中科院新技術(shù)破解我國(guó)小規(guī)模生活污水處理難題
2016-10-10
人類(lèi)生活過(guò)程中產(chǎn)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(wú)毒的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，生活污水 中含氮、磷、硫多，致病細(xì)菌多。中國(guó)目前城市生活污水主要由各個(gè)城市的污水處理廠負(fù)責(zé)，但是村鎮(zhèn)的生活污水處理如果還是按照大型污水處理工藝來(lái)處理，其難點(diǎn)較多，而且也不符合實(shí)際情況，這些污水基本上都是由小規(guī)模生活污水處理廠來(lái)解決。
一、我國(guó)小規(guī)模生活污水處理技術(shù)現(xiàn)狀
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有19000多個(gè)建制鎮(zhèn)，60多萬(wàn)個(gè)行政村，250多萬(wàn)個(gè)自然村(統(tǒng)稱(chēng)為村鎮(zhèn))，其污水排放量約占我國(guó)生活污水總排放量的55%。村鎮(zhèn)污水來(lái)源分散，難于集中，只能通過(guò)建設(shè)小規(guī)模污水處理設(shè)施(日處理數(shù)噸至數(shù)千噸)就近處理。目前，我國(guó)村鎮(zhèn)生活污水處理率很低，已成為區(qū)域水環(huán)境的重要污染源。其主要原因除了經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡、村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)投入較少外，更重要的是現(xiàn)有分散污水處理工藝不符合中國(guó)國(guó)情，致使已建成的污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行率很低。
城市大型污水處理廠普遍采用生化處理技術(shù)工藝，例如按間歇曝氣方式來(lái)運(yùn)行的“序批式活性污泥法”(SBR)、建立在序批式活性污泥法基礎(chǔ)上的“周期循環(huán)活性污泥法”(CASS)、膜生物反應(yīng)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(shù)。這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小、氣候適應(yīng)性強(qiáng)、處理效果穩(wěn)定，但缺點(diǎn)也很明顯，包括運(yùn)行能耗大、管理維護(hù)復(fù)雜、污泥產(chǎn)生量大等。
為了便于維護(hù)和降低污水處理廠運(yùn)營(yíng)的人力成本，我國(guó)城市污水處理廠的規(guī)模往往很大(日處理數(shù)10萬(wàn)噸，甚至過(guò)百萬(wàn)噸)。而我國(guó)鎮(zhèn)級(jí)污水處理廠的日處理規(guī)模一般為數(shù)百?lài)嵵翑?shù)千噸，一座日處理2000噸的污水廠的運(yùn)行費(fèi)用約為100-150萬(wàn)元/年。經(jīng)驗(yàn)表明，如將這類(lèi)工藝用于村鎮(zhèn)污水處理，由于其運(yùn)行費(fèi)用高、管理維護(hù)難度大，我國(guó)大部分村鎮(zhèn)將難以承受，會(huì)導(dǎo)致采用這類(lèi)技術(shù)建成的村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施普遍閑置。因此，目前我國(guó)村鎮(zhèn)污水處理中大量采用土地生態(tài)處理技術(shù)，其中以人工濕地應(yīng)用最廣。
1.人工濕地污水處理技術(shù)
人工濕地是一種工程方案，利用地下人工介質(zhì)中棲息的植物、植物根系、微生物，以及填料介質(zhì)所具有的物理、化學(xué)特性，將污水凈化的技術(shù)工藝。我國(guó)現(xiàn)有的人工濕地污水處理系統(tǒng)以潛流式為主，由于沒(méi)有動(dòng)力曝氣，氧氣在水中的溶解度很低、擴(kuò)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(guó)內(nèi)外大量研究和實(shí)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(yīng)用案例較多的捷克為例，195個(gè)人工濕地的平均占地面積為5.1m2/PE(population equivalent，人口當(dāng)量)。美國(guó)環(huán)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(guó)大部分現(xiàn)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(tǒng)僅可在運(yùn)行初期短暫正常運(yùn)行(除非實(shí)際污水量很小)，大部分系統(tǒng)因?yàn)檠鯕夤?yīng)不足、厭氧菌大量繁殖而變成黑臭污水潭。此外，人工濕地對(duì)磷的去除效果較差，在低溫條件下不能正常運(yùn)行甚至失效。
2.地下滲濾污水處理技術(shù)
地下滲濾污水處理技術(shù)，又稱(chēng)為化糞池系統(tǒng)(Septictank systems),因其突出的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，是北美、澳洲等地污水分散處理的首選技術(shù)。然而，由于設(shè)計(jì)欠佳、未考慮不同土壤類(lèi)型差異、缺少維護(hù)等原因，部分地下滲濾系統(tǒng)處理效果較差;同時(shí)，由于非飽和帶中缺少碳源，從而抑制了反硝化脫氮，最終導(dǎo)致硝酸鹽滲入地下水，這被認(rèn)為是正常運(yùn)行的地下滲濾系統(tǒng)最為普遍的環(huán)境危害。此外，傳統(tǒng)地下滲濾技術(shù)用地面積很大(>20m2/噸水•天)，難以在我國(guó)推廣應(yīng)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(shè)成本。
3.其他污水處理技術(shù)
