分散式生活污水處理技術的研究進展

張軒，宋小三，王三反，張少博

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院 寒旱地區水資源利用教育部工程中心，甘肅 蘭州 730070)

根據世衛組織的調查報告，全球數10億人沒有適當的家庭廢水處理系統，水污染導致傳染病的蔓延，每年造成數以萬計的兒童因飲用被污染的水而死亡[1]。全球水資源正面臨著兩大挑戰：水資源短缺和水環境污染。隨著國家和政府對水環境保護重視程度的不斷提高，城市污水通過污水管網收集到污水廠統一進行處理，城市污水的集中處理得到了快速發展[2]。由于分散式居住地區的管網覆蓋滯后、缺乏長效運行機制、處理工藝選擇不當等問題，難以采用集中式系統進行處理[3]。針對分散式污水水質變化大、組分復雜特點，介紹了幾種新興污水處理技術，提出了分散式污水處理技術未來的發展方向。

1 分散式生活污水處理概念

生活污水分散式處理技術，就是將無集中污水處理廠的地區產生的生活污水就地處理達標排放或回用，例如居住比較分散的偏遠山區和農村、排水管網不完善的村鎮、船舶、軍隊和微小企業等。在污水處理時根據當地的自然條件靈活的運用不同的污水處理技術，減少水污染，節約水資源[4]。分散式污水處理技術旨在最大程度地減少淡水資源的利用，減少越境污染物的數量，并最終最大化地回用水[5]。

分散污水處理主要分為在線系統和群集系統[6]。在線系統是從私人住宅排出的污水，由于沒有鋪設大面積社區用的污水管道或缺乏一套集中處理設施，通過自然系統或機械裝置來收集，處理排放或中水回用，這種自然系統或機械裝置被稱為在線系統；群集系統是一種服務于一個或二個以上住戶的污水收集或處理系統，但其范圍不超過整個社區。從幾家住戶排出來的污水可以經過個體用戶的化糞池或組合裝置現場預處理后，再經過低成本、特殊污水管運送到比集中式系統相對小的處理單元。

2 國內外研究現狀與趨勢

19世紀后期，國外就針對獨立用戶產生的污水開始使用分散式污水處理技術，包括簡單的污水收集坑和化糞池，相對起步較早。后經過改進，產生了許多有效的處理方式[7]。經過不斷的發展，目前，美國分散式污水處理技術已經十分先進，主要處理方式有利用土壤的自凈能力為基礎的土地污水處理技術和地下滲濾處理技術，人工濕地等[8]。日本政府從1973年開始進行分散式生活污水處理技術的研究，針對農村居民和農村行政事業單位產生的生活污水，開始建設“農村集落排水工程”，集中處理農村生活污水。近年來，新型的膜分離技術因其建設費用低、處理效果好等優點在日本已被開發出來并得到大范圍的實際應用，主要用于BOD和氨的深度處理[9-10]。2003年，德國政府進行了“分散式城鎮污水處理基礎設施系統”的研究[11]，其在處理城鎮污水方面的相關技術已基本成熟。該系統對雨水和污水進行分別收集，然后通過膜生物反應器，利用反應器中微生物和生物膜過濾的共同作用，使污水達到排放水體的標準。

我國從20世紀80年代開始開展生活污水分散式處理技術的開發與研制工作，雖然起步較晚，但根據不同的地理特點和污水水質已研制出成熟的處理系統。生活污水分散式處理技術是在傳統污水處理技術基礎上通過改進發展而來，主要可分為好厭氧生物處理技術和自然生物處理技術，其中生態廁所、人工濕地、蚯蚓生態濾池和穩定塘等技術具有建設費用低、環境影響小、處理效果好等優勢[12]。目前，為了實現若干個單一工藝的優勢互補，進行污水處理工藝的耦合，包括溢流式電化學膜生物反應器(EMBR)、微生物燃料電池(MFCs)和化糞池反應堆(ASR)等技術，將生物法與電化學系統結合被證明是最有應用價值的。分散式污水處理技術具有運行費用低、處理效果好、工藝操作靈活、不產生殘渣等優點，目前在國內被大量采用。

3 分散式污水處理技術研究

3.1 自然生物處理系統

人工濕地是由人工建設和控制運行的與沼澤地相似的地面，利用生態系統的物理、化學與生物的三重協調作用，經過濾吸附、離子交換沉淀、植物吸收與為微生物分解實現對水生活污水的高效凈化[13]。按污水的流經方式人工濕地分為垂直潛流濕地(VFW)、水平潛流濕地(SSFW)和表面流濕地(SFW)[14]。

自然生物處理系統因其處理效果好、建設成本低等優點被廣泛應用。但是由于懸浮物截留和吸附、微生物膜和藻類的生長、化學沉淀、土壤顆粒水膨脹等原因造成系統滲濾介質的堵塞問題制約其進一步發展[17]。

