農村分散污水處理技術研究進展
1.農村分散式生活污水的特點
我國長期的城鄉二元結構導致在污水處理方面城鄉之間差別顯著:在城市，污水不但有完善的收集、處理技術和設施，而且國家頒布系統的法律法規和標準加以控制；而占全國總面積近90％的廣大農村，96％的村莊沒有排水渠道和污水處理系統。未經處理的生活污水通過點源和非點源排放，將各類污染物帶人河流，嚴重污染各類水源，導致出現了包括藍藻水華等諸多生態環境問題。
農村生活污水主要為沖廁污水和洗衣、洗米、洗菜、洗澡廢水。污水中主要是生活廢料和人的排泄物，一般不含有毒物質，往往含有氮、磷等營養物質，還有大量的細菌、病毒和寄生蟲卵。因生活習慣、生活方式、經濟水平等不同農村生活污水的水質水量差異較大，污水有如下特點和問題：(1)污水分布較分散，涉及范圍廣、隨機性強，防治十分困難，管網收集系統不健全，粗放型排放，基本沒有污水處理設施；(2)農村用水量標準較低，污水流量小且變化系數大(3.5～5.0)；(3)污水成分復雜，但各種污染物的濃度較低，污水可生化性較強。
由于農村生活污染源分散，不易集中，村鎮居民環保意識差，加上經濟水平相對落后，治理上也存在較大困難，因此，農村生活污水已成為影響水體環境質量的重要污染源。目前我國75％的天然和人工水體出現富營養化，而且這一趨勢正在不斷惡化中。
2.分散式污水處理的概念及其分類
目前, 我國主要研究的污水處理方式是集中式的污水處理, 對分散式污水處理的研究還不夠深入, 我國對于分散式污水處理還沒有一個很明確的概念, 還簡單地停留在污水處理廠小型化這樣一個認識階段。現在較為被廣泛接受的方式是對污水進行就地處理、就地回用。
分散污水處理系統主要包括:
(1) 在線系統(Onsite system) 。從私人住宅排出的污水由于沒有鋪設大面積社區用的污水管道或缺乏一套集中處理設施, 通過自然系統或機械裝置來收集、處理、排放或中水回用, 這種自然系統或機械裝置即稱在線系統。常用的在線系統包括化糞池(septic tank) 和瀝濾場(leach fields) 。
(2) 群集系統(Cluster system)。群集系統是一種服務于兩個或兩個以上住戶的污水收集和處理系統, 但其范圍不超過整個社區。從幾家住戶排出的污水可以經過個體用戶的化糞池或組合裝置現場預處理后, 再通過低成本、非傳統技術的污水管運送到比集中式系統相對小的處理單元。分散污水處理系統就是這樣一種在線系統或群集系統。
3.分散式污水處理技術
3.1 分散式廢水處理工藝可以粗略地分為以下幾類:
(1) 自然系統, 即利用土壤作為處理和處置的媒體, 包括土地應用、人工濕地、地下滲濾等。還有一些污泥處理系統, 如干沙床和瀉湖。
(2) 集水系統, 即不使用傳統的重力式污水管, 而代以輕質塑料管，其優點是埋深較淺、管接少、連接結構不復雜。常用的污水管道有壓力式、真空式和小直徑重力式。
(3) 傳統的處理系統, 即結合生化和物化工藝, 由池、泵、鼓風機和其他機械裝置組成的系統, 其包括3種形式: 懸浮式生長, 固定式生長, 兩者混合。這一類也包括對污泥的處理, 如消化、脫水和堆肥等。
(4) 膜技術。國內對于分散式廢水處理研究沒有國外那么系統化, 較多的是對(建筑) 小區污水的處理, 而且工藝仍然是傳統方法的組合, 是城市污水處理廠的小型化。隨著科學技術的發展, 尤其是膜技術的發展,污水處理設施實現了裝置化、小型化, 使污水分散處理和回用得以實現。
由于前3種技術比較落后, 因此膜技術有著非常大的優點和巨大的發展潛力, 故這里著重介紹膜技術。
3.2 膜技術
膜技術主要包括污泥生物膜復合生物反應器、膜分離技術和膜生物反應器。
3.2.1 活性污泥生物膜復合生物反應器系統
