我国分散式中小型污水处理技术研究及应用 9页

'我国分散式中小型污水处理技术研究及应用王永磊1,2，李军1（1.北京工业大学建筑工程学院,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京,10012；2.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东省城市污水处理与资源化工程技术研究中心,山东济南，250101）摘要：目前我国分散点源污水污染问题日益严重，中小型污水处理技术可以就地处理、达标排放或就地回用，在中小城镇及农村、高速公路、旅游景区等具有广阔的市场前景，但目前普遍存在建站和运行资金短缺、工艺选择缺乏针对性、剩余污泥二次污染、管理水平低等实际问题。本文根据分散污水点源规模小、水量与水质的波动大等污染特征，从工艺、运行管理、经济方面综合考虑，提出了适用于分散式污水处理的人工湿地污水处理技术、厌氧无动力污水处理技术、膜生物反应器（MBR工艺）、速分生物处理技术，并对其原理、处理效果、设计参数、优缺点及技术经济进行探讨，以期为工程应用提供有益参考。关键词：污水处理；分散式；中小型；速分生物处理技术随着我国经济发展，环境污染范围不断扩大，对区域环境治理提出了新的要求，对于未纳入城市市政管网覆盖范围，地处市郊或远离城镇的特定区域（如广大农村、城乡结合部、部队营区、旅游风景区、度假区、疗养院、独立别墅区、机场等），污水排放量小且分散，污水水质与水量波动大。分散式中小型污水处理技术可以对污水进行就地处理，达标排放或就地回用，具有节约管网建设和维护费用、占地面积小、环境影响较小、因地制宜、灵活多样等优点[1]。在分散点源污水治理过程中，如何根据分散式污水处理的特点，结合当地经济水平、环境目标、自然条件，因地制宜采用不同的处理技术，加快污水处理设施建设，改善生态环境是目前我们面临的新课题。一、分散污水处理现状、存在问题从20世纪70年代开始，美、日、欧洲等国家就采用分散式污水处理方式对乡村的污水进行治理，取得很好的成效，如日本开发用于分散式生活污水处理的净化槽技术[2]、澳大利亚针对分散式污水特点采用的“FILTER”(非尔脱)污水处理系统等[3]。我国分散式污水处理研究和应用始于20世纪80年代末[4]，南京大学研制的“地下湿地与高负荷地下渗滤技术”，出水CODCr、BOD5、氨氮、TSS等指标，均达到国家规定标准的一级A类排放标准。江苏省环境科学研究院通过采用“厌氧水解＋微动力好氧生化＋景观绿地”技术，出水水质达到一级B类标准。东南大学开发的“脱氮＋脉冲多层复合滤料生物滤池＋人工湿地”技术，使出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的二级标准。北京科净源科技股份有限公司开发的“速分生物处理技术”，出水水质达到了国标一级A类排放标准。 近年来，分散点源生活污水污染治理和生态保护取得了积极成效，但进展仍然缓慢，在规划设计、工艺选择、工程建设与投资和运行管理保障模式等方面存在一定的问题。（1）前期调研论证不够重视。设计单位不了解农村实际用水需求和排水特点，基础数据掌握不准确，照搬城市居民用水规范，造成污水处理规模偏大，设计规模与实际处理水量不匹配问题十分突出；（2）运行管护资金短缺，缺乏政策和标准支持。工艺系统和操作管理需要动力消耗，由于缺乏资金，不能保证正常运行，部分处理设施处于停产或半停产状态，设备闲置浪费严重，另外现行的环境保护法律、法规和标准尚不能完全适应分散点源污水处理的需要；（3）工艺选择缺乏针对性。目前城市污水处理技术已经成熟，但分散点源生活污水处理存在工艺流程复杂、设备设施多、投资和运行成本高、剩余污泥产量大、维护要求高等问题；（4）剩余污泥造成的二次污染问题不容忽视。目前一般采用外运填埋等方式进行处置，并未实现无害化处置，给环境带来二次污染的隐患；（5）管理水平有待加强。重建设，轻管理。管理人员（主要是村民）专业技能难以满足需要，维护管理技术人员及运行管理经验严重缺乏。二、中小型污水设施建设必要性及市场前景分析1、必要性分析（1）大型污水处理厂的合理补充。根据国家环境保护部《2009年全国投运城镇污水处理设施清单》，“十一五”期间我国投运的大量污水处理厂并没有满负荷运行，其主要原因就是污水厂及配套管网的运营管理滞后于污水厂的建设。