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  • 2022-04-22 13:51:18 发布

城市污水处理技术剖析及对策研究

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'我国城市污水处理技术剖析及对策研究  废水处理是防治水环境污染的重要技术措施之一,废水处理技术水平的高低将直接影响一个地区的水环境质量。本文以我国城市污水处理情况为基础,试从排污系统建设、废水治理设施以及废水处理效果等诸方面,对其作一技术剖析评价,以便对国内外废水处理技术状况有一量化概念,为提高我国的废水处理技术水平,促进经济与环境的协调发展提供技术参考。  1.排污系统建设  1.1排污管道总长度  排污系统是城市基础设施建设的一个组成部分,也是废水集中处理的前提。近十年来,随着我国经济的快速增长和城市规模的扩大,排污系统建设已初具规模。全国现有的大小城市均建有一定规模的排污系统,排污管道总长度(含污水管和雨水管,下同)已从1989年的5.45万公里上升为1998年的12.59万公里,增长了1.31倍(见图1),是1980年的5.49倍,是建国初期的12.47倍(有关数据不包括香港、澳门、台湾,下同)。   1.2排污管网密度  以城市市区面积计,1998年我国城市排污管网密度为0.075km/km2。按国家统计局的划分方法计,我国东部城市排污管网密度为0.170km/km2,中部城市为0.053km/km2,西部城市仅为0.026km/km2;其中,城市排污管网密度最高的是上海,为1.775km/km2,北京次之为0.869km/km2,分别是全国平均水平的23.7倍和11.6倍。  1.3人均排污管道长度   按国家统计局的统计口径,以城市非农人口计,我国城市人均排污管道长度为0.63米,是1980年的2.6倍,是建国初期的4.5倍。人均排污管道长度历年变化情况见图3。  1.4比较  与发达国家相比,我国城市排污管网的建设尚处在很低的水平上,无论是排污管道总长度、排污管网密度,还是人均排污管道长度,均存在着较大差距。   以联邦德国为例,尽管其国土面积只是我国的1/27,但1995年其排污管道总长度已达39.50万公里,是我国的3.14倍;以辖区内全部面积计算,排污管网密度已从1979年的0.74km/km2上升到1995年的1.11km/km2;人均排污管道长度达到4.84米,其中,1992年至1995年间,每新接纳一个居民的废水,平均需新建排污管13.37米;居民接管率从1979年的84.5%上升到1995年的92.2%,即占全国人口总数92.2%的居民的生活废水已纳入排污管网,其中10万人以上的大城市居民接管率超过98%,小于2000人的村庄居民接管率也已达70%。  2.废水处理设施  2.1废水排放量  从总体上看,近十年来全国废水排放总量没有多大变化,一直维持在350亿吨左右,但生活污水所占的比例上升很快,已从1989年的28.6%提高到1998年的53.2%,超过了工业废水排放量。其中,东部、中部和西部城市生活污水排放量分别占全国生活污水排放总量的55.7%、31.2%和13.1%。  2.2废水处理规模   兴建废水治理设施是削减污染负荷,防治水环境污染的关键。为解决严重的水环境问题,近年来,我国加快了废水治理设施的建设,在工业废水处理率不断提高的同时,城市污水处理能力增长速度也较快。1998年,我国城市污水处理能力已经达到1583.3万吨/日,是1985年的10.3倍,平均每年递增19.6%。其中,东部、中部和西部城市污水处理能力分别占69.6%、19.0%和11.4%。但目前仍有江西、西藏、青海和宁夏四个地区尚无城市污水处理能力。全国城市污水处理能力历年变化情况见图6。  2.3废水处理工艺  目前,我国共有266个城市污水处理厂投入正常运行。