辽河保护区分散式污水处理技术应用与展望

李剑屏，吴俊奇 ，向连城，宋永会，王思宇

1.北京建筑大学环境与能源学院，北京 100044

2.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012

我国经济社会快速发展对区域环境治理提出新的要求。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广大农村、城乡结合部、旅游风景区、度假区等所产生的生活污水，绝大多数只经过简单的处理而未达到国家排放标准或未经过任何处理排入到水体中，导致河流、湖泊等水体遭到污染，还严重威胁到地下水，甚至有些浅层地下水已经遭到污染而不可取用［1］。目前，在我国辽宁省辽河保护区正在进行生态文明示范区建设，其主要内容是在辽河保护区及周边建设生态带、城镇带、旅游带，迫切需要改善辽河水质。因此，对于这些区域水环境的综合治理迫在眉睫，根据该区域污水排放量小且分散、污水水质与水量波动大、可生化性好的特点，采用分散式污水处理技术是解决这些特定区域生活污水的最佳方案。

1 分散式污水处理技术发展

分散式污水处理技术可以满足有排水系统和无排水系统地区废水管理及资源化的要求，它允许以单独处理和就地土壤处理系统作为长期的解决方案［2］。分散式污水处理涉及废水的收集、处理和排放，这些废水源来自单独的住户、组屋以及独立的度假村和风景区。分散处理系统在废水产生点附近收集废水并经过一定工艺处理，处理出水进行回用或补给地下水，产生的少量污泥被送到集中点进一步处理［3］。分散式污水处理技术具有节约管网建设费用、占地面积小、建设周期短、环境影响较小、因地制宜、灵活多样等优点［4］。

发达国家一些地区在农村生活污水处理技术的研究和应用方面积累了很多经验，美国自19 世纪中叶开始建设农村污水处理设施，德国从2003年起开始进行“分散市政基础设施系统”项目研究，有关技术目前已基本成熟［5］。挪威发展了以SBR、移动床生物膜反应器、生物转盘、滴滤池技术为主，并结合化学絮凝除磷的集成小型污水净化装置，如Uponor、BioTrap 和Biovac 等工艺［6-8］。我国大规模地采用分散装置处理生活污水始于20 世纪80年代末，由于基础设施薄弱和资金缺乏，难以在短期内建设完整的城市污水管网及集中污水处理厂，此时化粪池和无动力或微动力的低能耗型污水处理装置的应用对水环境污染控制起到积极作用［9］。污水的分散处理技术(decentralized sanitation and reuse，DESAR)已成为国内外生活污水处理的一种理念和方法［10］。

2 分散式污水处理应用的现状分析

分散式污水处理技术在经历了最初的简单户外污水坑、化粪池，发展到今天较为先进的处理单元［11］，目前可供选择的分散污水处理包括人工湿地系统、稳定塘系统、无动力污水处理系统以及整合物理化学和生物过程的一体化装置等。

2.1 人工湿地系统

人工湿地是参照自然湿地的结构和功能人为设计、建设而成的一种综合生态系统。人工湿地一般由人工基质(多为碎石)和生长在其上的水生植物(如芦苇、茳芏等)组成，是一种独特的“土壤-植物-微生物”生态系统。污水在人工湿地上沿一定方向流动的过程中通过湿地的沉淀、过滤以及生物化学作用对有机污染物进行降解;水中的不溶性有机物，可以很快地被截留继而被微生物利用;水中的可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢过程而被分解去除［12］。人工湿地处理系统可分为表面流湿地、水平潜流湿地和垂直潜流湿地3 种。潜流型人工湿地由于水流在地表以下流动，具有保温性好、处理效果受气候影响小、不易产生恶臭和孳生蚊蝇等优点，是目前应用较多的类型［13］。

