分散式面源生活污水生態(tài)處理技術(shù)
發(fā)布日期：2017-11-16 點(diǎn)擊：900
快速城市化在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)迅猛發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了城市水環(huán)境嚴(yán)重破壞的問(wèn)題，日益激化了水資源供需矛盾。水體污染可分為兩大類：點(diǎn)源污染與非點(diǎn)源污染。非點(diǎn)源污染主要是面源污染，是指污染物在降水徑流淋洗與沖刷大氣的作用下以廣域分散的形式進(jìn)入受納水體引發(fā)的水體污染。PRAKASH等采用遙感和GIS技術(shù)建立模型，發(fā)現(xiàn)城郊結(jié)合部住宅區(qū)是硝酸鹽污染的最強(qiáng)來(lái)源。我國(guó)晉江流域非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷研究發(fā)現(xiàn)：非點(diǎn)源氮負(fù)荷為12 298.95t/a，主要來(lái)自畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流和農(nóng)村生活污水，其貢獻(xiàn)率分別為31.72%、26.38%和17.44%;非點(diǎn)源磷負(fù)荷為667.04t/a，主要來(lái)自土壤侵蝕、農(nóng)田徑流和農(nóng)村生活污水，其貢獻(xiàn)率分別為43.27%、21.10%和12.25%。另有研究證實(shí)中國(guó)絕大數(shù)流域，如太湖、滇池等，面源中的城郊與農(nóng)村地區(qū)分散性生活污水排放、農(nóng)田徑流等是造成水體污染的主要原因，其貢獻(xiàn)率總計(jì)超過(guò)70%，遠(yuǎn)高于來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)和城市生活排污造成的點(diǎn)源污染。
近年來(lái)，城市地區(qū)環(huán)保資金投入巨大，管網(wǎng)不斷完善、污水處理廠大批興建以及相關(guān)法律法規(guī)逐步完善與落實(shí)，城市水體污染控制取得了一定成果，但是黑臭河道整治、景觀水復(fù)原等仍是較發(fā)達(dá)東部城市急需解決的問(wèn)題，而分散式面源生活污水是其重要污染來(lái)源。相比于集中式點(diǎn)源污染治理，面源污染治理是一個(gè)更加復(fù)雜與困難的問(wèn)題。城市面源生活污水主要是城郊地區(qū)與上游農(nóng)村地帶無(wú)序排放的生活污水，考慮到這些地區(qū)人口居住相對(duì)分散，管網(wǎng)建設(shè)投資大，采用集中式污水處理廠處理效益不高。因此，探求經(jīng)濟(jì)、實(shí)效的分散式生活污水處理法成為恢復(fù)和維護(hù)城市水環(huán)境的關(guān)鍵之一。
1 國(guó)內(nèi)外分散式面源生活污水處理概況
1.1 國(guó)外面源生活污水治理
針對(duì)面源生活污水處理的研究在國(guó)外早已展開。美國(guó)于20世紀(jì)70年代初期開始研究并在公共衛(wèi)生和環(huán)保界達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為分散式的處理系統(tǒng)將作為一種永久性的處理方法用于分散式面源污染治理，而且近年來(lái)也一直致力于提高其處理效率，尤其重視開發(fā)和應(yīng)用就地處理系統(tǒng)。美國(guó)約25%的廢水采用分散式的處理系統(tǒng)，其中最普遍的分散式處理系統(tǒng)是在化糞池后加一個(gè)亞土層過(guò)濾系統(tǒng)。挪威鑒于居民房屋分布比較分散且很多是建立在巖石上，無(wú)法采用土地滲濾進(jìn)行污水的就地處理，因而發(fā)展了以SBR、生物轉(zhuǎn)盤、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器等技術(shù)為主，并結(jié)合化學(xué)絮凝除磷的集成式小型污水凈化裝置。日本凈化槽技術(shù)到目前已經(jīng)發(fā)展了50多年，至2005年凈化槽的服務(wù)人口數(shù)約1 093萬(wàn)人。澳大利亞開發(fā)了一種過(guò)濾和灌溉作物的污水土地處理系統(tǒng)，稱為“FILTER”，污水通過(guò)灌溉土地處理后得到凈化，再利用地下暗管將其匯集和排出。BDOUR等對(duì)地中海城市地區(qū)可持續(xù)的污水處理與回用技術(shù)總結(jié)中認(rèn)為，氧化塘、濕地、上流式厭氧污泥反應(yīng)器和土壤含水層處理技術(shù)是最合適的技術(shù)。HUG 等認(rèn)為，分散式處理方式在很多地區(qū)能有效替代集中式污水管網(wǎng)和污水處理廠，并且建立了相關(guān)模型用于集中監(jiān)控分散式離線處理方式獲得的處理效果。
