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《城镇污水处理厂污染物排放标准》与《地表水环境质量标准》的比较和发展趋势探索

《城镇污水处理厂污染物排放标准》与《地表水环境质量标准》的比较和发展趋势探索

发布日期:2019-12-02 作者:陈华 点击:

一、 两个标准制定的出发点迥异

《城镇污水处理厂污染物排放标准》(下文简称《污水标准》)与《地表水环境质量标准》(下文简称《地表水标准》)是两个不同类别的标准,它们制订的出发点和考虑范畴是迥异的。《地表水标准》是国家环境保护标准体系的一个重要组成部分,1983年首次颁布后,已分别于1988年、1999年、2002年进行了三次制修订,第四次制修订工作也该适时进行。该标准适用于江、河、湖、渠、水库等具有使用功能的地表水水域,是专门针对人类社会中所存在的一部分与人类关系比较密切的水制订的标准。根据地表水使用功能的高低不同,划分为五类标准。该标准从环境与健康风险管理角度出发,既尊重了环境毒理学试验数据,立足环境基准,又综合考虑了经济、社会发展状况,制订和执行该标准对维护人体健康具有重要保障作用,这便是标准制订的出发点。

《污水标准》亦是国标,目前使用的是首次发布的2002年版,2015年底发布的征求意见稿是对2002版的修订,一经发布便引发了许多学术争论。该标准聚焦城镇污水处理厂,制订的出发点是水、气、泥、声四大类污染物在污水处理厂经过妥善处理后再排放到受纳环境,由受纳环境所允许的纳污能力来反推其污染指标的限制浓度。在该标准中,水、气分别设定三级标准,污水一级标准中分设一级A和一级B标准。

从考虑范畴来看,《地表水标准》考虑的范畴更宽泛,控制项目达109项。它将环境作为一个系统、一个整体来考虑。由于环境包含自然和非自然的部分,城市化加剧后,污染物排放主要是由于非自然的人类活动造成的。而除此之外,自然界还有许多其他的自然现象和活动,如除了人类之外的其他动物、植物和微生物的活动,风、雨、雷电等自然现象等,都会造成整个环境的变化。因此,环境工作者在制订《地表水标准》时考虑的是整个生态系统。《地表水标准》关心的是某一种氮类指标浓度变化及其对水生态糸统的贡献。而《污水标准》考虑的范畴相对狭窄,控制项目为62项,其中基本控制项目为19项,仅考虑城镇污水处理厂污染物排放及与受纳环境的关系。综上所述,两个标准制订的出发点和关注焦点都有较大差异。

二、两个标准的指标对应和关联性分析

(一)《污水标准》中控制项在《地表水标准》中的对应

1.基本控制项的对应

现将《污水标准》中62项控制指标进行分解,与《地表水标准》进行比较。污水排放标准基本控制项目共19项,其中表1为12项。12项中除悬浮物、动植物油和色度3个项目之外,其余9项全部包含在《地表水标准》中24项基本控制项目中。在没有包含的3项中,色度和悬浮物是污水排放应该控制的,不应包含在《地表水标准》中。而动植物油这一指标是基于污水排放特点而设置的,虽然无毒,但在水中会形成油膜,阻隔氧气传输,所以污水排放必须控制。表2为部分一类污染物控制排放浓度。所谓一类污染物,是指危害严重的物质,在环境中易造成很大破坏,必须严格控制。这一概念由我国环保部于《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中提出。第一类污染物共13种,包括总汞、烷基汞、总镉、总铬、六价铬、总砷、总铅、总镍、苯并(a)芘、总铍、总银、总α放射性和总β放射性。在《污水标准》中,表2约束的部分一类污染物共有7项,分别是总汞、总镉、六价铬、总砷、总铅、烷基汞和总铬,其中前5项都纳入了《地表水标准》的基本控制项。烷基汞在《地表水标准》中没有一一对应地出现,却对应以甲基汞项目出现在表3集中式生活饮用水地表水源地特定项目中,这是由于污水排放中除了甲基汞,还有其他有机汞化合物,以烷基汞考量更为合适;只有“总铬”在《地表水标准》中没有对应。《地表水标准》只将六价铬列入基本控制项,因为六价铬是致癌物,三价铬无毒,自然条件下三价铬不会被氧化为六价铬。这一部分的指标分析表明,两个标准之间总体关联度较好。

