分散式污水处理技术应用分析

水污染是我国主要的环境问题之一，直接影响公众健康和环境安全。尽管我国已高度重视水环境保护，采取了各种措施防治水污染，但水污染事件仍频频发生，水环境保护形势依然十分严峻。水污染降低了水体的使用功能，加剧了水资源短缺，对我国可持续发展战略的实施带来了负面影响，因此进行污水处理刻不容缓。目前，分散式污水带来的污染问题也愈发突出。据住房和城乡建设部统计，我国58万个自然村中分散式污水处理率2008年仅为3%，2012年也仅达8%，未处理的分散式污水总量是城市和县城采用集中式污水处理总量的1. 5倍。
因此，分散式水体污染控制相关研究成为环保工作者当务之急。
污水处理系统通常分为分散式和集中式2种。市政工程中污水的标准处理系统均为集中式污水处理系统，绝大多数的城市也选择该系统，集中式污水处理系统适用于收集与处理大流量的污( 废) 水，具有处理规模大、基建费用大、运行成本高、适用于污染源较集中地区等特点，到“十一五”末期我国集中式污水已基本得到有效控制。而像农村与城乡结合部、*驻区、旅游区、独立别墅区、机场等地处市郊或远离城镇且未纳入城市市政管网覆盖范围特定区域的生活污水，具有污(废)水产量小、产生源分散、污染源数量多等特点，不适宜进行集中处理，对该类污(废)水国内外学者都积极倡导污水分散处理思想，即就地处理、就地回用，实现水平衡和水循环。
笔者阐述了分散式污水处理技术的研究进展，系统分析了分散式污水处理技术原理和优缺点，提出了分散式污水处理的技术发展方向。
1、分散式污水处理系统概念及系统构成
目前，我国主要研究的污水处理方式是集中式污水处理，对分散式污水处理的研究尚不够深入，对分散式污水处理系统也缺乏一个较明确的概念，仅简单停留在污水处理厂小型化认识阶段，即对处于城市边缘或村镇，排水管网不完善、无集中污水处理厂的地区，由于受到地理条件和经济因素制约，不宜进行生活污水集中处理的，采取污水就地处理，实现达标排放或回用。结合地区经济和环保技术发展水平，分散式污水处理应采取因地制宜、灵活多样的技术工艺和治理途径，满足生态化、节能化、景观化、一体化、处理效果好、投资低、运行维护方便等需求。
因此，将分散式处理系统( decentralizedtreatment system，DESAR) 的概念定义为将小区或工厂排出的污水分别收集、分别处理，同时强调就近处理，运用低成本、可持续的处理系统进行污水的处理和回用。
分散式污水处理系统主要包括群集系统与在线系统。群集系统是服务于2个及2个以上住户的污水收集与处理系统，但其覆盖范围小于等于整个社区，来自几家用户排放的生活污水，先经个体住户化粪池或者组合装置进行现场预处理，再经特殊污水管排放到较集中的小型污水处理系统; 在线系统是指从个人住户排放的生活污水，由于缺少大范围社区用的污水管道和没有一套集中式的处理设施，可以经机械装置或自然系统来收集、处理、排放及中水回用，该种机械装置或自然系统即为在线系统，较常用的有沥滤场与化粪池。
发达国家的生活污水分散式处理系统各有特点。早在20世纪70年代，美国采取源头控制，现场回收所排放污水中的能源和资源，建设了较多的分散式污水处理系统，如在肯塔基州与南卡罗莱纳州分散式污水处理系统的使用率达40%，在北卡罗莱纳州使用率达48%。通过各种方式使美国的分散式污水处理率达95%以上，水环境质量得到了显著改善。美国在分散式污水处理与利用需求方面提倡节能化、生态化和景观化。日本在20世纪60年代，伴随着经济的迅速发展，各种水污染事件也频频发生，水污染的治理引起日本环境部门的高度重视，为了解决水体污染问题，日本政府先后投入大量资金用于建设生活污水处理设施，主要包括公共污水处理厂和净化槽2 套系统。其中，公共污水处理厂是利用管网收集污水并将污水输入污水处理厂进行非现场处理; 净化槽系统则不需要管网，而是在现场进行污水处理，该系统特别适用于分散式污水源，尤其是城市周边的区域。目前，日本约有700万套小型生活污水净化装置(净化槽)在使用，同时，日本已经形成了比较完善的法律法规体系、技术标准体系和技术服务体系，支撑和规范着净化槽技术的应用。德国在20世纪80年代前，对生活污水的处理还是以集中式处理方式为主，到2008年德国城市的污水处理已形成了集中和分散处理相结合的模式，拥有城镇污水处理厂7203座，平均每8000人就拥有一个污水处理厂，污水处理率达7%