目前城市开发区的发展速度高于市政设施建设速度，造成企业已经进驻，而污水管道尚未建设的现象，此时建设分散式中小型污水处理厂，可以解决地区优先开发面临的污水处理难问题。（2）节省管网铺设造价，经济合理。在管网建设方面来说，污水管道为重力流，并且沿流向管径、埋深逐渐增加，导致污水管网投资巨大。城市中部分地市较低区域，如小区、公园等，产生污水量小且相对集中，需提升进入市政污水管网，运行费用高，建设小型污水处理站就地处理，从长远角度看，投资合理，经济划算。（3）符合中水回用要求。将污水送至处理厂统一处理，再通过中水管道输送回来，不仅经济不合理，而且造成不必要的能源浪费。建设小型污水处理站，就地处理、就地回用，是真正的节能减排建设。（4）国际发展趋势。国际水质学会(IAWQ)在1995年的“小型污水处理设施”学术讨论会上提出：人口当量在2000以下或流量为200m3/d以下的污水站为小型污水站，可见小型化污水处理站的建设在国际上已经成为专题研究的科目，是发展方向。2、市场前景分析（1）中小城镇及农村污水处理市场规模。2009年，我国城市污水排放量为371.21亿立方米，城市污水处理率为75.3%，其中65.8%的污水在大规模污水处理厂集中进行处理，其余34.2% 的污水采用分散式处理技术进行处理。按污水排放总量以每年4%的速度增长进行估算，在污水处理率和集中处理率保持不变的假设前提下，未来每年新增的污水处理规模为15亿立方米左右，其中分散式污水处理的规模在5亿立方米以上。据国家环保总局环境规划院预计，“十二五”期间我国用于生活污水治理的投资共计将达2132亿元，其中用于城镇生活污水的投资为1367亿元，用于农村生活污水的投资为765亿元。（2）高速公路服务区污水处理市场规模。“十二五”期间我国交通运输仍处于高速发展期，到“十二五”末，高速公路总里程达到10.8万公里，根据规定，相邻收费站的间距不得少于50公里。据此估算，“十二五”末我国将建设完成高速公路服务区约2160个。我国大部分高速公路收费站没有建立完善的污水处理系统，且远离市区，且无市政管网统一收集处理，对局部环境造成了一定程度的污染。按照每个服务区规模100m3/d，投资按3000元/m3计，预计我国“十二五”期间高速公路服务区生活污水处理设施投资需求为64.8亿元。（3）旅游景区污水处理市场规模。我国旅游景区大部分地形为山区，污水统一收集、处理非常困难，如何才能解决好旅游景区污水处理与再生问题，已成为旅游资源和旅游经济可持续发展的关键。目前我国建有国家级风景区约227个，其他各类型风景名胜区约2222个，由于国家级风景名胜区和国家自然遗产、自然与文化双遗产景区建设规模一般较大，且近70%没有污水处理设施。按每个景区6套估算，而其他类型的风景区按每个景区4套进行估算，在旅游景区，我国共需要7175套生活污水处理装置。按照每年新建需求量70%计算，每套污水处理设施规模100m3/d，投资3000元/m3，预计我国未来三年风景区生活污水处理投资额为15.09亿元。另外位于城乡结合部的新建住宅小区、疗养院、独立别墅区、机场以及部队营区，市政污水管网无法接入，这些区域的污水处理问题急需解决，分散式的中小型污水处理设施也是最佳方案。三、分散式中小型污水处理适用技术探讨1、工艺技术要求（1）在工艺上，基于分散点源水量小、水量与水质的波动大等污染特征，分散式中小型污水处理技术应具有抗冲击负荷能力强、布置方式需灵活、产泥量小、能快速启动等要求，以满足适用环境的特殊要求。（2）在运行管理方面，工艺应操作管理简单方便。由于各种原因，偏远地区很难配备专业维护人员进行专项管理，普遍存在运行管理维护难的问题。（3）在经济方面，运行费用应低。对于广大农村、部队营区、疗养院等地区，大部分为非盈利性场所或经济欠发达地区，如不控制运行费用，将陷入建得起用不起的窘境。2、分散式中小型污水处理适用技术探讨（1）人工湿地污水处理技术 人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、植物、人工介质、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。根据污水流经的方式，可分为表面流湿地(SFW)、水平潜流湿地(SSFW)、垂直潜流湿地(VFW)，小规模人工湿地设计参数见表1。