其中,绝大多数城市污水处理厂都采用运行稳定、操作简便、处理费用低廉的生化处理工艺,包括普通活性污泥法、接触氧化法、氧化沟法、AB法以及SBR法等,只有少数城市污水处理厂因其实际情况而选用物理或物化的方法处理废水。按废水处理能力划分,目前采用各种生化处理工艺处理的城市污水约占其处理总量的92%。  2.4 废水处理率  以城市污水处理厂实际处理的生活污水量与生活污水排放总量之比,作为城市生活污水集中处理率来进行评价。1998年我国城市生活污水集中处理率仅为10.3%(见图7);其中,北京生活污水集中处理率最高,为40.3%,天津、云南次之,分别为37.2%和34.3%。从统计结果看,西部城市生活污水集中处理率高于全国平均水平,这与云南生活污水集中处理率较高以及西部城市生活污水排放量较低有很大关系。  2.5比较   从总体上看,我国城市污水处理尚处在起步阶段,城市污水处理率还很低。  联邦德国1898年便开始建设城镇污水处理设施,现有规模大小不等的城镇污水处理厂10390个,废水处理能力达1.506亿居民当量,相当于日处理废水3000万吨,是其全部居民生活污水排放量的1.92倍。其中,大中型污水处理厂虽仅占总数的13.1%,但其废水处理能力却达到1.24亿居民当量,占全部废水处理能力的82.1%。1995年联邦德国居民生活污水处理率已达89.0%,其中,原东、西德地区分别为70.0%和93.5%,即占全国人口总数89.0%的7269万居民的生活污水已在各类污水处理厂得到净化处理。现在,世界各国都很重视水环境污染防治,并投入大量财力建设城镇污水处理厂,从而提高了生活污水处理率,减轻了对水体的污染。有关国家生活污水处理情况对比见图8,其中,中国为城市生活污水处理率。  3.污水处理效果  3.1排水水质状况   1998年,全国266个城市污水处理厂共处理污水29.27亿吨,其中工业废水9.28亿吨。由于目前城市污水处理厂主要集中在中等以上城市,且具有一定的规模,从总体上看,运行比较稳定,处理效果较好。全年平均进水COD浓度为336.4mg/l,出水COD浓度为83.3mg/l,去除率达75.2%,削减COD74.07万吨。全国城市污水处理厂的运行成本平均为0.367元/吨污水,去除每公斤COD花费1.451元。  3.2废水深度处理几年前,我国城市污水处理厂的设计主要考虑的还是去除碳类有机污染物,但随着环境标准和水环境保护要求的提高,目前正逐步开展城市污水的脱氮脱磷等深度处理。所采用的方法也主要是生物脱氮和化学脱磷,但进行脱氮脱磷处理的生活污水占城市污水的比例还很低。  3.3剩余污泥处置  剩余污泥的处理也是城市污水处理中的一个重要环节,目前我国处置剩余污泥的主要途径是填埋,且大多数是与城市垃圾一并进行填埋处置,只有一小部分是焚烧处理。需要指出的是,约一半以上的剩余污泥未经稳定、消化处理,这不仅使其在农林方面的利用受到限制,也增加了污泥处置的费用。  3.4比较  从总体上看,我国现有城市污水处理厂废水处理效果较好,但脱氮脱磷处理的比例低,剩余污泥的处置不够安全。  1995年,联邦德国城镇污水处理厂所排放的废水中,COD浓度小于50mg/l的占废水总量的80.1%,BOD浓度小于10mg/l的占87.5%;处理后废水平均浓度为COD41mg/l、BOD7mg/l,耗氧等级为1.9;营养物质浓度也很低,总氮、总磷平均浓度分别为18mg/l和1mg/l,污水处理厂尾水的排放对水体的影响已很轻微。德国历年污水处理厂排水情况见图9 。  近年来,由于严格控制大气污染物的排放和填埋技术的进一步发展,欧洲各国污泥处置情况发生了一些变化,目前以填埋和农用为主,焚烧处理的比例已大幅下降。  4.对策建议  从以上剖析可见,我国城市污水处理的技术状况与发达国家差距较大。而要真正解决我国的水环境污染问题,笔者认为,在城市污水处理技术方面,必须做好以下几点工作。  