凈化槽的應用與管理方法

張玉潔，吳俊奇，向連城 ，宋永會，王思宇

1.中國環境科學研究院城市水環境科技創新基地，北京 100012

2.北京建筑大學環境與能源學院，北京 100044

我國地域遼闊，農村人口居住分散，污水處理基礎設施建設落后。據建設部2005年10月《村莊人居環境現狀與問題》調查顯示，全國96%的村莊沒有完善的排水管道［1］，大量污水不經任何處理就排入河流湖泊，引起水體富營養化，滋生蚊蠅病毒，對村民的身體健康造成嚴重危害。農村生活污水處理普遍采用的人工濕地、氧化塘等由于存在水力負荷低，土地占用面積大，脫氮效率低，受外界條件影響較大，冬季水生植物容易死亡等缺點，均不能有效解決農村污水治理問題［2］。目前，我國遼寧省遼河保護區正在進行生態文明示范區建設，其主要內容是在遼河保護區及周邊建設生態帶、城鎮帶、旅游帶，迫切需要改善遼河水質。因此，針對農村生活污水的排放特點，開發適合我國廣大農村的污水處理技術，對于我國的環境保護和新農村建設具有重要意義［3］。

我國農村生活污水處理項目的特點是污水量小、污染源分散、水質水量波動大、可生化性能好，且污水中有機物含量普遍低于城市污水［4］，如果采用城鎮污水集中收集處理的治污模式，則需要龐大的收集管網建設資金投入［5］，因此對于我國廣大農村地區而言，有效管理下的分散式污水處理系統要比集中處理系統更具經濟效益，同時能有效地保護公眾健康和環境［6-8］。日本凈化槽是一種處理分散式生活污水的成功設施，憑借其維護管理方便、安裝簡易、見效快、運行方式靈活多樣等特點［9］，在短短的幾十年內飛速發展，為日本分散式污水處理事業做出了巨大的貢獻［10］。日本凈化槽的成功經驗對于農村地區分散式生活污水處理還處于探索發展階段的我國具有很好的借鑒意義。

1 凈化槽的應用

1.1 凈化槽的發展

20 世紀50年代中期到70年代，為了追求更加健康舒適的生活，日本在住所中大量安裝沖水馬桶等設備，但在排水管網不能覆蓋的偏遠地區，污水無法納入集中設施進行統一處理，因此日常生活中所產生的各種污水直接外排到附近水體，造成了嚴重的水體污染［11］。在這種情況下，日本國內出現了用于處理沖廁污水的單獨處理凈化槽(出水BOD5可達到90 mg/L［12］)。隨后在日本國內，特別是偏遠的農村地區，單獨處理凈化槽得到了快速的推廣應用，在日本經濟發展水平相對較低時期，該技術在一定程度上解決了公共衛生問題［13］。1960年日本制定了第一部有關凈化槽的工業標準(JISA 3302)《凈化槽人使用人員計算方法》［14］。1969年在實施的《建筑基準法》中規定了《凈化槽的構造標準》［13］。這些標準在指導和規范凈化槽的設計、生產和開發方面起到了重要作用。

20 世紀70年代初期，日本在對工業廢水進行嚴格控制的同時，水資源質量并未得到明顯改善。人們開始意識到灰水(包括廚房、洗衣、浴室污水等)的直接排放是公共水體污染的主要原因之一［13］。所以，從1975年開始，日本國內加大力度開發適合家庭使用的小型合并處理凈化槽［11］(可以處理沖廁污水、廚房、洗衣、浴室等排出的生活污水，出水BOD5可達到20 mg/L 以下［12］)。1980年日本對《凈化槽構造標準》進行補充，增加51 人以上的合并處理凈化槽的構造標準，1983年3月日本政府頒布了《凈化槽法》，1985年10月《凈化槽法》正式實施［15］，該法律對農村分散污水治理進行全面規定，成為日本農村污水治理的主要法律依據［16］。1988年再次修改標準，增加了5 ～10 人的合并處理凈化槽構造標準［15］。這些新標準及法規的實施極大地促進了合并處理凈化槽的推廣應用，并為其普及發展奠定了基礎。

