分散式污水處理系統(tǒng)研究進(jìn)展*

張 堃，秦漢軍，孔 偉，周艷偉，易 瑩，謝喬光

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510300）

1 污水分散式處理與污水集中式處理的比較

城市污水處理設(shè)施是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是城市控制水體污染、維護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要城市基礎(chǔ)設(shè)施。污水處理的方式主要有集中式處理和分散式處理。集中式處理系統(tǒng)通過復(fù)雜的市政管網(wǎng)將城市污水輸送到污水處理廠進(jìn)行處理，然后自然排放或回用，是目前全世界城市污水處理廣泛采用的一種方式［1］。分散式處理將污水單獨(dú)或就地處理，可以不依賴復(fù)雜的市政排水系統(tǒng)，是一種新的污水處理方式，尤其適用于無排水系統(tǒng)的地區(qū)。分散廢水管理涉及廢水的收集、處理和排放、回用，這些廢水源自單獨(dú)的住戶、組屋和獨(dú)立的社區(qū)、工業(yè)及慈善機(jī)構(gòu)以及廢水產(chǎn)生點(diǎn)和附近的部分社區(qū)。分散式污水處理系統(tǒng)將這些廢水經(jīng)過預(yù)處理，液體和少量的殘余固體可在收集站做進(jìn)一步的處理和回用［2］。對于中小城市（鎮(zhèn)）、農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于地理?xiàng)l件和經(jīng)濟(jì)因素的限制，不適宜實(shí)行生活污水集中處理的地區(qū)，應(yīng)大力發(fā)展分散式污水處理技術(shù)，就地實(shí)現(xiàn)污水的處理與回用［3］。分散式污水處理技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外生活污水處理的一種新模式［4］。

集中式污水處理系統(tǒng)需要獨(dú)立的污水管道系統(tǒng)，單獨(dú)處理灰水和黑水，3條平行的管道系統(tǒng)以及2個分配系統(tǒng)適用于飲用水和工業(yè)用水。因此，需要高昂的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用。而且水在管網(wǎng)系統(tǒng)輸送過程中可導(dǎo)致污水的滲漏，并且所占比例很大［4］。這不僅污染了環(huán)境，而且浪費(fèi)了水資源，從水資源回收利用、可持續(xù)發(fā)展角度看極為不利。同時集中式系統(tǒng)把工業(yè)廢水和家庭污水相互混合，不利于單獨(dú)的灰水排放和水資源的再利用（如灌溉）。分散式系統(tǒng)可避免這些缺點(diǎn)［5］。

2 分散式污水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 自然凈化系統(tǒng)

在環(huán)境氣候條件適宜并且有充足土地的情況下，可利用人工濕地、蘆葦塘、土地滲濾、氧化塘等自然凈化系統(tǒng)進(jìn)行污水的就地處理，其處理效果安全穩(wěn)定、處理成本低、處理過程管理簡單。缺點(diǎn)是占地面積較大，受氣候條件限制，可能會產(chǎn)生一些異味，易造成淤積飽和現(xiàn)象。這種處理系統(tǒng)尤其適用于農(nóng)村的小型分散污水處理系統(tǒng)。意大利很久以前就使用過這種方法［1］。

2.2 厭氧處理系統(tǒng)

在過去幾十年里，人們做了大量關(guān)于污水厭氧處理的嘗試。其中，以荷蘭首創(chuàng)的上流式厭氧污泥床反應(yīng)器為基礎(chǔ)，將其與水解上流式污泥床反應(yīng)器等結(jié)合起來，成功地進(jìn)行了農(nóng)業(yè)和工業(yè)污水處理［6］。厭氧處理技術(shù)可將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為甲烷，在處理污水的同時，回收部分能源。厭氧技術(shù)工藝穩(wěn)定，產(chǎn)生污泥少，所需費(fèi)用和設(shè)施所占空間減少，因此具有一定的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。厭氧技術(shù)還能夠處理好氧生物處理技術(shù)不可降解的物質(zhì)，此外厭氧處理技術(shù)還可以降低氯化有機(jī)物毒性［7］。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，在污水的分散式處理上，厭氧處理系統(tǒng)展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。

2.3 膜生物反應(yīng)器技術(shù)

20世紀(jì)60年代以來，人們已經(jīng)了解了反滲透、微濾和超濾技術(shù)，但是，價(jià)格便宜且能用于城市污水處理的膜，近幾年才開發(fā)出來。膜技術(shù)最重要的應(yīng)用就是膜生物反應(yīng)器。近年來，膜技術(shù)已被成功的應(yīng)用在好氧污水生物處理工藝，這些好氧膜生物反應(yīng)器已被證明可以處理市政及工業(yè)廢水，其處理效率高、出水水質(zhì)好、產(chǎn)生的污泥量少、不需要太大的占地面積［8］，膜生物反應(yīng)器在污水處理的應(yīng)用范圍和規(guī)模不斷擴(kuò)大和增加，尤其是將膜工藝與厭氧污水生物處理相結(jié)合的厭氧膜生物反應(yīng)器，越來越受到關(guān)注。但是，目前膜生物反應(yīng)器大規(guī)模應(yīng)用面臨的最大問題就是膜污染；同時，高昂的膜組件投資費(fèi)用，也是影響其市場化推廣的主要因素。隨著近來膜材料科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，膜材料和膜組件的費(fèi)用也在逐步降低，但膜污染卻依然是膜生物反應(yīng)器推廣應(yīng)用的主要障礙。