以上，各种处理设施总价值高达1700亿元马克(约7600亿元人民币)，其中分散式小型污水处理厂占了较大比重。
2、分散式污水处理技术研究
分散式污水处理技术因具有占地面积少、节省管网维护与建设费用、环境影响较小、因地制宜、灵活多样等优点，而成为一种新型的、经济环保的污水处理系统。美国、日本和德国等发达国家在分散式污水处理系统的研究上处于科技前沿，可为我国发展分散式污水处理系统提供丰富的经验和技术支撑。分散式污水处理主要采用生物处理技术，包括好氧生物处理技术、厌氧生物处理技术和自然生物处理技术，其中自然生物处理技术所占比重较大。
2.1厌氧、好氧生物处理技术
2.1.1小型二级污水处理装置技术
我国对小型二级污水处理装置技术的研究始于20世纪80年代末期，其核心工艺为采用物理与生物相结合方法处理生活污水。污水先经格栅和初沉池，后经厌氧、兼氧或好氧等生物处理单元，zui后污水经沉淀池排放。
2.1.1.1无动力地埋式污水处理装置
无动力是指借生活污水排放的自然冲力驱动污水走完处理流程，不需要水泵等电动系统。无动力地埋式污水处理装置的工艺流程为由初沉池、经厌氧污泥床接触池至厌氧生物滤池，全套装置位于地下，其工艺简单，几乎不耗能且无需专人管理，水力停留时间通常大于24h。根据工程实践可知，该装置处理污水的投资约为2000元/(m3·t) ，CODCR去除率为50%～70%，BOD5去除率为50%～70%，NH3-N 去除率为10%～20%，磷酸盐去除率为20%～25%，SS去除率为60%～70%，处理后的污水通常只能达到二级排放标准。
2.1.1.2 微动力地埋式污水处理装置
因无动力地埋式处理装置具有供养不足与污染物去除率较低等缺点，且经装置处理后的生活污水通常只能达到二级排放标准，有学者提出了微动力地埋式污水处理装置。微动力地埋式污水处理装置的核心工艺包括厌氧反应区、接触氧化区与沉淀区，接触氧化区安装有生物填料与水下曝气机。污水中污染物经生物膜上的微生物的新陈代谢作用而去除，该装置内无需污泥回流且不产生污泥膨胀，耐冲击负荷较强，有机物去除率高，经特别设计后该装置可无人值守，全自动化操作。微动力地埋式污水处理装置的核心技术为生物接触氧化法，依据处理水质和环境要求的不同，也可采用A2/O工艺。根据相关工程实践可知，地埋式微动力污水处理装置处理污水的投资为2 500 ～ 3 500 元/t，处理污水的运行费用为0.5～0.6元/t，COD去除率为70%～80%，BOD5去除率为80%～85%，NH3-N去除率为60%～70%，磷酸盐去除率为50%～75%，SS去除率为80%～90%。
2. 1. 2 膜生物反应器( MBR)
MBR是生物处理单元与膜分离单元相结合的一种新型水处理技术，二沉池用膜组件代替，以减少处理设施的占地面积，并通过保持较低污泥负荷的方式来减少污泥量。膜生物反应器内的活性污泥浓度能达到8000～10000mg/L，污泥龄可达30d以上，MBR是利用膜分离设备截留槽内的大分子有机物与活性污泥，MBR因具有截留作用，可保留像硝化菌这类世代周期较长的微生物，使系统具有较好的硝化效果，为深度脱氮除磷提供可能。MBR工艺具有耐冲击负荷高、处理效果好、出水水质稳定、易操作管理、剩余污泥量少和占地空间小等优点。在再生水资源日益得到重视的当今社会，MBR工艺因膜通量提高、膜费用降低及寿命延长等在污水处理领域特别是分散污水处理和回用方面得到普遍应用。独立的MBR工艺对氮磷去除率较低，因此通常将MBR与其他工艺进行组合。如淹没复合式膜生物反应器、循环交替式活性污泥法MBR、生物移动床MBR、淹没式MBR、循环间歇式活性污泥法MBR、厌氧+好氧+缺氧序批式MBR等，这些新工艺不仅强化了处理效果，提高了氮磷的去除率，同时减轻了膜污染。
