超多數(shù)據(jù)：日本污水處理廠設(shè)計(jì)運(yùn)行及多因素影響分析
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】日本的污水處理起步較早，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)建設(shè)完善，并在其精細(xì)管理下編撰為《下水道統(tǒng)計(jì)》。對(duì)日本污水處理和污泥處置情況進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)和深入分析，期望對(duì)我國(guó)污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行具有借鑒意義。污水處理環(huán)節(jié)分析包括水質(zhì)水量、處理要求、工藝和處理規(guī)模分布、深度處理方法、運(yùn)行和設(shè)計(jì)參數(shù)、出水回用等；污泥處理環(huán)節(jié)分析包括污泥產(chǎn)量、處理處置方法、污泥資源化利用等；運(yùn)營(yíng)分析包括能源消耗、污泥消化產(chǎn)能和運(yùn)行方式等。并進(jìn)一步研究各因素和運(yùn)行效果的關(guān)系，例如處理工藝和規(guī)模的匹配、生化處理負(fù)荷和運(yùn)行參數(shù)的影響、污泥性質(zhì)和沉淀池參數(shù)的選擇、進(jìn)水和出水污染物濃度、污泥進(jìn)行厭氧消化處理的產(chǎn)能分析等。然而，由于我國(guó)和日本的水資源等國(guó)情和社會(huì)差異使得排放標(biāo)準(zhǔn)和回用需求不同，日本污水處理經(jīng)驗(yàn)需要被進(jìn)一步詳細(xì)考察來(lái)服務(wù)于國(guó)內(nèi)的污水處理廠建設(shè)和運(yùn)行。
我國(guó)污水處理行業(yè)發(fā)展迅速，截至2019年，城市污水處理廠2 471座，總處理能力17 863萬(wàn)m³/d，年處理量總量為525.8億m³，城市再生水生產(chǎn)能力4 429萬(wàn)m³/d；縣城污水處理廠1 669座，處理能力3 587萬(wàn)m³/d；鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠1 830座，處理能力108.6 萬(wàn)m³/d；城縣污水處理廠的污泥產(chǎn)生量為1 303萬(wàn)t/年。然而農(nóng)村只有33%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)具有處理設(shè)施并且管理不善，由于我國(guó)人口相當(dāng)一部分常住在農(nóng)村，推測(cè)全國(guó)生活污水中還有很大比例沒(méi)有經(jīng)過(guò)妥善處理。
與我國(guó)相比，日本的污水處理起步早，并經(jīng)過(guò)多年發(fā)展完善，截止2016年各種規(guī)模污水處理廠2 144座，年處理量為153.6億m³，污泥處理設(shè)施1 979處，再生水利用設(shè)施350處。日本污水處理廠在精細(xì)化管理中的數(shù)據(jù)匯編極為全面，對(duì)基本建設(shè)情況具有細(xì)致統(tǒng)計(jì)，并將污水處理和污泥處置等建設(shè)運(yùn)行數(shù)據(jù)編撰為《下水道統(tǒng)計(jì)》，每五年向全社會(huì)公開(kāi)出版。本論文主要借鑒日本2018年版《下水道統(tǒng)計(jì)》（截止2016年數(shù)據(jù)），介紹日本污水處理和污泥處置情況，分析研究各因素的影響關(guān)系，期望對(duì)我國(guó)污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行具有一定的借鑒意義。必須指出，由于國(guó)情和社會(huì)差異，尤其是我國(guó)水資源特征對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)和回用需求不同于日本，不可在沒(méi)有進(jìn)一步詳細(xì)考察的情況下照搬日本經(jīng)驗(yàn)。
1 污水處理
1.1 污水產(chǎn)量
