隨著城鎮化進程的不斷加速以及水污染問題的日益突出，我國城鎮污水處理設施近十多年來持續高速建設。目前，全國共建成并投入運營4000多座城鎮污水處理廠，日總污水處理規模超過2億m?，位居世界第一，約占全球總污水處理規模的1/5。20多萬名污水處理從業人員在一線日夜運營維護，大量基層執法人員動態嚴格監管，對保護水環境發揮著決定性作用，他們是控制水污染的主力軍。如果不建設這些設施，如果不能保障已建成的這些設施持續運營，我們的水環境狀況將無法想象。
城鎮污水處理設施運營可分為兩個層次：一是正常穩定運營，也就是在正常工況下持續實現污水處理功能;二是可持續運營，在正常穩定運營的基礎上，通過節能降耗以及資源回收利用，降低運營成本并同時降低總碳排放量。目前，一大批設施的運營既不正常也不穩定，不同程度地面臨運營困境，幾乎所有設施都偏離了可持續運營理念。為保障城鎮污水處理廠正常高效運營，充分發揮環境效益，全行業應關注城鎮污水處理廠運營困境，分析導致運營困境的原因，共同探尋破解之道。
1 城鎮污水處理廠目前有哪些主要運營困境
我們調研了全國467座城鎮污水處理廠5月份的運行工況，發現困擾正常穩定運營并同時干擾可持續運營的問題主要有3個：一是活性污泥問題，二是能耗高與物耗過高，三是水量超負荷與設備欠維護。這467座處理廠日總設計處理規模約4 500萬m?，約占全行業總規模的1/4，覆蓋了除西藏以外的全部省市和自治區。分析調研5月份的運行工況，可基本排除降水和低溫等自然因素的影響。
1.1 污泥濃度過高與污泥活性太差
活性污泥是實現污水處理功能的核心。活性污泥問題體現在兩個方面：濃度(MLSS)太高、活性(MLVSS/MLSS)太差。調研發現，2/3的污水處理廠污泥濃度超過4 000 mg/L，1/3的污水處理廠超過了6 000 mg/L，有20座污水處理廠污泥濃度竟然超過了10 000 mg/L。污水處理廠在如此高濃度下運行，增大了二沉池固體負荷，使本就不足的二沉池進一步處于超負荷狀態，泥水界面上升，污泥流失，堵塞深度處理單元，或直接導致出水超標。另外，為防止污泥沉積，必須增大曝氣量，而增大曝氣則抬高了溶解氧，干擾生物脫氮，進而影響生物除磷，出水氮和磷難以達標。一些處理廠靠大量投加化學藥實現氮磷達標，使運營偏離了可持續目標。在宏觀尺度上，我們可以用MLVSS/MLSS表征污泥活性，正常活性的污泥，MLVSS/MLSS應大于0.7，活性較好的污泥可超過0.8。調研發現，95%的污水處理廠污泥MLVSS/MLSS低于0.7，其中60%的污水處理廠污泥MLVSS/MLSS低于0.5，30%的污水處理廠污泥MLVSS/MLSS低于0.4，有27座污水處理廠污泥MLVSS/MLSS竟然低于0.3。如此低的污泥活性，大大降低了現有設施的污水處理能力與效果，降低了系統抗水量水質沖擊的能力。為維持出水達標，不得不提高污泥濃度，從而降低了系統穩定性。另外，低MLVSS/MLSS還導致污泥澄清性能變差。在調研的污水處理廠中，超過一半的處理廠污泥SVI值低于80 mL/g，這樣的污泥對游離生物微絮體失去“網捕作用”，澄清性能變差。這些絮狀物使出水感觀變差，對后續過濾單元造成嚴重干擾。調研發現，90%以上的污水處理廠建設了深度處理設施，90%以上的這些深度處理設施設置了砂過濾單元，40%的砂濾池反沖洗水占處理量的比例超過5%，超過10%的污水處理廠反沖洗水比例大于10%，有8座污水處理廠的砂濾池反沖洗水竟然高達處理量的20%。大量反沖洗水回流到工藝前端，占用提升能力、縮短有效停留時間、增大能耗，形成惡性循環。