1.2 國(guó)內(nèi)面源生活污水治理
我國(guó)面源污染研究早期主要對(duì)滇池、太湖等進(jìn)行探索性研究。近年來(lái)，眾多專家學(xué)者也對(duì)從外國(guó)引進(jìn)的凈化槽技術(shù)、FILTER工藝、人工濕地等技術(shù)進(jìn)行了多方探討和嘗試。但是，目前我國(guó)大部分城郊及農(nóng)村地區(qū)還沒有較完善的分散式污水處理設(shè)施，即使是沿海經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城郊及農(nóng)村地區(qū)，家庭排放的生活污水一般只經(jīng)過(guò)化糞池簡(jiǎn)單處理，而化糞池?zé)o法有效去除污染物，加之下墊面越來(lái)越多地被水泥、柏油等覆蓋，污染物下滲受到限制，更多的污染物通過(guò)匯流進(jìn)入附近流域的河流或水庫(kù)。
在分散式面源生活污水處理方面，江蘇省江陰市走在國(guó)內(nèi)前列，于2009年11月確立對(duì)無(wú)法接管且規(guī)劃保留的居民點(diǎn)的生活污水，采用高效、低耗、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)簡(jiǎn)單的污水處理技術(shù)。我國(guó)城鎮(zhèn)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平不及西方發(fā)達(dá)國(guó)家，生活習(xí)慣的差異造成污水成分差異較大，同時(shí)國(guó)外對(duì)技術(shù)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)與限制，使得國(guó)內(nèi)無(wú)法直接利用國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)來(lái)解決國(guó)內(nèi)面源生活污水處理的難題。目前而言，因地制宜的分散式生態(tài)污水處理方法具有處理效果穩(wěn)定、投資少、管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，不僅適合我國(guó)當(dāng)前的國(guó)情，而且符合生態(tài)化、可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，得到了越來(lái)越多專家學(xué)者的認(rèn)可，被認(rèn)為是一種極具潛力的處理方法。
2 分散式面源生活污水生態(tài)處理技術(shù)
分散式面源生活污水治理主要采用人工濕地、穩(wěn)定塘和土地處理等3種生態(tài)處理技術(shù)。
2.1 人工濕地技術(shù)
人工濕地系統(tǒng)在生活污水治理方面的成效已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者證實(shí)。吳昊等對(duì)四川廣元昭化鎮(zhèn)人工濕地應(yīng)用于農(nóng)村污水中主要污染物去除效果及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較分析，表明污水COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別可以達(dá)到82.2%、65.7%、55.0%、94.0%，一次投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都較小。MERLIN 等全面評(píng)價(jià)位于法國(guó)高海拔地區(qū)已運(yùn)行6年的垂直流人工濕地，用于處理邊遠(yuǎn)山區(qū)的生活污水，證實(shí)該種方法是一種可以用于邊緣地區(qū)替代常規(guī)污水處理方法的生態(tài)技術(shù)。