黄河流域城镇污水处理厂建设与运行现状分析

通信作者

胡洪营

教授，博士，博导。主要研究方向为再生水安全利用理论与技术、环境微生物和生物技术领域的研究。

本文对黄河流域68个主要城市的城镇污水处理厂建设与运行现状进行了分析，并提出了促进黄河流域污水处理高质量发展的建议。

黄河流域包括青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东等九省区。参考水利部黄河委员会数据，本文将黄河干流和支流流经县所在的67个地级市（州、盟）和1个省直属县级市（济源市）政府所在地作为“黄河流域主要城市”进行了重点研究。综合考虑省级行政区划和黄河上中下游地理分界点，为方便数据分析，本文将黄河流域划分为上游、中游、下游3个区域。其中，上游共31个地级市（州、盟），属于青海、四川、甘肃、宁夏和内蒙古；中游共19个地级市，属于陕西、山西；下游共17个地级市和1个省直属县级市，属于河南、山东。

本研究所用数据主要来自住房和城乡建设部《城市建设统计年鉴》和全国污水处理管理信息系统。其中，人口、污水排放量、人均污水排放量、污水处理量和人均污水处理量等信息来自《城市建设统计年鉴》，污水处理量、污水处理厂数量和处理能力、污水处理厂进出水水质和电耗等来自于全国城镇污水处理管理信息系统。不同指标涉及的统计范围见表1。

表1 数据统计范围

  注：

*城市指经国务院批准设市建制的城市市区（城区），不包括行政区内市区之外的其他区域。

**城镇包括“城市”和“镇”，其中“镇”是指经批准设立的建制镇的镇区，包括县及县以上（不含市）人民政府、行政公署所在的建制镇的镇区和其他建制镇的镇区，不包括起行政区内除镇区之外的其他区域。

人均污水排放量、人均污水处理量由污水排放量、污水处理量和城区常驻人口、城区暂住人口计算得出。为消除极端值的影响，进水和出水水质等相关指标采用污水处理厂月均值的中位值。年平均单位水量电耗和年平均单位COD去除电耗的计算方法如式（1）、式（2）所示，污水处理厂处理负荷率计算公式如式（3）所示。

2.1 污水排放量与处理量

根据《城市建设统计年鉴》，2020年黄河流域主要城市的污水排放量和污水处理量如图1所示。值得注意的是，由于统计范围的限制，本节的污水排放量和污水处理量数据仅涵盖主要城市的城区，不包括城市下属镇的镇区数据。

图1 黄河流域主要城市污水排放和处理情况

2020年，黄河流域主要城市污水排放总量为56.0亿m3，占全国城市污水排放总量的9.8%；污水处理总量为55.0亿m3，污水处理率达到98.1%。黄河流域主要城市的污水排放与处理情况差异显著（图1），其中西安市污水排放量、处理量最高，分别达到728亿和725亿m3；黄南州污水排放量和处理量最低，分别为228万和194万m3。除黄南州（8521%）、阿坝州（8728%）和海西州（8920%）外，黄河流域主要城市的污水处理率均达到95%。

从不同区域看，黄河上、中、下游主要城市的污水处理率分别为97.0%、98.2%和98.5%。同2020年全国城市污水处理率97.5%相比，黄河上游污水处理率略低，有待进一步提高。

黄河流域主要城市的人均污水排放量和处理量分别介于24.4~132.4 m3/人和23.4~127.6 m3/人。其中，吴中、东营和德州人均污水排放量和处理量最高，人均污水排放量分别为132.4、132.0、127.6 m3/人，人均污水处理量分别为127.6、127.6、125.2 m3/人；定西、阿坝州和铜川人均污水排放和处理量最低，人均污水排放量分别为24.4、43.8、44.5 m3/人，人均污水处理量分别为23.4、38.5、42.6 m3/人。黄河中游人均污水排放量和处理量最高，分别达到106.0 m3/人和104.2 m3/人；上游人均污水排放量和处理量分别为99.0 m3/人和96.0 m3/人；下游人均污水排放量和处理量分别为98.0 m3/人和96.5 m3/人。

