遼河保護(hù)區(qū)分散式污水處理技術(shù)應(yīng)用與展望

李劍屏，吳俊奇 ，向連城，宋永會(huì)，王思宇

1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京 100044

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對(duì)區(qū)域環(huán)境治理提出新的要求。對(duì)于未納入城市市政管網(wǎng)覆蓋范圍，地處市郊或遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的廣大農(nóng)村、城鄉(xiāng)結(jié)合部、旅游風(fēng)景區(qū)、度假區(qū)等所產(chǎn)生的生活污水，絕大多數(shù)只經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理而未達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)或未經(jīng)過(guò)任何處理排入到水體中，導(dǎo)致河流、湖泊等水體遭到污染，還嚴(yán)重威脅到地下水，甚至有些淺層地下水已經(jīng)遭到污染而不可取用［1］。目前，在我國(guó)遼寧省遼河保護(hù)區(qū)正在進(jìn)行生態(tài)文明示范區(qū)建設(shè)，其主要內(nèi)容是在遼河保護(hù)區(qū)及周邊建設(shè)生態(tài)帶、城鎮(zhèn)帶、旅游帶，迫切需要改善遼河水質(zhì)。因此，對(duì)于這些區(qū)域水環(huán)境的綜合治理迫在眉睫，根據(jù)該區(qū)域污水排放量小且分散、污水水質(zhì)與水量波動(dòng)大、可生化性好的特點(diǎn)，采用分散式污水處理技術(shù)是解決這些特定區(qū)域生活污水的最佳方案。

1 分散式污水處理技術(shù)發(fā)展

分散式污水處理技術(shù)可以滿足有排水系統(tǒng)和無(wú)排水系統(tǒng)地區(qū)廢水管理及資源化的要求，它允許以單獨(dú)處理和就地土壤處理系統(tǒng)作為長(zhǎng)期的解決方案［2］。分散式污水處理涉及廢水的收集、處理和排放，這些廢水源來(lái)自單獨(dú)的住戶、組屋以及獨(dú)立的度假村和風(fēng)景區(qū)。分散處理系統(tǒng)在廢水產(chǎn)生點(diǎn)附近收集廢水并經(jīng)過(guò)一定工藝處理，處理出水進(jìn)行回用或補(bǔ)給地下水，產(chǎn)生的少量污泥被送到集中點(diǎn)進(jìn)一步處理［3］。分散式污水處理技術(shù)具有節(jié)約管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用、占地面積小、建設(shè)周期短、環(huán)境影響較小、因地制宜、靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)［4］。

發(fā)達(dá)國(guó)家一些地區(qū)在農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研究和應(yīng)用方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)自19 世紀(jì)中葉開(kāi)始建設(shè)農(nóng)村污水處理設(shè)施，德國(guó)從2003年起開(kāi)始進(jìn)行“分散市政基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)”項(xiàng)目研究，有關(guān)技術(shù)目前已基本成熟［5］。挪威發(fā)展了以SBR、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤、滴濾池技術(shù)為主，并結(jié)合化學(xué)絮凝除磷的集成小型污水凈化裝置，如Uponor、BioTrap 和Biovac 等工藝［6-8］。我國(guó)大規(guī)模地采用分散裝置處理生活污水始于20 世紀(jì)80年代末，由于基礎(chǔ)設(shè)施薄弱和資金缺乏，難以在短期內(nèi)建設(shè)完整的城市污水管網(wǎng)及集中污水處理廠，此時(shí)化糞池和無(wú)動(dòng)力或微動(dòng)力的低能耗型污水處理裝置的應(yīng)用對(duì)水環(huán)境污染控制起到積極作用［9］。污水的分散處理技術(shù)(decentralized sanitation and reuse，DESAR)已成為國(guó)內(nèi)外生活污水處理的一種理念和方法［10］。

2 分散式污水處理應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

分散式污水處理技術(shù)在經(jīng)歷了最初的簡(jiǎn)單戶外污水坑、化糞池，發(fā)展到今天較為先進(jìn)的處理單元［11］，目前可供選擇的分散污水處理包括人工濕地系統(tǒng)、穩(wěn)定塘系統(tǒng)、無(wú)動(dòng)力污水處理系統(tǒng)以及整合物理化學(xué)和生物過(guò)程的一體化裝置等。

2.1 人工濕地系統(tǒng)