2.选择控制项的对应

《污水标准》表3选择控制项目共43项,以有机污染物为主,包含了部分重金属,其中一类污染物中除了放射性项目,其余各项在表2中没有包含的一律在表3中体现。对比发现,43项中,总银、总硝基化合物、有机磷农药、对硝基氯苯、苯酚、间-甲酚、可吸附有机卤化物等7项在《地表水标准》中没有一一对应。在《地表水标准》中,银这个项目没有出现是容易理解的,它是一种贵金属,回收价值很高,工艺处理中总是尽量回收利用;硝基苯、二硝基苯、2,4-二硝基甲苯、2,4,6-三硝基甲苯、硝基氯苯、2,4-二硝基氯苯等6项具体化合物对应了《污水标准》中的“总硝基化合物”;有机磷农药以更详细的敌敌畏、敌百虫、百菌清等分类项目在《地表水标准》表3中出现;表3中还出现了硝基氯苯,包含对、间、邻硝基等这3种构型,而《污水标准》表3中控制项目仅为对硝基氯苯,是其中的一种构型。可吸附有机卤化物的情况比较复杂,主要来源于化工、塑料、皮革、造纸、医疗、农药等行业所排放的废水,毒性较大,难生物降解。有机卤化物主要包括三卤甲烷,即氯仿、溴仿、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、二碘一氯甲烷、一碘二溴甲烷、二碘一溴甲烷等,此外还有卤代芳香烃、卤代脂肪烃(有机氯农药等)。这些有机物中,个别物质在《地表水标准》中是有对应的,比如氯仿、溴仿属三卤甲烷,百菌清属有机氯农药。不过,作为一个大类,《地表水标准》中并没有单独的AOX指标。对比分析这一部分指标,两个标准之间的关联度需要进一步增强,尤其是《污水标准》中两种酚类和可吸附有机卤化物在《地表水标准》中根本没有对应。既然人类活动排放出大量AOX,《地表水标准》中没有这个指标作为对应似有不妥之处。同理,《地表水标准》在表3特定项目中有对五氯酚的控制,五氯酚是一种高效、价廉的广谱杀虫剂、防腐剂、除草剂,是氯酚类中毒性较大的,而《污水标准》中暂未将其设定为控制项,这也不得不说是一个缺憾。

通过上文的论述,建议《污水标准》和《地表水标准》中各增加个别控制项的规定,如表1所示,使两个标准能有更科学的关联性。

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(二)《地表水标准》中控制项目在《污水标准》中的对应

在《地表水标准》109个控制项目中,表1基本控制项目24项中的水温、溶解氧、高锰酸盐指数和氟化物4项、表2共5项中的硫酸盐、氯化物、硝酸盐和铁这4项在《污水标准》中没有对应,是《地表水标准》特有的控制项。而《地表水标准》表3集中式生活饮用水地表水源地特定项目标准限值共80项,其中有50项在《污水标准》中是没有控制项要求的。

(三)小结

由以上的比较可知,两个标准有比较密切的关系,很多控制项有交集,尤其是《污水标准》中大多数控制项可在《地表水标准》中找到踪迹。可见,《地表水标准》在某种程度上是《污水标准》的基础,但两者毕竟是两个不同系列的标准。一个是处理后的尾水,绝大多数情况需要进入循环后再被利用;一个是地表水,是可直接与人等生态系统中消费者发生联系的清洁水,为确保维护人体健康的要求,所控制的项目考虑的范畴就会更宽泛。行业特点不同导致了两个标准制定的出发点和关注点迥异。两个标准的关联性总体较好,尤其是基本控制项目部分,在选择控制项目部分,关联性还可进一步提升。

