN和TP值分别稳定在28、1.6、9、0.7mg/L左右。除总磷外，其余主要指标均优于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》出水一级A标准，详见表3。
为评价污水处理厂出水状况，德国按照污水处理厂耗氧物质负荷和营养物负荷的排放情况，将出水状态五级，分级标准详见表4。德国各污水处理厂出水水质远好于排放标准，绝大多数污水处理厂污染物排放水平处于“很低”和“低”的等级水平上。按照全德国年均水质评价，耗氧物质排放均为1级（很低）；营养物质为2级（低）。按照德国此评价分级标准，上海市耗氧物质排放均为2级（低）；营养物质除总磷为2级（低）外，总氮和铵氮为3级（一般）。总体较德国低一个级别。
处理工艺比较
81%的德国污水处理厂采用活性污泥法，7%采用生物滤池工艺，11%采用曝气（非曝气）生物氧化塘，1%采用植物法工艺，后者主要用于第一级和第二级那些小型污水处理厂。此外，在污水处理厂扩建中，也采用了多段工艺。
在一段工艺中，有又如下区分：1）带有污泥厌氧稳定的活性污泥工艺（BF）；2）带有污泥好氧稳定的活性污泥法工艺（BS）；3）序批式活性污泥法工艺（SBR）；4）生物滤池（TK）；5）不曝气氧化塘（A）；6）曝气氧化塘（AB）；7）植物法处理工艺（PF）。
上述各种工艺在德国使用情况的调查详见表5。各种工艺出水水质情况详见图3。
从图3可以看出，活性污泥法工艺的出水COD（20~36mg/L）要好于生物滤池工艺（38~52mg/L），对于NH3—N出水，活性污泥法工艺（0.5~2.1mg/L）也大大优于生物滤池（2.1~3.5mg/L）。植物法工艺介于上述两种工艺之间。植物法介于出水水质介于上述两种工艺之间。
SBR工艺的污染物去除率最高，其氮的去除率为87~92%，而带有污泥好氧稳定的活性污泥法工艺为83~91%，带有污泥厌氧稳定的活性污泥法为73~85%。其它工艺由于没有足够的反硝化措施，所以氮的去除率在60%左右。
耗电量比较
植物处理工艺和不曝气氧化塘工艺的单位耗电量是最低的。带有污泥厌氧稳定的活性污泥法BF是第三级以上规模污水处理厂主要工艺，其单位耗电量低于带有污泥好氧稳定的活性污泥法，但是差距不大。相对SBR工艺单位耗电量就比较高，这与其没有有效地将曝气与搅拌结合起来有关。生物滤池工艺的耗电量低于活性污泥法工艺。各种工艺单位耗电量情况详见表6。
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几点感想
1．设计处理水量不能够真实反映污水处理厂的规模。我国城镇污水处理厂规模均采用水量规模来核定，即万m3/d。它只反映了一个污水处理厂的能够处理水量大小的设计值，但是污水处理厂是按照污染物的负荷量来设计的，即处理水量和污染物浓度的乘积。因污水处理厂进水污染物浓度的不同，即便是在水量相同的情况下，污水处理厂各个构筑物的大小也是不同的，也就是说，水量规模无法反映一个污水处理厂处理污染物的真实能力。德国采用当量人口作为污水处理厂规模的考量指标，且规定了单位当量人口的各类负荷量，所以该考量指标表征一个污水处理厂负荷。实践证明，规定值又与实际值一致，故也实现了污水处理厂实际处理能力的之间的比较。考虑到我国南北差异较大，是否可以用城镇污水处理厂进水CODCr负荷量（kg/d），作为污水处理厂规模的核定参数，以真实反映一座污水处理厂的实际处理能力和解决污水处理厂之间的可比性问题，其运行负荷也能够真实反映污水处理厂对污染物去除的真实效率。另外，设计规模和处理能力是两个不同概念，前者是指设计条件下对设施能力的衡量，后者是在实际运行条件下，设施实际能力发挥的表征，其也可能大于设计规模，也可能小于设计规模。
2．强化总氮的去除是污水处理的真谛。德国污水处理厂年均总氮出水在9mg/L，低于我国一级A标准的15mg/L。现在我国行业内流传的“本事大不大，总氮关键看总氮；水平高不高总氮小于8；国内要拔尖，总氮小于6；国际要领先，总氮小于3。”从一个侧面反映了对去除总氮的重视；从我国地表水体总氮含量较高的实际而言，降低污水处理厂出水中的总氮含量有重要意义。而把氨氮作为我国污染物的减排考核指标就更加不科学，一则，氮污水中的存在形式主要是铵氮、亚硝酸盐氮（NO2—N）、有机态氮，城镇污水中，游离氨，或者氨氮（NH3—N）是不存在的。游离氨NH3只有在高pH值（pH＞11）时，NH4+才转换为NH3，所以铵氮不能够写为氨氮；二则由于我国污水排放标准没有硝酸盐指标，所以铵氮（NH3—N）转化为硝酸盐氮（NO3—N）就可以完成减排任务，这一转化消耗了能源，氮却依然存在。常识性的错误，就是得不到纠正；把一种不存在的东西，作为去除的考核指标来完成，不能不说是污水处理的可悲。
3．合理确定我国城镇污水处理情况的考核指标。目前我国考量一个城镇，或者一个地区污水处理状况的指标是城镇污水处理率，其是城镇污水处理厂年处理污水总量与该城镇，或该地区年污水产生总量的比值。指标非常直接，也能够非常形象地反映和考量一个地区的污水治理水平。但是，笔者结合多年管理工作实际认为：该指标因受测算数据来源、测算过程、排水管网实际状况等多方面因素影响，非常难于准确计算出来，甚至可以人为操作。比如城镇污水产生量就受所考量城镇所考量范围的划定、用水量所包括的内容、用水量数据的准确性、是否有自备水源、生活污水和工业废水量的折算比例等多方面因素的影响。没有扎实和可靠的基础工作，何以能够保证数据准确。污水处理厂运行水量虽可以通过污水处理厂流量计计量而得，但是受污水管网的雨污混接、地下水等外来水渗入的影响，其已不能够反映真实的污水处理量。国内有的城市污水处理率超过100%就是源于基础数据不准确，“辉煌”的数字只能够掩盖真实的差距。选择一个更加符合我国实际的污水治理水平的指标，非常必须。建议：采用城镇污水处理设施建成率和污水处理厂负荷率两个指标替代污水处理率。城镇污水处理设施建成率（%）=一个城镇实际污水处理厂总规模×100/（同城镇供水设施总规模×0.85/1.3）；污水处理厂负荷率（%）=一个城镇污水处理厂年总运行水量之和×（1—A）×100/ 同城镇污水处理设施总规模。这两指标数据来源比较容易，人为因素影响小，所以能够比较真实反映一个城镇污水处理设施建设情况，也能够反映其污水管网建设情况。
（作者注释：0.85是指考虑了污水产生量与供水量的比值；1.3为日变化系数，供水规模是指最高日，污水处理规模是指平均日；外来水渗入量，德国为20%，即A=0.2，笔者估计我国A=0.3~0.4。）
来源：唐建国 给水排水
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