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我國分散式中小型污水處理技術研究及應用簡析
時間：2013-09-27 10:26:28 作者： 來源：
摘要：目前我國分散點源污水污染問題日益嚴重，中小型污水處理技術可以就地處理、達標排放或就地回用，在中小城鎮及農村、高速公路、旅游景區等具有廣闊的市場前景，但目前普遍存在建站和運行資金短缺、工藝選擇缺乏針對性、剩余污泥二次污染、管理水平低等實際問題。本文根據分散污水點源規模小、水量與水質的波動大等污染特征，從工藝、運行管理、經濟方面綜合考慮，提出了適用于分散式污水處理的人工濕地污水處理技術、厭氧無動力污水處理技術、膜生物反應器（MBR工藝）、速分生物處理技術，并對其原理、處理效果、設計參數、優缺點及技術經濟進行探討，以期為工程應用提供有益參考。
隨著我國經濟發展，環境污染范圍不斷擴大，對區域環境治理提出了新的要求，對于未納入城市市政管網覆蓋范圍，地處市郊或遠離城鎮的特定區域（如廣大農村、城鄉結合部、部隊營區、旅游風景區、度假區、療養院、獨立別墅區、機場等），污水排放量小且分散，污水水質與水量波動大。分散式中小型污水處理技術可以對污水進行就地處理，達標排放或就地回用，具有節約管網建設和維護費用、占地面積小、環境影響較小、因地制宜、靈活多樣等優點[1]。在分散點源污水治理過程中，如何根據分散式污水處理的特點，結合當地經濟水平、環境目標、自然條件，因地制宜采用不同的處理技術，加快污水處理設施建設，改善生態環境是目前我們面臨的新課題。
從20世紀70年代開始，美、日、歐洲等國家就采用分散式污水處理方式對鄉村的污水進行治理，取得很好的成效，如日本開發用于分散式生活污水處理的凈化槽技術[2]、澳大利亞針對分散式污水特點采用的“FILTER”(非爾脫)污水處理系統等[3]。我國分散式污水處理研究和應用始于20世紀80年代末[4]，南京大學研制的“地下濕地與高負荷地下滲濾技術”，出水CODCr、BOD5、氨氮、TSS等指標，均達到國家規定標準的一級A類排放標準。江蘇省環境科學研究院通過采用“厭氧水解＋微動力好氧生化＋景觀綠地”技術，出水水質達到一級B類標準。東南大學開發的“脫氮＋脈沖多層復合濾料生物濾池＋人工濕地”技術，使出水水質穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)的二級標準。北京科凈源科技股份有限公司開發的“速分生物處理技術”，出水水質達到了國標一級A類排放標準。
近年來，分散點源生活污水污染治理和生態保護取得了積極成效，但進展仍然緩慢，在規劃設計、工藝選擇、工程建設與投資和運行管理保障模式等方面存在一定的問題。（1）前期調研論證不夠重視。設計單位不了解農村實際用水需求和排水特點，基礎數據掌握不準確，照搬城市居民用水規范，造成污水處理規模偏大，設計規模與實際處理水量不匹配問題十分突出；（2）運行管護資金短缺，缺乏政策和標準支持。工藝系統和操作管理需要動力消耗，由于缺乏資金，不能保證正常運行，部分處理設施處于停產或半停產狀態，設備閑置浪費嚴重，另外現行的環境保護法律、法規和標準尚不能完全適應分散點源污水處理的需要；（3）工藝選擇缺乏針對性。目前城市污水處理技術已經成熟，但分散點源生活污水處理存在工藝流程復雜、設備設施多、投資和運行成本高、剩余污泥產量大、維護要求高等問題；（4）剩余污泥造成的二次污染問題不容忽視。目前一般采用外運填埋等方式進行處置，并未實現無害化處置，給環境帶來二次污染的隱患；（5）管理水平有待加強。重建設，輕管理。管理人員（主要是村民）專業技能難以滿足需要，維護管理技術人員及運行管理經驗嚴重缺乏。
