分散式生活污水處理技術(shù)的研究進(jìn)展

張軒，宋小三，王三反，張少博

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 寒旱地區(qū)水資源利用教育部工程中心，甘肅 蘭州 730070)

根據(jù)世衛(wèi)組織的調(diào)查報告，全球數(shù)10億人沒有適當(dāng)?shù)募彝U水處理系統(tǒng)，水污染導(dǎo)致傳染病的蔓延，每年造成數(shù)以萬計(jì)的兒童因飲用被污染的水而死亡[1]。全球水資源正面臨著兩大挑戰(zhàn)：水資源短缺和水環(huán)境污染。隨著國家和政府對水環(huán)境保護(hù)重視程度的不斷提高，城市污水通過污水管網(wǎng)收集到污水廠統(tǒng)一進(jìn)行處理，城市污水的集中處理得到了快速發(fā)展[2]。由于分散式居住地區(qū)的管網(wǎng)覆蓋滯后、缺乏長效運(yùn)行機(jī)制、處理工藝選擇不當(dāng)?shù)葐栴}，難以采用集中式系統(tǒng)進(jìn)行處理[3]。針對分散式污水水質(zhì)變化大、組分復(fù)雜特點(diǎn)，介紹了幾種新興污水處理技術(shù)，提出了分散式污水處理技術(shù)未來的發(fā)展方向。

1 分散式生活污水處理概念

生活污水分散式處理技術(shù)，就是將無集中污水處理廠的地區(qū)產(chǎn)生的生活污水就地處理達(dá)標(biāo)排放或回用，例如居住比較分散的偏遠(yuǎn)山區(qū)和農(nóng)村、排水管網(wǎng)不完善的村鎮(zhèn)、船舶、軍隊(duì)和微小企業(yè)等。在污水處理時根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件靈活的運(yùn)用不同的污水處理技術(shù)，減少水污染，節(jié)約水資源[4]。分散式污水處理技術(shù)旨在最大程度地減少淡水資源的利用，減少越境污染物的數(shù)量，并最終最大化地回用水[5]。

分散污水處理主要分為在線系統(tǒng)和群集系統(tǒng)[6]。在線系統(tǒng)是從私人住宅排出的污水，由于沒有鋪設(shè)大面積社區(qū)用的污水管道或缺乏一套集中處理設(shè)施，通過自然系統(tǒng)或機(jī)械裝置來收集，處理排放或中水回用，這種自然系統(tǒng)或機(jī)械裝置被稱為在線系統(tǒng)；群集系統(tǒng)是一種服務(wù)于一個或二個以上住戶的污水收集或處理系統(tǒng)，但其范圍不超過整個社區(qū)。從幾家住戶排出來的污水可以經(jīng)過個體用戶的化糞池或組合裝置現(xiàn)場預(yù)處理后，再經(jīng)過低成本、特殊污水管運(yùn)送到比集中式系統(tǒng)相對小的處理單元。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢

19世紀(jì)后期，國外就針對獨(dú)立用戶產(chǎn)生的污水開始使用分散式污水處理技術(shù)，包括簡單的污水收集坑和化糞池，相對起步較早。后經(jīng)過改進(jìn)，產(chǎn)生了許多有效的處理方式[7]。經(jīng)過不斷的發(fā)展，目前，美國分散式污水處理技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)，主要處理方式有利用土壤的自凈能力為基礎(chǔ)的土地污水處理技術(shù)和地下滲濾處理技術(shù)，人工濕地等[8]。日本政府從1973年開始進(jìn)行分散式生活污水處理技術(shù)的研究，針對農(nóng)村居民和農(nóng)村行政事業(yè)單位產(chǎn)生的生活污水，開始建設(shè)“農(nóng)村集落排水工程”，集中處理農(nóng)村生活污水。近年來，新型的膜分離技術(shù)因其建設(shè)費(fèi)用低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)在日本已被開發(fā)出來并得到大范圍的實(shí)際應(yīng)用，主要用于BOD和氨的深度處理[9-10]。2003年，德國政府進(jìn)行了“分散式城鎮(zhèn)污水處理基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)”的研究[11]，其在處理城鎮(zhèn)污水方面的相關(guān)技術(shù)已基本成熟。該系統(tǒng)對雨水和污水進(jìn)行分別收集，然后通過膜生物反應(yīng)器，利用反應(yīng)器中微生物和生物膜過濾的共同作用，使污水達(dá)到排放水體的標(biāo)準(zhǔn)。