人工濕地是參照自然濕地的結(jié)構(gòu)和功能人為設(shè)計(jì)、建設(shè)而成的一種綜合生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地一般由人工基質(zhì)(多為碎石)和生長(zhǎng)在其上的水生植物(如蘆葦、茳芏等)組成，是一種獨(dú)特的“土壤-植物-微生物”生態(tài)系統(tǒng)。污水在人工濕地上沿一定方向流動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾以及生物化學(xué)作用對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行降解;水中的不溶性有機(jī)物，可以很快地被截留繼而被微生物利用;水中的可溶性有機(jī)物則可通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過(guò)程而被分解去除［12］。人工濕地處理系統(tǒng)可分為表面流濕地、水平潛流濕地和垂直潛流濕地3 種。潛流型人工濕地由于水流在地表以下流動(dòng)，具有保溫性好、處理效果受氣候影響小、不易產(chǎn)生惡臭和孳生蚊蠅等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較多的類型［13］。

人工濕地在歐洲應(yīng)用較多，20 世紀(jì)80年代我國(guó)開(kāi)始陸續(xù)在北京等地建設(shè)了數(shù)十個(gè)人工濕地工程，對(duì)水污染控制起到了一定的作用［14-15］。人工濕地具有一定的污水凈化能力，其對(duì)CODCr、BOD5、TN和TP 的去除率分別可達(dá)80%、85% ～95%、40% ～50%和80% ～85%［16］。如北京奧林匹克森林公園的4.15 hm2復(fù)合垂直流人工濕地(IVCW)每天對(duì)從清河污水處理廠引入森林公園的2 600 m3再生水和從奧林湖中抽取20 000 m3循環(huán)水進(jìn)行處理。經(jīng)過(guò)1年多的運(yùn)行調(diào)試，人工濕地的進(jìn)出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1［17］。該人工濕地系統(tǒng)不僅具有增強(qiáng)系統(tǒng)凈水的可靠性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)水處理功能與景觀效果的完美結(jié)合，構(gòu)建了一種人與自然和諧的生態(tài)環(huán)境。

表1 北京奧林匹克森林公園復(fù)合垂直流人工濕地實(shí)測(cè)進(jìn)、出水水質(zhì)［17］Table 1 Influent and effluent water quality of IVCW in Olympic Forest Park mg/L

2.2 穩(wěn)定塘系統(tǒng)

穩(wěn)定塘是一種利用天然凈化能力處理污水的生物處理構(gòu)筑物，主要是通過(guò)菌藻的共生關(guān)系對(duì)污染物進(jìn)行處理。在穩(wěn)定塘系統(tǒng)中，水中有機(jī)物主要通過(guò)微生物降解、有機(jī)顆粒沉降和截濾作用去除;TN主要通過(guò)硝化/反硝化、水生植物吸收、NH3揮發(fā)3 個(gè)過(guò)程去除［18］;TP 去除涉及底泥對(duì)PO34-的吸附/解吸、磷的擴(kuò)散、水生植物的吸收等多種機(jī)制共同作用。

美國(guó)Oswald 教授在傳統(tǒng)穩(wěn)定塘的基礎(chǔ)上改進(jìn)并發(fā)展，提出了高效穩(wěn)定塘。目前高效穩(wěn)定塘在以色列、摩洛哥、法國(guó)、美國(guó)、新西蘭等國(guó)都有研究與應(yīng)用［19］。與傳統(tǒng)穩(wěn)定塘相比，高效藻類塘具有以下優(yōu)點(diǎn):停留時(shí)間短、占地面積小、基建投資少、建設(shè)容易、維護(hù)簡(jiǎn)便、運(yùn)行費(fèi)用低;BOD5、NH3-N、病原體等去除率高;若高效塘后接的是高等水生生物塘，則其中的水生生物不但可以除藻，降低出水的SS，而且能進(jìn)一步去除水中的氮磷，同時(shí)收割的高等水生植物可以作為優(yōu)良的飼料和肥料［20］。李旭東等［21］利用高效藻類塘處理太湖地區(qū)農(nóng)村生活污水，CODCr平均去除率在70%以上，氨氮去除率為93%，總磷去除率為50%。

