遼河保護區分散式污水處理技術應用與展望

李劍屏，吳俊奇 ，向連城，宋永會，王思宇

1.北京建筑大學環境與能源學院，北京 100044

2.中國環境科學研究院城市水環境科技創新基地，北京 100012

我國經濟社會快速發展對區域環境治理提出新的要求。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廣大農村、城鄉結合部、旅游風景區、度假區等所產生的生活污水，絕大多數只經過簡單的處理而未達到國家排放標準或未經過任何處理排入到水體中，導致河流、湖泊等水體遭到污染，還嚴重威脅到地下水，甚至有些淺層地下水已經遭到污染而不可取用［1］。目前，在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，對于這些區域水環境的綜合治理迫在眉睫，根據該區域污水排放量小且分散、污水水質與水量波動大、可生化性好的特點，采用分散式污水處理技術是解決這些特定區域生活污水的最佳方案。

1 分散式污水處理技術發展

分散式污水處理技術可以滿足有排水系統和無排水系統地區廢水管理及資源化的要求，它允許以單獨處理和就地土壤處理系統作為長期的解決方案［2］。分散式污水處理涉及廢水的收集、處理和排放，這些廢水源來自單獨的住戶、組屋以及獨立的度假村和風景區。分散處理系統在廢水產生點附近收集廢水并經過一定工藝處理，處理出水進行回用或補給地下水，產生的少量污泥被送到集中點進一步處理［3］。分散式污水處理技術具有節約管網建設費用、占地面積小、建設周期短、環境影響較小、因地制宜、靈活多樣等優點［4］。

發達國家一些地區在農村生活污水處理技術的研究和應用方面積累了很多經驗，美國自19 世紀中葉開始建設農村污水處理設施，德國從2003年起開始進行“分散市政基礎設施系統”項目研究，有關技術目前已基本成熟［5］。挪威發展了以SBR、移動床生物膜反應器、生物轉盤、滴濾池技術為主，并結合化學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］。我國大規模地采用分散裝置處理生活污水始于20 世紀80年代末，由于基礎設施薄弱和資金缺乏，難以在短期內建設完整的城市污水管網及集中污水處理廠，此時化糞池和無動力或微動力的低能耗型污水處理裝置的應用對水環境污染控制起到積極作用［9］。污水的分散處理技術(decentralized sanitation and reuse，DESAR)已成為國內外生活污水處理的一種理念和方法［10］。

2 分散式污水處理應用的現狀分析

分散式污水處理技術在經歷了最初的簡單戶外污水坑、化糞池，發展到今天較為先進的處理單元［11］，目前可供選擇的分散污水處理包括人工濕地系統、穩定塘系統、無動力污水處理系統以及整合物理化學和生物過程的一體化裝置等。

2.1 人工濕地系統

人工濕地是參照自然濕地的結構和功能人為設計、建設而成的一種綜合生態系統。人工濕地一般由人工基質(多為碎石)和生長在其上的水生植物(如蘆葦、茳芏等)組成，是一種獨特的“土壤-植物-微生物”生態系統。污水在人工濕地上沿一定方向流動的過程中通過濕地的沉淀、過濾以及生物化學作用對有機污染物進行降解;水中的不溶性有機物，可以很快地被截留繼而被微生物利用;水中的可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝過程而被分解去除［12］。人工濕地處理系統可分為表面流濕地、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，具有保溫性好、處理效果受氣候影響小、不易產生惡臭和孳生蚊蠅等優點，是目前應用較多的類型［13］。

人工濕地在歐洲應用較多，20 世紀80年代我國開始陸續在北京等地建設了數十個人工濕地工程，對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CODCr、BOD5、TN和TP 的去除率分別可達80%、85% ～95%、40% ～50%和80% ～85%［16］。如北京奧林匹克森林公園的4.15 hm2復合垂直流人工濕地(IVCW)每天對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循環水進行處理。經過1年多的運行調試，人工濕地的進出水水質監測結果見表1［17］。該人工濕地系統不僅具有增強系統凈水的可靠性，同時也實現水處理功能與景觀效果的完美結合，構建了一種人與自然和諧的生態環境。

表1 北京奧林匹克森林公園復合垂直流人工濕地實測進、出水水質［17］Table 1 Influent and effluent water quality of IVCW in Olympic Forest Park mg/L