人工湿地投资和运行费用低，仅为传统活性污泥法的10%-30%，运行成本主要为提升水泵所消耗的电费，约为0.05-0.10元/m3，运行中管理维护简便，同时具有景观功能。人工湿地污水处理技术在美国、德国、丹麦、英国等欧美国家应用较多，适用于地势平坦、坡地、居住相对集中的中、小村庄，主要用于处理小城镇或社区的生活污水，通过管网将各户经沼气池、化粪池、格栅井收集处理后的生活污水，通过人工湿地系统进一步处理后，直接排放或回用灌溉农田。表1小规模人工湿地设计参数湿地类型进水BOD5(mg.L-1)有机负荷(kgBOD5.ha-1.d-1)处理效率(%)水力负荷(m3.ha-1.d-1)水力停留时间(d)表面流人工湿地<5015-50<40<10004-8水平潜流人工湿地<10080-12045-85150-50002-4垂直潜流人工湿地<10080-12040-80300-100002-4图1新型装配式人工湿地构造我国人工湿地应用也越来越多，国内学者在传统人工湿地实践的基础上，适应工程需要，研发了一种快速装配式人工湿地填料单元，弹性填料利用硬聚氯乙烯管外框骨架固定，弹性填料间距为100-200mm，填料与传统砾石填料对比见表2，人工湿地污水处理系统自上而下包括：土壤层、隔土层、承托层、人工填料单元层、卵石承托层、防渗层（图1）。快速装配式填料单元采用模块化设计，具有生物量大、水力停留时间短、处理效果好、系统不易堵塞、运行费用低等优点。表2装配式湿地填料与传统砾石填料物理参数对比填料水力传导系数（mm/s）比表面积（m2/m3）空隙率（%）传统砾石填料5-6（水平）/5-6（垂直）50-10030%装配式填料100-150（水平）/200-300（垂直）300-50092%以上沈阳环境科学研究院、沈阳赛思环境工程设计研究中心开创了北方人工湿地技术，主持编制《人工湿地污水处理技术规范》，先后在新民市方巾牛村、世博园、丁香湖生态浮岛、辉山明渠河口等地建立了人工湿地示范工程；北京兰特斯福环境工程科技发展有限公司建设了北京朝阳区沈家坟人工湿地工程、清河南土家人工湿地工程。这些人工湿地工程运行 出水效果良好，生态景观效果显著。（2）厌氧无动力污水处理技术厌氧生物处理技术是在厌氧条件下，兼性厌氧和厌氧微生物群体将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程。厌氧污水处理技术具有低造价、低运行费、能回收利用能源等优点，它在分散生活污水的处理中得到了越来越广泛的研究与应用。近年来，发展了越来越多的高效厌氧处理设备和技术，如升流式污泥床反应器(UASB)、厌氧滤池(AF)、厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)等。针对分散点源污水的特点，厌氧无动力污水处理装置采用初沉池+厌氧污泥床接触池+厌氧生物滤池工艺，将全套装置埋于地下，工艺过程简单，无需专门管理，不耗能。工程实践，该污水处理装置投资约2000元/m3，处理效果较好，CODCr：50%-70%，BOD5：50%-70%，NH3-N：10%-20%，磷酸盐：20%-25%，SS：60%-70%，经处理后的污水达到二级排放标准[5]。厌氧水解如果水解充分，有机物的去除效率比较高，但对悬浮物、氨氮和磷的去除效果差一些。人工湿地去除氨氮和磷的效果却非常好，SS、色度很容易达标。人工湿地对进水要求比较高，必须有前处理先去除生活污水中大颗粒杂质，避免引起湿地滤料的堵塞，所以厌氧水解—人工湿地处理技术在处理污水方面能够有机结合，取长补短[6]。张克峰教授对厌氧接触灌+改型潜流人工湿地进行了研究[7]，厌氧接触罐内悬挂弹性立体填料，采用水平地埋放置（图2）。潜流湿地采用分层滤料对厌氧接触池出水进行处理（图3），增强有机物和悬浮物的去除效果，湿地上部种植芦苇。研究结果表明，厌氧接触与生态组合处理工艺对水中有机物、SS、氨氮、总磷的去除率分别达到80%和、70%、15%以上、35%-45%，出水水质满足灌溉农田的要求，该技术对分散点源污水处理非常适宜。在厌氧技术工程应用方面，山东十方环保能源、山东本源环境科技等公司多年来从事污废水的厌氧处理技术研发与应用，先后建立了金沂蒙木薯（玉米）废水治理、益海嘉里废水治理、金锣集团豆清水厌氧处理及沼气回收等示范工程，取得了良好出水效果和经济效益。