我國從20世紀(jì)80年代開始開展生活污水分散式處理技術(shù)的開發(fā)與研制工作，雖然起步較晚，但根據(jù)不同的地理特點(diǎn)和污水水質(zhì)已研制出成熟的處理系統(tǒng)。生活污水分散式處理技術(shù)是在傳統(tǒng)污水處理技術(shù)基礎(chǔ)上通過改進(jìn)發(fā)展而來，主要可分為好厭氧生物處理技術(shù)和自然生物處理技術(shù)，其中生態(tài)廁所、人工濕地、蚯蚓生態(tài)濾池和穩(wěn)定塘等技術(shù)具有建設(shè)費(fèi)用低、環(huán)境影響小、處理效果好等優(yōu)勢[12]。目前，為了實(shí)現(xiàn)若干個單一工藝的優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)行污水處理工藝的耦合，包括溢流式電化學(xué)膜生物反應(yīng)器(EMBR)、微生物燃料電池(MFCs)和化糞池反應(yīng)堆(ASR)等技術(shù)，將生物法與電化學(xué)系統(tǒng)結(jié)合被證明是最有應(yīng)用價值的。分散式污水處理技術(shù)具有運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好、工藝操作靈活、不產(chǎn)生殘?jiān)葍?yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)被大量采用。

3 分散式污水處理技術(shù)研究

3.1 自然生物處理系統(tǒng)

人工濕地是由人工建設(shè)和控制運(yùn)行的與沼澤地相似的地面，利用生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)與生物的三重協(xié)調(diào)作用，經(jīng)過濾吸附、離子交換沉淀、植物吸收與為微生物分解實(shí)現(xiàn)對水生活污水的高效凈化[13]。按污水的流經(jīng)方式人工濕地分為垂直潛流濕地(VFW)、水平潛流濕地(SSFW)和表面流濕地(SFW)[14]。

自然生物處理系統(tǒng)因其處理效果好、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但是由于懸浮物截留和吸附、微生物膜和藻類的生長、化學(xué)沉淀、土壤顆粒水膨脹等原因造成系統(tǒng)滲濾介質(zhì)的堵塞問題制約其進(jìn)一步發(fā)展[17]。

3.2 好厭氧生物處理系統(tǒng)

好氧微生物處理系統(tǒng)包括活性污泥法、生物轉(zhuǎn)盤和好氧濾器等。通過向廢水中不斷補(bǔ)充空氣和氧氣維持好氧微生物所需的溶解氧濃度，通過其生命代謝活動處理廢水。厭氧微生物無需提供氧氣，通過自身的代謝過程將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物和少量的細(xì)胞物質(zhì)。厭氧處理技術(shù)因其低成本、操作系統(tǒng)簡單和處理效果好等優(yōu)點(diǎn)比好氧處理技術(shù)更具有應(yīng)用前途。

周青齡等[18]采用一體式MBR工藝探究生活污水中脫氮除磷效果，結(jié)果表明，在溶解氧DO質(zhì)量濃度為0.1～3.5 mg/L，MLSS為12 650 mg/L的條件下，該工藝對COD、NH4-N和TP的平均去除率分別為88.9%，94.6%和61.60%，具有良好的脫氮除磷效果；張靜等[19]設(shè)計(jì)采用兩級生物流化床(MBBR)與化學(xué)除磷工藝處理校園分散式生活污水。該工藝耐負(fù)荷沖擊、操作運(yùn)行簡單、維護(hù)成本低，運(yùn)行結(jié)果表明，出水最終達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 新興分散式污水處理技術(shù)

4.1 生物電化學(xué)膜系統(tǒng)