4.1 设计规范化  目前,城市污水处理厂的设计往往以日处理污水量为主要依据,但由于污水浓度不同,同等规模的污水处理厂实际需处理的污染物量则可能相差数倍。这不仅增加了设计的工作量,不便于进行工程投资对比分析,也给污水处理能力的综合评价带来困难。因此,应以需处理的污染物量作为衡量污水处理厂规模的标准,并依此规范城市污水处理厂的设计。国家有关部门应组织力量,按处理不同的污染物量编制污水厂标准设计图集,如日处理COD5吨、10吨、25吨等不同等级的污水处理厂的标准设计,从而规范城市污水处理厂的设计,减轻具体工程的设计工作量,并为污水处理厂的运行管理创造良好条件(联邦德国在这方面有许多经验可供借鉴)。与此同时,还应注意开发适合中国国情的城市污水处理技术,即投资低、运行费用低、管理要求低的城市污水处理技术,并及时予以推广。  4.2产品标准化  产品的标准化对于推动一个行业的发展有着十分积极的意义。正是由于城市污水处理厂的设计往往厂厂而异,因而不少城市污水处理厂的好多设备都是非标设备。这既增加了工程建设投资,延误了工期,也不便于设备的维修保养和更换,还在一定程度上制约了环保产业的发展。因此,必须切实抓好城市污水处理厂设备的标准化工作,并着力解决城市污水处理厂主要设备的国产化问题。大到充氧、提升、搅拌、过滤等设备,小到格栅、阀门等产品都应形成系列标准,以便不同处理规模的污水处理厂挑选使用。  4.3 投资多元化  我国现有的城市污水处理厂几乎都是由当地政府投资兴建的,要在较短时间内大规模地新建、扩建城市污水处理厂,从而控制和改善水环境质量,单靠地方财政的力量显然是很不够的。因此,在保证地方财政一定投入、继续做好利用外资工作的同时,应制定相关的政策,鼓励各类企业乃至个人对城市污水处理厂这个社会公益性的事业进行投资。如利用工厂企业的废水处理设施同时处理城市污水,企业投资建设所在社区的污水处理厂,房地产开发时一并完成排污管网的建设等等。  4.4运营专业化  城市污水处理厂运营管理的水平高低将直接关系到其排水水质的好差。我国现有的城市污水处理厂所处理的污水只占设计能力的3/4,一些城市污水处理厂的排水水质波动较大,这某种程度上也反映出运营管理的问题。因此,应努力提高城市污水处理厂运营管理的专业化水平。要加强对污水厂运营管理人员尤其是负责人的技术培训,提高其业务能力,要组织开展城市污水处理技术的交流和研讨,加速推广先进和成熟的技术,从而提高运营管理的总体水平。  总体而言,我国的城市污水处理起步较晚,也还存在着不少问题。但由于国家高度重视环境保护工作,只要我们认清形势,积极采取切实有效的措施,我国的城市污水处理就一定会得到长足的进步,从而逐步控制和改善水环境质量,促进国民经济的持续发展。我国垃圾渗滤液处理现状及存在问题  0 引言  随着我国城市人口的增加、城市规模的扩大和居民生活水平的提高,我国城市生活垃圾的产量在急剧增加。到1999年,我国的城市生活垃圾年产量已达到1.4亿吨t,并且以每年8%~10%的速度递增,人均日产垃圾已超过1kg,接近工业发达国家水平。  根据我国垃圾处理无害化、减量化、资源化的原则,将有一大批生活垃圾卫生填埋场得到新建。而垃圾渗滤液是否处理达标排放是衡量一个填埋场是否为卫生填埋场的重要指标之一。作为一种高浓度有机废水,渗滤液的处理近几年得到了广大研究人员的关注,进行了大量的试验研究,取得了不少成果,并有一批渗滤液处理厂已经或正在兴建。  但由于渗滤液的水质的复杂性和特殊性,我国渗滤液处理还存在一些问题。本文对我国渗滤液处理现状进行了总结,并对存在问题提出一些研究方向。1 排放标准  垃圾渗滤液处理作为一个卫生填埋场必不可少的环节,近几年越来越受到人们的重视,我国根据渗滤液排放的收纳水体不同,渗滤液的排放标准也不尽相同,具体见表1[1]。