國外已將膜生物反應(yīng)器技術(shù)廣泛應(yīng)用于分散式污水處理，例如日本的Kubota（久保田）系統(tǒng)，該系統(tǒng)把膜組件直接插入活性污泥曝氣池，可將系統(tǒng)中的生物濃度提高到15 000 mg/L以上，可使曝氣池的體積大大縮小，兩步甚至一步處理就能達(dá)到三級處理出水水質(zhì)，出水無菌且不含懸浮物。該系統(tǒng)在日本和英國已經(jīng)用于小規(guī)模污水處理。英國已建成了2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)，服務(wù)人口數(shù)為4 000人和23 000人。但值得注意的是，Kubota株式會社開發(fā)的系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)服務(wù)人口最多為50人的系統(tǒng)。因此，該系統(tǒng)在小型分散污水處理和回用處理方面具有更大的應(yīng)用潛力［9］。

德國的DEUS 21系統(tǒng)是目前分散式污水處理系統(tǒng)的代表，其由德國弗勞恩霍夫協(xié)會（Fraunhofer-Gesellschaft，F(xiàn)hG） 研發(fā)并于2004年開始建造。其位于德國斯圖加特市以南的小鎮(zhèn)尼林根（Knittlingen） 的一居民區(qū)，2006年該系統(tǒng)建成并開始試運(yùn)行。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為175位居民的小區(qū)服務(wù)，截至2010年，該小區(qū)已有1/2居民入?。?0］。

DEUS 21分散式污水處理系統(tǒng)將雨水與生活污水分開處理，其工藝流程見圖1。生活污水利用真空收集裝置（包括真空馬桶和餐廚垃圾研磨器）收集，這樣在節(jié)水的同時可提高污水中的有機(jī)污染物含量，使其適合進(jìn)行后繼的厭氧處理工藝。污水經(jīng)真空系統(tǒng)收集后進(jìn)入?yún)捬跄ど锓磻?yīng)器內(nèi)進(jìn)行厭氧處理，在降解污水中有機(jī)污染物的同時可產(chǎn)生沼氣。處理后的污水由于其中的氮、磷營養(yǎng)元素含量較高，可直接用于農(nóng)業(yè)灌溉及綠化，經(jīng)過后續(xù)的脫氮除磷處理后可用于一般生活服務(wù)性用水。收集到的雨水經(jīng)旋轉(zhuǎn)陶瓷膜處理后可直接用于沐浴、沖洗馬桶、洗車等家庭生活用水。

圖1 德國DEUS 21厭氧污水處理系統(tǒng)工藝流程

污水（包含經(jīng)研磨處理后的餐廚垃圾）經(jīng)真空管道收集于真空站中（圖1）［10］。隨后被泵入混合池中，混合池被設(shè)計(jì)用來混合污水，使其均一化，這保證了污水水質(zhì)的均一性，水量的穩(wěn)定性。這與將雨水與污水分開處理同樣重要，因?yàn)槟っ娣e是根據(jù)最大的水力負(fù)荷來設(shè)計(jì)的。污水隨后進(jìn)入沉淀池，固體沉淀物會被分離，進(jìn)入高效中溫（37℃） 厭氧消化反應(yīng)器，固體停留時間為5～10 d。固體沉淀物質(zhì)量一般占污水水量的1%～2%。為了提高處理效率，污水經(jīng)由高速旋轉(zhuǎn)陶瓷膜分離。沉淀池中的污水會進(jìn)入完全混合的生物反應(yīng)器中進(jìn)行厭氧處理，處理后的出水會經(jīng)由高速旋轉(zhuǎn)陶瓷膜過濾，污泥重新回流進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。DEUS 21系統(tǒng)使用高速陶瓷旋轉(zhuǎn)膜組件，由于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在膜片表面產(chǎn)生的剪切力，可有效防止膜污染，提高膜的過流通量，陶瓷膜孔徑為0.2 μm。處理工藝將污水與固體物質(zhì)分開處理，2個厭氧消化反應(yīng)器會產(chǎn)生沼氣，固體物質(zhì)經(jīng)過厭氧穩(wěn)定化處理。DEUS 21系統(tǒng)非常適合在熱帶地區(qū)應(yīng)用。

3 結(jié)論

污水的分散處理與回用不僅僅是一種全新的環(huán)境衛(wèi)生措施，它是對傳統(tǒng)的環(huán)境衛(wèi)生措施的補(bǔ)充和改進(jìn)。分散式污水處理系統(tǒng)可以建設(shè)在居民區(qū)、公共建筑區(qū)、商業(yè)區(qū)、小型社區(qū)等人流量較小的、地理位置接近或者不存在城市污水收集系統(tǒng)的區(qū)域。當(dāng)前我國分散污水處理主要是針對住宅小區(qū)污水，分散式處理和集中處理是污水處理的2種不可或缺但又不能互相替代的方式，兩者可互為補(bǔ)充。在中心城區(qū)主要以集中處理方式為主，在城市郊區(qū)（包括農(nóng)村）以分散處理方式為主，將分散處理和集中處理相結(jié)合，可提高我國污水處理率，減少河流水體面源污染。

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