2. 2 自然生物处理技术
2.2.1 人工湿地处理技术
人工湿地处理技术zui早可追溯到1903年，英国在约克郡建立了世界上*个用于处理污水的人工湿地，距今已有100多年的历史。人工湿地处理技术在欧洲应用较多，20世纪80年代我国开始陆续在北京等地建设了数10座人工湿地工程，对水污染控制起到了一定的作用。人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地相似的地面，利用生态系统的物理、化学与生物的三重协调作用，经过滤吸附、离子交换、沉淀、植物吸收与微生物分解实现对生活污水的净化。

表1 小规模人工湿地设计参数
按污水的流经方式，人工湿地分为垂直潜流湿地(VFW)、水平潜流湿地(SSFW)和表面流湿地(SFW)。其中，SFW不需要砂砾等物质做填料，造价较低，但其水力负荷通常也较低; SSFW的保湿性较好，对有机物与重金属等污染物去除效果较好，受季节影响较小，但其控制较复杂，氮磷去除效果相对较差; VFW综合了SFW和SSFW的特点，但其建造要求较高，至今尚未普遍使用。小规模人工湿地设计参数见表1。人工湿地的优势主要有: 投资少，建设、运营成本低廉，污水处理系统组合多样性和*的绿化环境功能。人工湿地的建设成本和运行成本约为传统污水处理厂的1/10～1/2，按污水中污染物的类别、特点，可灵活选用不同基质与植物的组合，以达到*的去除效果。人工湿地的污染物去除效率高，一般BOD5的去除率为85%～95%，COD去除率高于80%，氮去除率约为60%，磷去除率高于90%。人工湿地因栽种大量的水生植物，而对环境起到绿化作用。人工湿地也存在一些缺点，主要为: 受气候影响较大; 占地面积相对较大，通常约为传统处理厂的2～3倍; 容易产生淤积饱和现象; 人工湿地逸出的NH3、H2S以及各种挥发性有机物会产生一定异味。
2.2.2 新型污水生态处理技术
蚯蚓生态滤池和生态厕所是2种新型污水生态处理技术。
2.2.2.1 蚯蚓微生物生态滤池
蚯蚓的消化道能分泌纤维素酶、蛋白酶和脂肪酶等多种酶类，其吞噬能力惊人，且对大多数有机物有较强分解作用。许多学者开始日益重视蚯蚓天生处理污染物的能力，将蚯蚓人工引入生物滤池中，形成一种新型污水处理技术——蚯蚓生态滤池。同济大学是国内较早开展蚯蚓生态滤池新型污水处理技术相关研究的机构。其研发出的适用于我国的蚯蚓生态滤池，已完成了小试、中试和生产规模性试验，并为蚯蚓生态滤池的实际应用提供了宝贵经验。
蚯蚓生态滤池的核心工艺为人工打造的适合蚯蚓等多种微生物生存的生态滤床环境，通过蚯蚓与其他微生物协调作用，处理和转化污水中的各形态污染物。生态滤池中的蚯蚓主要参与污水污泥的分解作用，并对滤床起清扫作用，增加滤床的通气性，防止滤床堵塞; 蚯蚓可改变滤床生物种群结构，提高生物活性作用，并促进滤床的碳氮分解与转化。蚯蚓生态滤池对COD、BOD5、TSS的去除率都在80%以上，对NH3-N的去除率在55%以上，TP去除率在45%以上。蚯蚓生态滤池具有工艺过程与设备简单、易操作、易维护、易管理等优点，适于农村生活污水处理，但因蚯蚓有冬眠与夏眠的习性，会导致出水的阶段性不稳定。
2.2.2.2 生态厕所