3.2 好厭氧生物處理系統

好氧微生物處理系統包括活性污泥法、生物轉盤和好氧濾器等。通過向廢水中不斷補充空氣和氧氣維持好氧微生物所需的溶解氧濃度，通過其生命代謝活動處理廢水。厭氧微生物無需提供氧氣，通過自身的代謝過程將有機物轉化為無機物和少量的細胞物質。厭氧處理技術因其低成本、操作系統簡單和處理效果好等優點比好氧處理技術更具有應用前途。

周青齡等[18]采用一體式MBR工藝探究生活污水中脫氮除磷效果，結果表明，在溶解氧DO質量濃度為0.1～3.5 mg/L，MLSS為12 650 mg/L的條件下，該工藝對COD、NH4-N和TP的平均去除率分別為88.9%，94.6%和61.60%，具有良好的脫氮除磷效果；張靜等[19]設計采用兩級生物流化床(MBBR)與化學除磷工藝處理校園分散式生活污水。該工藝耐負荷沖擊、操作運行簡單、維護成本低，運行結果表明，出水最終達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中一級排放標準。

4 新興分散式污水處理技術

4.1 生物電化學膜系統

膜生物反應器(MBR)是一種高效的廢水處理技術，以其良好的出水水質和保留降解顆粒物的能力而在全世界范圍內得到應用[20]。但需要經常清理膜結垢增加了其運行成本，需要對工藝進行改進。微生物燃料電池(MFC)由于其有限的生物量保留能力，造成污水出水質量較差。Wang等[21]設計了一種MFC-MBR集成系統，其中MBR的曝氣池直接用作陰極室，碳氈被用作陰極有利于生物膜的發展，低成本尼龍網用作過濾材料[22]。系統中MBR有利于良好的污泥截流和較多的生物膜在MFC的陰極上發展，可以實現氧氣作為陰極的電子受體，保證出水質量，而MFC可以提供MBR系統中消耗的大部分電能，40 d內產生的平均電流為(1.9±0.4)mA，最大功率密度達到6.0 W/m3。結果表明，COD去除率達到(89.6±3.7)%，流出的懸浮固體(SS)濃度幾乎為零，展示了低成本高效的廢水處理和發電能力。

4.2 化糞池反應堆(ASR)

傳統厭氧處理系統的化糞池，其功能主要是儲存和沉淀進水懸浮固體，由于非常低的污泥停留時間(SRT)，導致處理效率很低[25]。通過將常規化糞池(CST)的結構進行創新，制成先進的化糞池反應堆(ASR)[26]。包括將進水管道延伸到反應器底部，并利用分配塔板將流量從水平方向往上移，在反應器底部安裝均勻的孔。通過裝置運行超過10個月的結果表明，ASR最佳上流速度1 m/h，水力停留時間為24 h，COD、BOD5、TSS最大去除率為86.2%，79.4%和95%，生物質比產甲烷活性(SMA)為 0.31 mg COD/g VSS·d。同時，產生的沼氣中最大甲烷濃度體積為74.5%，是豐富的清潔能源，可用于污水現場處理的CST的合適替代品。

4.3 下流式懸掛海綿生物反應器(DHS)

DHS技術最初設計采用多孔海綿和被動曝氣進行可視化的分散式污水處理，微生物聯合體會在內部形成生物膜海綿，代謝C和廢水中的營養物質，將其轉化為水、生物質和逸出的氣體[27-29]。最初的設計包括上層好氧層、下層缺氧海綿層和廢水再循環，但出水總氮較高[30]。造成這一原因主要是因為缺氧層進行反硝化的碳限制，因此將進水旁路添加到缺氧層中提供C，考察了不同旁路比率(占總進水量的百分比)對出水總氮的影響，結果表明，當增加30%的廢水旁路時，污水總氮水平達到國家排放標準，氨的去除率也略有升高，COD的去除率始終>80%。證明具有廢水旁路的DHS反應堆有望用于分散式污水處理。

5 結論與展望

膜技術(MBR)與微生物燃料電池(MFC)的集成是最有研究價值與應用前途的廢水處理技術，還應研究其處理染料廢水，含重金屬和制藥廢水的機理與效果。另外，還需要進一步研究將MFCs與化學/物理、生物技術相結合的問題，重點發展MFC的電力儲存系統。

膜技術可保證優良的出水水質，可滿足污水回用的要求。但是出現的膜結垢問題制約其進一步發展，未來研究需要優化結垢機理，去除和回收水中的營養物質。

電化學強化生物質濃縮反應器(E2BCR)和微生物燃料電池(MFCs)不僅可以幾乎完全去除水中的污染物質，而且可以大大減少膜污染問題。但電極材料是影響其發展的主要因素，因此，必須探究不同種類電極材料的污水處理效果，尋找最優經濟高效的電極。