日本污水日平均處理量為4 208萬(wàn)m³/d，日變化系數(shù)2.49±2.29；晴天日最大處理量5 711萬(wàn)m³/d，晴天日平均3 623萬(wàn)m³/d。1992年到2016年的25年間，日本污水處理總量增加了40.8%（見(jiàn)圖1）；總?cè)丝谄占奥蕪?6%升高到78.3%，其中主要城市的污水處理總?cè)丝谄占奥室呀?jīng)達(dá)到了96.7%，30萬(wàn)~100萬(wàn)人城市的污水處理率從54.5%升高到84.4%，村鎮(zhèn)污水普及率從9.7%升高到53.4%，但人口不到5萬(wàn)的行政單位普及率只有47.1%。由于多數(shù)污水處理后排；蚪(jīng)過(guò)河流短時(shí)間即可流入海洋，日本污水處理多年前主要執(zhí)行二級(jí)處理，1996年二級(jí)處理量約3 000萬(wàn)m³/d。近年日本對(duì)污水排放提出了更高要求，其深度處理量從1995年只有128萬(wàn)m³/d逐年增加到2016年的1 133萬(wàn)m³/d，約占當(dāng)年處理水量的26.9%，二級(jí)處理量以每年5萬(wàn)m³/d遞減。
圖2顯示了不同年份建設(shè)的污水處理廠在2016年的實(shí)際處理量情況？梢钥闯觯磕晷陆ㄎ鬯幚韽S數(shù)量在2000年之前逐漸增加，之后迅速減少。早期以大中型污水處理廠為主，之后逐漸變?yōu)榻ㄔO(shè)小型污水處理廠（小于1 000 m³/d）處理人口稀少行政區(qū)（例如農(nóng)村）和偏遠(yuǎn)分散（城鄉(xiāng)結(jié)合部）的污水。但新增小型污水處理廠總污水處理增量（見(jiàn)圖1）貢獻(xiàn)不大，即大型污水處理廠擴(kuò)容改造是處理量持續(xù)增加的主要原因。
日本人均污水產(chǎn)量（晴天日）為0.27 m³/（人·d)±0.14 m³/(人·d）。將所有污水處理廠處理能力和服務(wù)情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)（見(jiàn)圖3），日變化系數(shù)和人均污水產(chǎn)量受到匯水區(qū)域人口密度的影響并不明顯，但其數(shù)值范圍很大，最低值和最高值相差5~10倍。人口密度高（>100人/hm²）同時(shí)人均污水產(chǎn)量高的地區(qū)均為大阪、東京等經(jīng)濟(jì)特別發(fā)達(dá)的地區(qū)，并且大多為大中型污水處理廠（部分小污水處理廠服務(wù)區(qū)域的人口密度很大，但人口不多）。污水處理廠日變化系數(shù)受到處理量影響明顯，處理量越大日變化系數(shù)越低，變化范圍越小。人均污水產(chǎn)量隨污水處理廠水量增加而變大，但其數(shù)值范圍依然很大。以上結(jié)果說(shuō)明，即使有大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按照人口密度（例如區(qū)域城鎮(zhèn)化、發(fā)達(dá)程度）和服務(wù)人口數(shù)量難以推斷污水總量，依然需要仔細(xì)核算。
1.2 進(jìn)水水質(zhì)
日本污水處理廠的實(shí)際進(jìn)水中有機(jī)物含量較高（見(jiàn)表1），而氮磷元素含量較少；同時(shí)，設(shè)計(jì)水質(zhì)和實(shí)際水質(zhì)差別不大。中國(guó)很多污水處理廠進(jìn)水有機(jī)物含量低、氮磷含量高，作者分析并非由于雨水和地下水滲漏到管網(wǎng)（各類(lèi)物質(zhì)濃度應(yīng)該等比例降低），而是由污水（廢水）來(lái)源構(gòu)成差異造成的。例如工業(yè)園區(qū)中具有高氮磷產(chǎn)生和排放的化工企業(yè)，自建的污水處理設(shè)施排放進(jìn)入管網(wǎng)的污水往往勉強(qiáng)符合氮磷濃度要求，但是有機(jī)物含量異常低。未經(jīng)過(guò)上下游統(tǒng)籌排放的生產(chǎn)污水，只增加了末端污水處理廠的氮磷負(fù)荷；同時(shí)，居民生活占比小，沒(méi)有提供對(duì)應(yīng)的有機(jī)物，造成末端污水處理廠進(jìn)行生化脫氮除磷的碳源不足。日本等發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理廠接納生活污水占比普遍更大，碳氮磷比例適合生物脫氮除磷工藝，減輕了污水處理廠的處理難度。
1.3 處理規(guī)模和工藝
