【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】日本的污水處理起步較早，經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)建設完善，并在其精細管理下編撰為《下水道統(tǒng)計》。對日本污水處理和污泥處置情況進行全面統(tǒng)計和深入分析，期望對我國污水處理廠的建設和運行具有借鑒意義。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、運行和設計參數(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；運營分析包括能源消耗、污泥消化產(chǎn)能和運行方式等。并進一步研究各因素和運行效果的關(guān)系，例如處理工藝和規(guī)模的匹配、生化處理負荷和運行參數(shù)的影響、污泥性質(zhì)和沉淀池參數(shù)的選擇、進水和出水污染物濃度、污泥進行厭氧消化處理的產(chǎn)能分析等。然而，由于我國和日本的水資源等國情和社會差異使得排放標準和回用需求不同，日本污水處理經(jīng)驗需要被進一步詳細考察來服務于國內(nèi)的污水處理廠建設和運行。

我國污水處理行業(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m³/d；縣城污水處理廠1 669座，處理能力3 587萬m³/d；鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠1 830座，處理能力108.6 萬m³/d；城縣污水處理廠的污泥產(chǎn)生量為1 303萬t/年。然而農(nóng)村只有33%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)具有處理設施并且管理不善，由于我國人口相當一部分常住在農(nóng)村，推測全國生活污水中還有很大比例沒有經(jīng)過妥善處理。

與我國相比，日本的污水處理起步早，并經(jīng)過多年發(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，污泥處理設施1 979處，再生水利用設施350處。日本污水處理廠在精細化管理中的數(shù)據(jù)匯編極為全面，對基本建設情況具有細致統(tǒng)計，并將污水處理和污泥處置等建設運行數(shù)據(jù)編撰為《下水道統(tǒng)計》，每五年向全社會公開出版。本論文主要借鑒日本2018年版《下水道統(tǒng)計》（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，期望對我國污水處理廠的建設和運行具有一定的借鑒意義。必須指出，由于國情和社會差異，尤其是我國水資源特征對排放標準和回用需求不同于日本，不可在沒有進一步詳細考察的情況下照搬日本經(jīng)驗。

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m³/d，日變化系數(shù)2.49±2.29；晴天日最大處理量5 711萬m³/d，晴天日平均3 623萬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)達到了96.7%，30萬~100萬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5萬的行政單位普及率只有47.1%。由于多數(shù)污水處理后排海或經(jīng)過河流短時間即可流入海洋，日本污水處理多年前主要執(zhí)行二級處理，1996年二級處理量約3 000萬m³/d。近年日本對污水排放提出了更高要求，其深度處理量從1995年只有128萬m³/d逐年增加到2016年的1 133萬m³/d，約占當年處理水量的26.9%，二級處理量以每年5萬m³/d遞減。

圖2顯示了不同年份建設的污水處理廠在2016年的實際處理量情況�？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（見圖1）貢獻不大，即大型污水處理廠擴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情況進行關(guān)聯(lián)（見圖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）同時人均污水產(chǎn)量高的地區(qū)均為大阪、東京等經(jīng)濟特別發(fā)達的地區(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)果說明，即使有大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按照人口密度（例如區(qū)域城鎮(zhèn)化、發(fā)達程度）和服務人口數(shù)量難以推斷污水總量，依然需要仔細核算。

1.2 進水水質(zhì)

日本污水處理廠的實際進水中有機物含量較高（見表1），而氮磷元素含量較少；同時，設計水質(zhì)和實際水質(zhì)差別不大。中國很多污水處理廠進水有機物含量低、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)（各類物質(zhì)濃度應該等比例降低），而是由污水（廢水）來源構(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)，自建的污水處理設施排放進入管網(wǎng)的污水往往勉強符合氮磷濃度要求，但是有機物含量異常低。未經(jīng)過上下游統(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荷；同時，居民生活占比小，沒有提供對應的有機物，造成末端污水處理廠進行生化脫氮除磷的碳源不足。日本等發(fā)達國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m³/d的污水處理廠占1/5以上，0.1萬~0.5萬m³/d的污水處理廠占45%；大于5萬m³/d的大型污水處理廠只占12.7%。標準活性污泥法應用于各種處理規(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m³/d的污水處理廠中被廣泛應用，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、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用；然而SBR、MBR工藝應用數(shù)量很少，處理規(guī)模也不大。

