中科院新技術破解我國小規模生活污水處理難題
2016-10-10
人類生活過程中產生的污水，是水體的主要污染源之一。生活污水主要是城市生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾、糞便等，多為無毒的無機鹽類，生活污水 中含氮、磷、硫多，致病細菌多。中國目前城市生活污水主要由各個城市的污水處理廠負責，但是村鎮的生活污水處理如果還是按照大型污水處理工藝來處理，其難點較多，而且也不符合實際情況，這些污水基本上都是由小規模生活污水處理廠來解決。
一、我國小規模生活污水處理技術現狀
據統計，我國有19000多個建制鎮，60多萬個行政村，250多萬個自然村(統稱為村鎮)，其污水排放量約占我國生活污水總排放量的55%。村鎮污水來源分散，難于集中，只能通過建設小規模污水處理設施(日處理數噸至數千噸)就近處理。目前，我國村鎮生活污水處理率很低，已成為區域水環境的重要污染源。其主要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，更重要的是現有分散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。
城市大型污水處理廠普遍采用生化處理技術工藝，例如按間歇曝氣方式來運行的“序批式活性污泥法”(SBR)、建立在序批式活性污泥法基礎上的“周期循環活性污泥法”(CASS)、膜生物反應器(MBR)、具有良好脫氮除磷效果的“厭氧-缺氧-好氧法”(A2/O)等及其衍生技術。這些技術的優點是占地面積小、氣候適應性強、處理效果穩定，但缺點也很明顯，包括運行能耗大、管理維護復雜、污泥產生量大等。
為了便于維護和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往往很大(日處理數10萬噸，甚至過百萬噸)。而我國鎮級污水處理廠的日處理規模一般為數百噸至數千噸，一座日處理2000噸的污水廠的運行費用約為100-150萬元/年。經驗表明，如將這類工藝用于村鎮污水處理，由于其運行費用高、管理維護難度大，我國大部分村鎮將難以承受，會導致采用這類技術建成的村鎮污水處理設施普遍閑置。因此，目前我國村鎮污水處理中大量采用土地生態處理技術，其中以人工濕地應用最廣。
1.人工濕地污水處理技術
人工濕地是一種工程方案，利用地下人工介質中棲息的植物、植物根系、微生物，以及填料介質所具有的物理、化學特性，將污水凈化的技術工藝。我國現有的人工濕地污水處理系統以潛流式為主，由于沒有動力曝氣，氧氣在水中的溶解度很低、擴散速率小，主要依靠植物根系泌氧(≤3g/m2濕地)，供氧能力很差。國內外大量研究和實踐證明，日處理1噸生活污水需濕地面積10m2以上。以人工濕地應用案例較多的捷克為例，195個人工濕地的平均占地面積為5.1m2/PE(population equivalent，人口當量)。美國環保署則建議日處理1噸生活污水采用15m2—20m2人工濕地。然而，為了減少用地和降低投資，我國大部分現有人工濕地案例的用地僅為2m2—3m2/噸水•天，有的甚至更少。其后果是這些濕地系統僅可在運行初期短暫正常運行(除非實際污水量很小)，大部分系統因為氧氣供應不足、厭氧菌大量繁殖而變成黑臭污水潭。此外，人工濕地對磷的去除效果較差，在低溫條件下不能正常運行甚至失效。
2.地下滲濾污水處理技術
地下滲濾污水處理技術，又稱為化糞池系統(Septictank systems),因其突出的經濟和環境優勢，是北美、澳洲等地污水分散處理的首選技術。然而，由于設計欠佳、未考慮不同土壤類型差異、缺少維護等原因，部分地下滲濾系統處理效果較差;同時，由于非飽和帶中缺少碳源，從而抑制了反硝化脫氮，最終導致硝酸鹽滲入地下水，這被認為是正常運行的地下滲濾系統最為普遍的環境危害。此外，傳統地下滲濾技術用地面積很大(>20m2/噸水•天)，難以在我國推廣應用。為了減少用地面積，人們采用人工土填料代替原生土壤，使日處理1噸污水的占地面積減少到10—15m2。即使這樣，其占地面積仍然很大，并且還增加了工程建設成本。
3.其他污水處理技術