2.2 穩定塘系統

穩定塘是一種利用天然凈化能力處理污水的生物處理構筑物，主要是通過菌藻的共生關系對污染物進行處理。在穩定塘系統中，水中有機物主要通過微生物降解、有機顆粒沉降和截濾作用去除;TN主要通過硝化/反硝化、水生植物吸收、NH3揮發3 個過程去除［18］;TP 去除涉及底泥對PO34-的吸附/解吸、磷的擴散、水生植物的吸收等多種機制共同作用。

美國Oswald 教授在傳統穩定塘的基礎上改進并發展，提出了高效穩定塘。目前高效穩定塘在以色列、摩洛哥、法國、美國、新西蘭等國都有研究與應用［19］。與傳統穩定塘相比，高效藻類塘具有以下優點:停留時間短、占地面積小、基建投資少、建設容易、維護簡便、運行費用低;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，而且能進一步去除水中的氮磷，同時收割的高等水生植物可以作為優良的飼料和肥料［20］。李旭東等［21］利用高效藻類塘處理太湖地區農村生活污水，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的凈化槽來看，采用的主要工藝包括厭氧過濾、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單元內投加有效微生物(EM)菌液，用強化系統內微生物作用的方式來增強處理效果［22］。凈化槽運行過程中，污水從槽的一端進入系統，由于里面填裝有濾材，污水中的固體雜物大部分通過濾材時被去除。厭氧濾床池的主要功能是儲存被分離的固體雜物和污泥，同時具有通過濾材里厭氧微生物的厭氧消化來降低污泥產量的功能。在接觸曝氣池，由鼓風機將空氣注入水中，在好氧微生物的幫助下水中有機物得到降解，氨氮被氧化。經過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，經過氯片消毒后排放。

江蘇無錫市自2003年起在太湖周邊安裝了6 種類型共12 臺不同處理工藝和規模的凈化槽進行污水處理試驗［23-24］。12 臺凈化槽總體運行效果良好，其中的2 臺30 人型(6 m3/d)厭氧濾床-接觸氧化凈化槽在生活污水進水BOD5、TN 和TP 濃度平均值為200、50 和5 mg/L 時，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

國內對一體化污水處理技術的研究和應用最早開始于20 世紀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備整體安裝或鋼混結構現場澆注。

中國農業展覽館污水再利用工程采用的是地埋式SBR 處理工藝，污水處理站的設計流量為650 m3/d，進 水 水 質CODCr≤350 mg/L，BOD5≤200 mg/L，經過工藝處理后出水水質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境的水質標準。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與生物膜技術相結合的工藝，所用裝置為地埋式一體化處理器。污水通過排污總管后流經格柵，在去除較大雜物后進入調節沉淀池，在調節沉淀池內均和水量和水質，沉降較大顆粒物。然后由污水泵送至地埋式一體化處理設備，污水中的有機物與BAF 內生物膜進行充分接觸，通過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。在投入運行半年后，系統基本達到穩定運行，處理效果良好，出水水質達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》的二級排放標準［25］。

2.3.3 無動力地埋式污水處理系統

無動力水處理技術由老式化糞池發展而來，地埋式無動力污水處理系統是運用厭氧消化(主要是厭氧生物濾池)-好氧降解、兩段生物膜法等傳統的理論、成熟的技術使污水、糞便得以凈化，污水按水力位能原理自行運行而無需外加動力［26］。1991年王福慶等［27］在臺灣省凈化器的基礎上研發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，并優選粒徑級配、合理確定濾層厚度，創造性地解決了殘渣污泥的清淘問題，巧妙地利用厭氧產生的熱量將氮、硫化氫、糞臭素等氣體經導氣管通過建筑物的雨落管由屋頂排出。1995年改稱為地埋式無動力生活污水凈化裝置，并獲得國家專利。

2000年韓生健［28］將無動力生活污水處理裝置改進成A2/O2系統。實際應用結果表明，該系統對SS、CODCr及BOD5的去除率分別高達98.69%、96.95% 及85.80%，處理后的出水水質達到GB 8978—1996 一級排放標準。2005年沈東升等［29］對農村生活污水地埋式無動力厭氧達標技術進行了研究，設計了2 組兩級厭氧反應器，分別為管道式和折流板式反應器，內部都設為空心球填料。5 個月后的中試研究表明，在污水停留時間1 d 的條件下，當實際農村生活污水CODCr、BOD5和SS 平均濃度分別為287.2、120 和73.3 mg/L 時，管道式裝置出水CODCr、BOD5和SS 平均去除率為66.1%、70.8%和80.55%;當實際農村生活污水CODCr、BOD5和SS平均濃度分別為288.4、139.8 和96.8 mg/L 時，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%，出水可以穩定達到GB 8978—1996 二級排放標準。