表2列出了日本兩千余座污水處理廠的處理能力（晴天日最大處理量）、處理工藝的分布情況。處理量小于0.1萬(wàn)m³/d的污水處理廠占1/5以上，0.1萬(wàn)~0.5萬(wàn)m³/d的污水處理廠占45%；大于5萬(wàn)m³/d的大型污水處理廠只占12.7%。標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法應(yīng)用于各種處理規(guī)模的污水處理廠；AO及演變工藝AAO主要在大污水處理廠得到普及；氧化溝工藝主要在小于1萬(wàn)m³/d的污水處理廠中被廣泛應(yīng)用，但總處理能力不到日本污水量的4%；生物膜法（例如生物轉(zhuǎn)盤(pán)、濾池、接觸氧化法）和土地處理工藝在小污水處理廠有一定應(yīng)用；然而SBR、MBR工藝應(yīng)用數(shù)量很少，處理規(guī)模也不大。
日本對(duì)不同規(guī)模污水處理廠的脫氮除磷要求不同，其主要在大污水處理廠以AO（AAO）等工藝為主。雖然脫氮除磷污水處理廠數(shù)量只占20.2%，其處理能力為2 675萬(wàn)m³/d，占日本全部污水處理廠處理能力的46.9%（實(shí)際污水處理量占比為26.9%）。處理量大于10萬(wàn)m³/d的污水處理廠中83.6%進(jìn)行了深度處理；處理量小于1萬(wàn)m³/d的污水處理廠僅有10%進(jìn)行了深度處理。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，日本對(duì)污水的脫氮除磷要求并非由于排海而降低。
深度處理工藝的433座污水處理廠除了脫氮除磷，大部分也使用了絮凝劑和過(guò)濾來(lái)降低出水磷和SS濃度（見(jiàn)表3）。只有不到6.5%的污水處理廠需要添加碳源保障脫氮效果，是由于進(jìn)水有機(jī)物含量高、氮磷濃度適中。活性炭吸附使用在氧化溝出水的深度處理中；填料在日本污水處理廠中使用并不普遍，只有42座不同工藝的污水處理廠。
根據(jù)2015年中國(guó)《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》，2014年中國(guó)污水處理廠設(shè)計(jì)處理能力大于50萬(wàn)m³/d、10~50萬(wàn)m³/d、5萬(wàn)~10萬(wàn)m³/d、1萬(wàn)~5萬(wàn)m³/d和0.5萬(wàn)~1萬(wàn)m³/d的數(shù)量分別為16座、335座、358座、1 436座和167座，都數(shù)倍于日本同等規(guī)模污水處理廠；而小于0.5萬(wàn)m³/d為95座，預(yù)計(jì)是小型污水處理廠和處理設(shè)施沒(méi)有得到全面統(tǒng)計(jì)。中國(guó)污水處理廠使用工藝分布情況與日本差異很大，例如氧化溝和SBR在中國(guó)普遍應(yīng)用在>1萬(wàn)m³/d的污水處理廠。
1.4 生化過(guò)程
表4列出了不同工藝和處理量的污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況和重要設(shè)計(jì)參數(shù)。不同工藝的HRT差別很大，AO工藝的缺（厭）氧池HRT高于普通活性污泥法（部分污水處理廠設(shè)有缺氧或厭氧池），而曝氣池HRT相差不大；氧化溝的曝氣池和缺（厭）氧池的HRT都比AO工藝高很多。隨處理規(guī)模降低，HRT逐漸增加，并且缺（厭）氧池與曝氣池的HRT比值由1∶3逐漸變?yōu)?∶1。
隨著處理規(guī)模減小，設(shè)計(jì)負(fù)荷采用了更小（更保守）的數(shù)值，例如AO及演變工藝的設(shè)計(jì)污泥負(fù)荷從0.18 kg BOD/（kg SS·d)逐漸降低為0.10 kg BOD/(kg SS·d)、氧化溝工藝的設(shè)計(jì)容積負(fù)荷從0.37 kg BOD/(m³·d)逐漸降低為0.18 kg BOD/(m³·d)。不同工藝的負(fù)荷差異很大，脫氮除磷工藝的負(fù)荷低于普通活性污泥法；氧化溝工藝的處理負(fù)荷是各類(lèi)工藝中最低的；采用曝氣生物濾池和AO濾池工藝污水處理廠（處理規(guī)模均小于0.5萬(wàn)m³/d）的容積負(fù)荷遠(yuǎn)高于其它工藝，達(dá)到0.6 kg BOD/(m³·d)左右。另外，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷數(shù)據(jù)均明顯低于設(shè)計(jì)值。