此外，我國部分地區也采用了其他技術。穩定塘技術是由若干自然或人工挖掘的池塘組成，通過菌藻、水生生物等綜合作用而實現污水凈化的目的，其具有基建投資少、運行費用低、維護簡單、不產生污泥等優點，但傳統穩定塘占地面積大、受氣候影響大，出水水質一般也不能達到較嚴的污染物排放標準。生物接觸氧化法在我國部分地區應用較多，兼有活性污泥法及生物膜法的特點，該法在池內設置填料，進行淹水曝氣，污水與填料表面的生物膜充分接觸，使污水得到凈化。生物接觸氧化法占地面積小，但能耗較高、管理維護復雜、對總氮和總磷去除效果較差。
“非爾脫”(FILTER)污水處理系統源自澳大利亞，是一種“過濾、土地處理與暗管排水相結合的污水處理與再利用系統。其原理類似于種植農作物的垂直流人工濕地，由于以土壤做濾料，水力停留時間較長，對生活污水的處理效果好，適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區。該系統受氣候和作物生長季節限制，水力負荷低、用地面積大，此外還需修建控制排水量的泵站，成本較高。
為了克服單一技術的不足，有些采用組合工藝處理農村生活污水。例如生物接觸氧化+人工濕地、厭氧處理+人工濕地等，組合工藝能夠獲得更好的處理效果，但是建設和運行費用往往更高，使其在我國推廣受限。
由于我國土地資源珍貴、經濟欠發達(村鎮的經濟承受能力更小)、缺少小規模污水處理設施的運行保障機制、氣候條件的地域性和季節性變化大，上述技術均不能滿足國情要求，在我國適用性差。因此，亟需研發和推廣占地面積小、投資小、運行費用低、管理維護簡便、處理效果好的小規模污水處理技術。
二、高負荷地下滲濾污水處理復合技術研究成果與進展
針對我國村鎮缺少適用的小規模生活污水處理技術的困境，在中國科學院相關項目的資助下，中國科學院廣州地球化學研究所的項目團隊經過10多年研發和應用實踐，發明了高負荷地下滲濾污水處理復合技術，并成功實現了產業化應用，使我國在分散型污水處理領域達到國際領先水平。
高負荷地下滲濾污水處理復合技術工藝流程如圖1所示。污水經過格柵、沉淀和厭氧酸化水解后進入調節池，然后定時定量地被輸送到高負荷地下滲濾單元，使污水在不同功能結構層中橫向運移和豎向滲濾，其中的污染物被填料攔截、吸附，并最終被附著于濾料表面的微生物分解轉化而去除。為保障氧氣供給，落干期間對高負荷地下滲濾單元進行間歇供氧(換氣)。污水經過缺氧深度處理單元，進一步提高脫氮除磷效果，達標后排放。該工藝的核心為高負荷地下滲濾和深度處理單元，創新也主要集中于此。
1.技術工藝突破
對我國而言，水力負荷低是限制地下滲濾技術推廣應用的首要因素，其主要成因是死亡微生物的超量累積導致地下滲濾系統堵塞，進一步研究發現，系統堵塞首先出現在濾層頂部附近，由此導致氧氣供應不足，進而會大大加速系統堵塞，形成惡性循環，限制了水力負荷的提升。與此同時，地下滲濾技術的反硝化脫氮和長期除磷效果也有待提升。為解決這些問題，研究團隊進行了以下技術創新工作：
(1)通過系統結構創新，實現滲濾系統的自檢反饋，合理控制系統中的污水運移和污染物負荷的分配，完全避免水流受阻和系統堵塞。
(2)通過優化不同功能-結構層的濾料配方，強化濾料對污染物的去除效果，合理控制污水在滲濾系統中的停留時間，平衡污水負荷能力與處理效果的關系。
(3)通過運行模式創新(間歇性進水、落干期間適量通風)，避免淹水曝氣，實現微動力通風供氧;為供氧裝置增設加熱功能，使其可以根據室外溫度自行調節進入系統的空氣溫度，保障系統在低溫條件下能正常運行;此外，通過技術手段使滲濾系統出現兼性厭氧(淹水)和好氧(落干)交替的環境，好氧硝化形成的硝酸鹽在隨后的兼性厭氧環境下利用污水和老化生物膜中的有機碳進行反硝化作用，大大增強脫氮效果。
(4)通過微生物工程技術，提升老化微生物(污泥)的分解速度，進一步提高系統的污染物負荷能力。此外通過集成創新，實現不同處理單元(尤其是高負荷地下滲濾單元與深度處理單元)之間的協同耦合，保證系統能夠長期穩定運行。
2.主要優勢
通過以上技術創新，使高負荷地下滲濾污水處理復合技術具備了以下優勢：(1)占地面積較小。日處理1噸污水占地1.5—2.0m2，地表可規劃為花園、旱地、休閑場地等。(2)建設投資較低、運行成本小，維護簡便。建設成本與傳統工藝相近，大大低于常規生態和土地處理工藝，運行電耗<0.1度電/噸污水。設備簡單，且為間歇性短時工作，故障率很低，幾乎無需日常維護。(3)系統出水水質好。該系統具有脫氮除磷功能，出水水質可達城鎮污水處理廠一級A類排放標準(GB18918-2002)，且運行穩定。(4)系統運行幾乎不受氣候條件影響。系統設置于地下，可以人為調節生物膜溫度，確保系統出水全年均可達標排放。(5)使用靈活，無二次污染。該工藝日處理污水數噸至數千噸，且不排放污泥，無異味、無噪聲，不滋生蚊蟲，節省污泥處置費用，避免了二次污染。