2.2 城镇污水处理厂数量与规模

黄河流域主要城市的城镇污水处理厂数量和处理能力见表2。城镇污水处理厂是指城镇统计范围内的污水处理厂，数据来源是全国城镇污水处理管理信息系统。

表2 黄河流域主要城市及其城镇污水处理厂数量与处理能力

2020年黄河流域主要城市共有城镇污水处理厂855座，污水处理能力2 477 万m3/d，分别占全国城镇污水处理厂数量和污水处理能力的14.8%和10.7%。

黄河流域主要城市的城镇污水处理厂介于2~73座。其中，德州、济南和西安最多，分别为73 座、66 座和29 座；济源、乌海、阿拉善盟和铜川最少，分别为 2 座、2 座、3 座和3 座。主要城市的污水处理能力介于0.9万~228.5 万m3/d。其中，郑州、西安和济南最高，分别为228.5 万、194.7万、124.2万m3/d；果洛州、黄南州和海北州最低，分别为0.9 万、1.3 万、1.7 万m3/d。

从不同区域来看，黄河上游共有城镇污水处理厂239座，总处理能力477.2 万m3/d。黄河中游共有城镇污水处理厂244座，总处理能力717.3 万m3/d。黄河下游污水处理厂建设较完善，共有城镇污水处理厂372座，总处理能力1282.7 万m3/d。

2020年黄河流域主要城市的城镇污水处理厂负荷率为102.8%，污水处理能力不能满足污水处理需求。不同城市之间和不同季节之间差异显著，污水负荷介于43.6%~152.1%，其中呼和浩特、商洛和西安污水负荷率最高，分别为152.1%、148.5%和137.2%；阿坝州、济源和石嘴山污水负荷率最低，分别为43.6%、56.0%和58.0%（数据未列出）。从区域看，黄河流域上、中、下游主要城市污水处理负荷率分别为89.5%、112.0%和102.7%。共有呼和浩特、商洛和西安等26座城市（其中上游7座，中游10座，下游9座）处理负荷率超过100%，平均负荷率为117.1%。

不同季节污水处理厂负荷率差异显著，以2020年1月和7月为例（图2），1月黄河流域主要城市的城镇污水处理厂整体负荷率为102.4%。呼和浩特、咸阳和海南州负荷率最高，分别为149.9%、140.5%和140.3%；石嘴山、黄南州和阿坝州负荷率最低，分别为58.1%、59.6%和59.9%。共有海东、海南州和临夏州等25个城市（其中上游5座，中游12座，下游8座）处理负荷率超过100%。

图2 城镇污水处理厂不同月份负荷率（序号对应的城市见表2）

7月主要城市的城镇污水处理厂整体负荷率为109.1%。呼和浩特、商洛和西安负荷率较高，分别为156.8%、155.9%和144.3%；石嘴山、天水和乌兰察布负荷率较低，分别为58.9%、63.5%和69.5%。共有海东市、海南州和临夏州等32个城市（其中上游共10座城市，中游和下游各11座城市）污水负荷率超过100%。同1月相比，7月份共有西宁、海东、海北州等53个城市负荷率提高，平均增幅为11.1%。西宁、黄南州、平凉、银川、巴彦淖尔、郑州、开封、焦作和泰安市1月负荷率并未超过100%，但7月负荷率超过100%。

综上所述，黄河流域上游污水收集率相对较低，部分城市污水处理率低于90%，如黄南州、阿坝州和海西州；同时，城镇污水处理厂负荷率超过100%，夏季等雨水充沛的季节尤其明显。呼和浩特、商洛和西安等城市的城镇污水处理量超过了当前的污水处理能力，因此城镇污水处理厂建设存在需求。中下游城镇污水处理厂负荷率远高于城市污水处理厂，多个城市在枯水期（1月）污水处理负荷率仍然超过100%，表明城镇污水处理厂建设存在较大发展空间。

3.1 污水处理厂进水水质

3.1.1 BOD5浓度

2020年黄河流域主要城市的城镇污水处理厂进水水质（均为月平均值的中位值）如图3所示。各城市的城镇污水处理厂进水BOD浓度（均为BOD5）介于28~302 mg/L；其中乌海、兰州和庆阳的进水浓度最高，分别为302、251和200 mg/L；阿坝州、甘孜州和濮阳的进水浓度最低，分别为28、45和60 mg/L。玉树州、阿坝州和甘孜州等7个城市（其中上游共3座城市，中游1座城市，下游共3座城市）的城镇污水厂进水BOD浓度低于全国中位值（78.2 mg/L）。