活性污泥濃度太高的最主要原因是污泥沒有穩定連續的出路，脫水污泥出不了廠，只能停止脫水或減少污泥脫水量，將大量污泥暫存在曝氣池。一旦污泥臨時有了出路，即使脫水機滿負荷運行，也無法快速將長期積存的污泥脫水外運。污泥沒有穩定出路，已經成為行業的普遍狀態，是污水處理廠運營的最大困境。另外，污泥活性差也是導致污泥濃度高的原因，污泥中大部分為非活性組分，如不保持較高的污泥濃度，出水無法達標。污泥活性差的原因較為復雜，一是排水管網建設質量差、養護管理不到位，加之公眾文明使用下水道意識不強，致使過多的渣砂進入管網并最終進入污水處理廠。二是污水處理廠內預處理效果不佳，許多格柵和沉砂池形同虛設，在普遍沒有初沉池的情況下，大量渣砂等無機組分進入曝氣池并在生物處理系統積累，致使污泥的MLVSS/MLSS普遍極低。另外，濃度太高和活性太差還互為原因，活性差需要提高污泥濃度，而提高污泥濃度則降低了排泥量，使無機組分(ISS)更難離開系統，形成惡性循環。除了以上因素，同步化學除磷的過量加藥，也成為一些污水處理廠污泥活性降低的重要原因。
1.2 能耗高與物耗過高
全行業單位水能耗與國外基本相當，但單位污染物能耗則遠高于西方國家，這與我國污水處理廠進水污染物濃度偏低有關，前述活性污泥問題也是導致高電耗的重要原因。當前，為實現氮磷達標，不惜一切代價，過度投加大量化學藥劑，成為污水處理廠運營的又一突出問題。為降低總氮普遍大量投加外購碳源，為降低總磷大量投加無機混凝劑，一些污水處理廠為控制污泥流失還直接往二沉池投加絮凝劑。雖未統計出準確數據，但許多污水處理廠藥劑費超過電費躍升為第一大成本要素，一些水務公司的運行經營難以為繼。大量藥劑的投加，除大大提高了運營成本，還導致污泥產量明顯增加，進一步加重了污泥處理處置的困難。污水處理本應是個污染物減量過程，但實際卻變成大量物料的增加，嚴重偏離了可持續運營的理念和目標。
實踐中，外加碳源量要滿足兩個需求：一是部分污水處理廠進水碳源不足，客觀上需要補充碳源;二是用于消氧，消耗掉大量通過內回流帶入缺氧區的溶解氧，滿足反硝化要求。許多污水處理廠進水碳源并不缺乏，投加碳源只是用于消耗缺氧區過量的溶解氧。絕大部分污水處理廠缺氧區太短、反硝化時間不足，加上污泥中活性比例太低、反硝化菌群的數量也不足，綜合導致反硝化效果很差，而大量投加優質碳源，可提高反硝化速率，彌補反硝化時間和反硝化菌群數量的不足。由于以上原因，大量投加外碳源就成為提高反硝化能力的一條捷徑。另外，監管普遍采用瞬時取樣方法，大大提高了脫氮要求，進一步增大了碳源投加量。
過量投加化學除磷藥劑的主要原因是生物除磷機制的失敗。當脫氮效果不佳時，外回流帶回厭氧區的硝酸鹽，既與聚磷菌爭奪本就不足的優質碳源，也使ORP難以降低到釋磷的要求。另外，生物除磷需要通過排泥實現，而超高污泥濃度運行工況排泥量不足，無法獲得較好的生物除磷效果。當沒有生物除磷效果，全部采用化學除磷時，除磷藥劑投加量將是一個很大的藥量，同時產生大量化學污泥。一部分污水處理廠沒有生物除磷而又采用同步化學除磷時，污泥活性將進一步降低，形成惡性循環。
1.3 水量超負荷與設備欠維護