1995年，由于要求保護湖泊、內海等封閉型水域水質的呼聲日漸高漲，日本政府對凈化槽的構造標準進行了大規模的修訂。在新版本中，除了提高去除BOD5、CODMn的標準外，為了緩解水體富營養化的問題，還增加了去除氮磷的內容。該修訂促進了高級處理凈化槽(深度處理凈化槽)的開發［13］。目前，日本的高級處理凈化槽技術已較為成熟，出水水質可達到以下標準:BOD5＜10 mg/L、CODMn＜15 mg/L、TN 濃度＜10 mg/L、TP 濃度＜1 mg/L［14］。

經過幾十年持續性的投入，相關標準、法律、法規的修訂完善以及政府的支持，目前凈化槽在日本的應用非常廣泛，已成為了日本三大污水處理事業(下水道事業、農業村落污水處理事業、凈化槽事業)之一。據統計，截至2007年，凈化槽的處理水量約占全日本生活污水總量的8.82%，日本建成的凈化槽約為860 萬座，使用人口約為1 121 萬，在全國41 個都道府縣210 個市町村中得到廣泛的使用［13］。

1.2 凈化槽技術與工藝

日本的凈化槽技術是一個比較籠統的名稱，其本質上是由一系列單元處理工藝所構成的技術組合。通過合理的空間設計，集傳統污水處理工藝的各部分功能于一體［11］。根據處理方式的不同，凈化槽可以分為單獨處理凈化槽、合并處理凈化槽及高級處理凈化槽。

單獨處理凈化槽主要由沉淀分離室、接觸氧化室、沉淀室和消毒室4 個功能單元組成［17］。單獨處理凈化槽采用的主要工藝是接觸氧化工藝。典型工藝流程如圖1 所示。由于單獨處理凈化槽在設計和布局上的限制，只能對沖廁污水進行處理，2001年4月起，已被日本政府明令禁止安裝［18］。

圖1 單獨處理凈化槽典型工藝流程Fig.1 Process flow of separate treatment Johkasou

合并處理凈化槽的主要處理單元與單獨處理凈化槽類似，主要由預處理、生物處理、沉淀、消毒、污泥處理5 個單元組成［19］。合并處理凈化槽工藝中應用較廣泛的是厭氧濾床-接觸氧化工藝，其工藝流程為:凈化槽在運行過程中，污水首先進入沉淀分離室進行預處理，污水內的懸浮物(主要是無機固形物、寄生蟲卵及部分懸浮有機物)在沉淀分離室得到有效去除。經預處理后的污水進入厭氧分離室，厭氧分離室內裝有不同類型的塑料填料，填料上生長厭氧生物膜，通過水解酸化作用去除可溶性有機物，提高污水的可生化性。在好氧生化處理單元，依靠反應器上所附著生物膜中微生物的氧化分解、吸附阻留和沿水流方向形成的食物鏈分級捕食作用進一步降低污染物的濃度。處理后的廢水經過沉淀槽進行沉淀，在其末端設置消毒盒，內部裝有固體含氯消毒劑，經消毒作用后外排。以上各流程中產生的無機和有機污泥經過濃縮運送至填埋廠填埋或焚燒［11］。詳細工藝流程如圖2 所示。厭氧濾床-接觸氧化工藝的合并處理凈化槽內部構造示意如圖3所示。

圖2 厭氧濾床－接觸氧化工藝的合并處理凈化槽工藝流程［20］Fig.2 Process flow of anaerobic filtration-contact oxidation combined treatment Johkasou

圖3 厭氧濾床－接觸氧化工藝的合并處理凈化槽內部構造［11］Fig.3 Internal structure of anaerobic filtration-contact oxidation combined treatment Johkasou

高級處理凈化槽是針對合并處理凈化槽對于氮磷營養物質去除效果不佳的問題［11］，在合并處理凈化槽的基礎上做了以下改進:1)增加經過曝氣后污水回流裝置，強化反硝化功能;2)增加了強化除磷措施，如在處理工藝末端采用自動計量投加化學藥劑或者采取電解絮凝設備［11］。目前高級處理凈化槽常采用的工藝是循環厭氧濾床-生物過濾工藝。其工藝流程是:污水從一端進入系統，預處理及厭氧處理與合并處理凈化槽類似。在好氧微生物流化床中，通過適當曝氣，經生物處理、鐵電解強化除磷(電解除磷原理是將兩塊鐵板放在水槽中，外加電流，通過化學反應將磷沉淀，如圖4 所示)、沉淀、消毒后出水。工藝流程如圖5 所示。