此外，我國(guó)部分地區(qū)也采用了其他技術(shù)。穩(wěn)定塘技術(shù)是由若干自然或人工挖掘的池塘組成，通過(guò)菌藻、水生生物等綜合作用而實(shí)現(xiàn)污水凈化的目的，其具有基建投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)單、不產(chǎn)生污泥等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)穩(wěn)定塘占地面積大、受氣候影響大，出水水質(zhì)一般也不能達(dá)到較嚴(yán)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。生物接觸氧化法在我國(guó)部分地區(qū)應(yīng)用較多，兼有活性污泥法及生物膜法的特點(diǎn)，該法在池內(nèi)設(shè)置填料，進(jìn)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(hù)復(fù)雜、對(duì)總氮和總磷去除效果較差。
“非爾脫”(FILTER)污水處理系統(tǒng)源自澳大利亞，是一種“過(guò)濾、土地處理與暗管排水相結(jié)合的污水處理與再利用系統(tǒng)。其原理類(lèi)似于種植農(nóng)作物的垂直流人工濕地，由于以土壤做濾料，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)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(qū)。該系統(tǒng)受氣候和作物生長(zhǎng)季節(jié)限制，水力負(fù)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(shù)的不足，有些采用組合工藝處理農(nóng)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(shè)和運(yùn)行費(fèi)用往往更高，使其在我國(guó)推廣受限。
由于我國(guó)土地資源珍貴、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)(村鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)承受能力更小)、缺少小規(guī)模污水處理設(shè)施的運(yùn)行保障機(jī)制、氣候條件的地域性和季節(jié)性變化大，上述技術(shù)均不能滿(mǎn)足國(guó)情要求，在我國(guó)適用性差。因此，亟需研發(fā)和推廣占地面積小、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低、管理維護(hù)簡(jiǎn)便、處理效果好的小規(guī)模污水處理技術(shù)。
二、高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)研究成果與進(jìn)展
針對(duì)我國(guó)村鎮(zhèn)缺少適用的小規(guī)模生活污水處理技術(shù)的困境，在中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的資助下，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)10多年研發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)明了高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，使我國(guó)在分散型污水處理領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)工藝流程如圖1所示。污水經(jīng)過(guò)格柵、沉淀和厭氧酸化水解后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，然后定時(shí)定量地被輸送到高負(fù)荷地下滲濾單元，使污水在不同功能結(jié)構(gòu)層中橫向運(yùn)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(zhuǎn)化而去除。為保障氧氣供給，落干期間對(duì)高負(fù)荷地下滲濾單元進(jìn)行間歇供氧(換氣)。污水經(jīng)過(guò)缺氧深度處理單元，進(jìn)一步提高脫氮除磷效果，達(dá)標(biāo)后排放。該工藝的核心為高負(fù)荷地下滲濾和深度處理單元，創(chuàng)新也主要集中于此。
1.技術(shù)工藝突破
對(duì)我國(guó)而言，水力負(fù)荷低是限制地下滲濾技術(shù)推廣應(yīng)用的首要因素，其主要成因是死亡微生物的超量累積導(dǎo)致地下滲濾系統(tǒng)堵塞，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)堵塞首先出現(xiàn)在濾層頂部附近，由此導(dǎo)致氧氣供應(yīng)不足，進(jìn)而會(huì)大大加速系統(tǒng)堵塞，形成惡性循環(huán)，限制了水力負(fù)荷的提升。與此同時(shí)，地下滲濾技術(shù)的反硝化脫氮和長(zhǎng)期除磷效果也有待提升。為解決這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了以下技術(shù)創(chuàng)新工作：
(1)通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)滲濾系統(tǒng)的自檢反饋，合理控制系統(tǒng)中的污水運(yùn)移和污染物負(fù)荷的分配，完全避免水流受阻和系統(tǒng)堵塞。
(2)通過(guò)優(yōu)化不同功能-結(jié)構(gòu)層的濾料配方，強(qiáng)化濾料對(duì)污染物的去除效果，合理控制污水在滲濾系統(tǒng)中的停留時(shí)間，平衡污水負(fù)荷能力與處理效果的關(guān)系。