污泥停留時(shí)間（SRT）在不同工藝和處理規(guī)模污水處理廠的差別很大，例如處理量大于5萬(wàn)m³/d和0.1萬(wàn)~0.5萬(wàn)m³/d的普通活性污泥工藝的SRT分別為9.1 d和13.4 d；而AO工藝分別為13.7 d和24.7 d；氧化溝的SRT更長(zhǎng)，1萬(wàn)~5萬(wàn)m³/d和0.1萬(wàn)~0.5萬(wàn)m³/d污水處理廠分別為25.2 d和37.8 d。相應(yīng)的，氧化溝的MLSS普遍高于其他工藝，為3 000 mg/L左右；其他工藝的MLSS為1 700~2 800 mg/L。隨著處理量降低、SRT延長(zhǎng)，污泥濃度增加。
小型污水處理廠和污水站水質(zhì)水量波動(dòng)大（圖3顯示更小的污水量，其日變化系數(shù)更大、變化范圍更寬），所有工藝都需要采用更長(zhǎng)的HRT和SRT、更小的處理負(fù)荷來(lái)消減水質(zhì)水量的波動(dòng)，因此更加傾向于使用兼具延時(shí)曝氣作用的氧化溝工藝。MBR工藝的高污泥濃度和低負(fù)荷有利于保證出水水質(zhì)，然而曝氣池HRT依然高達(dá)15.3 h。氧化溝的供氧方式?jīng)Q定了在大污水處理廠需要更長(zhǎng)的廊道和高HRT保證污水充氧次數(shù)，必然導(dǎo)致占地面積大，不適于日本土地狹小的國(guó)情。
1.5 沉淀池
日本兩千多座污水處理廠中的 843座設(shè)有初沉池，并且小污水處理廠（氧化溝工藝）使用不普遍；部分污水處理廠初沉池只對(duì)雨天污水進(jìn)行一級(jí)處理。表5統(tǒng)計(jì)了污水處理廠初沉池和二沉池的運(yùn)行參數(shù)，日本污水處理廠沉淀池設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)都相對(duì)保守。初沉池實(shí)際運(yùn)行表面負(fù)荷略小于設(shè)計(jì)值，并隨著處理量減小而逐漸降低。處理量大于0.1 萬(wàn)m³/d的污水處理廠初沉池設(shè)計(jì)表面負(fù)荷約為1.67 m³/(m²·h）［中國(guó)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)規(guī)范)中為1.5~4.5 m³/（m²·h）］；小于0.1萬(wàn)m³/d的沉淀池設(shè)計(jì)負(fù)荷只有大中型污水處理廠的一半。
二沉池的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷小于設(shè)計(jì)值，并且設(shè)計(jì)負(fù)荷和運(yùn)行負(fù)荷都隨著處理規(guī)模的減小而降低。處理量大于0.5 萬(wàn)m³/d的污水處理廠，二沉池的設(shè)計(jì)負(fù)荷約為0.83 m³/（m²·h）［中國(guó)規(guī)范為0.6~1.5 m³/（m²·h）］。由表4匯總污泥相關(guān)參數(shù)可以看出，各類(lèi)污水處理廠的SVI均在200 mL/g以上，并隨著處理規(guī)模增加而略有升高。計(jì)算二沉池固體負(fù)荷約為40 kg SS/（m²·d）（中國(guó)規(guī)范為≤150 kg/m²/h）；二沉池的回流污泥濃度為5 000~8 000 mg/L，并和生化池污泥濃度呈正相關(guān)；大型污水處理廠污泥回流比在50%左右，氧化溝為85%左右。
1.6 排放水質(zhì)
表6列出了不同排水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠數(shù)量。
多數(shù)污水處理廠要求BOD為10~15 mg/L，總氮為10~20 mg/L，總磷為1~3 mg/L。日本對(duì)受納水體為水質(zhì)敏感區(qū)域和內(nèi)陸湖的污水進(jìn)行嚴(yán)格的脫氮除磷處理。由于湖泊水質(zhì)的限制因子是氮而非磷，因此日本脫氮除磷污水處理廠對(duì)TN的控制比TP更加嚴(yán)格。由于日本大部分污水處理廠建設(shè)早并多為標(biāo)準(zhǔn)活性污泥法，在改造中只能基于原有工藝進(jìn)行演變提升，因而AO等工藝使用不多。雖然千方級(jí)小污水處理廠沒(méi)有脫氮除磷的要求（見(jiàn)表2），由于處理水量占比小，其數(shù)量分布不能反映日本污水氮磷元素排放要求和總量情況。
