高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)

水資源具有多方面的屬性，既是自然資源、又是經(jīng)濟(jì)資源，更是戰(zhàn)略資源，同時(shí)擁有物質(zhì)資源和生活資源基本功能。而我國的人均水資源量?jī)H為世界平均水平的1/4。因?yàn)樗Y源污染嚴(yán)重，我國的七大水系幾乎失去灌溉功能。水污染不僅危害人居環(huán)境，破壞生態(tài)系統(tǒng)，而且嚴(yán)重威脅水資源安全，是我國生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

由于城市土地資源十分珍貴，用地面積小是城市污水處理技術(shù)選擇中最重要的考量。因此，生物處理技術(shù)（活性污泥法、SBR序批式活性污泥法、CASS周期循環(huán)活性污泥法等）成為必然選擇，但污水生物處理技術(shù)均需要強(qiáng)動(dòng)力曝氣，設(shè)備多，需要多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)人員的共同維護(hù)。為了便于維護(hù)和監(jiān)管，降低污水處理廠運(yùn)營(yíng)的人力成本，我國城市污水處理廠的規(guī)模很大（日處理能力高達(dá)數(shù)十萬噸，甚至過百萬噸），導(dǎo)致污水收集范圍大，污水管網(wǎng)的建設(shè)投資很高、難度大，致使污水收集管網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后，城市黑臭河涌仍大量存在，并且難以實(shí)現(xiàn)城市污水處理的全覆蓋。因此，集中處理與分散處理相結(jié)合是世界各國城市污水處理的共同選擇。另一方面，我國小城鎮(zhèn)、農(nóng)村等分散點(diǎn)源生活污水排放量巨大，適宜采用小規(guī)模污水處理設(shè)施就近處理，但處理率很低，其原因除了經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡、村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)投入較少外，更重要的是所采用的污水處理工藝不符合中國國情，致使已建成的污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行率很低。因此，研發(fā)和推廣適合國情的污水處理新技術(shù)，對(duì)于我國的水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)至關(guān)重要。

常規(guī)污水處理技術(shù)在我國分散點(diǎn)源污水處理中的適用性差，相關(guān)技術(shù)工藝雖然種類繁多，但可歸納為生物處理技術(shù)和生態(tài)處理技術(shù)兩大類。生物處理技術(shù)包括大型污水處理廠的常用技術(shù)以及生物膜法、日本的凈化槽技術(shù)等，其共性是采用強(qiáng)動(dòng)力曝氣供氧，運(yùn)行能耗高，故障率高，需要專業(yè)人員維護(hù)；小規(guī)模的處理系統(tǒng)常制造成地埋式一體化設(shè)備，占地面積較小，在我國農(nóng)村污水處理中比較常用，但往往因運(yùn)行能耗大、系統(tǒng)維護(hù)成本高，使之因“建得起用不起”而被閑置。生態(tài)處理技術(shù)最常用的是人工濕地，以潛流式濕地為主，由于沒有有效的供氧機(jī)制，國內(nèi)外大量研究和實(shí)踐均證明，日處理1噸污水需濕地面積10m2以上（美國環(huán)保署建議15-20m2），然而為了減少用地和控制投資，我國的應(yīng)用案例幾乎都是日處理1噸污水占地2-3m2（有的規(guī)模更小），并由此得出“人工濕地投資小”的錯(cuò)誤論點(diǎn)，其結(jié)果是系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)間很短（除非污水量很小），后因氧氣供應(yīng)不足使厭氧菌大量繁殖而變成黑臭污水潭，成為集中排污點(diǎn)，危害周圍環(huán)境和居民生活；此外人工濕地系統(tǒng)在冬季低溫條件下不能正常運(yùn)行甚至失效已是共識(shí)，因此采用人工濕地進(jìn)行污水處理在大多數(shù)情況下是不適用的。生物+生態(tài)組合技術(shù)處理效果良好，但其生物處理單元的運(yùn)行費(fèi)用和管理維護(hù)問題同樣突出。

中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所科研人員經(jīng)過10多年的努力，研發(fā)了“高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)（HLSL）”。地下滲濾是一種經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益最好的國際領(lǐng)先的污水生態(tài)處理新技術(shù)，也是北美和歐洲生活污水現(xiàn)場(chǎng)（分散）處理的首選技術(shù)。其基本原理是將污水通過埋在地下的散水管網(wǎng)投配到高負(fù)荷地下滲濾單元，使污水在人工濾料中橫向運(yùn)移和豎向滲濾，其中的污染物被不同功能一結(jié)構(gòu)層的濾料攔截、吸附，并最終通過微生物分解轉(zhuǎn)化，其出水經(jīng)過缺氧濾池進(jìn)行脫氮和深度除磷。該技術(shù)獲10項(xiàng)中國發(fā)明專利授權(quán)和實(shí)用新型專利授權(quán)，獲得“中國科學(xué)院2015年度科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)”（省部級(jí)）二等獎(jiǎng)，2010、2012和2013年連續(xù)入選環(huán)境保護(hù)部“國家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)技術(shù)目錄”，2010年入選住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、科學(xué)技術(shù)部“村鎮(zhèn)宜居型住宅技術(shù)推廣目錄”，2009年入選住建部“全國農(nóng)村污水處理優(yōu)秀技術(shù)案例”，2008年以來在各省市建成示范和應(yīng)用工程400多項(xiàng)，出水水質(zhì)可達(dá)到城市污水處理廠一級(jí)A類排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）。