(3)通過(guò)運(yùn)行模式創(chuàng)新(間歇性進(jìn)水、落干期間適量通風(fēng))，避免淹水曝氣，實(shí)現(xiàn)微動(dòng)力通風(fēng)供氧;為供氧裝置增設(shè)加熱功能，使其可以根據(jù)室外溫度自行調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的空氣溫度，保障系統(tǒng)在低溫條件下能正常運(yùn)行;此外，通過(guò)技術(shù)手段使?jié)B濾系統(tǒng)出現(xiàn)兼性厭氧(淹水)和好氧(落干)交替的環(huán)境，好氧硝化形成的硝酸鹽在隨后的兼性厭氧環(huán)境下利用污水和老化生物膜中的有機(jī)碳進(jìn)行反硝化作用，大大增強(qiáng)脫氮效果。
(4)通過(guò)微生物工程技術(shù)，提升老化微生物(污泥)的分解速度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的污染物負(fù)荷能力。此外通過(guò)集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)不同處理單元(尤其是高負(fù)荷地下滲濾單元與深度處理單元)之間的協(xié)同耦合，保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
2.主要優(yōu)勢(shì)
通過(guò)以上技術(shù)創(chuàng)新，使高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)具備了以下優(yōu)勢(shì)：(1)占地面積較小。日處理1噸污水占地1.5—2.0m2，地表可規(guī)劃為花園、旱地、休閑場(chǎng)地等。(2)建設(shè)投資較低、運(yùn)行成本小，維護(hù)簡(jiǎn)便。建設(shè)成本與傳統(tǒng)工藝相近，大大低于常規(guī)生態(tài)和土地處理工藝，運(yùn)行電耗<0.1度電/噸污水。設(shè)備簡(jiǎn)單，且為間歇性短時(shí)工作，故障率很低，幾乎無(wú)需日常維護(hù)。(3)系統(tǒng)出水水質(zhì)好。該系統(tǒng)具有脫氮除磷功能，出水水質(zhì)可達(dá)城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)A類(lèi)排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)，且運(yùn)行穩(wěn)定。(4)系統(tǒng)運(yùn)行幾乎不受氣候條件影響。系統(tǒng)設(shè)置于地下，可以人為調(diào)節(jié)生物膜溫度，確保系統(tǒng)出水全年均可達(dá)標(biāo)排放。(5)使用靈活，無(wú)二次污染。該工藝日處理污水?dāng)?shù)噸至數(shù)千噸，且不排放污泥，無(wú)異味、無(wú)噪聲，不滋生蚊蟲(chóng)，節(jié)省污泥處置費(fèi)用，避免了二次污染。
基于上述創(chuàng)新，研究團(tuán)隊(duì)已獲6項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文23篇，其中SCI論文16篇。該技術(shù)于2010年入選住建部和科技部“村鎮(zhèn)宜居型住宅技術(shù)推廣目錄”，多年連續(xù)入選環(huán)保部“國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)技術(shù)目錄”。
3.技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)生的效益
高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)克服了污水生化處理及其衍生技術(shù)運(yùn)行成本高、管理維護(hù)復(fù)雜的缺點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)生態(tài)處理技術(shù)占地面積大、脫氮除磷效果差、氣候適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，正成為我國(guó)村鎮(zhèn)地區(qū)不可或缺的生活污水處理技術(shù)。2008年以來(lái)，采用該技術(shù)在全國(guó)15個(gè)省市(自治區(qū))建成污水處理設(shè)施近400座，單座處理規(guī)模15—3000噸/天，總處理規(guī)模約8萬(wàn)噸/天。通過(guò)這些設(shè)施的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值約3億元，與生化處理技術(shù)比較，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用近5000萬(wàn)元/年，節(jié)約運(yùn)行電耗約1500萬(wàn)度/年，相當(dāng)于節(jié)約6000多噸標(biāo)準(zhǔn)煤，從而可減少相應(yīng)電煤燃燒產(chǎn)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(wàn)噸污泥排放所帶來(lái)的環(huán)境危害。隨著該技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益也將進(jìn)一步大幅度增加。
三、小規(guī)模生活污水處理技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)
當(dāng)前，隨著國(guó)家和地方政府對(duì)農(nóng)村生活污水治理的日益重視和投入不斷增加，農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量狀況迎來(lái)了重大的改善契機(jī)，也為小規(guī)模生活污水處理技術(shù)提供了廣闊的市場(chǎng)。然而，小規(guī)模生活污水處理技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中也面臨著一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)：
1.污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，污水處理技術(shù)亟待提升