厕所每日接纳蓄集并排除人类排泄的大多数污染物，在人类日常生活中起重要作用。排入市政下水道的这些粪污，是生活污水污染物的主要来源，亦是市政污水污染物的重要组成部分。当今社会提倡环保、绿色和可持续发展，促使生态厕所产生。
生态厕所指能充分利用各种资源且不对环境造成污染，强调污染物自净与资源循环利用概念和功能的一类厕所。生态厕所采用锯末或秸秆作为微生物的繁殖场所，将粪尿与锯末进行混合，经微生物作用得到快速降解，其产物可作为土壤改良剂或肥料。
研究表明，生态厕所的操作管理较严格，温度、湿度和混合频率是影响生态厕所正常运行的3个主要因素，生态厕所运行的*操作条件为湿度50%～60%、温度50～60℃、混合频率15 ～25次/d。水冲厕所的替代产品———生态厕所，无需水媒介运输粪便，考察了SeiwaDenko公司的S－15型生态锯末厕所(SDT)在江苏省的试用情况，结果表明，该类型生态厕所的主
要运行费用为电费，基础建设费约为水冲厕所的1.5倍，运行用水量约为水冲厕所的2/3，可节水42m3/(a·人) ，降低COD处理负荷2.35kg/(a·人) ，降低NH3-N处理负荷0.63kg/(a·人) ，有机物降解率约为92.85%，长期效益分析表明，生态厕所总费用低于水冲厕所，同时生态厕所可节约水资源，实现生活污染物的zui大资源化。
2. 2. 3 速分生物处理技术
目前传统污水处理技术存在气味难闻、剩余污泥产量大和运行成本高等问题，而速分生物处理技术具备处理效果好，使用寿命长，无污泥，无异味，维护方便与建设可模块化等优点。速分生物处理技术( BSSF)具有自主知识产权的污水处理技术。近几年，该技术已成功应用于多处重点工程和不同规模的污水处理站。
速分生物处理技术是将“流离”原理应用到A/O技术或生物膜技术中，形成一种新型污水处理技术，即速分生物处理技术。速分即“流离”原理，是一种自然现象，在流动过程中，流体在流速上均存在差别，且流体中的悬浮物均会向流速慢的地方聚集，进而实现固液分离; 速分生化池内的填料为速分生化球，生化池内布设曝气系统; 污水中的悬浮颗粒经速分生化池的三相运动，由流速快的液体流向流速慢的固液界面富集，达到固液分离的目的。
速分生化球多孔微生物载体因其比表面积大，而具有更丰富的生物相与更多的生物量。反应器的空间划分和多孔微生物载体均具有厌氧、缺氧、好氧状态，进而形成多样的微生物生态系统。依据试验研究和相关工程应用可知，速分生物处理装置对氮和有机物具有较好的去除效果，系统的COD平均去除率为87.8%，TN平均去除率为75.2%，NH3-N平均去除率为98.7%，平均污泥产率(以MLSS计)仅为0. 118 kg/kg(以COD 计)。
2. 2. 4 稳定塘
利用天然净化能力的一类生物处理构筑物称为稳定塘。稳定塘通过塘内微生物的代谢活动转换、降解及去除污水中的有机污染物，进而实现污水的无害化和资源化。
稳定塘按其溶解氧浓度状况和细菌同化污水有机物所需氧源进行分类，分为厌氧塘、兼氧塘、曝气塘和好氧塘4个大类。厌氧塘整体处于厌氧环境，承受高有机负荷; 兼氧塘深度为1.0～2.0m，从下到上依次为厌氧区、兼氧区和好氧区; 曝气塘为利用机械扩散曝气或表层曝气进行充氧的废水塘; 好氧塘是指深度小于1.0m的浅层塘，通过光合作用维持整个水体好氧条件。
稳定塘的主要优点: 建设工程简单，空间规划合理，基础建设投资省; 将污水处理和利用相结合，实现生活污水资源化; 处理污水耗能少，易维护，成本低。稳定塘的主要缺点: 占地面积较大; 污水净化效果受自然条件的影响; 有污染地下水的可能; 有臭气，易滋生蚊蝇。
2. 2. 5 土地快速渗滤处理技术