日本對不同規(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m³/d，占日本全部污水處理廠處理能力的46.9%（實際污水處理量占比為26.9%）。處理量大于10萬m³/d的污水處理廠中83.6%進行了深度處理；處理量小于1萬m³/d的污水處理廠僅有10%進行了深度處理。以上數(shù)據(jù)說明，日本對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濾來降低出水磷和SS濃度（見表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，是由于進水有機物含量高、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《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計年鑒》，2014年中國污水處理廠設計處理能力大于50萬m³/d、10~50萬m³/d、5萬~10萬m³/d、1萬~5萬m³/d和0.5萬~1萬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m³/d為95座，預計是小型污水處理廠和處理設施沒有得到全面統(tǒng)計。中國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在中國普遍應用在>1萬m³/d的污水處理廠。

1.4 生化過程

表4列出了不同工藝和處理量的污水處理廠實際運行情況和重要設計參數(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，設計負荷采用了更�。ǜＪ兀┑臄�(shù)值，例如AO及演變工藝的設計污泥負荷從0.18 kg BOD/（kg SS·d)逐漸降低為0.10 kg BOD/(kg SS·d)、氧化溝工藝的設計容積負荷從0.37 kg BOD/(m³·d)逐漸降低為0.18 kg BOD/(m³·d)。不同工藝的負荷差異很大，脫氮除磷工藝的負荷低于普通活性污泥法；氧化溝工藝的處理負荷是各類工藝中最低的；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m³/d）的容積負荷遠高于其它工藝，達到0.6 kg BOD/(m³·d)左右。另外，實際運行負荷數(shù)據(jù)均明顯低于設計值。

污泥停留時間（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m³/d和0.1萬~0.5萬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，1萬~5萬m³/d和0.1萬~0.5萬m³/d污水處理廠分別為25.2 d和37.8 d。相應的，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，污泥濃度增加。

小型污水處理廠和污水站水質(zhì)水量波動大（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的HRT和SRT、更小的處理負荷來消減水質(zhì)水量的波動，因此更加傾向于使用兼具延時曝氣作用的氧化溝工藝。MBR工藝的高污泥濃度和低負荷有利于保證出水水質(zhì)，然而曝氣池HRT依然高達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的廊道和高HRT保證污水充氧次數(shù)，必然導致占地面積大，不適于日本土地狹小的國情。

1.5 沉淀池

日本兩千多座污水處理廠中的 843座設有初沉池，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雨天污水進行一級處理。表5統(tǒng)計了污水處理廠初沉池和二沉池的運行參數(shù)，日本污水處理廠沉淀池設計和運行參數(shù)都相對保守。初沉池實際運行表面負荷略小于設計值，并隨著處理量減小而逐漸降低。處理量大于0.1 萬m³/d的污水處理廠初沉池設計表面負荷約為1.67 m³/(m²·h）［中國《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014-2006)(以下簡稱中國規(guī)范)中為1.5~4.5 m³/（m²·h）］；小于0.1萬m³/d的沉淀池設計負荷只有大中型污水處理廠的一半。

二沉池的實際運行負荷小于設計值，并且設計負荷和運行負荷都隨著處理規(guī)模的減小而降低。處理量大于0.5 萬m³/d的污水處理廠，二沉池的設計負荷約為0.83 m³/（m²·h）［中國規(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。計算二沉池固體負荷約為40 kg SS/（m²·d）（中國規(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列出了不同排水標準的污水處理廠數(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。日本對受納水體為水質(zhì)敏感區(qū)域和內(nèi)陸湖的污水進行嚴格的脫氮除磷處理。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TN的控制比TP更加嚴格。由于日本大部分污水處理廠建設早并多為標準活性污泥法，在改造中只能基于原有工藝進行演變提升，因而AO等工藝使用不多。雖然千方級小污水處理廠沒有脫氮除磷的要求（見表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際運行出水水質(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（設計脫氮或深度處理時低于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，對應生化過程的SRT較高（見表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、絮凝劑除磷等對各水質(zhì)指標均有一定的處理效果，對TP的降低幅度最大，例如氧化溝深度處理出水為0.87 mg/L，遠低于無深度處理的情況。相同的處理工藝中小規(guī)模污水處理廠的HRT更長、缺氧池占比更大、處理負荷更小（見表4），因此出水有機物和TN更低。但高SRT導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才會更低。