1、必要性分析
（1）大型污水處理廠的合理補充。根據國家環境保護部《2009年全國投運城鎮污水處理設施清單》，“十一五”期間我國投運的大量污水處理廠并沒有滿負荷運行，其主要原因就是污水廠及配套管網的運營管理滯后于污水廠的建設。目前城市開發區的發展速度高于市政設施建設速度，造成企業已經進駐，而污水管道尚未建設的現象，此時建設分散式中小型污水處理廠，可以解決地區優先開發面臨的污水處理難問題。
（2）節省管網鋪設造價，經濟合理。在管網建設方面來說，污水管道為重力流，并且沿流向管徑、埋深逐漸增加，導致污水管網投資巨大。城市中部分地市較低區域，如小區、公園等，產生污水量小且相對集中，需提升進入市政污水管網，運行費用高，建設小型污水處理站就地處理，從長遠角度看，投資合理，經濟劃算。
（3）符合中水回用要求。將污水送至處理廠統一處理，再通過中水管道輸送回來，不僅經濟不合理，而且造成不必要的能源浪費。建設小型污水處理站，就地處理、就地回用，是真正的節能減排建設。
（4）國際發展趨勢。國際水質學會(IAWQ)在1995年的“小型污水處理設施”學術討論會上提出：人口當量在2000以下或流量為200m3/d以下的污水站為小型污水站，可見小型化污水處理站的建設在國際上已經成為專題研究的科目，是發展方向。
2、市場前景分析
（1）中小城鎮及農村污水處理市場規模。2009年，我國城市污水排放量為371.21億立方米，城市污水處理率為75.3%，其中65.8%的污水在大規模污水處理廠集中進行處理，其余34.2%的污水采用分散式處理技術進行處理。按污水排放總量以每年4%的速度增長進行估算，在污水處理率和集中處理率保持不變的假設前提下，未來每年新增的污水處理規模為15億立方米左右，其中分散式污水處理的規模在5億立方米以上。據國家環�？偩汁h境規劃院預計，“十二五”期間我國用于生活污水治理的投資共計將達2132億元，其中用于城鎮生活污水的投資為1367億元，用于農村生活污水的投資為765億元。
（2）高速公路服務區污水處理市場規模�！笆濉逼陂g我國交通運輸仍處于高速發展期，到“十二五”末，高速公路總里程達到10.8萬公里，根據規定，相鄰收費站的間距不得少于50公里。據此估算，“十二五”末我國將建設完成高速公路服務區約2160個。我國大部分高速公路收費站沒有建立完善的污水處理系統，且遠離市區，且無市政管網統一收集處理，對局部環境造成了一定程度的污染。按照每個服務區規模100m3/d，投資按3000元/ m3計，預計我國“十二五”期間高速公路服務區生活污水處理設施投資需求為64.8億元。
（3）旅游景區污水處理市場規模。我國旅游景區大部分地形為山區，污水統一收集、處理非常困難，如何才能解決好旅游景區污水處理與再生問題，已成為旅游資源和旅游經濟可持續發展的關鍵。目前我國建有國家級風景區約227個，其他各類型風景名勝區約2222個，由于國家級風景名勝區和國家自然遺產、自然與文化雙遺產景區建設規模一般較大，且近70%沒有污水處理設施。按每個景區6套估算，而其他類型的風景區按每個景區4套進行估算，在旅游景區，我國共需要7175套生活污水處理裝置。按照每年新建需求量70%計算，每套污水處理設施規模100m3/d，投資3000元/m3，預計我國未來三年風景區生活污水處理投資額為15.09億元。
另外位于城鄉結合部的新建住宅小區、療養院、獨立別墅區、機場以及部隊營區，市政污水管網無法接入，這些區域的污水處理問題急需解決，分散式的中小型污水處理設施也是最佳方案。
1、工藝技術要求