SOLANO等研究了應(yīng)用濕地作為長(zhǎng)久性方案處理小鄉(xiāng)村生活污水，只需經(jīng)過(guò)前期簡(jiǎn)單去除粗砂、重固體和漂浮物質(zhì)，單一濕地系統(tǒng)即可作為長(zhǎng)期的生活污水處理方法。STEER等研究評(píng)價(jià)了美國(guó)俄亥俄州住宅人工濕地系統(tǒng)處理污水的效能，濕地系統(tǒng)能達(dá)到美國(guó)環(huán)境保護(hù)署對(duì)于污染物減量化的要求，其中出水BOD低于30mg/L，去除率達(dá)到89%;總懸浮固體低于30mg/L，去除率達(dá)到79%;每100mL出水大腸桿菌低于1 000個(gè);磷排放質(zhì)量濃度1mg/L，去除率50%;氮排放質(zhì)量濃度1.5mg/L，去除率16%。
2.2 穩(wěn)定塘技術(shù)
國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)穩(wěn)定塘及其與其他工藝結(jié)合的聯(lián)合工藝應(yīng)用于面源生活污水處理做了不少研究工作。周煒峙等認(rèn)為，對(duì)于部分受地形限制無(wú)法納入城市市政系統(tǒng)的村鎮(zhèn)生活污水，采用厭氧水解—穩(wěn)定塘工藝的出水水質(zhì)可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。ZHAO等在穩(wěn)定塘中增加了人造纖維作為載體，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物、氨氮的去除效果得到了很大的提升，出水水質(zhì)明顯好于單一穩(wěn)定塘，并且相對(duì)穩(wěn)定。BONOMO等為找到一種可靠、簡(jiǎn)易、低成本的小型廢水處理系統(tǒng)，研究了以浮萍為基礎(chǔ)的穩(wěn)定塘處理村鎮(zhèn)或社區(qū)污水的效果，TSS 去除率為55%～88%，COD去除率大于75%，但是冬季降至60%，總氮的去除只能在外部曝氣的條件下獲得，總磷的去除效果不明顯。KATSENOVICH 等分析評(píng)價(jià)了種植有植物的兼性塘長(zhǎng)期用于凈化處理農(nóng)村生活污水的效能，系統(tǒng)COD 平均去除率為76%，BOD5為93%，TSS為80%，氨氮為89%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著季節(jié)的變化，氧化塘中的微生物群落也發(fā)生了明顯變化。
2.3 土地處理系統(tǒng)技術(shù)
2008—2010年，上海在開展郊區(qū)農(nóng)村生活污水治理的8個(gè)區(qū)縣中，7個(gè)區(qū)縣采用了土壤滲濾系統(tǒng)，且其安裝數(shù)量占該區(qū)縣系統(tǒng)總數(shù)的比例幾乎均在50%以上，甚至高達(dá)100%。在國(guó)外，美國(guó)約有36%的農(nóng)村及零星分布的家庭住宅采用滲濾裝置處理生活污水;瑞典、芬蘭和挪威等國(guó)家，約有100多萬(wàn)散居住戶采用滲濾系統(tǒng)處理生活污水。根據(jù)土地處理系統(tǒng)中水流運(yùn)動(dòng)的速率和流動(dòng)軌跡的不同，土地處理系統(tǒng)可分為4種類型：慢速滲濾系統(tǒng)、快速滲濾系統(tǒng)、地表漫流系統(tǒng)和地下滲濾系統(tǒng)。慢速滲濾系統(tǒng)的污水投配負(fù)荷一般較低，滲濾速度慢，主要用于污水的深度處理。項(xiàng)愛枝等采用UASB+SBR+ASBR+土地處理系統(tǒng)處理養(yǎng)豬廢水，其中慢速滲濾土地處理系統(tǒng)作為深度處理工藝，對(duì)COD、BOD5和氨氮去除率都在99%以上�？焖贊B濾系統(tǒng)是將廢水有效控制地投配到具有良好滲濾性能的土壤如砂土、沙壤土表面，水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷較其他類型的土地處理系統(tǒng)高很多，是目前研究和應(yīng)用較多的一種土地處理類型。地表漫流系統(tǒng)相對(duì)其他類型的土地處理系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)較少。袁宜如等采用地表漫流系統(tǒng)為主要工序處理九江校園生活污水，其出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
