污水集中式與分散式處理技術的比較研究

林榮斌+陳步丹+鄭永旭

摘要在集中式污水處理弊端突出、創新乏軟，隨城市化加速難以前進的背景下，分散式的水污染控制成為亟待解決的環境問題。文章簡述了集中式污水處理廠的發展歷程和現狀，分析了傳統分散式、小型化污水處理的典型工藝、優勢和局限性，研討了更為先進的分散式污水處理新技術生態透析技術，并探討了把污水變為資源、與環境和諧發展的污水處理技術應具備的原則。最后對污水處理技術進行了展望。

關鍵詞

小型化；分散式；生態透析；活性污泥法；MBR；人工濕地

一般而言，污水處理模式有集中式和分散式兩種。集中式的污水處理模式一貫作為市政工程中常用的污水處理模式，主要用于收集和處理較大流量的污、廢水，而“分散”的概念在20世紀末才逐漸受到人們的關注和研究。目前，我國主要的污水處理方式是集中式污水處理，對分散式污水處理的研究和應用尚不夠深入，對分散式污水處理模式也缺乏明朗的概念和整體把握，僅停留在污水處理簡單的小型化認識階段，這樣造成了分散式處理和集中式處理在工藝技術上的混淆和區分困難。因此，本文著重論述了集中式和分散式污水處理的概念、技術和發展狀況，并對它們進行了綜合對比和分析展望。

1集中式污水處理廠的現狀和研究

1.1發展歷程和現狀

以污水處理廠為主要代表的集中式污水處理模式，是城鎮污水處理的主要方法。截至2015年6月底，全國設市城市、縣累計建成污水處理廠3802座，污水處理能力達1.61億m3/d。從國內外城市污水廠建設的發展歷史來看，在人口密集的大城市，建設集中式污水廠是污水處理的主要途徑。

目前污水廠采用的技術是活性污泥法，該技術于1914年誕生，由英國的愛德華·阿登（Ardern E）和威廉·洛克特（Lockett w T）發明，并于同年在曼徹斯特市建立了全球首座活性污泥法污水處理試驗廠，于1916年在美國正式建立第一座活性污泥法污水廠，這一技術奠定了至今100多年污水處理技術，雖然在某些工藝上有改進但本質上和形式上沒有取得大的飛躍。

我國污水處理技術起步早，推廣晚，發展迅猛。隨著活性污泥法污水處理的成功和逐漸傳播，在1921年上海建設了中國第1座污水處理廠一上海北區污水處理廠，并在1926年和1927年又分別建設了上海西區、東區污水廠。直到改革開放以后，才在西安、太原、北京等地建設少數污水廠。近20年來中國污水處理數量猛增，到2014年3月底，中國占有的污水處理廠日處理能力達到1.54億m3/d，已經超過了美國（約1.15億m3/d），位居全球首位。

隨著“水十條”的頒布，在污水處理、全面控制污染物排放等多方面進行強力監管并啟動嚴格問責制，鐵腕治污將進入“新常態”，必將對我國的生態文明建設和“美麗中國”建設、環境保護以及社會發展方式的轉變產生深遠的影響，意義重大。

1.2特征和效果

集中式污水處理是把各種城市生活污水收集輸送到污水廠，采用物理、化學、生物等綜合技術逐級處理，處理達標后再排入自然水域（如圖1），其最主要特征是：大建設、大收集、大處理和大排放。

污水廠是解決城市水資源和水污染的有效途徑之一。住房城鄉建設部通報的2015年第二季度污水處理設施建設和運行情況顯示，全國城鎮污水廠累計處理污水126.2億m3，累計削減化學需氧量（COD）總量326.7萬噸，平均削減COD濃度達到259.1mg/L。山東省新泰污水處理廠，當進水COD、SS、NHa-N濃度各在一定范圍時，各指標去除率：COD有73.750，SS有87.36%，NHa-N有85.47%，各項指標均可達到一級A排放標準。如果對新泰污水廠獲得的環境效益進行定量的估算，按遠期滿負荷處理3萬噸/天污水計，每年可減少向環境排放總磷38.3t、氨氮219t、SS1861.5t、COD2956.5t。

綜上所述，污水處理廠能有效處理城區的生活污水、工業廢水等，對削減污染物、減少排污總量、保護生態環境起到良好的作用。

1.3弊端分析

污水廠引領了污水處理的首次革命，100年來對環境保護起了很大的作用，但是，隨著生態環境保護要求越來越高，淡水資源越來越緊缺，以及人民生活要求越來越高，城市管理要求越來越規范的情況下，弊端和技術的滯后性和毒副作用已經越來越凸現，具體分析如下。