（1）在工藝上，基于分散點源水量小、水量與水質的波動大等污染特征，分散式中小型污水處理技術應具有抗沖擊負荷能力強、布置方式需靈活、產泥量小、能快速啟動等要求，以滿足適用環境的特殊要求。
（2）在運行管理方面，工藝應操作管理簡單方便。由于各種原因，偏遠地區很難配備專業維護人員進行專項管理，普遍存在運行管理維護難的問題。
（3）在經濟方面，運行費用應低。對于廣大農村、部隊營區、療養院等地區，大部分為非盈利性場所或經濟欠發達地區，如不控制運行費用，將陷入建得起用不起的窘境。
2、分散式中小型污水處理適用技術探討
（1）人工濕地污水處理技術
人工濕地是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、植物、人工介質、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對污水、污泥進行處理的一種技術。根據污水流經的方式，可分為表面流濕地(SFW)、水平潛流濕地(SSFW)、垂直潛流濕地(VFW)，小規模人工濕地設計參數見表1。人工濕地投資和運行費用低，僅為傳統活性污泥法的10%-30%，運行成本主要為提升水泵所消耗的電費，約為0.05-0.10元/m3，運行中管理維護簡便，同時具有景觀功能。人工濕地污水處理技術在美國、德國、丹麥、英國等歐美國家應用較多，適用于地勢平坦、坡地、居住相對集中的中、小村莊，主要用于處理小城鎮或社區的生活污水，通過管網將各戶經沼氣池、化糞池、格柵井收集處理后的生活污水，通過人工濕地系統進一步處理后，直接排放或回用灌溉農田。
表1 小規模人工濕地設計參數
我國人工濕地應用也越來越多，國內學者在傳統人工濕地實踐的基礎上，適應工程需要，研發了一種快速裝配式人工濕地填料單元，彈性填料利用硬聚氯乙烯管外框骨架固定，彈性填料間距為100-200mm，填料與傳統礫石填料對比見表2，人工濕地污水處理系統自上而下包括：土壤層、隔土層、承托層、人工填料單元層、卵石承托層、防滲層（圖1）。快速裝配式填料單元采用模塊化設計，具有生物量大、水力停留時間短、處理效果好、系統不易堵塞、運行費用低等優點。
沈陽環境科學研究院、沈陽賽思環境工程設計研究中心開創了北方人工濕地技術，主持編制《人工濕地污水處理技術規范》，先后在新民市方巾牛村、世博園、丁香湖生態浮島、輝山明渠河口等地建立了人工濕地示范工程；北京蘭特斯福環境工程科技發展有限公司建設了北京朝陽區沈家墳人工濕地工程、清河南土家人工濕地工程。這些人工濕地工程運行出水效果良好，生態景觀效果顯著。
（2）厭氧無動力污水處理技術
厭氧生物處理技術是在厭氧條件下，兼性厭氧和厭氧微生物群體將有機物轉化為甲烷和二氧化碳的過程。厭氧污水處理技術具有低造價、低運行費、能回收利用能源等優點，它在分散生活污水的處理中得到了越來越廣泛的研究與應用。近年來，發展了越來越多的高效厭氧處理設備和技術，如升流式污泥床反應器(UASB)、厭氧濾池(AF)、厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)等。針對分散點源污水的特點，厭氧無動力污水處理裝置采用初沉池+厭氧污泥床接觸池+厭氧生物濾池工藝，將全套裝置埋于地下，工藝過程簡單，無需專門管理，不耗能。工程實踐，該污水處理裝置投資約2000元/m3，處理效果較好，CODCr：50%-70%，BOD5：50%-70%，NH3-N：10%-20%，磷酸鹽：20%-25%，SS：60%-70%，經處理后的污水達到二級排放標準[5]。