1.3 凈化槽技術的新發展

隨著處理工藝的不斷發展和處理需求的不斷變化，凈化槽處理工藝的發展趨勢主要有2 個方面。一方面是增強生物處理效率的同時進一步實現設備的小型化［9］。如Nakagawa 等［21］研究小型凈化槽中氨氧化細菌數量與脫氮效率之間的關系，在6 個高級處理凈化槽中對氨氧化細菌(AOB)種群的動態進行了為期一年的聚合酶鏈式反應(PCR)實時監測。結果表明，氨氧化反應是脫氮的限速步驟，AOB細胞的NH4-N 負荷是影響脫氮效率很重要的因素。當高級處理凈化槽中AOB 細胞每天的NH4-N 負荷低于210 pg/cell 時，出水可以滿足標準。AOB 細胞的NH4-N 負荷是重要參數，為確定合適的氮負荷和小型凈化槽的設計提供依據。

圖4 鐵電解除磷原理Fig.4 Schematics of iron electrolysis phosphorous removal

圖5 循環厭氧濾床－生物過濾工藝的高度處理式凈化槽工藝流程Fig.5 Process flow of anaerobic filtration-biological filtration advanced treatment Johkasou

另一方面是去除BOD5的同時達到處理氮磷和SS 的目的［9］。Ebie 等［22］用鋯制成吸附劑顆粒，用于高級處理凈化槽中磷的吸附去除。該吸附劑顆粒被應用于多個凈化槽試驗點，研究人員對吸附柱流出的水質進行監測。90 d 時，所有試驗點凈化槽出水磷濃度均低于1 mg/L。200 d 時，超過80%的試驗點凈化槽出水磷濃度低于1 mg/L。試驗證明該吸附劑顆粒非常耐用，在持續較長的時間后沒有觀察到顆粒的劣化。之后，從每個試驗點回收吸附劑顆粒，浸漬在堿溶液中將磷解析出來。解吸的磷以磷酸三鈉的形式被高純度的結晶回收。然后將吸附劑顆粒浸泡在酸性溶液中重新激活。重新激活的吸附劑顆粒表現出與原來吸附劑幾乎相同的吸附能力。這種新型吸附劑顆粒為凈化槽系統高純度吸附和回收有限的磷資源鋪平了道路。

凈化槽作為分散式污水處理的集成技術已經成為污水處理的一種新理念［23-25］，目前對其研究的內容也不僅局限于污水中一些常規污染物的去除。針對社會普遍開始關注雌激素內分泌干擾物(EDCs)對水生生物造成不利影響的問題，Nakagawa 等［26］對凈化槽去除雌酮(E1)，17β-雌二醇(E2)，雌三醇(E3)，17α-炔雌醇(EE2)等類固醇化合物進行了試驗研究，結果表明，循環厭氧濾床-生物過濾工藝等高級處理凈化槽中的污泥對這些類固醇化合物有一定的去除能力，這些類固醇化合物部分留在了凈化槽底部污泥中，部分隨出水流出。Kaneko 等［27］對凈化槽去除致病性大腸桿菌0517 和腸炎沙門氏菌的影響因素進行了研究，結果表明，溫度是影響這些細菌去除率最主要的因素，20 ～30 ℃的去除率要明顯高于10 ℃。經凈化槽生物處理后，這2 類細菌并未完全去除，必須經消毒池處理才能達到排放標準。隨著科學技術的不斷進步，相信凈化槽的研究范圍會更加廣泛。