1）污水處理投資成本高

污水廠的投資包括三大部分：收集管網建設費、征地費、廠區建設費。征地費因地塊而異，基本在上億元（如廣州獵德污水廠，若作為商業用途，價值500億元），基建費用2000～5000元/噸，管網鋪設費用5～10倍基建費用。根據已建、在建污水廠的實際情況，建成一座處理規模達50萬噸/天的污水處理廠，僅一次性投資費用在7.5～10億元；又如，已經投入資金1.98億元，原計劃于2005年年底建成的安徽省安慶市第一座污水處理廠，因經濟問題和管網配套設施跟不上等原因，爛尾至今悄無聲息。因此，采用集中式污水處理模式來處理城鎮污水，對于經濟尚不發達的我國大部分城鎮來言，是不堪重負的。

2）污水處理廠運行費用高

污水廠無論采用哪種處理工藝的運行方式，其主要成本為能源消耗、藥劑消耗、管網收集和維修費用、污水和污泥處理費用、人員費用等。目前污水廠的綜合運行費用包含：管網收集費用2～2.5元/噸，污水處理費0.8～1.4元/噸，污泥處理費500～1000元/噸（干污泥），人工費10～50人/廠，藥劑費用45～150元/天，電費0.5～1度/噸，共需3～3.5元/噸。例如，首創股份2013年的污水處理業務成本中，動力消耗和人工成本以及管網維修，分別占污水處理成本的27.95%、12.24%和34.02%，三者占污水處理總成本的74.21%；廣州東區污水處理廠工程投資約7000萬元，但年總運行成本費就達1000多萬元；廣州獵德污水處理廠（四期）規模為56萬m3/d，其每立方米的運行費用1.05元，年運行費用高達2.146億元，如此高的運行費，隨著物價、人工的持續高漲，政府投資壓力只增不減。

3）管理復雜

設備多、人員多、專業技術要求高。污水廠涉及水質檢測與安全生產、污水泵、水處理機械設備、電器儀表、自動控制、物理化學法工藝等運行管理，需要大量的專業人才去管理和維護。其次，要添加化學物質同時需要對污泥進行處理，造成管理復雜，可控性較差，風險性較大。

4）浪費土地資源

大型污水廠占地面積幾十到幾百畝，如京溪地下凈水廠占地面積27畝、廣州石井污水廠占地面積328畝、廣州獵德污水廠占地585畝。現代城市寸地寸金，中心城區更是寸金難求，這些污水處理廠的大面積占用是對寶貴的土地資源浪費嚴重。

5）二次污染

污水廠的最大弊端是產生大量的污泥和臭氣，而其中處理每萬噸水產生污泥5t～6t。2010年底，污泥產生量接近2200萬噸，而且其中有80%沒有得到妥善處理；專家預估到2015年底，污泥產生量將為3359萬噸，能無害化處理的不足25%；這些污泥是造成垃圾圍城的主要來源之一，加重了生態環境的惡化等問題。污水中的污染物被污泥富集，含有大量的有機物、重金屬和氮、磷等營養物質以及病毒微生物、寄生蟲卵等有毒有害物質，如果不經有效處理處置，就會對水體和土壤造成“二次污染”。

6）中水未能回用，水資源白白浪費

我國水資源分布不平衡，人均擁有淡水量約為世界平均水平的1/4，水資源嚴重匱乏。污水廠對處理過的“中水”直接排放，這種“大排放”是對淡水資源的巨大浪費；而且，排放的“中水”含大量氮、磷污染物一非常有利于藻類繁殖的營養物，這些排放到江河湖泊的“中水”，若無法得到較為充分的稀釋，會引起水體中藻類的爆發。

7）大開馬路，對社會造成嚴重影響

“拉鏈馬路”是指道路挖了填、填了挖的現象。污水管網設計高低起伏、轉彎或地質松軟度不同，造成管網下沉破裂、堵塞，或者建筑工地的紅泥未處理直接進入管道，由于泥沙沉淀造成收集管網堵塞，導致馬路不斷地需要開腸破肚、清理堵塞或修復；因此有大型污水廠的城市就必然造成“拉鏈路”。