注：主要城市对应编号见表2，其中a区域内的城市: 18、21、23、25、26、30、31、32、34、35、37、40、41、42、43、44、46、47、48、49、50、51、59、60；b区域内的城市：1、2、4、5、19、39、52、53、54、56、58、61、62、63、64、65、66、68；c区域内的城市：8、18、19、21、31、33、35、42、43、47、48、49、52、53、54、56、58、61、62、63、64、65、66、67、68；d区域内的城市：13、24、25、30、32、34、36、37、40、41、45、46、51、57、60。

图3城镇污水处理厂进水主要污染物浓度（月平均值的中位值）

2019年4月，住建部等三部委联合发布了《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021)》，要求进水BOD低于100 mg/L的污水处理厂要制定相应的整治方案，提高进水BOD浓度。黄河流域共有海东、玉树州和海西州等16个城市（其中上游共6座城市，中游1座城市，下游共9座城市）的进水BOD浓度中位值低于100 mg/L。雨水、地下水混入，管网漏损等是导致进水BOD浓度较低的主要原因。相应地区的污水处理厂需根据实际情况，分析原因，制定相应的提质增效方案。

3.1.2 COD浓度

黄河流域主要城市的城镇污水处理厂进水COD浓度（均为CODCr）中位值介于87~528 mg/L之间，其中白银、庆阳和兰州进水浓度最高，分别为528、462和462 mg/L；阿坝州、甘孜州和玉树州进水浓度最低，分别为87、90和99 mg/L。共有海北州、果洛州和玉树州等7个城市（其中上游共6座城市，下游1座城市）进水COD浓度低于全国中位值（178.0 mg/L）。

BOD/COD可以反映污水的可生化性，一般认为，当BOD/COD介于0.4~0.6时，污水的可生化性良好。城镇污水处理厂进水BOD/COD介于0.24~0.72，共有濮阳、阿坝州和白银等16个城市（其中上游共6座城市，中游共2座城市，下游共8座城市）的BOD/COD低于0.4。较低的进水BOD/COD可能会造成反硝化过程碳源不足，影响总氮去除。

3.1.3 总氮浓度

进水总氮（TN）浓度介于16~104 mg/L，其中白银、武威和定西进水TN浓度最高，分别达104、89和85 mg/L；阿坝州、甘孜州和玉树州进水TN浓度最低，分别为16、17和21 mg/L。共有西宁、玉树州和阿坝州等6个城市（其中上游共5座城市，下游1座城市）进水TN浓度低于全国中位值（28.7 mg/L）。

反硝化是去除污水中总氮的重要过程，碳源是反硝化过程的关键因素。当COD/TN介于8~12时，可以认为反硝化过程碳源充足。如图4所示，黄河流域主要城市的城镇污水处理厂进水COD/TN介于3.5~11.6，其中仅有西宁、海东和济源进水COD和TN中位值比值高于8.0。反硝化过程碳源不足是各城市城镇污水处理厂面临的普遍问题。

注：主要城市对应编号见表2，其中a区域内的城市: 13、15、21、23、24、25、31、32、34、35、37、40、41、42、43、44、46、47、48、49、50、51、57、60、67；b区域内的城市：2、5、19、33、52、53、54、56、58、61、62、63、64、65、66、68。

图4 城镇污水处理厂出水主要污染物相关关系

3.1.4 总磷浓度

进水总磷（TP）浓度介于1.1~8.4 mg/L，其中银川、乌海和白银进水TP浓度最高，分别为8.4、7.6和7.2 mg/L；果洛州、阿坝州和玉树州进水TP浓度最低，分别为1.1、1.1和1.3 mg/L。共有西宁、海东和海北州等13个城市（其中上游共11座城市，中游和下游各1座城市）进水TP浓度低于全国中位值（2.75 mg/L）。

不同城市进水TN/TP差异较大，介于6.6~23.0。污水进水中碳、氮、磷平衡对于生物处理过程十分重要，一般认为当BOD：TN：TP介于100∶5∶1和100∶10∶1时，好氧工艺效率最高，厌氧工艺最优比例为250∶5∶1。黄河流域共有52个城市TN/TP超过10。

