在一般情況下，大型市政污水處理廠處理工藝主要由機(jī)械處理、生物處理和化學(xué)處理三部分組成，而要有效去除污水中的微污染有機(jī)物質(zhì)，必須引進(jìn)四級處理系統(tǒng)。

目前，德國采用的四級處理主要為臭氧氧化、膜、活性炭和生物降解工藝。具體選擇何種工藝，需因地制宜。德國Baden-Württemberg州大約有20個市政污水處理廠已經(jīng)建造配置了四級處理系統(tǒng)，Nordrhein-Westfale州在2020年底所有大型市政污水處理廠都將建造配置四級處理裝置。從目前已有的研究和工程經(jīng)驗(yàn)表明，在進(jìn)行四級處理時還有可能同時將污水中的微塑料物質(zhì)(microplastics)分離去除。

越來越多的有機(jī)微污染物在河流、湖泊，甚至地下水中被檢出，其中包括：農(nóng)藥殘留物質(zhì)、激素和抗菌素物質(zhì)微塑料物質(zhì)，主要是化妝品內(nèi)的細(xì)微顆粒塑料物質(zhì)。

這些物質(zhì)雖然濃度很低，但毒性很大。長期飲用含有這些物質(zhì)的自來水，會對身體健康造成危害。

污水處理廠的出水中含有許多有機(jī)微污染物質(zhì)和微塑料物質(zhì)，這是因?yàn)楝F(xiàn)在普通市政污水廠工藝中，都還沒有專門處理此類物質(zhì)的工藝和技術(shù)設(shè)備。在普通市政污水處理廠通過活性污泥吸附、生物降解或者生物轉(zhuǎn)移作用等雖然也能去除一部分微污染物質(zhì)，但在處理后的出水中仍然存在微塑料物質(zhì)、農(nóng)藥殘留、激素及其他有機(jī)微污染物，這些物質(zhì)進(jìn)入受納水體后仍然可能引發(fā)水生態(tài)系統(tǒng)的問題，甚至影響到供水系統(tǒng)。

在一般情況下，大型市政污水處理廠處理工藝主要由機(jī)械處理、生物處理和化學(xué)處理三部分組成，必須額外引入四級處理系統(tǒng)才能有效去除污水中的微污染有機(jī)物質(zhì)。從目前已有的研究和工程經(jīng)驗(yàn)表明，在進(jìn)行四級處理時還有可能同時將污水中的微塑料物質(zhì)(microplastics)分離去除。

1技術(shù)措施

在實(shí)施四級處理工藝時，可以采用各種不同的處理工藝技術(shù)，如臭氧工藝、膜分離工藝、物理吸附工藝和生物降解工藝等。具體選擇何種工藝，主要考慮這些微量物質(zhì)的分子構(gòu)造和結(jié)構(gòu)、極性/親水性能、吸附性能和分解性能、抵抗性能等。

1.1臭氧處理

臭氧處理(見圖1)是指采用臭氧對污水中的物質(zhì)進(jìn)行氧化處理，屬于最為經(jīng)濟(jì)有效的四級處理工藝。通過注射或擴(kuò)散輸入O3分子來達(dá)到消除污染物質(zhì)的目的。

有效采用臭氧處理工藝的前提條件是進(jìn)水中其他背景有機(jī)污染物質(zhì)的濃度應(yīng)盡可能低。這樣臭氧可以在不受干擾的情況下直接和微污染有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。

一方面臭氧直接有選擇性地和水中無機(jī)/有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，另一方面間接和H2O反應(yīng)，生成羥基自由基(OH)，然后和水中各種成分進(jìn)行反應(yīng)。這一處理過程不會使被氧化物質(zhì)形成無機(jī)物質(zhì)，多數(shù)情況下只是物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，形成了新的中間物質(zhì)，即所謂的代謝物質(zhì)，這些物質(zhì)對周圍環(huán)境的影響尚不清楚。正是出于這一原因，許多地方要求在臭氧之后增加后續(xù)處理工藝，對這些代謝物質(zhì)進(jìn)行分解處理(例如砂濾、生物氧化塘、循環(huán)流動)。

對于微塑料物質(zhì)來說，考慮到停留時間很短，估計臭氧處理效率很低。只有后續(xù)安裝長有生物膜的砂濾裝置，才有可能截留或分解這些微塑料物質(zhì)。在實(shí)際工程中，所采用的臭氧濃度為5~10mg/L，反應(yīng)時間為15~30min。

帶有臭氧處理的市政污水處理廠工藝流程

1.2膜分離法

對于膜法來說，還可以細(xì)分成微濾膜、超濾膜、納濾膜以及反滲透膜。與其它方法相比，微濾膜和超濾膜的處理效果不是很理想。雖然納濾膜和反滲透膜能夠提供滿意的出水水質(zhì)，但運(yùn)轉(zhuǎn)成本很高。

1.3吸附處理

與膜法和臭氧法相比，活性炭吸附應(yīng)用十分廣泛。這些活性炭以顆粒形式放置在一個過濾床(吸附劑)內(nèi)，或者多數(shù)情況下將粉末活性炭直接投入污水中并進(jìn)行混合攪拌處理。

