高负荷地下渗滤污水处理复合技术

水资源具有多方面的属性，既是自然资源、又是经济资源，更是战略资源，同时拥有物质资源和生活资源基本功能。而我国的人均水资源量仅为世界平均水平的1/4。因为水资源污染严重，我国的七大水系几乎失去灌溉功能。水污染不仅危害人居环境，破坏生态系统，而且严重威胁水资源安全，是我国生态文明建设和可持续发展面临的严峻挑战。

由于城市土地资源十分珍贵，用地面积小是城市污水处理技术选择中最重要的考量。因此，生物处理技术（活性污泥法、SBR序批式活性污泥法、CASS周期循环活性污泥法等）成为必然选择，但污水生物处理技术均需要强动力曝气，设备多，需要多个专业领域技术人员的共同维护。为了便于维护和监管，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很大（日处理能力高达数十万吨，甚至过百万吨），导致污水收集范围大，污水管网的建设投资很高、难度大，致使污水收集管网建设严重滞后，城市黑臭河涌仍大量存在，并且难以实现城市污水处理的全覆盖。因此，集中处理与分散处理相结合是世界各国城市污水处理的共同选择。另一方面，我国小城镇、农村等分散点源生活污水排放量巨大，适宜采用小规模污水处理设施就近处理，但处理率很低，其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，更重要的是所采用的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。因此，研发和推广适合国情的污水处理新技术，对于我国的水环境保护和生态文明建设至关重要。

常规污水处理技术在我国分散点源污水处理中的适用性差，相关技术工艺虽然种类繁多，但可归纳为生物处理技术和生态处理技术两大类。生物处理技术包括大型污水处理厂的常用技术以及生物膜法、日本的净化槽技术等，其共性是采用强动力曝气供氧，运行能耗高，故障率高，需要专业人员维护；小规模的处理系统常制造成地埋式一体化设备，占地面积较小，在我国农村污水处理中比较常用，但往往因运行能耗大、系统维护成本高，使之因“建得起用不起”而被闲置。生态处理技术最常用的是人工湿地，以潜流式湿地为主，由于没有有效的供氧機制，国内外大量研究和实践均证明，日处理1吨污水需湿地面积10m2以上（美国环保署建议15-20m2），然而为了减少用地和控制投资，我国的应用案例几乎都是日处理1吨污水占地2-3m2（有的规模更小），并由此得出“人工湿地投资小”的错误论点，其结果是系统正常运行的时间很短（除非污水量很小），后因氧气供应不足使厌氧菌大量繁殖而变成黑臭污水潭，成为集中排污点，危害周围环境和居民生活；此外人工湿地系统在冬季低温条件下不能正常运行甚至失效已是共识，因此采用人工湿地进行污水处理在大多数情况下是不适用的。生物+生态组合技术处理效果良好，但其生物处理单元的运行费用和管理维护问题同样突出。

中国科学院广州地球化学研究所科研人员经过10多年的努力，研发了“高负荷地下渗滤污水处理复合技术（HLSL）”。地下渗滤是一种经济和环境效益最好的国际领先的污水生态处理新技术，也是北美和欧洲生活污水现场（分散）处理的首选技术。其基本原理是将污水通过埋在地下的散水管网投配到高负荷地下渗滤单元，使污水在人工滤料中横向运移和竖向渗滤，其中的污染物被不同功能一结构层的滤料拦截、吸附，并最终通过微生物分解转化，其出水经过缺氧滤池进行脱氮和深度除磷。该技术获10项中国发明专利授权和实用新型专利授权，获得“中国科学院2015年度科技促进发展奖”（省部级）二等奖，2010、2012和2013年连续入选环境保护部“国家鼓励发展的环境保护技术目录”，2010年入选住房和城乡建设部、科学技术部“村镇宜居型住宅技术推广目录”，2009年入选住建部“全国农村污水处理优秀技术案例”，2008年以来在各省市建成示范和应用工程400多项，出水水质可达到城市污水处理厂一级A类排放标准（GB18918-2002）。

高负荷地下渗滤工艺具有以下主要优点和技术经济指标：①用地较少且不需要专用土地：日处理1吨污水的总系统用地约2.0m2，地表可规划为花园绿地、建设人行道供休闲小憩，或用作旱地。②一次性投资小：由于系统规模较小，其建设成本较低。③运行电耗很低：<0.1度/吨污水。④操作维护简便：设备简单且间歇性短时工作，使用寿命长，几乎不需要日常管理。⑤处理效果好，运行稳定：出水可达到城镇污水处理厂一级A类排放标准（GB18918-2002）。⑥无二次污染：无异味，不滋生蚊虫，将污水处理厂变成公园。⑦受气候条件影响小：在北方、冬季均可正常运行。⑧符合国情需求：我国土地资源珍贵，经济欠发达，缺少污水分散处理设施运行保障机制，气候条件变化大。为了保障污水分散处理设施的建设和正常运行，本技术在大多数情况下具有不可替代性。

高负荷地下渗滤污水处理复合技术的工艺流程如下图所示。其中的高负荷地下渗滤单元由不同的功能一结构层科学组合而成，每个功能一结构层有特定的滤料配方，其中有多层水平和垂直分布的管网，控制水和气的运移，并辅以合理优化的运行模式，以控制污染物的迁移和微生物群落分带；通过加入特定功能的高效微生物菌剂，以加速污染物的分解转化。该技术通过使污染物负荷在地下渗滤单元内部以及地下渗滤单元与深度处理单元之间自动调节分配，将高负荷地下渗滤系统与人工湿地系统有机结合，实现了系统的自动反馈调整和不同子系统之间的协同耦合，保障系统的长期稳定运行。

2014年6月，中国科学院院长、中国科学院大学（简称“国科大”）名誉校长白春礼院士前往中国科学院广州地球化学研究所调研了解“高负荷地下渗滤污水处理复合技术”；2015年7月，国科大新建的雁栖湖校区开始修建以净化东西校区生活污水、实现校园污水零排放为目的的高负荷地下渗滤污水处理系统——HSL新型污水处理站。包括实验室的一般废水也可排入HSL系统进行处理，含有重金属、强酸碱的废水需先经过特殊处理，才能排入HSL系统。HSL技术发明者、项目首席科学家、国科大博士生导师陈繁荣教授带领中科院广州地化所下属企业——广州中科碧疆环保科技有限公司的团队人员负责雁栖湖污水处理站的技术指导和工艺安装，其项目负责人李宁说：“东区污水处理站占地2200m²左右，处理规模为1300t/d，西区污水处理站占地1500m²左右，处理规模为800t/d。污水转化为中水的概率可达90%以上，中水水质能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，中水可全部回用，实现校园污水零排放。”“污水处理站产生的大量中水，也可代替清水用于校园绿化灌溉、广场和道路冲洗、厕所冲洗、车辆清洗及建筑用水等，每年可节约大量清水。该站的建设运行，对怀柔和雁栖湖的生态环境保护，将起到积极的推动作用，其采用的高负荷地下渗滤污水处理复合技术（HSL），也将成为北京郊区污水处理工程示范。”