厭氧水解如果水解充分，有機物的去除效率比較高，但對懸浮物、氨氮和磷的去除效果差一些。人工濕地去除氨氮和磷的效果卻非常好，SS、色度很容易達標。人工濕地對進水要求比較高，必須有前處理先去除生活污水中大顆粒雜質，避免引起濕地濾料的堵塞，所以厭氧水解—人工濕地處理技術在處理污水方面能夠有機結合，取長補短[6]。張克峰教授對厭氧接觸灌+改型潛流人工濕地進行了研究[7]，厭氧接觸罐內懸掛彈性立體填料，采用水平地埋放置（圖2）。潛流濕地采用分層濾料對厭氧接觸池出水進行處理（圖3），增強有機物和懸浮物的去除效果，濕地上部種植蘆葦。研究結果表明，厭氧接觸與生態組合處理工藝對水中有機物、SS、氨氮、總磷的去除率分別達到80%和、70%、15%以上、35%-45%，出水水質滿足灌溉農田的要求，該技術對分散點源污水處理非常適宜。
在厭氧技術工程應用方面，山東十方環保能源、山東本源環境科技等公司多年來從事污廢水的厭氧處理技術研發與應用，先后建立了金沂蒙木薯（玉米）廢水治理、益海嘉里廢水治理、金鑼集團豆清水厭氧處理及沼氣回收等示范工程，取得了良好出水效果和經濟效益。
圖2 厭氧接觸罐示意圖
圖3 改型潛流濕地剖面示意圖
（3）膜生物反應器（MBR工藝）
膜生物反應器（Membrane Bio-Reactor，MBR）是一種由膜分離單元與生物處理單元相結合的新型水處理技術，以膜組件取代二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度，減少污水處理設施占地，并通過保持低污泥負荷減少污泥量。該工藝主要利用沉浸于好氧生物池內的膜分離設備，截留槽內的活性污泥與大分子有機物。膜生物反應器系統內活性污泥濃度可達到8000-10000mg/L，污泥齡達到30天以上。膜生物反應器因其有效的截留作用，可保留世代周期較長的微生物，如硝化菌，系統內其硝化效果明顯，對深度除磷脫氮提供可能。MBR工藝基本構造如圖4所示。
圖4 MBR工藝基本流程示意圖
膜生物反應器充分體現了分散污水處理小型靈活和污水再生利用的特點，獨立的MBR工藝對氮、磷的去除率較低，MBR通常與其他工藝進行組合，如：復合淹沒式膜生物反應器(Hybrid submerged MBR，HSM-MBR)、生物移動床+MBR[8]、交替式循環活性污泥法(缺氧+二級好氧)+MBR[9]、間歇循環式活性污泥法(Intermittentlycyclic activated sludge，ICAS)+ MBR[10]、淹沒式MBR (內填多孔懸浮性填料)[11]、厭氧—好氧—缺氧序批式反應器(An-aerobic-aerobic- anoxic sequencing batch reactor，AOAS-BR)+MBR[12]等，這些新工藝強化了處理效果，提高了對氮、磷的去除率，并減輕了膜污染。
膜生物反應器具有處理效果好、耐沖擊負荷、出水水質穩定、剩余污泥量少、操作管理方便和占地空間省等優點，隨著膜通量提高，膜費用降低及壽命延長，再生水資源日益重視的情況下，膜生物反應器在污水處理領域，尤其是分散點源污水處理與回用方面將會得到極其廣泛的應用。
膜生物反應器的生產及應用企業目前有很多，如北京碧水源科技股份有限公司、天津膜天膜科技股份有限公司等，建立了一批示范工程，取得了良好的環境效益和社會效益。
（4）速分生物處理技術
在流場中存在著快速流動和慢速流動的地方，當處于流場中物體的左右產生流速差的時候，如果是理想流體，且矢量是一致的，物體只會在此方向上移動，這樣就使得物體向著流速慢的地方移動和積累，這就是流離的原理。因為水有黏性，水中的物體將由流速快的方向流速慢的方向回轉。流離所指的就是在流場中污水里的懸浮物質（有機物、固體顆粒、污泥）由流速快的地方向流速慢的地方聚集的原理。