90%日本污水處理廠出水進行了加藥消毒，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水、融雪、工廠供應和農(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)過了深度處理，主要處理方法為絮凝過濾和臭氧消毒。

中日國情差異，直接影響了污水工藝、排放標準和回用程度等。例如，中國農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水消耗大，地區(qū)差異明顯、自然水體遠遠無法滿足需求，造成中國一些地區(qū)嚴重缺水。而日本水資源量相對充沛，因此沒有強烈的污水回用需求；排河污水能短時間內(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 固廢來源

2016年污水處理廠產(chǎn)生各類污泥4.8 億m³（見表10），其中初沉污泥產(chǎn)量為70.0 萬m³/d，剩余污泥產(chǎn)量為51.9 萬m³/d。過去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；只有氧化溝對應各規(guī)模污水處理廠污泥產(chǎn)量變化不大，其SS總產(chǎn)率遠低于其他工藝，只有約0.18 kg SS/m³。

污水處理廠污泥處理設施還會接納廠外31.8 萬m³/年糞尿處理設施產(chǎn)生的有機廢物和62.3 萬m³/年來自小型污水設施（小型凈化槽和一體化污水處理設備）的污泥，未經(jīng)過穩(wěn)定化的生污泥分別占60%和86.3%。漁業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的固體廢物約20.9 萬m³/年也由污水處理廠的污泥處理設施消納。外界輸入的廢物遠小于污水處理過程產(chǎn)生量。

2.2 輸送方法

部分污水處理廠使用管道輸送、汽車輸運方式將污泥轉(zhuǎn)運到其他污水處理廠或污泥處理中心進行處理。污泥輸送管道約100 處，管徑多為0.2~0.6 m，平均長度為6.8 km，最長28 km，污泥泵的輸送流量為30~3 200 m³/h，總計輸送26 萬m³/d的污泥（平均含水率為98.9%）。汽車運輸污泥為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程中經(jīng)過了濃縮和脫水環(huán)節(jié)，有大約45%污泥最后被焚燒（見表11）。

濃縮主要有重力式、氣浮式和離心式，116 萬m³/d污泥經(jīng)過濃縮后變?yōu)?2.4 萬m³/d，平均含水率從99.25%降低為97.06%，其有機物占SS比例為84.6%。2016年污泥濃縮過程中使用藥劑量為聚合硫酸鐵1.18萬t、氯化鐵0.2 萬t、石灰0.12 萬t、高分子聚合物0.27 萬t、聚合氯化鋁0.18 萬t，全部藥劑平均投加量為4.8 kg/t SS。

消化處理設施328處，正常使用的285處，98%在大于0.5 萬m³/d的污水處理廠，各規(guī)模污水處理廠具有消化設施比例相近（20%~25%），并沒有呈現(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m³/d濃縮污泥（預處理前為40.5 萬m³/d）經(jīng)過消化處理，占全部污泥產(chǎn)量的30.1%。消化設施中65%為兩級消化；205處運行溫度為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m³/d不同性質(zhì)的污泥被脫水為4.55 萬t/d（見表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t，主要為聚合硫酸鐵3.49 萬t、氯化鐵1.74 萬t、石灰1.56 萬t、高分子聚合物4.51 萬t、聚氯化鋁0.39 萬t，其他藥劑0.33萬t，全部藥劑平均投加量為41.5 kg/t SS。

近70座污水處理廠通過機械干燥將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，453萬t/年脫水污泥（平均含水率77.7%）和少量干化污泥經(jīng)過焚燒變?yōu)?7.8 萬t/年焚燒灰。焚燒爐多采用流化床焚燒爐，平均運行溫度為850 ℃。熔融設施12座，4.8萬t/年脫水污泥和1.7萬t/年干燥污泥變成為0.95萬t/年熔融渣。