地下滲濾系統(tǒng)是將廢水有控制地投配到距地表一定深度、具有一定構(gòu)造和良好擴(kuò)散性能的土層中，使廢水在土壤的毛細(xì)管浸潤(rùn)和滲濾作用下，向周圍運(yùn)動(dòng)且達(dá)到凈化廢水要求的土地處理系統(tǒng)。地下滲濾系統(tǒng)的布水系統(tǒng)埋于地下，不影響地面景觀，負(fù)荷較低，對(duì)污染物的去除效果好。沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所在“八五”期間修建了處理規(guī)模為50m3/d的地下滲濾示范工程;“九五”期間修建了處理規(guī)模為300m3/d的示范工程。張建等采用紅壤土作為填充土壤，在2cm/d的水力負(fù)荷下，進(jìn)行了地下滲濾系統(tǒng)處理村鎮(zhèn)生活污水的現(xiàn)場(chǎng)中試，出水達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2002);2004年采用地下滲濾系統(tǒng)處理滇池流域的村鎮(zhèn)生活污水，工程設(shè)計(jì)處理水量為30m3/d，設(shè)計(jì)水力負(fù)荷為0.08m3/(m2˙d)，獲得對(duì)COD、總氮和總磷的去除率分別達(dá)到86.7%、85.5%和96.5%;同年，通過(guò)向處理生活污水的地下滲濾系統(tǒng)內(nèi)摻加10%(體積分?jǐn)?shù))的草炭，啟動(dòng)時(shí)間從70d縮短到30d，氨氮和總氮的平均去除率也由原來(lái)的83%和69%分別提高到95%和80%。尹海龍等通過(guò)建立地下水?dāng)?shù)學(xué)模型，試圖優(yōu)化土壤滲濾工程運(yùn)行控制中水力負(fù)荷與地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)井的布設(shè)。嚴(yán)群等則采用能增加土地毛管滲濾系統(tǒng)水力滲透性能的煤渣及提高土壤通氣性能的草炭，與土壤合并作為地下滲濾系統(tǒng)的填料并采用不同的填料裝填方式，增加對(duì)污染物的去除效果。馬利民等通過(guò)對(duì)復(fù)合垂直流滲濾系統(tǒng)中增加球型填料，利用生物強(qiáng)化來(lái)提高垂直流滲濾系統(tǒng)對(duì)城市生活污水污染物去除能力。孔剛等對(duì)比了標(biāo)準(zhǔn)型、深型及淺型毛細(xì)管等3種構(gòu)造的地下土壤滲濾溝去除模擬農(nóng)村生活污水氮、磷，得出毛細(xì)管型構(gòu)造滲濾溝在布水均勻性、穩(wěn)定性及氮、磷去除效果等方面均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)型構(gòu)造的滲濾溝;2009年構(gòu)建了一種新型地下土壤滲濾系統(tǒng)，通過(guò)縮短布水管間距，在同一滲濾溝內(nèi)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)干/濕交替運(yùn)行，保證了處理效率，減少了占地。張之崟等就上海虹橋機(jī)場(chǎng)圍場(chǎng)河典型污染河段進(jìn)行土壤滲濾法水質(zhì)生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)，COD去除率達(dá)到75.8%，總磷得到完全去除。
地下滲濾系統(tǒng)長(zhǎng)期處于持水飽和狀態(tài)時(shí)，又被稱為土壤含水層處理(SAT)。土壤滲濾系統(tǒng)中SAT系統(tǒng)應(yīng)用和研究最為廣泛，美國(guó)農(nóng)村地區(qū)大量的家庭即利用花園使用了這種高效、低能、管理簡(jiǎn)易的生態(tài)工程技術(shù)。從20世紀(jì)90年代開始，國(guó)外從各方面對(duì)SAT進(jìn)行了深入而廣泛的研究，特別是污水回用方面。KANAREK 等于1996年介紹了以色列Dan地區(qū)城市污水處理廠出水深度處理工程，指出在5年時(shí)間內(nèi)該工程為國(guó)家提供了4億m3可用于灌溉的回用水。