根據自然界常見的流離現象，反應器內載體采用新型復合流離球多孔微生物載體，以提供捕獲懸浮顆粒的流離場和多樣微生物生存所需的環境，從而構建形成了新型的復合流離球多孔微生物載體和全新的污水脫氮除磷與剩余污泥減量相結合多氧化還原環境原位污泥減量耦合生物反應器。隨著污水的流入，流離作用促使固液分離，使水中的懸浮物（SS）、剩余污泥自然地進入復合流離球多孔微生物載體的間隙內而積累，復合流離球多孔微生物載體可有效分離、積累合流制排水系統的高無機物原水中的無機物，積累起來的有機物或污泥（微生物細胞）經厭氧分解、低分子化，達到原位污泥消減，同時釋放的碳源成為缺氧脫氮的碳源，從而在污泥減量的同時促進生物脫氮。
速分生化球多孔微生物載體比表面積大、生物量大，因而具有更大的生物量和更豐富的生物相。在空間上反應器具有厭氧、缺氧、好氧狀態，同時復合流離速分球多孔微生物載體本身也具有厭氧、缺氧、好氧狀態，導致形成高度的生物多樣性和多樣的微生物生態系統。試驗研究及工程用表明，速分生物處理裝置對有機物、氮有很好的去除效果，COD、TN和NH4+-N的平均去除率分別為87.8%、75.2%和98.7%，污泥平均產率僅為0.118 kgMLSS/kgCOD，結合化學除磷實現磷資源回收。同時該技術具有施工簡單、管理方便、投資省、運行費用低、污泥產量少等優點。
圖5 速分生化處理工藝流程
北京科凈源科技股份有限公司采用“速分生物處理技術”完成了多項污水處理工程，出水水質達到了國標一級A類排放標準。這些處理工藝運行穩定，去污效果良好，先后在居民小區、學校、賓館、軍營、村鎮、醫院等建設一批速分生物處理、微動力地埋式、無動力地埋式等小型污水處理裝置，為緩解環境污染起到重要的作用。北京奧林匹克森林公園項目中水工程采用速分生化處理工藝，工藝流程見圖5。
（5）技術經濟比較
對以上四種工藝進行技術經濟比較，如表3所示。
表3 四種工藝技術經濟比較
目前，我國分散式污水處理行業處于快速發展階段，市場前景廣闊，競爭主體數量較多，沒有形成某一個或幾個企業壟斷或者絕對的領導者，市場集中度不高。但隨著我國環保產業支持政策和相關法律法規的出臺，那些以技術創新、服務優質、質量安全為核心競爭力的企業將會在市場競爭中取得優勢，迅速擴大市場占有率。
（1）目前我國在城市和城鎮污水處理技術研究上已取得較大的進展，但在分散點源污水處理技術研究上進展緩慢，面臨著管理水平低、建站和運行資金短缺等實際問題。
（2）分散點源污水與城鎮污水不同，具有點多、面廣、量小、分散等顯著特點，不僅在水質、水量及建設模式上有所不同，而且在工藝選擇、工程建設與投資、運行管理保障模式等方面也有較大的區別，因此分散式中小型污水處理不能照搬大、中型城市污水處理工藝及設計參數，應根據具體現狀特點、自然、經濟、社會條件及風俗習慣，堅持“低投入、低成本、重回用、易管理”的原則，因地制宜地進行選擇。
（3）制定分散型污水處理設施的設計規范、技術規范和驗收標準，加強工藝優化與技術創新研究，強化新材料、新能源、關鍵設備的研發，并制定分散式污水處理優惠政策，使分散點源水污染治理步入“建得起、用得起、管得起、有長效”的良性發展軌道。
（4）通過對適合分散點源污水處理的四種工藝進行技術經濟比較，分析得出，速分生物處理技術具有出水水質好，耐沖擊負荷強、產生污泥量少、自動化程度高、填料使用壽命長、投資省、運行費用低、占地面積小等特點，是一種較為適宜的分散式中小型污水處理技術，具有良好的工程應用前景。
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