在調研的467座城鎮污水處理廠中，約2/3的水力負荷率大于80%，約1/3的大于120%，有5座污水處理廠大于150%。高水力負荷運行的污水處理廠沒有運行調控余地，不能應對水量水質變化，出水超標風險增大。當水力負荷率大于80%，除少數超大型污水處理廠以外，一般污水處理廠無法在出水達標的前提下倒池停水檢修，而曝氣器和二沉池吸刮泥機等無備用水下設備只有泄空才能徹底檢修或更換。無法進行計劃性維修的設備，長期帶病運行，將隨時導致運營風險。調研發現，約1/2的污水處理廠曝氣器超過2年沒有泄空檢修，約1/4的污水處理廠曝氣器竟然長達6年沒有泄空檢修。曝氣器的主要材料是三元乙丙類橡膠，這類橡膠材料的理論壽命只有4～6年，因此，這些長期不檢修曝氣器的污水處理廠將隨時面臨由于曝氣器大量損壞導致的運行崩潰。與曝氣器情況類似，二沉池吸刮泥機也存在長期無法泄空檢修的普遍問題，一旦吸刮泥機因故障停運，二沉池將不能正常泥水分離，整個處理系統將面臨崩潰。
污水水量持續增加，污水處理設施設計建設冗余度不足，以及規劃的相應擴建工程不能及時建成投入運行，是水量超負荷的直接原因。有關方面認為污水處理廠不滿負荷運行就會造成已建設施的浪費，事實上，高水力負荷必然導致出水水質不穩定，難以實現穩定達標。歐洲一些國家排水設施的績效評價，水力負荷超過70%就要扣分，而我國一些地方則要求滿負荷運行。在水量超負荷的情況下，幾乎所有地方主管或監管部門都不允許污水處理廠停產或部分停產檢修，必然導致主要設備尤其是水下無備用設備嚴重欠維護。水量超負荷導致運行不穩定，水下無備用設備因欠維護隨時停止運行，都使運營風險大大增加。
2 破解當前困境的可能路徑
2.1 突破污泥處理處置設施建設的瓶頸，補齊污泥處理處置短板
《“十三五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》提出，“十三五”期間應統籌規劃，加大投入，實現城鎮污水處理設施建設由“規模增長”向“提質增效”轉變，由“重水輕泥”向“泥水并重”轉變，到2020年底，地級及以上城市污泥無害化處置率達到90%，其他城市達到75%;縣城力爭達到60%。目前看，污泥處理處置設施建設狀況與以上目標相距甚遠。問題在哪里?瓶頸在哪里?問題在沒有出路。污泥最終出路無非就是3個：一是填埋，二是焚燒，三是回到土地。污泥填埋是與垃圾爭場地，隨著填埋場地越來越少，填埋就成為一條死路。污泥焚燒在技術上是可行的，但鄰避效應突出，難以成為主流路徑。
幾十年來，歐美國家將絕大部分污泥消納到了土地，叫土地處置，也叫土地利用。污泥土地利用有3個方向：一是沙荒地改良，二是林業利用，三是農業循環利用。西方的實踐中，由于運距和操作的困難，沙荒地改良和林業利用總量不多。美國年產含水率80%的污泥3 500萬t，其中60%進行農業循環利用，3%用于土壤修復，17%進行填埋，20%予以焚燒。關于污泥農業循環利用，控制重金屬及其化合物的含量是關鍵，汞和鎘是兩個最活躍的重金屬，是控制重點。1984年制定的《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284-1984)中，污泥用于酸性土壤時，汞的限值是5 mg/kg DS，鎘的限值是5 mg/kg DS;用于中性及堿性土壤時，汞的限值放寬到15 mg/kg DS，鎘的限值放寬到20 mg/kg DS。在該標準生效的30多年間，《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284-1984)一直是世界上最嚴格的污泥農用污染物控制標準，而2018年最新發布的《農用污泥污染物控制標準》(GB 4284-2018)又進一步趨嚴。按照這個現有標準，污泥農業循環利用的去向被進一步堵死。填埋困難，焚燒困難，土地利用困難，污泥都去了哪里?污泥沒了出路，污水處理廠如何保持正常運營?因此，有關方面應合力打通污泥農業循環利用這一主要出路，一是在政策上明確土地可以消納污泥、應該消納污泥，二是制定科學合理的污染物控制標準，尤其不可讓標準阻礙純粹的生活污泥進入土地，三是加速建設污泥穩定化設施，穩定化就是無害化，穩定化的污泥就可以進入土地。