通过人为控制使污水流经具有渗透力土地表面的过程称为土地快速渗滤处理技术，该技术通过过滤沉淀、氧化还原和硝化反硝化等物理化学及生物作用处理净化污水。土地快速渗滤处理技术通过周期性灌溉、休灌土壤使土壤表层处于厌好氧交替运行状态，利于氮磷去除。休灌期的土壤表层处于好氧状态，土壤表层有机物经微生物好氧反应进行分解。澳大利亚用“非尔脱”快速渗滤技术处理生活污水，取得了较好的效果，且该系统运行操作费用低，极适于可轮作休耕的地域，或者是以牧草种植为主的地域; 在实验室模拟快速渗滤技术对生活污水氮磷的去除效果，结果显示，TN去除率为87.36%～95.99%，TP去除率为84.07%～97. 85%，同时计算出了系统对TN及TP去除的优化方程; 利用快速渗滤技术净化农村生活污水，结果
表明，该技术具有成本低、能耗省、易运行维护和污染物去除效果好等优点，但在实际应用中，该技术可能会对当地的地下水和地表水水源造成污染，威胁当地的水环境和土壤。
2. 2. 6 浮床处理技术
世界上*台人工浮床于20世纪80年代由德国BESTMAN公司生产，此后以日本为代表的国家和地区将人工浮床成功地应用到地表水体的污染防治与生态修复中。人工浮床技术依照自然净化规律，把水生植物人工种植到富营养化水域上，水体中的有机质、氮磷和有害物质经植物及其根部微生物的吸收吸附作用而得到去除，进而消减水体富营养化，达到水质净化的效果。人工浮床属于生态处理技术，净化效果较好，且无二次污染，运行费用低且安装维护简单，因此受到环保界和政府部门的青睐。人工浮床中氮磷与有机质等富营养化元素的吸附降解及转化主要经生物膜来完成，生物膜是由微生物组织、有机物和无机物组成，有较强的氧化能力，能吸附转化生活污水中多种状态的有机质和营养元素，生物膜的繁殖发育程度好坏，直接影响浮床系统的污水处理效率。目前专家学者多注重研究浮床的净化效果与机理.
2. 3 其他处理技术
其他处理模式主要有厌氧沼气池处理技术。由于我国是农业大国，我国的13.3亿人口中，有9.3亿人口分布在广大的农村和乡镇，我国农村地域范围相当广泛，分布也较分散，农村生活污水是典型的分散式污水。农村生活污水主要包括人畜排泄及冲洗粪便所产生的污水，家庭清洁所产生的污水，农村居民洗浴所产生的污水以及厨用所产生的污水等。
针对该特点，厌氧沼气池处理技术是适合方法之一。该技术是把作物秸秆或人畜粪便排入沼气池，缺氧条件下，在兼氧与厌氧微生物的作用下将有机物转化为甲烷混合气体，该混合气体的热值为20～25MJ/m3，是较好的燃料，发酵的沼渣和沼液可作肥料。厌氧沼气池一般为玻璃钢、混凝土结构、砖混结构等形式，其集气方式主要为钟罩式、水压式等。所有类型的厌氧沼气池的共同特点是操作维修方便、投资省、无动力要求，人畜粪尿靠液位差流入粪池，池体埋于地下，结构简单。但在实际的应用中还存在着一些不足，主要是沼气池内的污水停留时间较长。有研究表明，一座8m3，日产沼气1～1.5m3，日处理污水量0.5～1.0t的沼气池，日处理3头猪的粪便与3～5人的生活污水。
3、分散式污水处理技术发展方向
分散式处理观念为发展可持续环境保护和节省能源提供了极大可能，分散式污水控制与管理会极大限度地节省排水管网的基建费和运行费以及提升泵站费用，特别是在缺水地区，更可减少在输送过程中造成的大量浪费。分散式污水处理应该作为城市市政的重要污水处理概念和可行的处理方案。
分散式污水处理技术在未来废水处理领域拥有广阔的发展前景。我国农村常用的厌氧沼气池处理技术已有几十年，但发展潜力仍十分巨大; 人工湿地与生态厕所在我国部分农村和城市都有应用，将人工湿地和城市景观相结合将是下一步的重点研究方向; 生态厕所可使粪便等污染物达到*，现已进入实用阶段，并在多个国家得到推广，其系统设备的简化和运行成本的降低将是下一步的研究重点;MBR技术与其他工艺相结合强化了系统的处理效果，提高了对氮磷的去除率，且减轻了膜污染，将是下一步的研究重点; 土地快速渗滤处理技术较适用于草原风景区，解决其对环境和土壤结构造成的威胁是下一步的研究重点。