表7為日本污水處理廠實(shí)際運(yùn)行出水水質(zhì)情況。污水處理廠出水BOD5為2~5 mg/L，SS均低于5 mg/L，TN普遍低于15 mg/L（設(shè)計(jì)脫氮或深度處理時(shí)低于10 mg/L），生化處理的出水TP為1~1.5 mg/L。AO及相關(guān)演變工藝的脫氮效果遠(yuǎn)好于普通活性污泥法；氧化溝具有同步脫氮除磷的能力，其脫氮效果優(yōu)于其他工藝，但除磷效果不佳。AO工藝排水TP依然普遍高于1.0 mg/L，對(duì)應(yīng)生化過(guò)程的SRT較高（見(jiàn)表4）不利于磷元素去除。60%以上采用AO工藝的大型污水處理廠進(jìn)行了深度處理，而其它工藝只有不到10%。深度處理（包
括碳源投加、填料使用、絮凝劑除磷等對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)均有一定的處理效果，對(duì)TP的降低幅度最大，例如氧化溝深度處理出水為0.87 mg/L，遠(yuǎn)低于無(wú)深度處理的情況。相同的處理工藝中小規(guī)模污水處理廠的HRT更長(zhǎng)、缺氧池占比更大、處理負(fù)荷更。ㄒ(jiàn)表4），因此出水有機(jī)物和TN更低。但高SRT導(dǎo)致生化除磷效果變差，采用了深度處理（加藥除磷）后出水的TP才會(huì)更低。
90%日本污水處理廠出水進(jìn)行了加藥消毒，以氯（次氯酸鈉、固體氯等）為主，其加入量約為2.0 mg/L（見(jiàn)表8）；少量使用臭氧消毒，其平均加入濃度為31 mg/L。各種消毒劑接觸時(shí)間為15~20 min。使用紫外消毒污水處理廠數(shù)量不到10%。
1.7 污水回用
表9列出了不同污水回用用途的深度處理方法和水量。廠外用途主要為景觀及河道補(bǔ)水、融雪、工廠供應(yīng)和農(nóng)業(yè)澆灌。2011年有1.87 億m³污水被廠外利用，2016年增加為2.16 億m³，即約5.7%的污水經(jīng)過(guò)凈化后得到回用，其污水處理廠數(shù)量不到20%。80%以上的回用水經(jīng)過(guò)了深度處理，主要處理方法為絮凝過(guò)濾和臭氧消毒。
中日國(guó)情差異，直接影響了污水工藝、排放標(biāo)準(zhǔn)和回用程度等。例如，中國(guó)農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水消耗大，地區(qū)差異明顯、自然水體遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足需求，造成中國(guó)一些地區(qū)嚴(yán)重缺水。而日本水資源量相對(duì)充沛，因此沒(méi)有強(qiáng)烈的污水回用需求；排河污水能短時(shí)間內(nèi)流入附近海域得到稀釋避免造成危害。
2 污泥處理與處置
2.1 固廢來(lái)源
2016年污水處理廠產(chǎn)生各類(lèi)污泥4.8 億m³（見(jiàn)表10），其中初沉污泥產(chǎn)量為70.0 萬(wàn)m³/d，剩余污泥產(chǎn)量為51.9 萬(wàn)m³/d。過(guò)去30年間，污泥產(chǎn)量以平均0.06 億m³/年的數(shù)量逐漸增加，與總污水量的增加幅度相同。每立方米污水的污泥產(chǎn)率多年穩(wěn)定在0.031 4 m³/m³左右，其中初沉池和二沉池的污泥產(chǎn)率分別平均為0.022 m³/m³（含水率99.1%）和0.018 m³/m³（含水率99.4%），其固體產(chǎn)率分別為0.20 kg SS/m³和0.107 kg SS/m³。不同工藝和處理規(guī)模的剩余污泥產(chǎn)量有一定差異（見(jiàn)表4），例如普通活性污泥法SS產(chǎn)量隨處理規(guī)模減小，從0.38 kg SS/m³逐漸降低為0.14 kg SS/m³；只有氧化溝對(duì)應(yīng)各規(guī)模污水處理廠污泥產(chǎn)量變化不大，其SS總產(chǎn)率遠(yuǎn)低于其他工藝，只有約0.18 kg SS/m³。