2.2 找準阻礙污水處理可持續運營的根源，對癥開展提升改造
管網建設標準和質量不高、排水體制混亂、清污混流、養護管理不足，致使大量無機泥渣砂進入污水處理廠，并伴隨部分有機碳源流失，而污水處理流程設置又普遍無法應對這一狀況，導致污水處理廠難以實現可持續運營的良性循環，從而只能被動低效應對。具體表現為：預處理單元設計建設標準過低，大量細渣細砂進入后續單元;90%以上的污水處理廠沒有設置初沉池，致使無機泥渣砂直接進入了生物處理系統，導致活性污泥處于高濃度、低活性;生物脫氮工藝的缺氧區普遍太短，無法適用污水特征;用于除碳和硝化的好氧區普遍太長，既增大能耗又干擾脫氮;厭氧消化等污泥穩定化設施普遍缺失，無法在廠內實現污泥穩定并回收能源。
排水系統問題較為復雜，南北差異大，不同城市間差別也很大，需要系統深入地識別問題所在，因地制宜提出改造對策，減少無機渣砂進入管網，減少碳源的損失。必須認識到，管網改造是個復雜過程，非短時突擊所能解決，既要積極推進提質增效行動方案，也要從長計議，久久為功。在污水處理廠內，首先要通過改造強化預處理效果，把渣砂等無機組分在預處理單元徹底分離出來，提高生物處理單元污泥MLVSS/MLSS，提升整個生物處理系統的效率，這是一個事半功倍的方案。其次，一大批污水處理廠可在系統測試的基礎上把多余的好氧區改造成缺氧區，通過增大缺氧區提高脫氮效果并降低對外加碳源的依賴，進而提高生物除磷效果，降低除磷藥劑的投加量。再者，應通過曝氣系統的改造，提升氧的科學管理水平，既滿足耗氧物質降解需求，又不因曝氣過量而投加過多的碳源。對于水力負荷率超過80%，尤其是滿負荷或超負荷的污水處理廠，有關方面應加快設施擴建，使污水處理廠在適宜的負荷下運行。
2.3 構建科學理性的運營監管體系，促進正常穩定的可持續運營
對污水處理廠出水水質的監管，應回歸到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)的規定：“取樣頻率為至少每兩小時一次，取24 h混合樣，以日均值計”，不可以瞬時樣作為處罰的依據。標準中的所有指標限值是以日均值為基礎，如果改為瞬時樣，就需要以更加嚴格日均值為設計和運行目標，這就變成了一個更高的標準，既不合理也不合規。以總氮為例，一級A標準要求日均值低于15 mg/L，如按瞬時樣監管，則實際設計和運行目標通常需控制在10 mg/L以下，這實際就是兩個不同的標準了。實際監管中，可以瞬時樣作為預警，發現瞬時樣超標時，可立即安排混合樣取樣監測，并最終以混合樣為依據。另外，有機污染物、氮磷無機營養物不是毒性物質，其環境效應是累積性的，以混合樣監管更為科學合理。
《城鎮排水與污水處理條例》(國務院令 第641號)第三十一條規定：“城鎮污水處理設施維護運營單位不得擅自停運城鎮污水處理設施，因檢修等原因需要停運或者部分停運城鎮污水處理設施的，應當在90個工作日前向城鎮排水主管部門、環境保護主管部門報告。”這里有兩層意思：一是運營單位不得擅自停運，二是因檢修等原因需要停運或者部分停運，提前3個月報告后可以停運。當污水處理廠運行負荷很高，因設施設備檢修，尤其是曝氣器和二沉池吸刮泥機等水下無備用設備需要例行檢修時，有關部門應批準污水處理廠停運或者部分停運，以免導致更加不利的后果。
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