1.4 凈化槽的應用

凈化槽的形式多種多樣，根據污水處理設施規模的不同，凈化槽可分為主要用于處理獨家獨戶生活污水的“小型凈化槽”(處理人口為30 人以下)和用于處理樓房、住宅小區生活污水的“中大型凈化槽”(處理人口為30 至幾千人)。家庭用小型凈化槽基本上在是工廠批量生產的，因此安裝投資小，費用低。凈化槽安裝在住宅地基內，只占用很小一塊土地，不需要繁雜的土地征收手續和昂貴的土地征用費，安裝場地幾乎不受地形的影響，而且具有比較強的抗震和抗災性能。安裝一臺小型凈化槽一般需要1 ～2 d。中大型凈化槽一般現場施工安裝，采用鋼筋水泥結構，政府對大型凈化槽的安裝提供相應的政策支持，使得大型凈化槽的安裝也簡單易行［15］。在政府的大力支持與推廣下，凈化槽的使用人口和使用地區每年都呈遞增趨勢，日本凈化槽除了在排水管網不能覆蓋、污水無法納入集中處理設施進行統一處理的偏遠農村地區推廣普及以外，在下水道管網建設經濟負擔過大、地震多發地區、風景名勝區、旅游區、度假別墅區以及酒店賓館等地也得到了廣泛的應用［10］。

經凈化槽處理后的水一般排放到附近的小河溪，這對補充小河溪的水量，增強生活小區內的水循環及美化周圍的自然景色都具有很大的作用。由于凈化槽的處理水和污泥基本上不含有毒物質，根據不同的需要，可對凈化槽的處理水和污泥進行資源化和有效再利用，如經處理后的生活污水可以沖廁、澆花、洗車、澆灌農田、水土養殖等［28］，既減輕了污水對環境的污染，又節約利用了水資源，經濟效益和環境效益顯著。凈化槽污泥絕大部分是由糞便廠處理的，其比例約為92.3%，雖然凈化槽污泥作為資源直接利用的情況還不多，但已經有很多日本廠家在做凈化槽污泥資源化的研究開發工作，如污泥烘干、污泥堆肥和污泥炭化等。同時，現有的糞便處理廠正在陸續改造成為具有資源化功能的污泥再生處理中心。有許多污泥的再生資源化技術，如堆肥、炭化、沼氣生產、輔助燃料、水泥添加劑及磷生產的原料等［15］。由此可見，凈化槽不僅在生活污水處理領域發揮著巨大的作用，而且在水環境的保護和水資源的循環方面也扮演著重要的角色。

2 凈化槽的管理方法

凈化槽在日本的廣泛應用，與其說是采用的技術好，不如說是組織和管理得好。為促進農村污水治理，日本政府制定了一系列相關法律法規、標準體系及服務體系，通過政府主導、居民配合、第三方負責的模式，形成了相對完善和有效的農村污水治理的組織與管理體系［29-30］。

在技術標準體系方面，1960年日本就制定了第一部有關凈化槽的工業標準(JISA 3302)《凈化槽人使用人員計算方法》。1969年在日本國土交通大臣頒布的《凈化槽構造標準》中明確規定了凈化槽的工藝選擇、處理效率、設備要求、結構設計、濾料、曝氣量等。《凈化槽的構造標準》對每個工藝單元都有具體規定，形成了類似于設計手冊的標準體系，指導并規范凈化槽的設計、生產和開發［12］。除了《凈化槽的構造標準》外，還制定了《凈化槽維護檢查技術標準》、《凈化槽清掃技術標準》、《凈化槽施工技術標準》、《凈化槽出水技術標準》等一系列技術標準［11］。

在法律法規方面，日本政府頒布的《凈化槽法》是一套非常健全的法律體系，對行政部門、凈化槽管理者、相關企業等參與者，以及設置(手續)、施工、維護檢修、投入使用、安裝后的水質監測、清掃、定期檢查等各環節都做了詳細規定。在《凈化槽法》實施后，環境省也頒布了一系列與凈化槽有關的法律法規，主要包括《建筑標準法》、《廢掃法》、《凈化槽構造標準及解說》、《凈化槽使用準則》等［11］。幾十年來，這些技術標準、法律法規不斷地修訂補充完善，使凈化槽產品生產標準化并易于普及，保證了凈化槽事業從生產、安裝、使用到維護各環節的順利進行。

在服務體系方面，《凈化槽法》第11 條規定，凈化槽的使用者每年都應接受一次由指定部門進行的凈化槽出水水質的檢查，以確認凈化槽的定期檢查、清掃等日常維護工作是否得到保證。《凈化槽法》明確了與凈化槽產業有關個人和企業的義務和責任，建立了凈化槽技術人員的資格認定制度并規定了對違反該法各項條款時的量刑、經濟處罰額度等內容。由此日本制定了凈化槽的國家資格——凈化槽管理士和凈化槽安裝士。另外，日本凈化槽的清理、維護和水質檢測人員都必須取得相應的資質。為了提高清理人員的專業技術，政府還提供了不同課程，如“凈化槽清理技術員資質培訓課程”和“凈化槽清理員培訓課程”［31］。日本普遍強制采用的這種第三方服務方式，促進了農村污水處理的市場化，行政機關僅負責污水處理設施的審批和定期的監督檢查，用戶則必須通過支付排污費或者向第三方服務公司購買服務的方式為自己的排污行為負責。這種專業化和標準化的服務體系在很大程度上保證了日本農村污水治理的質量與效率［29-30］。