8）規劃與實際運行的矛盾。存在“大馬拉小車”的廠容量超過實際處理量，產能被閑置；或者存在“小馬拉大車”的廠容量小于處理量，污水處理不了排入江河，造成河道污染。污水廠大投資、大建設、大排放、大耗能的缺點越來越突出，是國際、國內學術討論的熱點問題，雖然目前集中式污水處理系統是市場的主流，但在可持續發展思潮的影響下，不少學者和業內人士目前正在反思該工藝存在的缺陷，繼而將研發、應用的熱點轉向小型化和分散式、源頭化處理的新技術和新方向。

2小型化、分散式污水處理研究

分散式循環利用污水處理技術是指從污染點源進行處理、循環利用，盡可能減少對外排放，及從每一戶家庭、每一棟樓、每一個小區、每一條自然村的污水作為獨立單元進行處理和循環利用，不向江河、湖泊排放，從而達到節能減排，保護生態環境，充分利用淡水資源的目的。

分散式污水處理技術因具有因地制宜、占地面積少、工程費用少、管網建設費少、環境影響較小、靈活多樣等優點外，還具有如下兩大優勢：一是能節能減排，增加淡水資源的供應，緩解我國淡水資源的不足，具有重要的戰略意義；二是職責明確，能夠厘清污染源的來源與責任，政府可以因此減少大量的公共投資，轉為由個人或企業自己承擔治污的經費。這些特點使得其成為一種新型的、經濟環保的污水處理技術。

2.1傳統小型化、分散式污水處理研究

目前傳統小型化、分散式污水處理主要有3大類：活性污泥法小型化及改良工藝的A2/0、MBR和小型人工濕地處理。

2.1.1 A2/O工藝優勢與弊端

1）優點

（1）工藝流程簡單，運行效果穩定可靠，壽命長，且具有較強的抗沖擊負荷能力，適合水質、水量變化較大的污水處理。

（2）厭氧一缺氧一好氧3種不同的工藝環境條件和數種微生物菌群的有機配合，在去除污水中BOD污染的同時，還能有脫氮除磷，具有很好的環境效益和經濟效益。

2）缺點

（1）除磷效果差，一般達不到一級B的排放標準，通常情況下要加藥物進行除磷處理。

（2）工藝流程較長，處理構筑物多，能耗大、處理水量越小造價越高。

（3）要有復雜的設備、電氣、化學藥物添加，還有污泥、臭氣、蚊蟲產生，所以運行操作的難度較大，需要專門技術人員運行管理。

2.1.2 MBR工藝優勢與弊端

1）優點

（1）對懸浮物和濁度有著較好的去除效果。

（2）污泥產量比A2/0工藝低。

2）缺點

（1）膜組件費用高，MBR的基建投資遠高于傳統污水處理A2/0工藝。

（2）膜污染的清洗和膜組件的更換工藝復雜，需要專業人員進行操作。

（3）能耗高：MBR處理需要壓力抽水和反沖洗工藝，耗能較大，比A2/0工藝耗能高。

（4）除磷效果差，整體水質指標只可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準，若提高排放標準，必須添加化學藥劑。

（5）壽命短，一般的材料壽命3～5年，就必須更換，較好材料的膜，8年左右就得更換。

2.1.3人工濕地技術優勢與弊端

1）優點

（1）單次投資少、管理簡單、運行費較低，適應于短期農村污水處理。

（2）材料來源廣，就近可得。

（3）具有獨特的綠化環境功能，成規模的人工濕地可迅速增加綠化率。

2）缺點

（1）壽命期短，長期累加投資大，一般只能用5～6年，又要重新投資建設。而初期6～9個月凈化效果較差，處理床植物根系尚未完全成熟；4年以后處理效果變差，由于植物根系太過發達，在系統中出現飽和密實和水流短路現象，造成污水難以充分接觸根系，污染物難以被植物充分吸收。這時候必須翻底更換系統，重新投資建設。