2.3 一體化污水處理裝置

2.3.1 凈化槽

凈化槽作為一種一體化分散式污水處理裝置，最早起源于日本。從日本各主要廠家生產(chǎn)的凈化槽來(lái)看，采用的主要工藝包括厭氧過(guò)濾、接觸氧化、活性污泥、膜處理工藝，也有一些工藝采用了在生化反應(yīng)單元內(nèi)投加有效微生物(EM)菌液，用強(qiáng)化系統(tǒng)內(nèi)微生物作用的方式來(lái)增強(qiáng)處理效果［22］。凈化槽運(yùn)行過(guò)程中，污水從槽的一端進(jìn)入系統(tǒng)，由于里面填裝有濾材，污水中的固體雜物大部分通過(guò)濾材時(shí)被去除。厭氧濾床池的主要功能是儲(chǔ)存被分離的固體雜物和污泥，同時(shí)具有通過(guò)濾材里厭氧微生物的厭氧消化來(lái)降低污泥產(chǎn)量的功能。在接觸曝氣池，由鼓風(fēng)機(jī)將空氣注入水中，在好氧微生物的幫助下水中有機(jī)物得到降解，氨氮被氧化。經(jīng)過(guò)曝氣處理后的水流入沉淀池，懸浮物沉入池底;上面干凈的處理水流入消毒池，經(jīng)過(guò)氯片消毒后排放。

江蘇無(wú)錫市自2003年起在太湖周邊安裝了6 種類型共12 臺(tái)不同處理工藝和規(guī)模的凈化槽進(jìn)行污水處理試驗(yàn)［23-24］。12 臺(tái)凈化槽總體運(yùn)行效果良好，其中的2 臺(tái)30 人型(6 m3/d)厭氧濾床-接觸氧化凈化槽在生活污水進(jìn)水BOD5、TN 和TP 濃度平均值為200、50 和5 mg/L 時(shí)，處理出水中BOD5、TN 和TP 濃度低于10、10 和1 mg/L，污水處理成本為3.9 元/m3。

2.3.2 地埋式污水處理裝置

國(guó)內(nèi)對(duì)一體化污水處理技術(shù)的研究和應(yīng)用最早開(kāi)始于20 世紀(jì)90年代，也稱為地埋式污水處理裝置。目前，地埋式污水處理技術(shù)按工藝劃分有生物接觸氧化法、SBR 法、A/O 及A2/O 工藝。處理裝置可做成鋼制定型設(shè)備整體安裝或鋼混結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)澆注。

中國(guó)農(nóng)業(yè)展覽館污水再利用工程采用的是地埋式SBR 處理工藝，污水處理站的設(shè)計(jì)流量為650 m3/d，進(jìn) 水 水 質(zhì)CODCr≤350 mg/L，BOD5≤200 mg/L，經(jīng)過(guò)工藝處理后出水水質(zhì)CODCr≤50 mg/L，BOD5≤15 mg/L，SS≤10 mg/L，滿足回用水用于綠化和景觀環(huán)境的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow chart

青海省某高速公路收費(fèi)站流量為3.0 m3/h 的生活污水處理工程，采用的是微生物固定化技術(shù)與生物膜技術(shù)相結(jié)合的工藝，所用裝置為地埋式一體化處理器。污水通過(guò)排污總管后流經(jīng)格柵，在去除較大雜物后進(jìn)入調(diào)節(jié)沉淀池，在調(diào)節(jié)沉淀池內(nèi)均和水量和水質(zhì)，沉降較大顆粒物。然后由污水泵送至地埋式一體化處理設(shè)備，污水中的有機(jī)物與BAF 內(nèi)生物膜進(jìn)行充分接觸，通過(guò)微生物的吸附和降解作用使污水得以凈化，最后流入二沉池、消毒池后排放。在投入運(yùn)行半年后，系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，處理效果良好，出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)［25］。

2.3.3 無(wú)動(dòng)力地埋式污水處理系統(tǒng)