GANOULIS等對(duì)SAT 處理廢水用于回用水做了風(fēng)險(xiǎn)分析。NEMA 等對(duì)SAT 做了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。AKBER等在科威特采用SAT 工藝時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管系統(tǒng)運(yùn)行將近30年，但對(duì)氨氮、有機(jī)碳、病毒、重金屬等仍然保持良好的處理效果。此外，研究者還從水利條件953-964，、滲透性等動(dòng)力學(xué)角度研究SAT 去除污染物的效能與機(jī)制。此外，性激素、藥物等難降解有機(jī)物的去除是目前學(xué)者研究的熱點(diǎn)，而其中微生物群落分布則是研究的難點(diǎn)。
3 存在問(wèn)題
上述生態(tài)處理技術(shù)中，人工濕地技術(shù)對(duì)于土地類型和面積有一定的要求。目前，沼澤、池塘及閑置土地的面積都在快速縮減。白軍紅等對(duì)霍林河流域研究發(fā)現(xiàn)，1996—2000年，沼澤、河流和湖泊濕地面積都呈現(xiàn)凈減少變化趨勢(shì)。陳靜等研究發(fā)現(xiàn)，1986—2000年?yáng)|北地區(qū)沼澤濕地總面積呈下降趨勢(shì)，后5年年均縮減速率是前10年的28倍。同時(shí)，植物作為人工濕地發(fā)揮去污能力的重要組成部分，其生長(zhǎng)受季節(jié)更替影響大。此外，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)濕地凈化機(jī)制展開了大量的研究，建設(shè)了不少實(shí)際工程，但濕地內(nèi)部機(jī)制十分復(fù)雜，各地區(qū)環(huán)境差異不同，進(jìn)水水質(zhì)也有差別，對(duì)其理解不足將導(dǎo)致實(shí)際設(shè)計(jì)建造出的濕地系統(tǒng)出水無(wú)法達(dá)到預(yù)計(jì)效果或者運(yùn)行年限受限。
傳統(tǒng)穩(wěn)定塘所需水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，占地面積大。目前，可以通過(guò)增加人工曝氣措施和添置填料等能增加塘內(nèi)微生物的活性和數(shù)量，縮短水力停留時(shí)間，達(dá)到減少占地。但是穩(wěn)定塘處理效果受氣候影響較大。低溫條件下，菌藻的活性受到抑制，導(dǎo)致塘體對(duì)污染物的降解能力不足;而溫度過(guò)高，營(yíng)養(yǎng)物充分條件下又將引起藻類爆發(fā)性繁殖，最終使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。此外，臭味、滋生蚊蠅、污泥不易排出等問(wèn)題也亟待完善解決。
土地滲濾系統(tǒng)遇到最大的困難是運(yùn)行不當(dāng)帶來(lái)的堵塞。而另一個(gè)不容忽視的問(wèn)題是系統(tǒng)無(wú)法有效去除氮污染。在圍繞如何提高土壤滲濾系統(tǒng)脫氮性能上，ZOU 等在不同水力負(fù)荷下，采用改良土壤提高土壤脫氮性能。VAN 等953-964研究了水力負(fù)荷與凈化水質(zhì)效果之間的相互關(guān)系。WANG等采用分流的方式來(lái)提高土壤裝置的脫氮性能。ZHANG等還通過(guò)間歇操作的方式來(lái)強(qiáng)化土壤裝置脫氮的性能。目前的研究結(jié)果表明，單級(jí)土壤滲濾系統(tǒng)仍不能取得令人滿意的脫氮效果，必須考慮其他措施來(lái)提高系統(tǒng)的脫氮能力。為此，筆者曾采用土壤滲濾系統(tǒng)與包埋硝化菌流化床結(jié)合的新工藝來(lái)提高總氮的去除效能，但是利用土壤滲濾系統(tǒng)作為主體工藝提高其脫氮性能還有待深入研究。
4 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)上述問(wèn)題，應(yīng)因地制宜地采取適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)處理技術(shù)，同時(shí)對(duì)技術(shù)本身去除機(jī)制仍需進(jìn)行深入研究以規(guī)避每種技術(shù)存在的缺陷，改進(jìn)處理效果，以應(yīng)對(duì)分散式面源生活污水處理的難題。