（2）對濃度較高的生活污水，處理效率較差，難以達一級B標準。此外，管道收水難全面，管道易被壓爛導致污水外流。

（3）占地面積大，應用范圍較窄，只適應于農村污水的短期處理。而且，濕地容易被農村居民用作養殖場放養禽類、牲畜等，其排泄物容易破壞人工濕地的穩定。

（4）若遭受洪水災害或泥沙水覆蓋后，人工濕地易堵塞，而喪失污水處理功能。

（5）每5～6年翻新產生的污泥難以處理，產生二次污染。

（6）濕地植物存在病蟲害，并且濕地往往是蚊蠅的孳生地，特別在登革熱的發生區，濕地是要重點防治的地方。

（7）僅適應于南方溫度較高的地域。

2.2先進型小型化、分散式污水處理技術一生態透析技術

2.2.1產生背景

生態透析技術啟發于“蜿蜒理論”，靈感來源于古代先賢的“曲成萬物”理論和國內外例子。

2.2.2技術原理

生態透析技術依托系統科學的原則和生態學的原理，通過對自然界河流山川的蜿蜒和生物豐富多樣性的人工模擬，采用比表面積大的改性高分子材料作為載體，將河川彎曲的特性微型化，進而構成無數彎彎曲曲的細小河流，從而建立了一個有益于“微生物一浮游生物（微型小動物）一小動物”各個生物群落生態位協同匹配的生態鏈及生態系統，在人工控制強化各個生態因子的條件下，使流經本系統的污水或臭氣中的有機污染物被快速降解，轉化為N2、C02、02、H20和少量的無機殘渣，實現污水的“三無處理”。

2.2.3特點

生態透析技術，無論在技術上還是理論上，均取得重大的突破，屬于世界原創性，該技術的特點。

1）“三化”：小型化、分散化、源頭化。

2）“三無”：無有機污泥、無臭氣、無化學添加。

3）“兩低”：投資抵、運行費用低。

4）“一快”：建設安裝時間短，項目完成快。

5）耐用性：設備壽命30年，無需維修。

6）出水水質好：經生態透析技術處理的污水，其出水水質可滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質（GB 18920-2002）》標準和達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）》一級A標準，甚至一些水質或指標能達到《地表水環境質量標準（GB 38382002）》的III類以上。

3探討分析

現行集中式污水處理廠規模的日漸龐大凸顯出各種弊端，逐漸成為社會可持續發展的障礙，而傳統技術的小型化又有諸多的缺陷條件，未能滿足日益增長的人民群眾的生活要求和社會的可持續發展。目前無論在國際還是國內的學術上都在探討研究把污水變為資源、與環境和諧發展的嶄新污水處理革命性技術，這種污水處理工藝應該具備以下原則。

1）小型化、分散化、源頭化的實現模式，適用于一棟樓、小區等點源污水排放的循環利用，可徹底切斷進入水環境（河流、湖泊等）中的污染源。

2）技術要求滿足無化學添加、無有機污泥產生、無臭氣排放，對環境無二次污染，對生態環境良好。

3）設施耐用性強，使用壽命長。

4）經濟效益好，投資、運行費用低。

5）操作簡單，安裝和維護方便。

6）循環利用，實現節能減排的國家戰略目標。

按照這些原則的污水處理技術，才可能成為未來小型化污水處理時代的革命者和領導者。

4污水處理技術的未來展望

集中式和分散式污水處理模式均是非常重要的水處理方式。在走進微時代的今天，小型化的污水處理、分散式的處理模式符合世界發展大方向、大趨勢。分散式、小型化污水處理技術符合中國當前的經濟發展實際，實現區域性的可持續發展，也順應國際上污水生態處理的新潮流。

1）分散式污水治理模式為資源節約和發展可持續環境保護提供了極大可能。推進先進型的分散式污水治理工藝，可對河流、湖泊等水域最大可能的實現零排放。水污染防治狀況將從對河流的治理轉變為河涌治理進而轉變為小區污水治理，從而徹底切斷排入水環境中的污染源，河流、湖泊的治理觀念由此轉變。

2）分散式、小型化污水處理模式是實現國家節能減排、建設生態文明與美麗中國等偉大戰略的催化劑和生產力工具。采用先進型的分散式污水處理技術治理城鎮污水能實現國家節能減排的偉大戰略，可使人均水資源量增加，并極大地改善生態環境。

3）小型化、分散式污水處理技術在將來的污水處理領域會擁有廣闊的發展前景。基于城鎮污水處理的游刃有余，生態透析可進一步拓寬水處理的范圍，將污水處理擴展到凈水飲用項目，能為水污染控制和水資源節約提供方向和基礎。

4）以生態透析技術為代表的先進型污水處理技術將漸漸代替集中式的污水處理模式，并可能在5～10年內迅速成為污水處理的主流技術。雖然在理論上和技術上屬于世界領先水平，完全屬于自主創新技術，為中國人創新爭光，但目前使用率還很低，急需政府和政策的大力支持，才能夠在世界上首先占領該領域的制高點，從而推動污水處理的新的技術革命和產業革命。