無(wú)動(dòng)力水處理技術(shù)由老式化糞池發(fā)展而來(lái)，地埋式無(wú)動(dòng)力污水處理系統(tǒng)是運(yùn)用厭氧消化(主要是厭氧生物濾池)-好氧降解、兩段生物膜法等傳統(tǒng)的理論、成熟的技術(shù)使污水、糞便得以凈化，污水按水力位能原理自行運(yùn)行而無(wú)需外加動(dòng)力［26］。1991年王福慶等［27］在臺(tái)灣省凈化器的基礎(chǔ)上研發(fā)出微型生活污水凈化裝置(新型組合化糞池)，選擇具有良好性能的濾料，并優(yōu)選粒徑級(jí)配、合理確定濾層厚度，創(chuàng)造性地解決了殘?jiān)勰嗟那逄詥?wèn)題，巧妙地利用厭氧產(chǎn)生的熱量將氮、硫化氫、糞臭素等氣體經(jīng)導(dǎo)氣管通過(guò)建筑物的雨落管由屋頂排出。1995年改稱為地埋式無(wú)動(dòng)力生活污水凈化裝置，并獲得國(guó)家專利。

2000年韓生?。?8］將無(wú)動(dòng)力生活污水處理裝置改進(jìn)成A2/O2系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)SS、CODCr及BOD5的去除率分別高達(dá)98.69%、96.95% 及85.80%，處理后的出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978—1996 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。2005年沈東升等［29］對(duì)農(nóng)村生活污水地埋式無(wú)動(dòng)力厭氧達(dá)標(biāo)技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了2 組兩級(jí)厭氧反應(yīng)器，分別為管道式和折流板式反應(yīng)器，內(nèi)部都設(shè)為空心球填料。5 個(gè)月后的中試研究表明，在污水停留時(shí)間1 d 的條件下，當(dāng)實(shí)際農(nóng)村生活污水CODCr、BOD5和SS 平均濃度分別為287.2、120 和73.3 mg/L 時(shí)，管道式裝置出水CODCr、BOD5和SS 平均去除率為66.1%、70.8%和80.55%;當(dāng)實(shí)際農(nóng)村生活污水CODCr、BOD5和SS平均濃度分別為288.4、139.8 和96.8 mg/L 時(shí)，折流板式裝置出水CODCr、BOD5和SS 平均去除率為68.3%、76.2% 和90.2%，出水可以穩(wěn)定達(dá)到GB 8978—1996 二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 分散式污水處理存在的問(wèn)題及對(duì)策

3.1 分散式污水處理技術(shù)的使用

3.1.1 土地處理、穩(wěn)定塘污水處理方法

充分利用農(nóng)村周邊的渠系、池塘、河流、荒地和農(nóng)田等，構(gòu)建水循環(huán)系統(tǒng)和水生植物與荒地結(jié)合的生態(tài)凈化系統(tǒng)，以及建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)等措施。如在農(nóng)村或城鄉(xiāng)結(jié)合部采用人工濕地系統(tǒng)處理分散式污水，人工濕地和景觀學(xué)同時(shí)運(yùn)用，將其發(fā)展成一種功能式景觀，既可以進(jìn)行污水處理，又可以當(dāng)作景觀來(lái)美化環(huán)境。

由于土地處理系統(tǒng)水力負(fù)荷較低，處理水量越大，占地面積就大，加上我國(guó)土地資源十分有限，這是利用生態(tài)工程處理分散污水中較為突出的問(wèn)題。有些地區(qū)由于土地面積小，處理污水量大，造成污水處理負(fù)荷較大，導(dǎo)致處理系統(tǒng)出水效果較差。

3.1.2 無(wú)動(dòng)力地埋式污水處理方法

地埋式生活污水處理裝置因其規(guī)模小，可以靈活設(shè)置;因其無(wú)動(dòng)力，可以節(jié)約能耗;因其采用地埋式，可以不占用土地，節(jié)約土地資源。但是因?yàn)槭堑芈袷教幚碓O(shè)施，將導(dǎo)致系統(tǒng)的維護(hù)及維修不便。劉大根等［30］選擇湖北省52 套地埋式無(wú)動(dòng)力生活污水處理裝置進(jìn)行了典型抽檢，結(jié)果表明，該技術(shù)對(duì)NH3-N、PO43-的去除效果很差，對(duì)有機(jī)物的處理效果也不佳，而對(duì)SS 的去除效果較好。在保留和發(fā)揚(yáng)已有技術(shù)的小型、靈活、埋地等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)處理效果不佳等缺陷進(jìn)行改進(jìn)，如施加微動(dòng)力，以改變處理裝置供氧不足、微生物活性不夠的狀況，提高污染物的去除率或者開(kāi)發(fā)新型、高效的生物濾料，提高生物量和處理負(fù)荷。