人工湿地在欧洲应用较多，20 世纪80年代我国开始陆续在北京等地建设了数十个人工湿地工程，对水污染控制起到了一定的作用［14-15］。人工湿地具有一定的污水净化能力，其对CODCr、BOD5、TN和TP 的去除率分别可达80%、85% ～95%、40% ～50%和80% ～85%［16］。如北京奥林匹克森林公园的4.15 hm2复合垂直流人工湿地(IVCW)每天对从清河污水处理厂引入森林公园的2 600 m3再生水和从奥林湖中抽取20 000 m3循环水进行处理。经过1年多的运行调试，人工湿地的进出水水质监测结果见表1［17］。该人工湿地系统不仅具有增强系统净水的可靠性，同时也实现水处理功能与景观效果的完美结合，构建了一种人与自然和谐的生态环境。

表1 北京奥林匹克森林公园复合垂直流人工湿地实测进、出水水质［17］Table 1 Influent and effluent water quality of IVCW in Olympic Forest Park mg/L

2.2 稳定塘系统

稳定塘是一种利用天然净化能力处理污水的生物处理构筑物，主要是通过菌藻的共生关系对污染物进行处理。在稳定塘系统中，水中有机物主要通过微生物降解、有机颗粒沉降和截滤作用去除;TN主要通过硝化/反硝化、水生植物吸收、NH3挥发3 个过程去除［18］;TP 去除涉及底泥对PO34-的吸附/解吸、磷的扩散、水生植物的吸收等多种机制共同作用。

美国Oswald 教授在传统稳定塘的基础上改进并发展，提出了高效稳定塘。目前高效稳定塘在以色列、摩洛哥、法国、美国、新西兰等国都有研究与应用［19］。与传统稳定塘相比，高效藻类塘具有以下优点:停留时间短、占地面积小、基建投资少、建设容易、维护简便、运行费用低;BOD5、NH3-N、病原体等去除率高;若高效塘后接的是高等水生生物塘，则其中的水生生物不但可以除藻，降低出水的SS，而且能进一步去除水中的氮磷，同时收割的高等水生植物可以作为优良的饲料和肥料［20］。李旭东等［21］利用高效藻类塘处理太湖地区农村生活污水，CODCr平均去除率在70%以上，氨氮去除率为93%，总磷去除率为50%。

2.3 一体化污水处理装置

2.3.1 净化槽

净化槽作为一种一体化分散式污水处理装置，最早起源于日本。从日本各主要厂家生产的净化槽来看，采用的主要工艺包括厌氧过滤、接触氧化、活性污泥、膜处理工艺，也有一些工艺采用了在生化反应单元内投加有效微生物(EM)菌液，用强化系统内微生物作用的方式来增强处理效果［22］。净化槽运行过程中，污水从槽的一端进入系统，由于里面填装有滤材，污水中的固体杂物大部分通过滤材时被去除。厌氧滤床池的主要功能是储存被分离的固体杂物和污泥，同时具有通过滤材里厌氧微生物的厌氧消化来降低污泥产量的功能。在接触曝气池，由鼓风机将空气注入水中，在好氧微生物的帮助下水中有机物得到降解，氨氮被氧化。经过曝气处理后的水流入沉淀池，悬浮物沉入池底;上面干净的处理水流入消毒池，经过氯片消毒后排放。

江苏无锡市自2003年起在太湖周边安装了6 种类型共12 台不同处理工艺和规模的净化槽进行污水处理试验［23-24］。12 台净化槽总体运行效果良好，其中的2 台30 人型(6 m3/d)厌氧滤床-接触氧化净化槽在生活污水进水BOD5、TN 和TP 浓度平均值为200、50 和5 mg/L 时，处理出水中BOD5、TN 和TP 浓度低于10、10 和1 mg/L，污水处理成本为3.9 元/m3。

2.3.2 地埋式污水处理装置

国内对一体化污水处理技术的研究和应用最早开始于20 世纪90年代，也称为地埋式污水处理装置。目前，地埋式污水处理技术按工艺划分有生物接触氧化法、SBR 法、A/O 及A2/O 工艺。处理装置可做成钢制定型设备整体安装或钢混结构现场浇注。

