高負荷地下滲濾污水處理復合技術

水資源具有多方面的屬性，既是自然資源、又是經濟資源，更是戰略資源，同時擁有物質資源和生活資源基本功能。而我國的人均水資源量僅為世界平均水平的1/4。因為水資源污染嚴重，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境，破壞生態系統，而且嚴重威脅水資源安全，是我國生態文明建設和可持續發展面臨的嚴峻挑戰。

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選擇中最重要的考量。因此，生物處理技術（活性污泥法、SBR序批式活性污泥法、CASS周期循環活性污泥法等）成為必然選擇，但污水生物處理技術均需要強動力曝氣，設備多，需要多個專業領域技術人員的共同維護。為了便于維護和監管，降低污水處理廠運營的人力成本，我國城市污水處理廠的規模很大（日處理能力高達數十萬噸，甚至過百萬噸），導致污水收集范圍大，污水管網的建設投資很高、難度大，致使污水收集管網建設嚴重滯后，城市黑臭河涌仍大量存在，并且難以實現城市污水處理的全覆蓋。因此，集中處理與分散處理相結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、農村等分散點源生活污水排放量巨大，適宜采用小規模污水處理設施就近處理，但處理率很低，其原因除了經濟發展不平衡、村鎮污水處理設施建設投入較少外，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施的正常運行率很低。因此，研發和推廣適合國情的污水處理新技術，對于我國的水環境保護和生態文明建設至關重要。

常規污水處理技術在我國分散點源污水處理中的適用性差，相關技術工藝雖然種類繁多，但可歸納為生物處理技術和生態處理技術兩大類。生物處理技術包括大型污水處理廠的常用技術以及生物膜法、日本的凈化槽技術等，其共性是采用強動力曝氣供氧，運行能耗高，故障率高，需要專業人員維護；小規模的處理系統常制造成地埋式一體化設備，占地面積較小，在我國農村污水處理中比較常用，但往往因運行能耗大、系統維護成本高，使之因“建得起用不起”而被閑置。生態處理技術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制，國內外大量研究和實踐均證明，日處理1噸污水需濕地面積10m2以上（美國環保署建議15-20m2），然而為了減少用地和控制投資，我國的應用案例幾乎都是日處理1噸污水占地2-3m2（有的規模更小），并由此得出“人工濕地投資小”的錯誤論點，其結果是系統正常運行的時間很短（除非污水量很小），后因氧氣供應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，危害周圍環境和居民生活；此外人工濕地系統在冬季低溫條件下不能正常運行甚至失效已是共識，因此采用人工濕地進行污水處理在大多數情況下是不適用的。生物+生態組合技術處理效果良好，但其生物處理單元的運行費用和管理維護問題同樣突出。

中國科學院廣州地球化學研究所科研人員經過10多年的努力，研發了“高負荷地下滲濾污水處理復合技術（HLSL）”。地下滲濾是一種經濟和環境效益最好的國際領先的污水生態處理新技術，也是北美和歐洲生活污水現場（分散）處理的首選技術。其基本原理是將污水通過埋在地下的散水管網投配到高負荷地下滲濾單元，使污水在人工濾料中橫向運移和豎向滲濾，其中的污染物被不同功能一結構層的濾料攔截、吸附，并最終通過微生物分解轉化，其出水經過缺氧濾池進行脫氮和深度除磷。該技術獲10項中國發明專利授權和實用新型專利授權，獲得“中國科學院2015年度科技促進發展獎”（省部級）二等獎，2010、2012和2013年連續入選環境保護部“國家鼓勵發展的環境保護技術目錄”，2010年入選住房和城鄉建設部、科學技術部“村鎮宜居型住宅技術推廣目錄”，2009年入選住建部“全國農村污水處理優秀技術案例”，2008年以來在各省市建成示范和應用工程400多項，出水水質可達到城市污水處理廠一級A類排放標準（GB18918-2002）。

高負荷地下滲濾工藝具有以下主要優點和技術經濟指標：①用地較少且不需要專用土地：日處理1噸污水的總系統用地約2.0m2，地表可規劃為花園綠地、建設人行道供休閑小憩，或用作旱地。②一次性投資小：由于系統規模較小，其建設成本較低。③運行電耗很低：<0.1度/噸污水。④操作維護簡便：設備簡單且間歇性短時工作，使用壽命長，幾乎不需要日常管理。⑤處理效果好，運行穩定：出水可達到城鎮污水處理廠一級A類排放標準（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、冬季均可正常運行。⑧符合國情需求：我國土地資源珍貴，經濟欠發達，缺少污水分散處理設施運行保障機制，氣候條件變化大。為了保障污水分散處理設施的建設和正常運行，本技術在大多數情況下具有不可替代性。

高負荷地下滲濾污水處理復合技術的工藝流程如下圖所示。其中的高負荷地下滲濾單元由不同的功能一結構層科學組合而成，每個功能一結構層有特定的濾料配方，其中有多層水平和垂直分布的管網，控制水和氣的運移，并輔以合理優化的運行模式，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化。該技術通過使污染物負荷在地下滲濾單元內部以及地下滲濾單元與深度處理單元之間自動調節分配，將高負荷地下滲濾系統與人工濕地系統有機結合，實現了系統的自動反饋調整和不同子系統之間的協同耦合，保障系統的長期穩定運行。

2014年6月，中國科學院院長、中國科學院大學（簡稱“國科大”）名譽校長白春禮院士前往中國科學院廣州地球化學研究所調研了解“高負荷地下滲濾污水處理復合技術”；2015年7月，國科大新建的雁棲湖校區開始修建以凈化東西校區生活污水、實現校園污水零排放為目的的高負荷地下滲濾污水處理系統——HSL新型污水處理站。包括實驗室的一般廢水也可排入HSL系統進行處理，含有重金屬、強酸堿的廢水需先經過特殊處理，才能排入HSL系統。HSL技術發明者、項目首席科學家、國科大博士生導師陳繁榮教授帶領中科院廣州地化所下屬企業——廣州中科碧疆環保科技有限公司的團隊人員負責雁棲湖污水處理站的技術指導和工藝安裝，其項目負責人李寧說：“東區污水處理站占地2200m²左右，處理規模為1300t/d，西區污水處理站占地1500m²左右，處理規模為800t/d。污水轉化為中水的概率可達90%以上，中水水質能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，中水可全部回用，實現校園污水零排放。”“污水處理站產生的大量中水，也可代替清水用于校園綠化灌溉、廣場和道路沖洗、廁所沖洗、車輛清洗及建筑用水等，每年可節約大量清水。該站的建設運行，對懷柔和雁棲湖的生態環境保護，將起到積極的推動作用，其采用的高負荷地下滲濾污水處理復合技術（HSL），也將成為北京郊區污水處理工程示范。”