2 处理现状   受到经济发展水平的限制,我国卫生填埋起步较晚,真正意义上的卫生填埋场从20世纪80年代末才开始建设。渗滤液处理厂的建设就更晚,从时间上看,渗滤液的处理经历了三个阶段。2.1 第一阶段  表1 垃圾渗滤液的排放标准排放标准COD(mg/L)BOD(mg/L)NH3-N(mg/L)SS(mg/L)三级1000600-400二级30015025200一级100301570 注:三级标准是排市政管网的标准,二级和一级分别是排地表水的标准。   此阶段在90年代初期,处理工艺主要参照城市污水的处理方法,代表性的工程实例有杭州天子岭、北京阿苏卫等。  杭州天子岭渗滤液处理厂简介:  渗滤液处理厂处理量为300m3/d,采用三沉二曝活性污泥法工艺。   设计进水指标为:COD为6000mg/L,BOD为3000mg/L;出水标准为:COD为300mg/L,BOD为60mg/L,SS为100mg/L,pH为6~9。  工艺特点为:采用两段式活性污泥法,对DO与MLSS的浓度控制要求不一样,一段利用细菌和低级霉菌占优势的混合种群,二段培养原生动物占优势。  渗滤液处理厂从1991年开始投产,在填埋初期,由于渗滤液的有机物、氨氮浓度较低、可生化性较好,因此可以满足排放要求。随着填埋时间的延长,垃圾渗滤液的浓度越来越高、成分越来越复杂、可生化性降低,且变化幅度大、变化规律复杂,使得处理难度越来越大。  北京阿苏卫渗滤液处理厂简介:  渗滤液处理厂处理量为1000m3/d,工程投资为700万,采用厌氧+氧化沟的处理工艺。  设计进水指标为:COD为5000mg/L,BOD为2000mg/L;出水标准为二级排放标准。  阿苏卫渗滤液处理厂的运行情况与天子岭情况类似。   在此阶段,由于渗滤液处理厂主要参照城市污水处理厂进行建设,没有考虑到渗滤液水质特性,因此都存在不能稳定运行的状况,出水也不能稳定达标。以生物处理为主的处理工艺处理成本一般为3~5元/m3。2.2 第二阶段  此阶段在90年代中后期,研究人员考虑到渗滤液的水质独特性,如高浓度的氨氮、高浓度的有机物等,采取了脱氨措施,采取的处理工艺一般为氨吹脱+厌氧处理+好氧处理,代表性的工程实例有深圳下坪、香港新界西等。  深圳下坪渗滤液处理厂简介:  渗滤液处理厂处理量为800m3/d,采用氨吹脱+厌氧复合床+SBR的处理工艺。  设计进水指标为:COD为5000~10000mg/L,BOD为1000~6000mg/L,NH3-N为2000~3000mg/L;出水标准为三级标准。  该工程投资1500万,工程于2002年投入使用,通过为期一年的运行,设备运行良好、出水稳定达标,处理成本12元/m3。  工艺特点:采用了化工规整填料塔,有效地解决了渗滤液的脱氨问题。出水的氨氮保持在10mg/L左右。  香港新界西渗滤液处理厂简介:  渗滤液处理厂处理量为1800m3/d,采用氨汽提+SBR的处理工艺。   设计进水指标为:COD为10000mg/L,BOD为4000mg/L,NH3-N为3000mg/L;出水标准为:COD<1000mg/L,NH3-N<25mg/L。  该工程投资700万美元,工程于1998年投入使用,处理成本为4.35美元/m3。  工艺特点:采用了汽提吹脱塔,将渗滤液的水温提高到60~70℃,用蒸汽进行汽提,减少了气量,同时不需要对渗滤液进行pH调整,另外,该渗滤液处理厂采用了脱氨尾气的分解装置,利用高温焚烧炉,操作温度在850℃,用催化燃烧的方法将脱氨尾气的氨气分解成氮气,有效地解决了脱氨尾气二次污染的问题。2.3 第三阶段  2000年以后,由于经济的飞速发展,新建的渗滤液处理厂一般远离城区,渗滤液没有条件排入城市污水管网,因此处理要求也相应提高,一般需要处理到二级甚至一级排放标准。此时的渗滤液若仅靠生物处理无法达到处理要求,一般采取生物处理+深度处理的方法。代表性的工程实例有广州新丰、重庆长胜桥等。  