中国农业展览馆污水再利用工程采用的是地埋式SBR 处理工艺，污水处理站的设计流量为650 m3/d，进 水 水 质CODCr≤350 mg/L，BOD5≤200 mg/L，经过工艺处理后出水水质CODCr≤50 mg/L，BOD5≤15 mg/L，SS≤10 mg/L，满足回用水用于绿化和景观环境的水质标准。其工艺流程如图1 所示。

图1 工艺流程Fig.1 Process flow chart

青海省某高速公路收费站流量为3.0 m3/h 的生活污水处理工程，采用的是微生物固定化技术与生物膜技术相结合的工艺，所用装置为地埋式一体化处理器。污水通过排污总管后流经格栅，在去除较大杂物后进入调节沉淀池，在调节沉淀池内均和水量和水质，沉降较大颗粒物。然后由污水泵送至地埋式一体化处理设备，污水中的有机物与BAF 内生物膜进行充分接触，通过微生物的吸附和降解作用使污水得以净化，最后流入二沉池、消毒池后排放。在投入运行半年后，系统基本达到稳定运行，处理效果良好，出水水质达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》的二级排放标准［25］。

2.3.3 无动力地埋式污水处理系统

无动力水处理技术由老式化粪池发展而来，地埋式无动力污水处理系统是运用厌氧消化(主要是厌氧生物滤池)-好氧降解、两段生物膜法等传统的理论、成熟的技术使污水、粪便得以净化，污水按水力位能原理自行运行而无需外加动力［26］。1991年王福庆等［27］在台湾省净化器的基础上研发出微型生活污水净化装置(新型组合化粪池)，选择具有良好性能的滤料，并优选粒径级配、合理确定滤层厚度，创造性地解决了残渣污泥的清淘问题，巧妙地利用厌氧产生的热量将氮、硫化氢、粪臭素等气体经导气管通过建筑物的雨落管由屋顶排出。1995年改称为地埋式无动力生活污水净化装置，并获得国家专利。

2000年韩生健［28］将无动力生活污水处理装置改进成A2/O2系统。实际应用结果表明，该系统对SS、CODCr及BOD5的去除率分别高达98.69%、96.95% 及85.80%，处理后的出水水质达到GB 8978—1996 一级排放标准。2005年沈东升等［29］对农村生活污水地埋式无动力厌氧达标技术进行了研究，设计了2 组两级厌氧反应器，分别为管道式和折流板式反应器，内部都设为空心球填料。5 个月后的中试研究表明，在污水停留时间1 d 的条件下，当实际农村生活污水CODCr、BOD5和SS 平均浓度分别为287.2、120 和73.3 mg/L 时，管道式装置出水CODCr、BOD5和SS 平均去除率为66.1%、70.8%和80.55%;当实际农村生活污水CODCr、BOD5和SS平均浓度分别为288.4、139.8 和96.8 mg/L 时，折流板式装置出水CODCr、BOD5和SS 平均去除率为68.3%、76.2% 和90.2%，出水可以稳定达到GB 8978—1996 二级排放标准。

3 分散式污水处理存在的问题及对策

3.1 分散式污水处理技术的使用

3.1.1 土地处理、稳定塘污水处理方法

充分利用农村周边的渠系、池塘、河流、荒地和农田等，构建水循环系统和水生植物与荒地结合的生态净化系统，以及建设生态农业等措施。如在农村或城乡结合部采用人工湿地系统处理分散式污水，人工湿地和景观学同时运用，将其发展成一种功能式景观，既可以进行污水处理，又可以当作景观来美化环境。

由于土地处理系统水力负荷较低，处理水量越大，占地面积就大，加上我国土地资源十分有限，这是利用生态工程处理分散污水中较为突出的问题。有些地区由于土地面积小，处理污水量大，造成污水处理负荷较大，导致处理系统出水效果较差。