高負(fù)荷地下滲濾工藝具有以下主要優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：①用地較少且不需要專用土地：日處理1噸污水的總系統(tǒng)用地約2.0m2，地表可規(guī)劃為花園綠地、建設(shè)人行道供休閑小憩，或用作旱地。②一次性投資小：由于系統(tǒng)規(guī)模較小，其建設(shè)成本較低。③運(yùn)行電耗很低：<0.1度/噸污水。④操作維護(hù)簡(jiǎn)便：設(shè)備簡(jiǎn)單且間歇性短時(shí)工作，使用壽命長(zhǎng)，幾乎不需要日常管理。⑤處理效果好，運(yùn)行穩(wěn)定：出水可達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)A類排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）。⑥無二次污染：無異味，不滋生蚊蟲，將污水處理廠變成公園。⑦受氣候條件影響小：在北方、冬季均可正常運(yùn)行。⑧符合國情需求：我國土地資源珍貴，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，缺少污水分散處理設(shè)施運(yùn)行保障機(jī)制，氣候條件變化大。為了保障污水分散處理設(shè)施的建設(shè)和正常運(yùn)行，本技術(shù)在大多數(shù)情況下具有不可替代性。

高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)的工藝流程如下圖所示。其中的高負(fù)荷地下滲濾單元由不同的功能一結(jié)構(gòu)層科學(xué)組合而成，每個(gè)功能一結(jié)構(gòu)層有特定的濾料配方，其中有多層水平和垂直分布的管網(wǎng)，控制水和氣的運(yùn)移，并輔以合理優(yōu)化的運(yùn)行模式，以控制污染物的遷移和微生物群落分帶；通過加入特定功能的高效微生物菌劑，以加速污染物的分解轉(zhuǎn)化。該技術(shù)通過使污染物負(fù)荷在地下滲濾單元內(nèi)部以及地下滲濾單元與深度處理單元之間自動(dòng)調(diào)節(jié)分配，將高負(fù)荷地下滲濾系統(tǒng)與人工濕地系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)反饋調(diào)整和不同子系統(tǒng)之間的協(xié)同耦合，保障系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

2014年6月，中國科學(xué)院院長(zhǎng)、中國科學(xué)院大學(xué)（簡(jiǎn)稱“國科大”）名譽(yù)校長(zhǎng)白春禮院士前往中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所調(diào)研了解“高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)”；2015年7月，國科大新建的雁棲湖校區(qū)開始修建以凈化東西校區(qū)生活污水、實(shí)現(xiàn)校園污水零排放為目的的高負(fù)荷地下滲濾污水處理系統(tǒng)——HSL新型污水處理站。包括實(shí)驗(yàn)室的一般廢水也可排入HSL系統(tǒng)進(jìn)行處理，含有重金屬、強(qiáng)酸堿的廢水需先經(jīng)過特殊處理，才能排入HSL系統(tǒng)。HSL技術(shù)發(fā)明者、項(xiàng)目首席科學(xué)家、國科大博士生導(dǎo)師陳繁榮教授帶領(lǐng)中科院廣州地化所下屬企業(yè)——廣州中科碧疆環(huán)保科技有限公司的團(tuán)隊(duì)人員負(fù)責(zé)雁棲湖污水處理站的技術(shù)指導(dǎo)和工藝安裝，其項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李寧說：“東區(qū)污水處理站占地2200m²左右，處理規(guī)模為1300t/d，西區(qū)污水處理站占地1500m²左右，處理規(guī)模為800t/d。污水轉(zhuǎn)化為中水的概率可達(dá)90%以上，中水水質(zhì)能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，中水可全部回用，實(shí)現(xiàn)校園污水零排放。”“污水處理站產(chǎn)生的大量中水，也可代替清水用于校園綠化灌溉、廣場(chǎng)和道路沖洗、廁所沖洗、車輛清洗及建筑用水等，每年可節(jié)約大量清水。該站的建設(shè)運(yùn)行，對(duì)懷柔和雁棲湖的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，將起到積極的推動(dòng)作用，其采用的高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)（HSL），也將成為北京郊區(qū)污水處理工程示范。”