综合来看，黄河流域部分地区存在进水BOD浓度偏低、可生化性不足、氮磷比失衡等问题。反硝化碳源不足是各主要城市污水处理面临的普遍问题。

3.2 污水处理厂出水水质

2020年黄河流域主要城市的城镇污水处理厂出水水质中位值如图5所示。总体来看，黄河流域城镇污水处理厂出水水质较好，出水主要污染物指标（COD、TN、TP）中位值基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准。

图5 城镇污水处理厂出水主要污染物浓度（月平均值的中位值，序号对应城市见表2）

各主要城市的城镇污水处理厂出水COD浓度中位值介于13.0~35.2 mg/L，均达到一级A排放标准，其中乌海、白银和定西最高，分别为35.2、32.9和32.0 mg/L；阿坝州、阳泉和济宁最低，分别为13.0、13.5和15.0 mg/L。共有65个城市出水COD浓度中位值低于30 mg/L（《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准 ）；共有33个城市出水COD浓度中位值低于20 mg/L（地表水Ⅲ类标准）。

出水TN浓度中位值介于5.4~16.0 mg/L，其中海北州、天水和乌兰察布最高，分别为16.0、14.4和14.2 mg/L；甘孜州、玉树州和阿坝州最低，分别为5.4、6.8和7.1 mg/L。除海北州外，各城市出水TN中位值均低于15 mg/L（一级A排放标准）。

出水TP浓度介于0.12~0.64 mg/L，其中天水、乌兰察布和兰州最高，分别为0.64、0.42和0.39 mg/L；聊城、乌海和咸阳最低，分别为0.12、0.13和0.13 mg/L。共有66个城市出水TP浓度中位值低于0.4 mg/L（地表水Ⅴ类标准）；共有58个城市出水TP浓度中位值低于0.3 mg/L（地表水Ⅳ类标准）；共有30个城市出水TP浓度中位值低于0.2 mg/L（地表水Ⅲ类标准）。

从不同地区来看，黄河上游出水主要污染物浓度较高，出水COD、TN和TP中位值分别为22.1、10.3和0.25 mg/L。黄河中、下游主要城市城镇污水处理厂出水水质较好。中游出水COD、TN和TP中位值分别为19.0、10.1和0.18 mg/L；下游出水COD、TN和TP中位值分别为19.4、9.5和0.19 mg/L。

总体而言，黄河流域主要城市城镇污水处理厂出水水质较好，为推动污水再生利用发展提供了坚实的基础。但是，部分城市污水处理厂出水TN浓度较高，需要进一步重点关注。

污水处理厂能耗主要包括电耗和燃料能源的消耗等，其中电耗占比最高。污水处理过程的碳排放量约占我国碳排放总量的1%~2%。电耗是污水处理厂主要碳排放来源之一，也是污水处理厂运营的主要成本。

根据全国污水处理管理信息系统，2020年度黄河流域主要城市共有754座（其中上、中、下游分别有233、243和278座）城镇污水处理厂上报了电耗数据，具体情况如图6所示。

图6 黄河流流域城镇污水处理厂电耗情况

根据2020年全国城镇污水处理厂吨水电耗中位值0.36 kW·h/m3和单位COD去除电耗中位值2.14 kW·h/kgCOD，可将所有污水处理厂划分为四类，分别为（Ⅰ）单位水量电耗和单位COD去除电耗均小于等于全国中位值；（Ⅱ）单位水量电耗大于全国中位值，单位COD去除电耗小于等于全国中位值；（Ⅲ）单位水量电耗小于等于全国中位值，单位COD去除电耗大于全国中位值；（Ⅳ）单位水量电耗和单位COD去除电耗均大于全国中位值。

电耗分布在Ⅳ区的污水处理厂数量最多，为281座，占总污水处理厂的37.3%；Ⅱ区的污水处理厂数量其次，为223座，占污水处理厂总数的29.6%；有214座污水处理厂位于Ⅰ区，占污水处理厂总数的28.4%；仅有36座污水处理厂位于Ⅲ区，占污水处理厂总数的4.8%。共有504座污水处理厂位于Ⅱ区和Ⅳ区，即单位水量电耗高于全国中位值，占总污水处理厂数量的66.8%；共有280座污水处理厂位于Ⅲ区和Ⅳ区，即单位COD去除电耗高于全国中位值，占总污水处理厂数量的42.0 %。