3.1.3 一體化污水處理方法

目前一體化污水處理方法在我國(guó)有較廣泛的應(yīng)用，我國(guó)現(xiàn)在生產(chǎn)及使用的分散式污水處理裝置絕大都是以去除有機(jī)物CODCr為目標(biāo)的，沒(méi)有對(duì)污水進(jìn)行深度處理，應(yīng)增加裝置中脫氮除磷功效以控制水體的富營(yíng)養(yǎng)化。

3.2 分散式污水處理設(shè)施污泥的處理處置

在分散式污水處理設(shè)施中，除土地處理、穩(wěn)定塘污水處理方法外，一般都會(huì)產(chǎn)生剩余污泥，如果不能管理、處置好產(chǎn)生的剩余污泥，將會(huì)直接影響到分散式污水處理設(shè)施的出水水質(zhì)。對(duì)于規(guī)模較小的分散式污水處理設(shè)施，因其產(chǎn)生的污泥量較小，可以待污泥累積到一定量后運(yùn)輸至具有污泥處理能力的處理廠站進(jìn)行集中處理;對(duì)于具有一定規(guī)模的分散式污水處理設(shè)施，因其產(chǎn)生的污泥量較大，先用污泥脫水機(jī)將污泥脫水減量后再外運(yùn)處理或處置，以免造成二次污染。

3.3 分散式污水處理設(shè)施的運(yùn)行管理

土地處理、穩(wěn)定塘等污水處理設(shè)施運(yùn)行管理較為簡(jiǎn)單。而我國(guó)目前分散式一體化污水處理裝置由設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，設(shè)備的使用、維護(hù)及管理一般由使用者獨(dú)立完成或由生產(chǎn)廠家協(xié)助完成，很難達(dá)到專業(yè)、系統(tǒng)的維護(hù)管理水平，為使分散式污水處理裝置穩(wěn)定、正常地運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行和管理必須要由專門公司和專業(yè)人員來(lái)完成，同時(shí)要有專門的機(jī)構(gòu)對(duì)裝置生產(chǎn)廠家、施工單位、運(yùn)行維護(hù)公司進(jìn)行管理。

3.4 法律法規(guī)的建立

無(wú)論是廠家生產(chǎn)的一體化分散式污水處理設(shè)備還是現(xiàn)場(chǎng)施工的分散式污水處理設(shè)施，國(guó)家都沒(méi)有頒布相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及有效的管理方法，同時(shí)也缺乏權(quán)威統(tǒng)一的檢測(cè)、評(píng)價(jià)手段，致使一些分散式處理裝置制作隨意，忽略技術(shù)參數(shù)的科學(xué)性和合理性，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的處理效果。為了促進(jìn)分散式污水處理系統(tǒng)在我國(guó)的普及和健康的發(fā)展，相關(guān)部門應(yīng)盡快建立與分散式污水處理系統(tǒng)的設(shè)備生產(chǎn)、安裝、施工、檢修和維護(hù)管理等法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范與指南，使分散式污水處理系統(tǒng)的發(fā)展在法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的框架下進(jìn)行［31］。

4 結(jié)語(yǔ)

分散式污水處理系統(tǒng)作為對(duì)集中式污水系統(tǒng)的補(bǔ)充方式是不可或缺的，特別是對(duì)遼河保護(hù)區(qū)等區(qū)域具有重要的意義。分散式污水處理系統(tǒng)應(yīng)因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)厝丝?、地形等情況進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)，借鑒各種實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)，探索并改善分散式污水處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)污水的無(wú)害化和資源化。政府需要頒布設(shè)計(jì)和管理規(guī)范，尋求以污水處理市場(chǎng)化為基礎(chǔ)的多樣化投資來(lái)源和管理模式，同時(shí)通過(guò)宣傳和教育達(dá)到一定的公眾參與度，這樣才能真正發(fā)揮分散式污水處理技術(shù)的作用。

分散式污水處理系統(tǒng)今后應(yīng)在生態(tài)化、節(jié)能化、省地化和景觀化上進(jìn)行有效的研究與應(yīng)用，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，符合遼河流域當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)，充分發(fā)揮分散式污水處理系統(tǒng)廣泛的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，這不僅符合國(guó)家的節(jié)能方針，更重要的是給遼河保護(hù)區(qū)環(huán)境建設(shè)帶來(lái)了新的綠色亮點(diǎn)。

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