中科院新技术破解我国小规模生活污水处理难题
2016-10-10
人类生活过程中产生的污水，是水体的主要污染源之一。生活污水主要是城市生活中使用的各种洗涤剂和污水、垃圾、粪便等，多为无毒的无机盐类，生活污水 中含氮、磷、硫多，致病细菌多。中国目前城市生活污水主要由各个城市的污水处理厂负责，但是村镇的生活污水处理如果还是按照大型污水处理工艺来处理，其难点较多，而且也不符合实际情况，这些污水基本上都是由小规模生活污水处理厂来解决。
一、我国小规模生活污水处理技术现状
据统计，我国有19000多个建制镇，60多万个行政村，250多万个自然村(统称为村镇)，其污水排放量约占我国生活污水总排放量的55%。村镇污水来源分散，难于集中，只能通过建设小规模污水处理设施(日处理数吨至数千吨)就近处理。目前，我国村镇生活污水处理率很低，已成为区域水环境的重要污染源。其主要原因除了经济发展不平衡、村镇污水处理设施建设投入较少外，更重要的是现有分散污水处理工艺不符合中国国情，致使已建成的污水处理设施的正常运行率很低。
城市大型污水处理厂普遍采用生化处理技术工艺，例如按间歇曝气方式来运行的“序批式活性污泥法”(SBR)、建立在序批式活性污泥法基础上的“周期循环活性污泥法”(CASS)、膜生物反应器(MBR)、具有良好脱氮除磷效果的“厌氧-缺氧-好氧法”(A2/O)等及其衍生技术。这些技术的优点是占地面积小、气候适应性强、处理效果稳定，但缺点也很明显，包括运行能耗大、管理维护复杂、污泥产生量大等。
为了便于维护和降低污水处理厂运营的人力成本，我国城市污水处理厂的规模往往很大(日处理数10万吨，甚至过百万吨)。而我国镇级污水处理厂的日处理规模一般为数百吨至数千吨，一座日处理2000吨的污水厂的运行费用约为100-150万元/年。经验表明，如将这类工艺用于村镇污水处理，由于其运行费用高、管理维护难度大，我国大部分村镇将难以承受，会导致采用这类技术建成的村镇污水处理设施普遍闲置。因此，目前我国村镇污水处理中大量采用土地生态处理技术，其中以人工湿地应用最广。
1.人工湿地污水处理技术
人工湿地是一种工程方案，利用地下人工介质中栖息的植物、植物根系、微生物，以及填料介质所具有的物理、化学特性，将污水净化的技术工艺。我国现有的人工湿地污水处理系统以潜流式为主，由于没有动力曝气，氧气在水中的溶解度很低、扩散速率小，主要依靠植物根系泌氧(≤3g/m2湿地)，供氧能力很差。国内外大量研究和实践证明，日处理1吨生活污水需湿地面积10m2以上。以人工湿地应用案例较多的捷克为例，195个人工湿地的平均占地面积为5.1m2/PE(population equivalent，人口当量)。美国环保署则建议日处理1吨生活污水采用15m2—20m2人工湿地。然而，为了减少用地和降低投资，我国大部分现有人工湿地案例的用地仅为2m2—3m2/吨水•天，有的甚至更少。其后果是这些湿地系统仅可在运行初期短暂正常运行(除非实际污水量很小)，大部分系统因为氧气供应不足、厌氧菌大量繁殖而变成黑臭污水潭。此外，人工湿地对磷的去除效果较差，在低温条件下不能正常运行甚至失效。
2.地下渗滤污水处理技术
地下渗滤污水处理技术，又称为化粪池系统(Septictank systems),因其突出的经济和环境优势，是北美、澳洲等地污水分散处理的首选技术。然而，由于设计欠佳、未考虑不同土壤类型差异、缺少维护等原因，部分地下渗滤系统处理效果较差;同时，由于非饱和带中缺少碳源，从而抑制了反硝化脱氮，最终导致硝酸盐渗入地下水，这被认为是正常运行的地下渗滤系统最为普遍的环境危害。此外，传统地下渗滤技术用地面积很大(>20m2/吨水•天)，难以在我国推广应用。为了减少用地面积，人们采用人工土填料代替原生土壤，使日处理1吨污水的占地面积减少到10—15m2。即使这样，其占地面积仍然很大，并且还增加了工程建设成本。
3.其他污水处理技术
此外，我国部分地区也采用了其他技术。稳定塘技术是由若干自然或人工挖掘的池塘组成，通过菌藻、水生生物等综合作用而实现污水净化的目的，其具有基建投资少、运行费用低、维护简单、不产生污泥等优点，但传统稳定塘占地面积大、受气候影响大，出水水质一般也不能达到较严的污染物排放标准。生物接触氧化法在我国部分地区应用较多，兼有活性污泥法及生物膜法的特点，该法在池内设置填料，进行淹水曝气，污水与填料表面的生物膜充分接触，使污水得到净化。生物接触氧化法占地面积小，但能耗较高、管理维护复杂、对总氮和总磷去除效果较差。