污水處理廠污泥處理設(shè)施還會(huì)接納廠外31.8 萬(wàn)m³/年糞尿處理設(shè)施產(chǎn)生的有機(jī)廢物和62.3 萬(wàn)m³/年來(lái)自小型污水設(shè)施（小型凈化槽和一體化污水處理設(shè)備）的污泥，未經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化的生污泥分別占60%和86.3%。漁業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物約20.9 萬(wàn)m³/年也由污水處理廠的污泥處理設(shè)施消納。外界輸入的廢物遠(yuǎn)小于污水處理過(guò)程產(chǎn)生量。
2.2 輸送方法
部分污水處理廠使用管道輸送、汽車(chē)輸運(yùn)方式將污泥轉(zhuǎn)運(yùn)到其他污水處理廠或污泥處理中心進(jìn)行處理。污泥輸送管道約100 處，管徑多為0.2~0.6 m，平均長(zhǎng)度為6.8 km，最長(zhǎng)28 km，污泥泵的輸送流量為30~3 200 m³/h，總計(jì)輸送26 萬(wàn)m³/d的污泥（平均含水率為98.9%）。汽車(chē)運(yùn)輸污泥為849 t/d，平均含水率為89%。
2.3 處理方法
絕大部分污水處理廠污泥在處理過(guò)程中經(jīng)過(guò)了濃縮和脫水環(huán)節(jié)，有大約45%污泥最后被焚燒（見(jiàn)表11）。
濃縮主要有重力式、氣浮式和離心式，116 萬(wàn)m³/d污泥經(jīng)過(guò)濃縮后變?yōu)?2.4 萬(wàn)m³/d，平均含水率從99.25%降低為97.06%，其有機(jī)物占SS比例為84.6%。2016年污泥濃縮過(guò)程中使用藥劑量為聚合硫酸鐵1.18萬(wàn)t、氯化鐵0.2 萬(wàn)t、石灰0.12 萬(wàn)t、高分子聚合物0.27 萬(wàn)t、聚合氯化鋁0.18 萬(wàn)t，全部藥劑平均投加量為4.8 kg/t SS。
消化處理設(shè)施328處，正常使用的285處，98%在大于0.5 萬(wàn)m³/d的污水處理廠，各規(guī)模污水處理廠具有消化設(shè)施比例相近（20%~25%），并沒(méi)有呈現(xiàn)越大的污水處理廠污泥消化處理比例越高的情況。5.8 萬(wàn)m³/d濃縮污泥（預(yù)處理前為40.5 萬(wàn)m³/d）經(jīng)過(guò)消化處理，占全部污泥產(chǎn)量的30.1%。消化設(shè)施中65%為兩級(jí)消化；205處運(yùn)行溫度為30~40 ℃，40處為40 ℃；還有39處低于30 ℃，其處理量較少。污泥消化后，含水率從96.4%變?yōu)?8.1%，有機(jī)質(zhì)平均含量從84.3%降低為70.3%。消化氣產(chǎn)量為3.24 億m³/年，濃縮污泥的消化氣產(chǎn)率為10. 6 m³/m³。
有25.6 萬(wàn)m³/d不同性質(zhì)的污泥被脫水為4.55 萬(wàn)t/d（見(jiàn)表12），含水率從約97.7%降低為80.6%。表13為主要脫水方式使用情況，只有加壓過(guò)濾方式的含水率在60%左右。其脫水方式的選擇需要考慮污泥性質(zhì)、脫水要求、操作方式等因素。2016年污泥脫水使用藥劑12 萬(wàn)t，主要為聚合硫酸鐵3.49 萬(wàn)t、氯化鐵1.74 萬(wàn)t、石灰1.56 萬(wàn)t、高分子聚合物4.51 萬(wàn)t、聚氯化鋁0.39 萬(wàn)t，其他藥劑0.33萬(wàn)t，全部藥劑平均投加量為41.5 kg/t SS。
近70座污水處理廠通過(guò)機(jī)械干燥將1 975 t/d脫水污泥（含水率79.0%）減量為583 t/d，并用于焚燒（365 t/d）、熔融（84 t/d）、有效利用（105 t/d）、最終處置（12 t/d）和其他目的（18 t/d）。日本的污泥焚燒廠126個(gè)，453萬(wàn)t/年脫水污泥（平均含水率77.7%）和少量干化污泥經(jīng)過(guò)焚燒變?yōu)?7.8 萬(wàn)t/年焚燒灰。焚燒爐多采用流化床焚燒爐，平均運(yùn)行溫度為850 ℃。熔融設(shè)施12座，4.8萬(wàn)t/年脫水污泥和1.7萬(wàn)t/年干燥污泥變成為0.95萬(wàn)t/年熔融渣。
2.4 污泥處理處置和資源化
2016年，日本污水處理過(guò)程產(chǎn)生并處置的固廢為243.7 萬(wàn)t/年（見(jiàn)表14），未經(jīng)過(guò)處理的污泥為8.6 萬(wàn)m³；有約27萬(wàn)t/年污泥首先經(jīng)過(guò)焚燒后被填埋。日本重視污泥的資源化利用，2016年有247 萬(wàn)m³濕污泥經(jīng)過(guò)處理焚燒（熔融）和堆肥后得到有效利用，主要用途有建筑材料生產(chǎn)、肥料和燃料等。