與臭氧處理一樣，有效處理的前提條件是進(jìn)水中其他背景有機(jī)污染物質(zhì)的濃度應(yīng)盡可能低。這樣臭氧可以在不受干擾情況下直接和微污染有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。

活性炭具有多孔隙結(jié)構(gòu)和很高的比表面積，可以吸附大量有害物質(zhì)。一般估計還能夠有效處理微塑料物質(zhì)，因?yàn)榛钚蕴績?nèi)部所含有靜電吸引力能夠影響固體物質(zhì)并進(jìn)行吸附處理。

活性炭物理吸附工藝

與臭氧處理相比，活性炭吸附的優(yōu)點(diǎn)是不會產(chǎn)生中間代謝物質(zhì)。如果后續(xù)安裝其他處理工藝，例如采用砂濾或布袋過濾裝置，則可以將攜帶微量有機(jī)污染物質(zhì)的活性炭截留取出，但因?yàn)檫@些含有活性炭的市政污水含有有害物質(zhì)，不能農(nóng)用，只能焚燒處置。采用活性炭工藝的另一優(yōu)點(diǎn)是可以額外消除COD、SS和總磷。對微污染有機(jī)物質(zhì)的去除率平均為70%，其處理效果和臭氧工藝差不多。

來自工程的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)顯示，單位粉末活性炭的濃度用量為10~20mg/L，反應(yīng)停留時間為20~30min。

帶有粉末活性炭吸附的市政污水處理廠工藝流程

1.4生物降解

四級處理階段的生物處理工藝(例如，污水氧化塘、植物污水處理廠、砂濾裝置、生物過濾裝置)尚未被充分研究。理論上，采用微生物可以對這些問題物質(zhì)進(jìn)行生物降解處理，并將這些微污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化成中間產(chǎn)品和結(jié)合物。與臭氧處理一樣，此時會產(chǎn)生一些性質(zhì)不清楚的代謝物質(zhì)�？傮w來說，每一處理工藝的適用性和費(fèi)用與每個市政污水廠的污水性質(zhì)、所要求的處理效率和構(gòu)筑物規(guī)模有關(guān)。

因此，這里還無法推薦或描述一個典型的處理工藝或工藝結(jié)合體；只能根據(jù)每個市政污水廠的具體情況選擇有效的微污染物質(zhì)處理工藝。

2處理費(fèi)用

以德國Greven市政污水廠為例，說明投資費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用如下：污水廠規(guī)模是78500人口當(dāng)量(德國污水廠規(guī)模等級4)。在所進(jìn)行的可行性研究報告中，投資費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用見下表：

費(fèi)用

根據(jù)德國環(huán)保局的統(tǒng)計(UBA2015)，如果將四級處理階段所產(chǎn)生的額外年費(fèi)用分?jǐn)偟脚盼圪M(fèi)內(nèi)，則單位處理費(fèi)用會增加0.05~0.19/m3或者6~16/(人年)。這相當(dāng)于增加處理費(fèi)用2%~10%。

為了推廣這一技術(shù)，德國許多地方開始實(shí)施補(bǔ)貼政策。舉例來說，在德國Nordrhein-Westfalen州，目前如果在市政污水處理廠內(nèi)提早安裝配置四級處理裝置，則在總投資費(fèi)用中可以申請獲得70%~80%的政府補(bǔ)貼。這一補(bǔ)貼政策將持續(xù)進(jìn)行，直到德國法律今后正式規(guī)定要求市政污水處理廠必須配置四級處理系統(tǒng)，消除微污染有機(jī)物質(zhì)。

目前Nordrhein-Westfalen州正在進(jìn)行可行性研究，調(diào)查在所有市政污水處理廠內(nèi)進(jìn)行裝置升級改造的可能性。3法律和技術(shù)應(yīng)用情況根據(jù)目前的研究可知，這些微量污染有機(jī)物質(zhì)對于水生態(tài)環(huán)境和飲用水源會產(chǎn)生很大危害。這些微量物質(zhì)主要是存留在水中的一些藥物殘留物質(zhì)、激素物質(zhì)、X射線造影劑和類似具有有害作用的微量物質(zhì)。

但從法律角度來看，德國或歐盟對市政污水處理廠還沒有做出規(guī)定,對污水廠出水中的微污染有機(jī)物質(zhì)制定排放標(biāo)準(zhǔn)或限制程度。盡管如此，瑞士準(zhǔn)備最晚至2031年在17年內(nèi)分步將大約50%的市政污水廠都進(jìn)行四級處理。在德國Baden-Württemberg州，大約有20個市政污水處理廠已經(jīng)建造配置了四級處理系統(tǒng)，所采用的處理工藝幾乎都是活性炭吸附(見圖4)。

德國Baden-Württemberg州內(nèi)已建造四級處理系統(tǒng)的污水處理廠

根據(jù)德國Nordrhein-Westfale州的微污染處理中心提供的信息，在2020年底該州所有大型市政污水處理廠都將建造配置四級處理裝置。屆時，根據(jù)污水處理規(guī)范，四級處理和相應(yīng)的監(jiān)視參數(shù)將成為大面積推廣使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

在進(jìn)行類似裝置的安裝配置時，州政府允許污水處理廠提高污水處理收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，用于補(bǔ)償設(shè)備投資。