“非尔脱”(FILTER)污水处理系统源自澳大利亚，是一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水处理与再利用系统。其原理类似于种植农作物的垂直流人工湿地，由于以土壤做滤料，水力停留时间较长，对生活污水的处理效果好，适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区。该系统受气候和作物生长季节限制，水力负荷低、用地面积大，此外还需修建控制排水量的泵站，成本较高。
为了克服单一技术的不足，有些采用组合工艺处理农村生活污水。例如生物接触氧化+人工湿地、厌氧处理+人工湿地等，组合工艺能够获得更好的处理效果，但是建设和运行费用往往更高，使其在我国推广受限。
由于我国土地资源珍贵、经济欠发达(村镇的经济承受能力更小)、缺少小规模污水处理设施的运行保障机制、气候条件的地域性和季节性变化大，上述技术均不能满足国情要求，在我国适用性差。因此，亟需研发和推广占地面积小、投资小、运行费用低、管理维护简便、处理效果好的小规模污水处理技术。
二、高负荷地下渗滤污水处理复合技术研究成果与进展
针对我国村镇缺少适用的小规模生活污水处理技术的困境，在中国科学院相关项目的资助下，中国科学院广州地球化学研究所的项目团队经过10多年研发和应用实践，发明了高负荷地下渗滤污水处理复合技术，并成功实现了产业化应用，使我国在分散型污水处理领域达到国际领先水平。
高负荷地下渗滤污水处理复合技术工艺流程如图1所示。污水经过格栅、沉淀和厌氧酸化水解后进入调节池，然后定时定量地被输送到高负荷地下渗滤单元，使污水在不同功能结构层中横向运移和竖向渗滤，其中的污染物被填料拦截、吸附，并最终被附着于滤料表面的微生物分解转化而去除。为保障氧气供给，落干期间对高负荷地下渗滤单元进行间歇供氧(换气)。污水经过缺氧深度处理单元，进一步提高脱氮除磷效果，达标后排放。该工艺的核心为高负荷地下渗滤和深度处理单元，创新也主要集中于此。
1.技术工艺突破
对我国而言，水力负荷低是限制地下渗滤技术推广应用的首要因素，其主要成因是死亡微生物的超量累积导致地下渗滤系统堵塞，进一步研究发现，系统堵塞首先出现在滤层顶部附近，由此导致氧气供应不足，进而会大大加速系统堵塞，形成恶性循环，限制了水力负荷的提升。与此同时，地下渗滤技术的反硝化脱氮和长期除磷效果也有待提升。为解决这些问题，研究团队进行了以下技术创新工作：
(1)通过系统结构创新，实现渗滤系统的自检反馈，合理控制系统中的污水运移和污染物负荷的分配，完全避免水流受阻和系统堵塞。
(2)通过优化不同功能-结构层的滤料配方，强化滤料对污染物的去除效果，合理控制污水在渗滤系统中的停留时间，平衡污水负荷能力与处理效果的关系。
(3)通过运行模式创新(间歇性进水、落干期间适量通风)，避免淹水曝气，实现微动力通风供氧;为供氧装置增设加热功能，使其可以根据室外温度自行调节进入系统的空气温度，保障系统在低温条件下能正常运行;此外，通过技术手段使渗滤系统出现兼性厌氧(淹水)和好氧(落干)交替的环境，好氧硝化形成的硝酸盐在随后的兼性厌氧环境下利用污水和老化生物膜中的有机碳进行反硝化作用，大大增强脱氮效果。
(4)通过微生物工程技术，提升老化微生物(污泥)的分解速度，进一步提高系统的污染物负荷能力。此外通过集成创新，实现不同处理单元(尤其是高负荷地下渗滤单元与深度处理单元)之间的协同耦合，保证系统能够长期稳定运行。
2.主要优势
通过以上技术创新，使高负荷地下渗滤污水处理复合技术具备了以下优势：(1)占地面积较小。日处理1吨污水占地1.5—2.0m2，地表可规划为花园、旱地、休闲场地等。(2)建设投资较低、运行成本小，维护简便。建设成本与传统工艺相近，大大低于常规生态和土地处理工艺，运行电耗<0.1度电/吨污水。设备简单，且为间歇性短时工作，故障率很低，几乎无需日常维护。(3)系统出水水质好。该系统具有脱氮除磷功能，出水水质可达城镇污水处理厂一级A类排放标准(GB18918-2002)，且运行稳定。(4)系统运行几乎不受气候条件影响。系统设置于地下，可以人为调节生物膜温度，确保系统出水全年均可达标排放。(5)使用灵活，无二次污染。该工艺日处理污水数吨至数千吨，且不排放污泥，无异味、无噪声，不滋生蚊虫，节省污泥处置费用，避免了二次污染。