图3改型潜流湿地剖面示意图图2厌氧接触罐示意图（3）膜生物反应器（MBR工艺）格栅污水潜污泵调节池鼓风机MBR池膜组件毛发聚集器中水池消毒器供水泵中水 膜生物反应器（MembraneBio-Reactor，MBR）是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型水处理技术，以膜组件取代二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，减少污水处理设施占地，并通过保持低污泥负荷减少污泥量。该工艺主要利用沉浸于好氧生物池内的膜分离设备，截留槽内的活性污泥与大分子有机物。膜生物反应器系统内活性污泥浓度可达到8000-10000mg/L，污泥龄达到30天以上。膜生物反应器因其有效的截留作用，可保留世代周期较长的微生物，如硝化菌，系统内其硝化效果明显，对深度除磷脱氮提供可能。MBR工艺基本构造如图4所示。图4MBR工艺基本流程示意图膜生物反应器充分体现了分散污水处理小型灵活和污水再生利用的特点，独立的MBR工艺对氮、磷的去除率较低，MBR通常与其他工艺进行组合，如：复合淹没式膜生物反应器(HybridsubmergedMBR，HSM-MBR)、生物移动床+MBR[8]、交替式循环活性污泥法(缺氧+二级好氧)+MBR[9]、间歇循环式活性污泥法(Intermittentlycyclicactivatedsludge，ICAS)+MBR[10]、淹没式MBR(内填多孔悬浮性填料)[11]、厌氧—好氧—缺氧序批式反应器(An-aerobic-aerobic-anoxicsequencingbatchreactor，AOAS-BR)+MBR[12]等，这些新工艺强化了处理效果，提高了对氮、磷的去除率，并减轻了膜污染。膜生物反应器具有处理效果好、耐冲击负荷、出水水质稳定、剩余污泥量少、操作管理方便和占地空间省等优点，随着膜通量提高，膜费用降低及寿命延长，再生水资源日益重视的情况下，膜生物反应器在污水处理领域，尤其是分散点源污水处理与回用方面将会得到极其广泛的应用。膜生物反应器的生产及应用企业目前有很多，如北京碧水源科技股份有限公司、天津膜天膜科技股份有限公司等，建立了一批示范工程，取得了良好的环境效益和社会效益。（4）速分生物处理技术在流场中存在着快速流动和慢速流动的地方，当处于流场中物体的左右产生流速差的时候，如果是理想流体，且矢量是一致的，物体只会在此方向上移动，这样就使得物体向着流速慢的地方移动和积累，这就是流离的原理。因为水有黏性，水中的物体将由流速快的方向流速慢的方向回转。流离所指的就是在流场中污水里的悬浮物质（有机物、固体颗粒、污泥）由流速快的地方向流速慢的地方聚集的原理。根据自然界常见的流离现象，反应器内载体采用新型复合流离球多孔微生物载体，以提供捕获悬浮颗粒的流离场和多样微生物生存所需的环境，从而构建形成了新型的复合流离球多孔微生物载体和全新的污水脱氮除磷与剩余污泥减量相结合多氧化还原环境原位污泥减量耦合生物反应器。随着污水的流入，流离作用促使固液分离，使水中的悬浮物（SS）、剩余污泥自然地进入复合流离球多孔微生物载体的间隙内而积累，复合流离球多孔微生物载体可有效分离、积累合流制排水系统的高无机物原水中的无机物，积累起来的有机物或污泥（微生物细胞） 经厌氧分解、低分子化，达到原位污泥消减，同时释放的碳源成为缺氧脱氮的碳源，从而在污泥减量的同时促进生物脱氮。图5速分生化处理工艺流程速分生化球多孔微生物载体比表面积大、生物量大，因而具有更大的生物量和更丰富的生物相。在空间上反应器具有厌氧、缺氧、好氧状态，同时复合流离速分球多孔微生物载体本身也具有厌氧、缺氧、好氧状态，导致形成高度的生物多样性和多样的微生物生态系统。试验研究及工程用表明，速分生物处理装置对有机物、氮有很好的去除效果，COD、TN和NH4+-N的平均去除率分别为87.8%、75.2%和98.7%，污泥平均产率仅为0.118kgMLSS/kgCOD，结合化学除磷实现磷资源回收。同时该技术具有施工简单、管理方便、投资省、运行费用低、污泥产量少等优点。北京科净源科技股份有限公司采用“速分生物处理技术”完成了多项污水处理工程，出水水质达到了国标一级A类排放标准。