膜生物反應(yīng)器(MBR)是一種高效的廢水處理技術(shù)，以其良好的出水水質(zhì)和保留降解顆粒物的能力而在全世界范圍內(nèi)得到應(yīng)用[20]。但需要經(jīng)常清理膜結(jié)垢增加了其運(yùn)行成本，需要對工藝進(jìn)行改進(jìn)。微生物燃料電池(MFC)由于其有限的生物量保留能力，造成污水出水質(zhì)量較差。Wang等[21]設(shè)計(jì)了一種MFC-MBR集成系統(tǒng)，其中MBR的曝氣池直接用作陰極室，碳?xì)直挥米麝帢O有利于生物膜的發(fā)展，低成本尼龍網(wǎng)用作過濾材料[22]。系統(tǒng)中MBR有利于良好的污泥截流和較多的生物膜在MFC的陰極上發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)氧氣作為陰極的電子受體，保證出水質(zhì)量，而MFC可以提供MBR系統(tǒng)中消耗的大部分電能，40 d內(nèi)產(chǎn)生的平均電流為(1.9±0.4)mA，最大功率密度達(dá)到6.0 W/m3。結(jié)果表明，COD去除率達(dá)到(89.6±3.7)%，流出的懸浮固體(SS)濃度幾乎為零，展示了低成本高效的廢水處理和發(fā)電能力。

4.2 化糞池反應(yīng)堆(ASR)

傳統(tǒng)厭氧處理系統(tǒng)的化糞池，其功能主要是儲存和沉淀進(jìn)水懸浮固體，由于非常低的污泥停留時間(SRT)，導(dǎo)致處理效率很低[25]。通過將常規(guī)化糞池(CST)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，制成先進(jìn)的化糞池反應(yīng)堆(ASR)[26]。包括將進(jìn)水管道延伸到反應(yīng)器底部，并利用分配塔板將流量從水平方向往上移，在反應(yīng)器底部安裝均勻的孔。通過裝置運(yùn)行超過10個月的結(jié)果表明，ASR最佳上流速度1 m/h，水力停留時間為24 h，COD、BOD5、TSS最大去除率為86.2%，79.4%和95%，生物質(zhì)比產(chǎn)甲烷活性(SMA)為 0.31 mg COD/g VSS·d。同時，產(chǎn)生的沼氣中最大甲烷濃度體積為74.5%，是豐富的清潔能源，可用于污水現(xiàn)場處理的CST的合適替代品。

4.3 下流式懸掛海綿生物反應(yīng)器(DHS)

DHS技術(shù)最初設(shè)計(jì)采用多孔海綿和被動曝氣進(jìn)行可視化的分散式污水處理，微生物聯(lián)合體會在內(nèi)部形成生物膜海綿，代謝C和廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為水、生物質(zhì)和逸出的氣體[27-29]。最初的設(shè)計(jì)包括上層好氧層、下層缺氧海綿層和廢水再循環(huán)，但出水總氮較高[30]。造成這一原因主要是因?yàn)槿毖鯇舆M(jìn)行反硝化的碳限制，因此將進(jìn)水旁路添加到缺氧層中提供C，考察了不同旁路比率(占總進(jìn)水量的百分比)對出水總氮的影響，結(jié)果表明，當(dāng)增加30%的廢水旁路時，污水總氮水平達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，氨的去除率也略有升高，COD的去除率始終>80%。證明具有廢水旁路的DHS反應(yīng)堆有望用于分散式污水處理。

5 結(jié)論與展望

膜技術(shù)(MBR)與微生物燃料電池(MFC)的集成是最有研究價值與應(yīng)用前途的廢水處理技術(shù)，還應(yīng)研究其處理染料廢水，含重金屬和制藥廢水的機(jī)理與效果。另外，還需要進(jìn)一步研究將MFCs與化學(xué)/物理、生物技術(shù)相結(jié)合的問題，重點(diǎn)發(fā)展MFC的電力儲存系統(tǒng)。

膜技術(shù)可保證優(yōu)良的出水水質(zhì)，可滿足污水回用的要求。但是出現(xiàn)的膜結(jié)垢問題制約其進(jìn)一步發(fā)展，未來研究需要優(yōu)化結(jié)垢機(jī)理，去除和回收水中的營養(yǎng)物質(zhì)。

電化學(xué)強(qiáng)化生物質(zhì)濃縮反應(yīng)器(E2BCR)和微生物燃料電池(MFCs)不僅可以幾乎完全去除水中的污染物質(zhì)，而且可以大大減少膜污染問題。但電極材料是影響其發(fā)展的主要因素，因此，必須探究不同種類電極材料的污水處理效果，尋找最優(yōu)經(jīng)濟(jì)高效的電極。