广州新丰渗滤液处理厂采用的是UASB+SBR+反渗透处理工艺,处理规模为500m3/d,工程投资约6000万,处理成本约25元/m3。重庆长胜桥渗滤液处理厂采用的是反渗透的处理工艺,处理规模500m3/d,工程投资约3700万,处理成本约10元/m3,目前这两个项目均在建设过程中。 3 存在问题  目前,我国的渗滤液处理厂存在的问题主要表现在:3.1 渗滤液高浓度氨氮的问题  高浓度的氨氮是渗滤液的水质特征之一,根据填埋场的填埋方式和垃圾成分的不同,渗滤液氨氮浓度一般从数十至几千mg/L不等。随着填埋时间的延长,垃圾中的有机氮转化为无机氮,渗滤液的氨氮浓度有升高的趋势。  与城市污水相比,垃圾渗滤液的氨氮浓度高出数十至数百倍。一方面,由于高浓度的氨氮对生物处理系统有一定的抑制作用;另一方面,由于高浓度的氨氮造成渗滤液中的C/N比失调,生物脱氮难以进行,导致最终出水难以达标排放。  因此,在高氨氮浓度渗滤液处理工艺流程中,一般采用先氨吹脱,再进行生物处理的工艺流程。目前氨吹脱的主要形式有曝气池、吹脱塔和精馏塔。国内用得最多的是前两种形式,曝气池吹脱法由于气液接触面积小,吹脱效率低,不适用于高氨氮渗滤液的处理,采用吹脱塔的吹脱法虽然具有较高的去除效率,但具有投资运行成本高,脱氨尾气难以治理的缺点。以深圳下坪为例,氨吹脱部分的建设投资占总投资的30%左右,运行成本占总处理成本的70%以上。这主要是由于在运行过程中,吹脱前必须将渗滤液 pH调至11左右,吹脱后为了满足生化的需要,需将pH回调至中性,因此在运行过程中需加大量的酸碱调整pH,为了提供一定的气液接触面积,还需要风机提供足够的风量以满足一定的气液比,造成了渗滤液处理成本的偏高。  另外,空气吹脱法对于年平均气温较低的地区,存在低温条件下吹脱无法正常运行和冬季吹脱塔结冰的问题,在我国北方地区,其应用受到一定的限制。  采用汽提的方式虽然可以较好的解决氨氮的去除问题,但由于需要提高渗滤液的水温,其处理成本仍然较高。  据上所述,各种吹脱方式的特点对比见表2。  表2 各种吹脱方式的对比吹脱方式效率尾气处理占地成本气温曝气池低难处理大低有影响吹脱塔较高难处理较小高有影响精馏塔很高较易处理最小高无影响   3.2 渗滤液可生化性差的问题  渗滤液可生化性差主要体现在两个方面:   一是指随着填埋场填埋时间的延长,渗滤液的生化性降低,在填埋后期,可生化性很差,BOD/COD值小于0.1,此时的渗滤液俗称老化渗滤液。  另一方面,在填埋初期,虽然渗滤液的可生化性较好,但是光靠生物处理也很难将之处理至二级甚至一级标准以下,一般来讲,渗滤液的COD中将近有500~600mg/L无法用生物处理的方式处理。4 研究方向  根据渗滤液处理存在的问题,目前我国垃圾渗滤液处理工艺的关键主要集中在以下两个方面:高浓度氨氮处理技术和渗滤液深度处理技术。4.1 高浓度氨氮处理技术  高浓度氨氮处理技术,目前应用较多的主要有氨吹脱和生物脱氨技术。氨吹脱技术大多用空气为吹脱介质,低效率的吹脱设备吹脱的方式。相对而言,精馏塔脱氨是一种比较有前途的解决方案,虽然采用该法需要一定量的蒸汽,但由于水温提高了,可以减少调整pH的酸碱用量,还可以减小气液比,减少风机的电耗。另外,由于蒸馏后,脱氨尾气可以通过冷凝直接转换成液氨,可以回收利用,有效地解决了尾气难以治理的问题。因此,新型高效吹脱装置的开发,脱氨尾气的妥善处理成为了今后研究的方向。   除了氨吹脱的方法脱氨以外,生物脱氮也是一种经济、有效的脱氨方式。但传统理论认为:氨氮的去除是通过硝化和反硝化两个相互独立的过程实现的;硝化过程需要大量的氧气,而反硝化过程则需要一定的碳源。渗滤液氨氮浓度很高,C/N值较低,无法通过单一的生物脱氮方式解决渗滤液的脱氨问题。目前对生物脱氮技术又有了很多新的认识,如好氧反硝化、同时硝化反硝化、厌氧氨氧化、短程硝化等,这些技术具有需氧量低、能耗低、负荷高、对碳源碱度需求低等优点。