為控制和改善由氮磷過(guò)量排放引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化，我國(guó)的城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格。例如，2012年實(shí)施的北京市地方標(biāo)準(zhǔn)(DB11/890-2012)大幅度降低了城鎮(zhèn)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(duì)所有污水處理技術(shù)均是重大挑戰(zhàn)。
2.亟需制定國(guó)家級(jí)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物排放標(biāo)準(zhǔn)
雖然我國(guó)一些省市出臺(tái)了農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物地方排放標(biāo)準(zhǔn)，但排放限值差異較大，同時(shí)我國(guó)仍未建立國(guó)家級(jí)的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施排放標(biāo)準(zhǔn)，大部分農(nóng)村污水處理設(shè)施均套用城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)農(nóng)村的水質(zhì)水量特點(diǎn)和排放特征與城市有很大差異，統(tǒng)一套用城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，不利于我國(guó)農(nóng)村生活污水的防治和處理。
3.缺乏相關(guān)技術(shù)市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制和設(shè)施運(yùn)行監(jiān)管機(jī)制
我國(guó)小規(guī)模生活污水處理設(shè)施的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，各種技術(shù)良莠不齊;另外，也缺乏相應(yīng)的市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制，更缺乏對(duì)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)的監(jiān)管，這也是導(dǎo)致大量已建設(shè)施正常運(yùn)行率很低的原因。
四、討論與建議
隨著我國(guó)人民生活水平的提高和生活方式的改變，農(nóng)村生活污水的排放量將會(huì)越來(lái)越大。農(nóng)村生活污水治理是我國(guó)當(dāng)前推進(jìn)的新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容，關(guān)系到廣大農(nóng)民的切身利益，牽涉到全國(guó)人民的基本利益，影響到國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)村生活污水治理不僅是技術(shù)問(wèn)題，也需要政府出臺(tái)和完善各項(xiàng)配套扶持政策，從法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)制定、市場(chǎng)準(zhǔn)入、運(yùn)行管理等多方面著手，破解我國(guó)小規(guī)模生活污水治理的難題。為此，研究團(tuán)隊(duì)提出以下建議：
1.對(duì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，進(jìn)一步提升其適用性
總氮和總磷是所有污水處理技術(shù)難以達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵參數(shù)。碳源缺乏限制了對(duì)總氮的進(jìn)一步去除，如何充分利用污水和老化生物膜中的有機(jī)碳源是強(qiáng)化系統(tǒng)反硝化功能的研究重點(diǎn)。建議聯(lián)合運(yùn)用植物、微生物、填料系統(tǒng)的固磷功能等多種手段強(qiáng)化系統(tǒng)的除磷能力。
2.制定中國(guó)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物排放標(biāo)準(zhǔn)
農(nóng)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(biāo)準(zhǔn)僅簡(jiǎn)單參照城鎮(zhèn)生活污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)往往存在一定問(wèn)題。所以，應(yīng)根據(jù)污水的最終去向制定適合我國(guó)農(nóng)村實(shí)際情況的生活污水處理設(shè)施污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，為今后技術(shù)研發(fā)明確方向。
3.建立小規(guī)模生活污水處理市場(chǎng)準(zhǔn)入制度和運(yùn)行監(jiān)管機(jī)制
借鑒歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有的和新研發(fā)的小規(guī)模生活污水處理技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)地考核，擇優(yōu)選擇適合我國(guó)國(guó)情的技術(shù)推廣應(yīng)用。根據(jù)污水處理規(guī)模建立不同的運(yùn)行維護(hù)監(jiān)管體系，對(duì)于規(guī)模較大的鎮(zhèn)級(jí)污水處理廠可建立在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而對(duì)于大部分小規(guī)模的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施，可建立不定期采樣監(jiān)測(cè)機(jī)制，從制度上保障村鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行。
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