3 分散式污水處理存在的問題及對策

3.1 分散式污水處理技術的使用

3.1.1 土地處理、穩定塘污水處理方法

充分利用農村周邊的渠系、池塘、河流、荒地和農田等，構建水循環系統和水生植物與荒地結合的生態凈化系統，以及建設生態農業等措施。如在農村或城鄉結合部采用人工濕地系統處理分散式污水，人工濕地和景觀學同時運用，將其發展成一種功能式景觀，既可以進行污水處理，又可以當作景觀來美化環境。

由于土地處理系統水力負荷較低，處理水量越大，占地面積就大，加上我國土地資源十分有限，這是利用生態工程處理分散污水中較為突出的問題。有些地區由于土地面積小，處理污水量大，造成污水處理負荷較大，導致處理系統出水效果較差。

3.1.2 無動力地埋式污水處理方法

地埋式生活污水處理裝置因其規模小，可以靈活設置;因其無動力，可以節約能耗;因其采用地埋式，可以不占用土地，節約土地資源。但是因為是地埋式處理設施，將導致系統的維護及維修不便。劉大根等［30］選擇湖北省52 套地埋式無動力生活污水處理裝置進行了典型抽檢，結果表明，該技術對NH3-N、PO43-的去除效果很差，對有機物的處理效果也不佳，而對SS 的去除效果較好。在保留和發揚已有技術的小型、靈活、埋地等優點的基礎上，對處理效果不佳等缺陷進行改進，如施加微動力，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發新型、高效的生物濾料，提高生物量和處理負荷。

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有較廣泛的應用，我國現在生產及使用的分散式污水處理裝置絕大都是以去除有機物CODCr為目標的，沒有對污水進行深度處理，應增加裝置中脫氮除磷功效以控制水體的富營養化。

3.2 分散式污水處理設施污泥的處理處置

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

3.3 分散式污水處理設施的運行管理

土地處理、穩定塘等污水處理設施運行管理較為簡單。而我國目前分散式一體化污水處理裝置由設備生產廠家生產，設備的使用、維護及管理一般由使用者獨立完成或由生產廠家協助完成，很難達到專業、系統的維護管理水平，為使分散式污水處理裝置穩定、正常地運行，系統運行和管理必須要由專門公司和專業人員來完成，同時要有專門的機構對裝置生產廠家、施工單位、運行維護公司進行管理。

3.4 法律法規的建立

無論是廠家生產的一體化分散式污水處理設備還是現場施工的分散式污水處理設施，國家都沒有頒布相關的設計規范、標準以及有效的管理方法，同時也缺乏權威統一的檢測、評價手段，致使一些分散式處理裝置制作隨意，忽略技術參數的科學性和合理性，從而影響整個系統的處理效果。為了促進分散式污水處理系統在我國的普及和健康的發展，相關部門應盡快建立與分散式污水處理系統的設備生產、安裝、施工、檢修和維護管理等法規、標準、技術規范與指南，使分散式污水處理系統的發展在法規和標準的框架下進行［31］。

4 結語

分散式污水處理系統作為對集中式污水系統的補充方式是不可或缺的，特別是對遼河保護區等區域具有重要的意義。分散式污水處理系統應因地制宜，根據當地人口、地形等情況進行統籌規劃設計，借鑒各種實例的經驗，探索并改善分散式污水處理技術，實現污水的無害化和資源化。政府需要頒布設計和管理規范，尋求以污水處理市場化為基礎的多樣化投資來源和管理模式，同時通過宣傳和教育達到一定的公眾參與度，這樣才能真正發揮分散式污水處理技術的作用。

分散式污水處理系統今后應在生態化、節能化、省地化和景觀化上進行有效的研究與應用，同時在經濟上、技術上符合可持續發展戰略的要求，符合遼河流域當前經濟發展趨勢，充分發揮分散式污水處理系統廣泛的社會效益、環境效益和經濟效益，這不僅符合國家的節能方針，更重要的是給遼河保護區環境建設帶來了新的綠色亮點。

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