基于上述创新，研究团队已获6项中国发明专利授权，发表学术论文23篇，其中SCI论文16篇。该技术于2010年入选住建部和科技部“村镇宜居型住宅技术推广目录”，多年连续入选环保部“国家鼓励发展的环境保护技术目录”。
3.技术应用及产生的效益
高负荷地下渗滤污水处理复合技术克服了污水生化处理及其衍生技术运行成本高、管理维护复杂的缺点，克服了传统生态处理技术占地面积大、脱氮除磷效果差、气候适应性差的缺点，正成为我国村镇地区不可或缺的生活污水处理技术。2008年以来，采用该技术在全国15个省市(自治区)建成污水处理设施近400座，单座处理规模15—3000吨/天，总处理规模约8万吨/天。通过这些设施的建设，实现社会经济产值约3亿元，与生化处理技术比较，节约运行费用近5000万元/年，节约运行电耗约1500万度/年，相当于节约6000多吨标准煤，从而可减少相应电煤燃烧产生的CO2、SO2、NO2、粉尘等温室气体和污染物的排放。此外，每年还可消除约2万吨污泥排放所带来的环境危害。随着该技术应用的快速发展，所产生的经济和环境效益也将进一步大幅度增加。
三、小规模生活污水处理技术应用过程中面临的问题和挑战
当前，随着国家和地方政府对农村生活污水治理的日益重视和投入不断增加，农村水环境质量状况迎来了重大的改善契机，也为小规模生活污水处理技术提供了广阔的市场。然而，小规模生活污水处理技术在应用过程中也面临着一些问题和挑战：
1.污染物排放标准日益严格，污水处理技术亟待提升
为控制和改善由氮磷过量排放引起的水体富营养化，我国的城镇污水处理厂污染物排放标准日益严格。例如，2012年实施的北京市地方标准(DB11/890-2012)大幅度降低了城镇污水处理厂氮、磷等污染物排放限值(TN<10mg/L,NH4+-N<1.0mg/L,TP<0.2mg/L)，这对所有污水处理技术均是重大挑战。
2.亟需制定国家级农村生活污水处理设施污染物排放标准
虽然我国一些省市出台了农村生活污水处理设施污染物地方排放标准，但排放限值差异较大，同时我国仍未建立国家级的农村生活污水处理设施排放标准，大部分农村污水处理设施均套用城镇污水处理厂污染物排放标准。我国农村的水质水量特点和排放特征与城市有很大差异，统一套用城镇污水处理厂污染物排放标准，不利于我国农村生活污水的防治和处理。
3.缺乏相关技术市场准入机制和设施运行监管机制
我国小规模生活污水处理设施的市场竞争非常激烈，各种技术良莠不齐;另外，也缺乏相应的市场准入机制，更缺乏对设施运行维护的监管，这也是导致大量已建设施正常运行率很低的原因。
四、讨论与建议
随着我国人民生活水平的提高和生活方式的改变，农村生活污水的排放量将会越来越大。农村生活污水治理是我国当前推进的新农村建设的重要内容，关系到广大农民的切身利益，牵涉到全国人民的基本利益，影响到国家的可持续发展。农村生活污水治理不仅是技术问题，也需要政府出台和完善各项配套扶持政策，从法律法规、标准制定、市场准入、运行管理等多方面着手，破解我国小规模生活污水治理的难题。为此，研究团队提出以下建议：
1.对技术进行优化升级，进一步提升其适用性
总氮和总磷是所有污水处理技术难以达标排放的关键参数。碳源缺乏限制了对总氮的进一步去除，如何充分利用污水和老化生物膜中的有机碳源是强化系统反硝化功能的研究重点。建议联合运用植物、微生物、填料系统的固磷功能等多种手段强化系统的除磷能力。
2.制定中国农村生活污水处理设施污染物排放标准
农村生活污水的最终去向与城市污水有显著差异，如果其排放标准仅简单参照城镇生活污水处理厂污染物排放标准往往存在一定问题。所以，应根据污水的最终去向制定适合我国农村实际情况的生活污水处理设施污染物排放标准，为今后技术研发明确方向。
3.建立小规模生活污水处理市场准入制度和运行监管机制
借鉴欧美等发达国家经验，对现有的和新研发的小规模生活污水处理技术的技术经济指标进行实地考核，择优选择适合我国国情的技术推广应用。根据污水处理规模建立不同的运行维护监管体系，对于规模较大的镇级污水处理厂可建立在线监测系统，而对于大部分小规模的农村生活污水处理设施，可建立不定期采样监测机制，从制度上保障村镇生活污水处理设施的正常运行。
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