三、 比较研究引发的科学思考

(一)两个标准中部分指标控制限值的分析讨论

通过对比两个标准所有的指标,发现对于同一指标,规律性的趋势是《污水标准》控制阈值高于或等同于《地表水标准》控制阈值,这可以理解为污染物进入受纳水体后经过系统的稀释,发挥系统自净能力而使污染物浓度进一步降低到地表水标准的控制值。表2给出了《污水标准》表3中部分选择控制的重金属项目浓度限值与《地表水标准》的比较。

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然而,标准中,总铜和总锌这两个控制项目却出现了相反的情况,即《污水标准》控制阈值低于《地表水标准》控制阈值。如果说在控制工业点源污染的同时,考虑部分农业面源污染无组织排放的话,似乎地表水指标控制浓度高于污水厂排放控制浓度有一定道理和可能,如此解释总铜和总锌在两个标准中的差异趋势与其他控制项目相反似乎能说得通。但即便如此,分析这些重金属的来源发现,总铜、总锌和总锰这3个控制项目主要来源于工业和农业,来源相同,按理,它们在两个标准中的差异趋势应该是一致的。可是,总锰却又出现不同的趋势,即地表水指标控制浓度大大低于污水厂排放控制浓度,控制浓度差一个数量级。考虑到金属锰的各种离子价态有色度,总锰控制与色度控制关系密切,地表水中将总锰控制得较严格是合理的,而污水排放标准中该值控制过于宽松,在标准修订中将其控制得更为严格非常有必要。

(二) 两个标准比较研究引发的思考

除了总铜、总锌和总锰这3个指标在两个标准中的制订限值有待商榷之外,分析《地表水标准》中表3控制项目不难发现,有机氯化物种类数量繁多,而不得不承认的是,城市污水在处理工艺中的氯消毒是造成有机氯化合物排放的重要来源之一。污水处理本身的目的是降低和消除污染物、保护环境,如果会造成二次污染,那其工艺设计的科学性和整体思维便有待商榷。国内污水处理厂尾水消毒工艺中,氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒应用得较为普遍,其中只有紫外线消毒工艺在减少污染的同时不产生二次污染,是绿色、环保的,它以紫外线照射时破坏生物体内的核酸为机理致死微生物,无残留。通过紫外线波段调节、灯管合理布设、灯管防结垢考虑、停留时间合理设计等工艺优化,该工艺的效率会大大提升。

在上海,新一轮的污水处理厂提标改造和建设工程正在如火如荼的开展,在其工艺设计中,由于业主和设计单位的理念不同,消毒工艺所采用的方式也不尽相同。如竹园第一、竹园第二污水厂以及新建的虹桥污水处理厂,消毒工艺都采用了以紫外线为主、次氯酸钠为辅的工艺路线,是比较环保的,然而在石洞口污水厂提标改造和新建泰和污水厂中却还是沿用次氯酸钠消毒工艺。因此,这方面的政策和规范引导是相当重要的。

从另一方面来看,多地环保均采用瞬时样作为执法依据。作为运行管理单位,势必将出水瞬时100%达标作为处理目标,紫外线+次氯酸钠的工艺选择则基于此考虑。如果不考虑瞬时样达标,运行单位可放心地将紫外线消毒作为首选工艺。探究标准的科学性,像粪大肠菌群这样的指标是否需要做到100%瞬时达标,是很值得商榷的,毕竟排放的是污水处理尾水,一不直接接触人体,二不可能直接饮用,这种污染物在自然界中经过自然降解会获得新的平衡值。此外,比较研究还发现,在《地表水标准》中粪大肠菌群Ⅰ类水为200,Ⅱ类水为2 000,《污水标准》一级A对应该指标数值为1 000,介于Ⅰ类水(源头水、国家自然保护区)和Ⅱ类水(集中式生活饮用水地表水原地一级保护区)之间,横向比较揭示其制订得过于严苛是显而易见的。