MavinicD.S.等人的研究表明[2~4],在外加碳源的条件下,采用前置反硝化的MLE工艺处理高氨氮渗滤液(氨氮浓度最高达到1200mgN/L)时,试验取得了较好的结果,并在研究中提出了厌氧氨氧化去除氨氮的概念。这些技术如果能在渗滤液中应用成功,将可以提高生物脱氮的能力,减少氨吹脱的量。尽量用经济的脱氮技术来处理渗滤液,这对降低处理成本,无疑起着积极的作用。4.2 渗滤液深度处理技术  对于老化渗滤液,由于生物处理基本无效,因此,必须采用以物化为主的深度处理技术处理。深度处理技术一般有深度氧化法,如臭氧氧化、臭氧+光催化氧化、臭氧催化氧化,以及膜处理技术等。  国内曾进行了用负钛型TiO2作为催化剂进行光催化氧化的研究。国外对渗滤液的深度处理研究颇多,主要集中在光催化氧化和反渗透,A.Wenzel等人通过用鼓泡塔+薄膜光反应器对比UV/H2O2、UV/H2O2/O3、UV/O3 等方法处理垃圾渗滤液的研究表明[5]:从运行成本和去除效率来考虑,采用UV/O3方法处理渗滤液是最为有效的方法。深度氧化技术的研究主要集中在高效反应器的研制,以提高单位能耗的处理效率,降低反应的能量输入,找出适合中国国情的渗滤液深度处理技术,使渗滤液达到相应排放标准。  由于高级的处理技术意味着较高的投资和运行费用,如何找到一种廉价的处理方式,成为人们关注的问题。人工湿地处理技术由于具有建设和运行成本低、设备简单、易于维护等优点,用该技术处理渗滤液在近几年得到了一定应用。TjasaBulc等人在Adriatic海滨建造了一座中试CW(ConstructedWetland)[6],处理Dragonja一处公共填埋场的渗滤液,该人工湿地系统包括1座容积10m3的均化池,2座互联的潜流床,总面积450m2。在水力负荷为2~4.5cm3/(cm2·d),进水COD1264mg/L,BOD60mg/L,NH3-N88mg/L的条件下,从1992~1996年连续监测,上述几种污染物的平均去除率分别为68%,46%,81%。这表明人工湿地对处理BOD/COD<0.05的老化渗滤液具有较好的去除效果。另外人工湿地对氨氮的去除也有很好的效果,在监测过程中,渗滤液中氨氮浓度最高达到786mg/L,去除率仍高达95%,这是因为湿地系统的砾石层和芦苇发达的根系具有巨大的比表面积,芦苇的根系提供了充足的氧,为硝化反硝化菌提供了生存介质和环境。  人工湿地系统对于处理老化渗滤液具有较好的效果,因此也可作为渗滤液深度处理的方法,对于有地方建造湿地的填埋场应予以推广。   另外对于封场后的垃圾填埋场的渗滤液也可采用人工湿地的处理方式。这是由于封场后的填埋场一般需在其表面覆盖粘土和营养土[7],并种上绿化植物,以防止雨水的侵入和填埋气体的扩散。如果将绿化植物改为芦苇等植物,并做好渗滤液的收集排放设施,这样不但可以利用闲置的土地大幅度降低渗滤液的处理成本,还可以取得良好的处理效果。5 总结  渗滤液作为一种特殊废水,其处理的投资、运行成本远远高于一般城市、工业污水,这主要是由于渗滤液氨氮浓度很高、有机物浓度高,导致处理工艺复杂,设备繁多。渗滤液由于在垃圾体已经经历了厌氧过程,其生化性相对较差,生物处理的停留时间较长,导致设施、设备的投资较大。而处理量一般相对较小,导致折旧、维修费较高。  渗滤液处理由于较高的投资和运行费用,在对其进行处理时应根据当地情况,采取综合处理的措施。对于北方降雨量少,垃圾含水率较低的填埋场,采用回灌措施是较为经济、有效的方法,但对于南方城市,其应用受到一定的限制。   对于有条件将渗滤液送至污水处理厂合并处理的地方,在不影响污水处理厂运行的前提下,可直接送至污水处理厂,否则应将之处理至符合《生活垃圾填埋场污染控制标准》三级排放标准。对于没有条件与城市污水合并处理而直接排放到水体的地方,应根据不同水域,严格将之处理到二级、一级标准,避免对环境的污染。'