2.4 污泥處理處置和資源化

2016年，日本污水處理過程產(chǎn)生并處置的固廢為243.7 萬t/年（見表14），未經(jīng)過處理的污泥為8.6 萬m³；有約27萬t/年污泥首先經(jīng)過焚燒后被填埋。日本重視污泥的資源化利用，2016年有247 萬m³濕污泥經(jīng)過處理焚燒（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 運營

3.1 運行能耗

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，由于日本污水處理總量和深度處理占比逐年增加（見圖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（見圖4）。然而，噸水處理能耗反而呈現(xiàn)下降趨勢，可能是進行節(jié)能改造和運行優(yōu)化的結(jié)果。日本的污水處理能耗高于中國0.288 kW·h/m³，可能原因是進水水質(zhì)和污泥處理程度的差異。

根據(jù)《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計年鑒》，中國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源和水質(zhì)、處理工藝和排放標準等原因引起的。表15整理了日本2016年各類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)能的用電設備、優(yōu)化管理策略、運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m³/d的氧化溝明顯低于其他工藝，延時曝氣工藝的電耗明顯較高；而各種深度處理（脫氮）工藝的電耗沒有明顯區(qū)別；生物轉(zhuǎn)盤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）、各類化石燃料等作為補充能源�；剂现饕獮橹赜�4.4 萬m³/年、燈油1.2 萬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污水熱量進行回收利用，制冷和制熱裝機功率為1.3 Mcal/h。根據(jù)裝機功率計算利用率，消化氣發(fā)電機組為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%）、消化設施加熱（25.7%）、焚燒爐（12.3%），外輸?shù)绕渌猛菊?8.1%。在另一項統(tǒng)計中，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%，用作消化設施加熱。

如果日本全部污泥（假設初沉污泥有機物含量同剩余污泥）進行厭氧消化，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%（假設消化氣直接加熱能量利用率為100%），首先滿足消化加熱（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%（假設污水處理廠能耗不變）。然而，假設只有剩余污泥進行厭氧消化產(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，以上核算沒有考慮焚燒鍋爐等設備的能耗變化，如果消化氣的使用分配包括更多方面，其發(fā)電量將進一步降低。另一方面，污泥消化將增加廠區(qū)運行管理的復雜程度，例如濃縮污泥的存儲和運輸、燃氣的存儲和分配、加熱設施和余熱輸送等，其間接支出在中小污水處理廠的營收管理中將尤為突出。

3.3 維護管理

日本下水道系統(tǒng)包括污水處理廠、泵站和管道三個方面。2016年污水處理廠建設費為6 164 億日元，“維持管理費”為5 115 億日元，以委托費為主。90%以上污水處理廠全部委托給第三方運行，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)計了日本兩千多座污水處理廠和相關(guān)污泥處理設施的建設運行情況，例如污水規(guī)模、工藝選取、設計和運行參數(shù)設置、污泥處理處置、能耗統(tǒng)籌等，并對污水處理過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為了應對水質(zhì)水量波動，小規(guī)模污水處理廠設計和運行參數(shù)更加保守，例如更長的HRT、更低的負荷，更高的污泥濃度等，因而出水有機物和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)模對噸水處理電耗的影響遠大于工藝的影響。

污水處理廠的建設和運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內(nèi)容。由于數(shù)據(jù)限制，本文還有如下說明：

①本研究沒有區(qū)分日本地域的差異，也沒有對污水種類（生活污水和產(chǎn)業(yè)排水或工業(yè)廢水）做區(qū)分；

②本研究沒有考慮到新技術(shù)的使用情況和未來發(fā)展，例如厭氧氨氧化工藝在污泥處理中的應用；

③MBR等應用較少的工藝缺乏足夠統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其工藝參數(shù)有待進一步考察。

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)大學城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用技術(shù)國家工程實驗室、北京城市排水集團有限責任公司 北京市污水資源化工程技術(shù)研究中心、日本東北大學大學院工學研究科 土木與環(huán)境工程系�？窃凇督o水排水》2022年第1期。