3.1.2 无动力地埋式污水处理方法

地埋式生活污水处理装置因其规模小，可以灵活设置;因其无动力，可以节约能耗;因其采用地埋式，可以不占用土地，节约土地资源。但是因为是地埋式处理设施，将导致系统的维护及维修不便。刘大根等［30］选择湖北省52 套地埋式无动力生活污水处理装置进行了典型抽检，结果表明，该技术对NH3-N、PO43-的去除效果很差，对有机物的处理效果也不佳，而对SS 的去除效果较好。在保留和发扬已有技术的小型、灵活、埋地等优点的基础上，对处理效果不佳等缺陷进行改进，如施加微动力，以改变处理装置供氧不足、微生物活性不够的状况，提高污染物的去除率或者开发新型、高效的生物滤料，提高生物量和处理负荷。

3.1.3 一体化污水处理方法

目前一体化污水处理方法在我国有较广泛的应用，我国现在生产及使用的分散式污水处理装置绝大都是以去除有机物CODCr为目标的，没有对污水进行深度处理，应增加装置中脱氮除磷功效以控制水体的富营养化。

3.2 分散式污水处理设施污泥的处理处置

在分散式污水处理设施中，除土地处理、稳定塘污水处理方法外，一般都会产生剩余污泥，如果不能管理、处置好产生的剩余污泥，将会直接影响到分散式污水处理设施的出水水质。对于规模较小的分散式污水处理设施，因其产生的污泥量较小，可以待污泥累积到一定量后运输至具有污泥处理能力的处理厂站进行集中处理;对于具有一定规模的分散式污水处理设施，因其产生的污泥量较大，先用污泥脱水机将污泥脱水减量后再外运处理或处置，以免造成二次污染。

3.3 分散式污水处理设施的运行管理

土地处理、稳定塘等污水处理设施运行管理较为简单。而我国目前分散式一体化污水处理装置由设备生产厂家生产，设备的使用、维护及管理一般由使用者独立完成或由生产厂家协助完成，很难达到专业、系统的维护管理水平，为使分散式污水处理装置稳定、正常地运行，系统运行和管理必须要由专门公司和专业人员来完成，同时要有专门的机构对装置生产厂家、施工单位、运行维护公司进行管理。

3.4 法律法规的建立

无论是厂家生产的一体化分散式污水处理设备还是现场施工的分散式污水处理设施，国家都没有颁布相关的设计规范、标准以及有效的管理方法，同时也缺乏权威统一的检测、评价手段，致使一些分散式处理装置制作随意，忽略技术参数的科学性和合理性，从而影响整个系统的处理效果。为了促进分散式污水处理系统在我国的普及和健康的发展，相关部门应尽快建立与分散式污水处理系统的设备生产、安装、施工、检修和维护管理等法规、标准、技术规范与指南，使分散式污水处理系统的发展在法规和标准的框架下进行［31］。

4 结语

分散式污水处理系统作为对集中式污水系统的补充方式是不可或缺的，特别是对辽河保护区等区域具有重要的意义。分散式污水处理系统应因地制宜，根据当地人口、地形等情况进行统筹规划设计，借鉴各种实例的经验，探索并改善分散式污水处理技术，实现污水的无害化和资源化。政府需要颁布设计和管理规范，寻求以污水处理市场化为基础的多样化投资来源和管理模式，同时通过宣传和教育达到一定的公众参与度，这样才能真正发挥分散式污水处理技术的作用。

分散式污水处理系统今后应在生态化、节能化、省地化和景观化上进行有效的研究与应用，同时在经济上、技术上符合可持续发展战略的要求，符合辽河流域当前经济发展趋势，充分发挥分散式污水处理系统广泛的社会效益、环境效益和经济效益，这不仅符合国家的节能方针，更重要的是给辽河保护区环境建设带来了新的绿色亮点。

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