3 運(yùn)營(yíng)
3.1 運(yùn)行能耗
2016年日本下水道系統(tǒng)的電量使用中，污水管道輸送泵占9.9%，污水處理廠占90.1%，66.6 億kW·h/年，占全日本發(fā)電量的0.74%。平均噸水處理電耗為0.433 kW·h/m³，其中提升泵14.6%，污水處理53.0%，污泥處理22.3%，其他耗電為10.0%。近年來(lái)，由于日本污水處理總量和深度處理占比逐年增加（見(jiàn)圖1），污水處理廠耗電總量和占日本發(fā)電量比例都明顯提高（見(jiàn)圖4）。然而，噸水處理能耗反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能是進(jìn)行節(jié)能改造和運(yùn)行優(yōu)化的結(jié)果。日本的污水處理能耗高于中國(guó)0.288 kW·h/m³，可能原因是進(jìn)水水質(zhì)和污泥處理程度的差異。
根據(jù)《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計(jì)年鑒》，中國(guó)各省份噸水處理電耗差異很大，這種差異可能是由于不同污水來(lái)源和水質(zhì)、處理工藝和排放標(biāo)準(zhǔn)等原因引起的。表15整理了日本2016年各類(lèi)污水處理廠的污水和污泥處理環(huán)節(jié)的電耗情況。污水處理占廠區(qū)電耗比例為50%~69%。在中小污水處理廠噸水處理電耗隨處理規(guī)模的增加逐漸減小，為0.5~1.6 kW·h/m³。節(jié)能的用電設(shè)備、優(yōu)化管理策略、運(yùn)行連貫性是污水處理廠節(jié)能降耗的有效途徑。不同工藝的噸水處理電耗差別各異，例如小于0.5 萬(wàn)m³/d的氧化溝明顯低于其他工藝，延時(shí)曝氣工藝的電耗明顯較高；而各種深度處理（脫氮）工藝的電耗沒(méi)有明顯區(qū)別；生物轉(zhuǎn)盤(pán)工藝低于其他生物膜工藝；曝氣生物濾池電耗較高。由于日本污泥處理全面、處置徹底，其能源消耗也比較大；但污泥處理電耗受到處理規(guī)模和工藝的影響不大，為0. 08~0.13 kW·h/m³。
日本污水處理廠能源來(lái)源多樣，外部電力輸入占90%以上，如自身發(fā)電及其余熱利用（消化氣和管道天然氣）、各類(lèi)化石燃料等作為補(bǔ)充能源。化石燃料主要為重油4.4 萬(wàn)m³/年、燈油1.2 萬(wàn)m³/年、管道天然氣0.51億m³/年，用作焚燒爐和廠內(nèi)發(fā)電等用途。42座污水處理廠使用熱泵對(duì)污水熱量進(jìn)行回收利用，制冷和制熱裝機(jī)功率為1.3 Mcal/h。根據(jù)裝機(jī)功率計(jì)算利用率，消化氣發(fā)電機(jī)組為62%，然而光伏發(fā)電只有10%。
3.2 污泥消化氣產(chǎn)能
污泥消化處理產(chǎn)生消化氣2.91 億m³/年，其主要用作發(fā)電（44.0%）、消化設(shè)施加熱（25.7%）、焚燒爐（12.3%），外輸?shù)绕渌猛菊?8.1%。在另一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)中，污水處理廠消化氣用量為2.24 億m³/年，主要用作發(fā)電（44.7%），消化池加熱（17.8%），焚燒爐（13.8%）、鍋爐（16.1%）和污泥干燥（6.3%）。只有70座污水處理廠使用消化氣發(fā)電，發(fā)電量為2.3 億kW·h/年，占全日本污水處理廠用電量的3.5%，電能轉(zhuǎn)化率為15.5%（按照65%甲烷含量的消化氣能量為23 300 kJ/m³計(jì)算）。消化氣發(fā)電余熱利用為3.0 億MJ，占全部余熱的28.4%，用作消化設(shè)施加熱。
如果日本全部污泥（假設(shè)初沉污泥有機(jī)物含量同剩余污泥）進(jìn)行厭氧消化，可以產(chǎn)消化氣9.6 億m³/年？紤]到污泥加熱占消化氣熱量的30.3%（假設(shè)消化氣直接加熱能量利用率為100%），首先滿(mǎn)足消化加熱（直接加熱和發(fā)電余熱利用），發(fā)電量則為1.8×109 kW·h/年，其為污水處理環(huán)節(jié)用電量的50.8%，占污水處理廠全部用電量的26.9%（假設(shè)污水處理廠能耗不變）。然而，假設(shè)只有剩余污泥進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)氣，則消化氣產(chǎn)量為3.7 億m³/年，其全部發(fā)電能夠滿(mǎn)足污水處理環(huán)節(jié)用電量的24.4%，只占污水處理廠全部用電量的12.9%。