由此可見，健全、可行的法制監管制度保障了凈化槽的規范建設和運行維護，逐漸形成了民間運作、政府監控的凈化槽事業。此外，來自政府的補助也進一步促進了凈化槽事業的發展。依據《凈化槽》法，相關家庭需要自行建設標準化的家庭式污水凈化設備，各級政府給予一定的資金支持與補助，一般為家庭承擔60%的建設費用，剩余費用地方政府補助2/3，中央政府補助1/3，另外，家庭還需定期聘請專業人員對凈化設備進行檢查、清潔與維護［30-31］。1987年為了進一步推廣合并處理式凈化槽的使用，日本厚生省成立了凈化槽對策室(現為環境省凈化槽推進室)［32］。在政府的大力推動下，同年制定了政府對個人安裝的家用小型凈化槽的補助金制度，1994年又制定了中央政府對地方政府實施的安裝家用小型凈化槽的補助金制度。2007年的補貼標準:流山市對于個人新設置的普通5 人凈化槽為24 萬日元，深度處理5 人槽為45 萬日元;千葉市的補貼金額對普通5 人凈化槽為35 萬日元，深度處理5 人槽為60 萬日元，通常約占安裝費用的30% ～50%。國家的補助大大減輕了凈化槽使用者的負擔，喚起了人們使用凈化槽的熱情，為凈化槽技術的推廣、普及提供了有力保證［12］。

3 凈化槽的發展對遼河保護區應用分散式污水處理的啟示

為加速我國新農村的建設進程，改善我國廣大農村地區的水環境質量，推廣分散式生活污水處理刻不容緩，總結凈化槽發展的成功經驗，對我國廣大農村地區特別是遼河保護區應用分散式污水治理的啟示主要有以下幾個方面。

第一，完善相關法律法規。目前，我國在農村污水處理方面主要依據《國務院辦公廳轉發環境保護部等部門＜關于實行“以獎促治”加快解決突出的農村環境問題實施方案＞的通知》、《中央農村環境保護專項資金管理暫行辦法》、《全國農村環境連片整治工作指南(試行)的通知》、《農村環境綜合整治“以獎促治”項目環境成效評估辦法(試行)》等政策辦法來推進，缺乏具體的法律法規(如日本的《凈化槽法》)對各主體的行為責任進行硬性約束，一定程度上導致各主體在農村污水處理上責任邊際模糊、責任意識不強，甚至責任主體缺乏等問題。因此，遼河保護區需要加快農村污水處理相關法律、標準的制定，明確各主體的責權范圍，這樣才有利于污水處理工作有序和有效的推行［33］。

第二，注重長遠，將分散污水治理與集中污水治理置于同等重要地位。日本的經驗證明分散污水治理的技術加上適當的管理，可以使其出水質量達到大城市污水治理的水平。因此分散污水治理已經不再是實施集中污水治理之前的權宜之計，而應將其作為與集中污水治理具有同等重要地位的永久性設施來看待。如果初期為遷就建設成本而選擇的一些低級的污水治理技術或者設施，在未來升級改造時總成本會更大［29-30］。

第三，教育和培訓專業人員，提高農村分散污水治理設施的集中運營與服務水平。分散污水治理最主要的缺點就在于其建設與運行的質量不容易得到保障。為了解決這一問題，在日本設有環境整備教育中心，對凈化槽建設與運營技術人員進行培訓并頒發資格證書，確保了農村生活污水治理的建設、運行與維護的質量［29-30］。我國宜借鑒這一模式，結合我國國情，走出一條適合我國農村實際、有中國特色的農村水污染治理之路［34-36］，不僅將造福農村居民，而且對于遼河保護區水環境的持久改善有極其重要的意義［29-30］。

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