从城市尺度来看，黄河流域主要城市的城镇污水处理厂单位水量电耗中位值介于0.26~1.11 kW·h/m3，其中果洛州、鄂尔多斯和巴彦淖尔最高，分别达到1.11、1.03和0.86 kW·h/m3；菏泽、滨州和焦作最低，分别为0.26、0.27和0.31 kW·h/m3。单位COD去除电耗介于0.89~9.06 kW·h/kgCOD，其中果洛州、阿坝州和玉树州最高，分别为9.06、8.95和6.23 kW·h/kgCOD；兰州、白银和渭南最低，分别为0.89、0.89和1.08 kW·h/kgCOD。

黄河上、中、下游污水处理厂的单位水量电耗中位值分别为0.58、0.52、0.34 kW·h/m3，高于全国中位值的污水处理厂数量分别占总数的81.1%、78.2%和45.0%；单位COD去除电耗中位值分别为2.26、1.96、1.60 kW·h/kgCOD，高于全国中位值的污水处理厂分别占总数的52.8%、45.3%和30.2%。大量数据分析表明，单位COD去除电耗与进水COD浓度成负相关关系，在一定浓度范围内，提升进水COD浓度，有利于提升污水处理厂效率，节能降耗。

总体而言，黄河流域污水处理厂运行能耗较高，的存在优化提升空间。结合上文所述内容，阿坝州等城市污水处理设施建设比较薄弱。以阿坝州为例，该地污水处理率为87.8%，污水处理负荷率为87.9%；共有城镇污水处理厂19 座，累积处理能力达到11.4 万m3/d，以处理能力低于1 万m3/d的小型污水处理厂为主，污水处理负荷率为43.6%。污水处理厂进水污染物浓度低，进水BOD、COD浓度分别为28 mg/L和87 mg/L。同时，单位水量电耗和单位COD电耗分别为0.49 kW·h/m3和8.95 kW·h/kgCOD，均高于全国中位值，呈现出进水污染物浓度低，单位水量电耗和单位COD去除电耗高的现象。海西州、玉树州等城市也呈现出类似特征。

完善污水收集设施，降低外来水混入，对污水处理厂提质增效有重要作用。可通过优化处理工艺或采用低能耗工艺等方式降低电能消耗。除此之外，也有研究显示，污水处理厂电耗存在一定的规模效应，合理确定污水处理厂建设规模，合理布局也有助于降低污水处理电耗。

黄河流域主要城市的污水处理率达到98.1%，高于全国平均水平。但是污水处理设施建设地域发展不均衡现象比较突出，上游污水处理设施建设发展相对缓慢，污水处理能力和污水收集率有待进一步提升。城镇污水处理厂处理负荷率为102.8%，中下游城镇污水处理厂污水负荷率较高，镇区污水处理设施需进一步加强建设。

部分城市存在污水处理厂进水污染物浓度低的现象，上游和下游主要城市更为突出。进水BOD浓度偏低、可生化性不足、COD/TN低、氮磷比失衡等问题，值得重点关注。污水处理厂出水水质较好，主要污染物浓度基本达到一级A排放标准，部分城市出水主要污染物指标优于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）地表水Ⅳ类相关要求，为推动污水再生利用发展提供了坚实的基础。TN去除是黄河流域主要城市面临的普遍问题，值得重点关注。

黄河流域大部分污水处理厂吨水电耗高于全国中位值，单位COD去除电耗低于全国中位值。上游城镇污水处理厂电耗较高，需要进一步分析原因，提高污水处理效能。

另外，调研中发现，污水处理厂建设、进出水污染物浓度等数据存在统计精度较低、统计分类较简单、统计数据缺失等现象。

针对以上问题，提出如下建议：

（1）进一步加强污水处理设施建设，提升城镇污水处理能力。污水处理设施规划建设时，应尽量避免污水处理能力过剩和处理负荷率过高的现象。针对黄河流域不同地域气候、降水等情况，选取合适的处理工艺，节能降耗。

（2）推进污水管网建设，填补管网空白。同时，也应进行老旧管网诊断修复，推进管网混接错接等改造工作。针对进水BOD浓度低于100 mg/L的城市污水处理厂，因地制宜制定合适的提质增效方案。

（3）加强污水处理相关统计工作，建立健全污水处理统计制度。进一步细化统计指标，提高统计精度，扩大统计范围，建立污水处理数据库，数据实时联网，可为今后污水处理设施建设工作提供有利支撑，为精准识别污水处理薄弱环节打下基础。