必須指出，以上核算沒(méi)有考慮焚燒鍋爐等設(shè)備的能耗變化，如果消化氣的使用分配包括更多方面，其發(fā)電量將進(jìn)一步降低。另一方面，污泥消化將增加廠區(qū)運(yùn)行管理的復(fù)雜程度，例如濃縮污泥的存儲(chǔ)和運(yùn)輸、燃?xì)獾拇鎯?chǔ)和分配、加熱設(shè)施和余熱輸送等，其間接支出在中小污水處理廠的營(yíng)收管理中將尤為突出。
3.3 維護(hù)管理
日本下水道系統(tǒng)包括污水處理廠、泵站和管道三個(gè)方面。2016年污水處理廠建設(shè)費(fèi)為6 164 億日元，“維持管理費(fèi)”為5 115 億日元，以委托費(fèi)為主。90%以上污水處理廠全部委托給第三方運(yùn)行，95%以上污泥等固體廢物委托處理，只有5%~10%由政府直接管理或部分管理。
4 結(jié)論和展望
本文整理統(tǒng)計(jì)了日本兩千多座污水處理廠和相關(guān)污泥處理設(shè)施的建設(shè)運(yùn)行情況，例如污水規(guī)模、工藝選取、設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、污泥處理處置、能耗統(tǒng)籌等，并對(duì)污水處理過(guò)程各方面有整體介紹。主要結(jié)論如下：
①污水處理廠處理量越大則日變化系數(shù)越低，但人均污水產(chǎn)量變化范圍依然很大；
②日本大中型污水處理廠主要采用普通活性污泥法和脫氮AO及演變工藝，已具有一定脫氮的能力，小污水處理廠普遍使用氧化溝工藝，TP去除依靠加藥；
③為了應(yīng)對(duì)水質(zhì)水量波動(dòng)，小規(guī)模污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)更加保守，例如更長(zhǎng)的HRT、更低的負(fù)荷，更高的污泥濃度等，因而出水有機(jī)物和TN更低，其污泥產(chǎn)量也更低；
④日本污泥處理主要有濃縮、消化、脫水和焚燒環(huán)節(jié)，一半污泥最后被焚燒處置；
⑤日本平均噸水處理電耗為0.433 kW·h/m³，水處理環(huán)節(jié)占53.0%，污泥處理占22.3%；
⑥30%污泥經(jīng)過(guò)消化，其44.7%消化氣用作發(fā)電，發(fā)電量占全日本污水處理廠用電量的3.5%；
⑦處理規(guī)模對(duì)噸水處理電耗的影響遠(yuǎn)大于工藝的影響。
污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行受到多方面因素的影響，例如土地占用、排放回用和污泥處置，本文不能盡詳其全部?jī)?nèi)容。由于數(shù)據(jù)限制，本文還有如下說(shuō)明：
①本研究沒(méi)有區(qū)分日本地域的差異，也沒(méi)有對(duì)污水種類(lèi)（生活污水和產(chǎn)業(yè)排水或工業(yè)廢水）做區(qū)分；
②本研究沒(méi)有考慮到新技術(shù)的使用情況和未來(lái)發(fā)展，例如厭氧氨氧化工藝在污泥處理中的應(yīng)用；
③MBR等應(yīng)用較少的工藝缺乏足夠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其工藝參數(shù)有待進(jìn)一步考察。
作者：王聰、張莉、劉麗芳、施棋、李博、李玉友、彭永臻、戚偉康；作者單位：北京工業(yè)大學(xué)城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、北京城市排水集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京市污水資源化工程技術(shù)研究中心、日本東北大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科 土木與環(huán)境工程系？窃凇督o水排水》2022年第1期。
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