四、标准的发展趋势分析

(一) 各成体系,各自发展

由以上的分析可知,《污水标准》与《地表水标准》两个标准虽有关联,但毕竟是两个不同体系中的两个不同标准。从标准的科学发展来看,它们将会在各自的体系中不断发展和修订,彼此仍应有科学关联,但也并不存在并轨的可能。所以,有关《污水标准》要提标到《地表水标准》Ⅳ类水或者准Ⅳ类水的表述是欠科学的,只能说如果《污水标准》进一步提高的话,其中的某几个指标限制浓度与《地表水标准》中相应指标的限制浓度一致或等同。

(二) 国标为基,地标为主

分析《污水标准》的发展趋势发现,十几年前,标准制订思路是限制耗氧污染物浓度,并对一些环境危害极大的一类污染物进行浓度限定。以BOD、COD为代表的有机污染物在降解过程中会消耗大量氧气,造成受纳水体黑臭,是必须要控制的污染物。但是这类有机物毕竟在环境中可以降解,与难以降解、易生物累积的物质毒性不可比。在水动力条件好、环境容量大的受纳水体中,这类污染物的控制不必过于严苛。以COD为例,二级标准限制浓度为100 mg/L,一级A为50 mg/L,如果能达到一级A处理标准,从比例上看COD已经减半,绝对数量上更是控制了大量耗氧污染物的排放。我国幅员辽阔,各地经济技术发展水平参差不齐,在现阶段进一步提高国标标准,降低传统有机物控制浓度,能源、材料、财力的消耗所换取的新增环境效益总量是有限的,是否经济至今未有详细的环境经济学分析数据可供参考。因此,建议对此类污染物的控制应该趋缓。比较合理的做法是各地因地制宜,制订和修订城镇污水处理厂污染物排放地方标准。事实上,多地已经出台了地方标准,对于治理污染、保护水环境起到了很好的作用。

就上海本地的情况来看,80年代建设合流污水一期工程时,世界银行委托的国际咨询专家给出的建议是终端污水处理厂采用一级加强排放工艺,当时也是基于大水体的稀释能力较强、经济发展水平有限、环境要求还没有那么高的具体情况而制订的。随着经济和技术的不断推进,人们对环境诉求的日益提升,上海城镇污水厂污水排放标准不断升级,从20世纪80年代一级加强、21世纪初完成二级处理改造、“十三五”期间从一级B到一级A的急速提标,虹桥和泰和污水处理厂高于一级A的标准设计,排水建设被环保的标准催着赶着前行,有些建设项目比较幸运,是在前期研究或设计阶段得到了新的标准要求指令,更新设计标准只不过多花费了一些时间而已,而有些项目已经进入到建设阶段才知道建成后即面临新一轮改造,无论从人力、财力还是物力投入上来看都不那么幸运了。如果上海拥有城镇污水处理厂污染物排放地方标准,排水建设就会逐渐扭转被动局面。

(三) 加强有机污染物和新兴污染物的控制

以上讨论的都还是对传统耗氧有机物的控制,如BOD和COD。立足环境科学的角度,相比一类污染物,环境毒性大、难以降解、出现频率高、具有生物累积性、三致的污染物毒害更甚,更应该控制。因此,作为国标,在经济发展、技术进步、环境诉求更高、倡导可持续发展的现阶段,《污水标准》的修订方向应该重点关注中国环境优先污染物黑名单所列14大类化学物质,它们是挥发性卤代烃类、苯系物、氯代苯类、多氯联苯、酚类、硝基苯类、苯胺类、多环芳烃类、酞酸酯类、农药、丙烯腈、亚硝胺类、氰化物、重金属及其化合物,共68种有毒化学物质。68种上黑名单的化学物质中,多数为有机物,且其中有20多种未列入2002版的《污水标准》中。随着环境检测手段的提高,可适时增补进入国标,使国标在指标体系上更加全面。