这些处理工艺运行稳定，去污效果良好，先后在居民小区、学校、宾馆、军营、村镇、医院等建设一批速分生物处理、微动力地埋式、无动力地埋式等小型污水处理装置，为缓解环境污染起到重要的作用。北京奥林匹克森林公园项目中水工程采用速分生化处理工艺，工艺流程见图5。（5）技术经济比较对以上四种工艺进行技术经济比较，如表3所示。表3四种工艺技术经济比较工艺内容人工湿地厌氧生物处理膜生物反应器速分生物处理耐水量冲击负荷抗水质、水量冲击强抗水质、水量冲击强抗水质、水量冲击强抗水质、水量冲击强脱氮除磷效果生物脱氮除磷能力强脱氮除磷效果差与其他工艺组合，具有脱氮除磷功能生物脱氮除磷能力强出水水质达到一级A标准达到二级排放标准达到一级A标准达到一级A标准运行管理操作管理方便低温启动困难操作管理方便施工简单、管理方便污泥产量污泥产率低污泥产率低污泥产率低污泥产率低占地面积占地空间大可埋于地下，占地小占地空间省占地面积小吨水运行成本0.20-0.40元0.40-0.50元1.50-2.0元0.40-0.80元吨水投资费用1000-15001000-2000元/m32000-3500元2000-3000元 工艺评价具有抗水质、水量冲击能力强、缓冲容量大、处理效果好、工艺简单、投资省、运行费用低等特点，但占地面积大。具有造价低、运行费低、能回收利用能源、有机物的去除效率高等优点，但对SS、氨氮和磷的去除效果差、启动慢。具有出水水质稳定、抗冲击负荷强、自控高、运行管理简便、模块化易于扩建、占地面积小等优点，但运行、投资成本高。具有耐冲击负荷强、产生污泥量少、自动化程度高、填料使用寿命长、投资省、运行费用低、占地面积小等特点。目前，我国分散式污水处理行业处于快速发展阶段，市场前景广阔，竞争主体数量较多，没有形成某一个或几个企业垄断或者绝对的领导者，市场集中度不高。但随着我国环保产业支持政策和相关法律法规的出台，那些以技术创新、服务优质、质量安全为核心竞争力的企业将会在市场竞争中取得优势，迅速扩大市场占有率。四、结语（1）目前我国在城市和城镇污水处理技术研究上已取得较大的进展，但在分散点源污水处理技术研究上进展缓慢，面临着管理水平低、建站和运行资金短缺等实际问题。（2）分散点源污水与城镇污水不同，具有点多、面广、量小、分散等显著特点，不仅在水质、水量及建设模式上有所不同，而且在工艺选择、工程建设与投资、运行管理保障模式等方面也有较大的区别，因此分散式中小型污水处理不能照搬大、中型城市污水处理工艺及设计参数，应根据具体现状特点、自然、经济、社会条件及风俗习惯，坚持“低投入、低成本、重回用、易管理”的原则，因地制宜地进行选择。（3）制定分散型污水处理设施的设计规范、技术规范和验收标准，加强工艺优化与技术创新研究，强化新材料、新能源、关键设备的研发，并制定分散式污水处理优惠政策，使分散点源水污染治理步入“建得起、用得起、管得起、有长效”的良性发展轨道。（4）通过对适合分散点源污水处理的四种工艺进行技术经济比较，分析得出，速分生物处理技术具有出水水质好，耐冲击负荷强、产生污泥量少、自动化程度高、填料使用寿命长、投资省、运行费用低、占地面积小等特点，是一种较为适宜的分散式中小型污水处理技术，具有良好的工程应用前景。参考文献：[1]李海明.农村生活污水分散式处理系统与实用技术研究[J].环境科学与技术,2009,32(9):177-181[2]王晓昌,彭党聪,黄廷林.分散式污水处理和再利用--概念、系统和实施[M].北京:化学工业出版社,2004[3]苏东辉,郑正,王勇,等.农村生活污水处理技术探讨[J].环境科学与技术,2005,(1):79-81[4]李无双,王洪阳,潘淑君.农村分散式生活污水现状与处理技术进展[J].天津农业科学,2008,14(6):75-77.[5]刘大银,毕亚凡,孙公圣,等.埋地式无动力生活污水处理装置抽检与分析[J].环境保护，2002,（10）：45-47.[6]梁嘉晋,董申伟.分散式农村生活污水处理技术[J].广东化工,2009,36(7):168-169.[7]陈鹏.分散式污水厌氧与生态组合处理工艺研究[D].济南:山东建筑大学,2009. 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