基于上述創新，研究團隊已獲6項中國發明專利授權，發表學術論文23篇，其中SCI論文16篇。該技術于2010年入選住建部和科技部“村鎮宜居型住宅技術推廣目錄”，多年連續入選環保部“國家鼓勵發展的環境保護技術目錄”。
3.技術應用及產生的效益
高負荷地下滲濾污水處理復合技術克服了污水生化處理及其衍生技術運行成本高、管理維護復雜的缺點，克服了傳統生態處理技術占地面積大、脫氮除磷效果差、氣候適應性差的缺點，正成為我國村鎮地區不可或缺的生活污水處理技術。2008年以來，采用該技術在全國15個省市(自治區)建成污水處理設施近400座，單座處理規模15—3000噸/天，總處理規模約8萬噸/天。通過這些設施的建設，實現社會經濟產值約3億元，與生化處理技術比較，節約運行費用近5000萬元/年，節約運行電耗約1500萬度/年，相當于節約6000多噸標準煤，從而可減少相應電煤燃燒產生的CO2、SO2、NO2、粉塵等溫室氣體和污染物的排放。此外，每年還可消除約2萬噸污泥排放所帶來的環境危害。隨著該技術應用的快速發展，所產生的經濟和環境效益也將進一步大幅度增加。
三、小規模生活污水處理技術應用過程中面臨的問題和挑戰
當前，隨著國家和地方政府對農村生活污水治理的日益重視和投入不斷增加，農村水環境質量狀況迎來了重大的改善契機，也為小規模生活污水處理技術提供了廣闊的市場。然而，小規模生活污水處理技術在應用過程中也面臨著一些問題和挑戰：
1.污染物排放標準日益嚴格，污水處理技術亟待提升
為控制和改善由氮磷過量排放引起的水體富營養化，我國的城鎮污水處理廠污染物排放標準日益嚴格。例如，2012年實施的北京市地方標準(DB11/890-2012)大幅度降低了城鎮污水處理廠氮、磷等污染物排放限值(TN<10mg/L,NH4+-N<1.0mg/L,TP<0.2mg/L)，這對所有污水處理技術均是重大挑戰。
2.亟需制定國家級農村生活污水處理設施污染物排放標準
雖然我國一些省市出臺了農村生活污水處理設施污染物地方排放標準，但排放限值差異較大，同時我國仍未建立國家級的農村生活污水處理設施排放標準，大部分農村污水處理設施均套用城鎮污水處理廠污染物排放標準。我國農村的水質水量特點和排放特征與城市有很大差異，統一套用城鎮污水處理廠污染物排放標準，不利于我國農村生活污水的防治和處理。
3.缺乏相關技術市場準入機制和設施運行監管機制
我國小規模生活污水處理設施的市場競爭非常激烈，各種技術良莠不齊;另外，也缺乏相應的市場準入機制，更缺乏對設施運行維護的監管，這也是導致大量已建設施正常運行率很低的原因。
四、討論與建議
隨著我國人民生活水平的提高和生活方式的改變，農村生活污水的排放量將會越來越大。農村生活污水治理是我國當前推進的新農村建設的重要內容，關系到廣大農民的切身利益，牽涉到全國人民的基本利益，影響到國家的可持續發展。農村生活污水治理不僅是技術問題，也需要政府出臺和完善各項配套扶持政策，從法律法規、標準制定、市場準入、運行管理等多方面著手，破解我國小規模生活污水治理的難題。為此，研究團隊提出以下建議：
1.對技術進行優化升級，進一步提升其適用性
總氮和總磷是所有污水處理技術難以達標排放的關鍵參數。碳源缺乏限制了對總氮的進一步去除，如何充分利用污水和老化生物膜中的有機碳源是強化系統反硝化功能的研究重點。建議聯合運用植物、微生物、填料系統的固磷功能等多種手段強化系統的除磷能力。
2.制定中國農村生活污水處理設施污染物排放標準
農村生活污水的最終去向與城市污水有顯著差異，如果其排放標準僅簡單參照城鎮生活污水處理廠污染物排放標準往往存在一定問題。所以，應根據污水的最終去向制定適合我國農村實際情況的生活污水處理設施污染物排放標準，為今后技術研發明確方向。
3.建立小規模生活污水處理市場準入制度和運行監管機制
借鑒歐美等發達國家經驗，對現有的和新研發的小規模生活污水處理技術的技術經濟指標進行實地考核，擇優選擇適合我國國情的技術推廣應用。根據污水處理規模建立不同的運行維護監管體系，對于規模較大的鎮級污水處理廠可建立在線監測系統，而對于大部分小規模的農村生活污水處理設施，可建立不定期采樣監測機制，從制度上保障村鎮生活污水處理設施的正常運行。
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