此外,新兴污染物的环境影响也不容忽视,科技储备工作应该予以加强和重视。目前,关注较多的新兴污染物(ECs)包括全氟化合物(PFOS、PFOA)、内分泌干扰物(EDCs)、药品和个人护理用品(PPCPs)、致癌类多环芳烃(PAHs)、溴化阻燃剂及其他有毒物质等。随着环境分析水平的提高,这些物质在国内外的城市污水、地表水、饮用水中被频繁检出,尽管它们的检出浓度仅在ng/L~μg/L, 但其化学性质稳定, 且易生物积累,具有潜在的生态和健康威胁性,一些发达国家,如欧盟、美国、澳大利亚、瑞士等,已经率先将一些新兴污染物列入部分水环境保护标准中。瑞士在2016版的水保护法案中对污水厂出水排放的ECs做了限定,并要求污水处理厂进行改造,增加高级处理工艺,以伊贝沙坦等12种指示ECs作为评判标准。以此为风向标的新一轮污水处理厂升级改造提示我们在新兴污染物的控制方面,科学研究要引起足够重视和加强,要有一个较长序列、时空分布合理的技术储备作为标准制订的坚实科学基础。

(四)《地表水标准》建议发展为双值体系标准

对于我国的《地表水标准》,更科学的发展趋势应该是标准制订从单值体系跨越到双值体系,即针对保护水生生物和保护人体健康两大目标分别设定基准值。美国的《推荐水质基准》(NationalRecommendedWaterQualityCriteria)和日本的《水污染环境质量标准》(EnvironmentalQualityStandardforWaterPollution)均为双值体系标准,使用已达数十年,其中的经验教训可供我们借鉴。对于食物链角度而言,双值体系更为科学。因为人类作为最顶级的消费者,完全有可能消费水生生物,如果水生生物没有经过严格的保护而受污染甚至致畸致突变,人类一经食用,环境危害就会通过食物链的累积不断放大,对人体健康的危害不容置疑。从试验方法来看,水生生物水质基准制订方法是根据3门8科水生生物毒性试验结果,最终通过统计学方法推导出的基准限值;而健康基准则主要是根据哺乳动物毒性试验结果,结合人体暴露特征定量风险评估结果推导出的基准限值。可见,两者试验原理和方法皆不同,没有实质性的关联,必须完全独立进行试验获得基准限值。此外,对于地表水中新兴污染物的研究和技术储备也必须紧紧跟上,这是由新兴污染物潜在的生态和健康威胁性决定的,前文已有阐述,不再赘述。

五、 结语

《污水标准》和《地表水标准》是分属两个不同体系的标准。虽然两个标准的控制项目产生了不小的交集,但标准制订的出发点和考虑的着眼点不同,决定了两个标准存在相当大的差异,并不存在并轨的可能。从两个标准的比较研究中,发现《地表水标准》在某种程度上是《污水标准》的基础,两个标准应在发展中建立更科学的关联。通过比较和分析,发现两个标准中总铜、总锌和总锰这3个控制项目制订的限制浓度有待商榷。鉴于《地表水标准》中需要控制的有机氯化物种类繁多,推荐污水处理厂尾水消毒优先采用绿色环保的紫外线消毒工艺,以减少有机氯化物在环境中的排放。分析和展望标准的发展趋势,有机污染物和新兴污染物的控制应该是发展方向,对于《污水标准》而言,建议对常规有机污染物的控制趋缓,应更关注中国环境优先污染物黑名单中的污染物控制,国标为基,地标为主,要大力推进和加强地方标准的制(修)订工作以便因地制宜地治理环境;对于《地表水标准》,建议从单一的保护人体健康的单值体系逐步发展到保护水生生物和保护人体健康的双值体系。

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