在曝氣池中投加各種能提供微生物附著生長表面的載體, 利用載體容易截留和附著微生物量大的特點, 是曝氣池中同時存在附著相和懸浮相生物, 充分發揮兩者的優越性, 克服各自的缺陷和不足, 我們將這種反應器稱之為復合生物反應器。復合是指反應器中同時存在懸浮相和附著相生物。
3.2.2 膜分離技術
所有分離過程都是利用在某種環境中混合物中各組分性質的差異進行分離, 膜分離過程是以選擇性透過膜為分離介質, 在兩側加以某種推動力時, 原料側組分選擇性地透過膜, 從而達到分離或提純的目的。這種推動力可以是膜兩側的壓力差、電位差或濃度差。根據其推動力分別可分為滲析(濃度差)、電滲析(電位差)、超濾(壓力差)、納濾(壓力差)、反滲透(壓力差)。膜分離的優點在于工藝流程短、占地少, 小型化系統放置場所不受限制；出水BOD、氮、磷和懸浮固體濃度很低, 不含細菌、病毒、寄生蟲卵等, 出水符合三級處理標準, 可直接回收或補充地下水。
(1) 反滲透。當用一個半透膜分離兩種不同濃度的溶液時, 膜僅允許溶劑分子通過, 由于濃溶液中溶劑的化學勢低于它在稀溶液中的化學勢, 稀溶液中的溶劑分子會自發地透過半透膜向濃溶液中遷移。
(2) 納濾。納濾膜又稱為超低壓反滲透膜或疏松型反滲透膜, 其操作壓力通常在1.0MPa 以下, 它對二價離子和分子量大于300mol的有機小分子的截留率較高。
(3) 超濾膜。超濾膜的結構多為非對稱性膜, 有一層極薄( 通常只有0.1μm～1μm) 具有一定孔徑的表皮層(活性層)和一層較厚(通常為125μm) 具有海綿狀或指狀結構的多孔層組成。活性層在傳質過程中起真正選擇性篩分作用, 基本上決定了膜的分離性能；支撐層只起活性層的載體作用, 基本上不影響膜的分離性能。
(4) 電滲析。電滲析是在外加電流電場作用下, 利用離子交換膜的選擇透過性( 即陽膜只允許陽離子透過, 陰膜只允許陰離子透過) 使水中陰、陽離子做定向遷移，從而達到離子從水中分離的一種化學過程。
3.2.3 膜生物反應器
膜生物反應器(Membrane Bio- reactor, 簡稱MBR) 是由膜分離和生物處理組合而成的一種新型、高效的污水處理技術。膜分離技術最早應用于微生物發酵工業, 隨著膜材料和制模技術的發展, 其應用領域在不斷擴大, 已經涉及化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品和污水處理等多個領域。
MBR處理工藝在日本、加拿大等許多國家已經得到較好的運用, 與傳統的活性污泥處理工藝相比, MBR 存在如下的優點: 可以使水力停留時間和污泥齡完全分開, 使運行控制更靈活, 穩定; 利于世代時間長的硝化細菌的增殖, 從而提高硝化效率；污泥濃度高, 從而傳氧效率高達26%～60%左右,節省耗能；反應器內MLSS可高達15000mg/L～30000mg/L,
使裝置處理容積負荷大, 減少占地, 也便于活性污泥法的改造; 膜生物反應器利用其高的MLSS, 可以保證有機負荷高峰期的出水水質, 且在低峰期污泥可以進行自身消化, 使剩余污泥比常規活性污泥法處理少50%～80%, 可減少剩余污泥的處置費用；膜生物反應器由于存在高濃度的MLSS, 硝化與反硝化同時存在, 具有很高的反硝化效果, 脫氮能力強。而在需要高效除磷時, 只需往污水中投加少量的明礬，因為膜能有效地分離這些不能沉淀的細小微絮凝體, 只要其粒徑小于0.2μm即可。
4．國外分散式處理技術應用現狀及發展趨勢
分散式處理技術包括了污水的收集、處理、排放及回用。在污水收集方面,為實現廢棄物的源頭減量控制,需要改進傳統的洗菜水、洗浴水與糞便混合的衛生設備,主要方法是減少糞便沖洗水或采用無水收集。瑞典已經逐步應用了尿液分離式衛生間,德國等國家也在進行真空無水收集系統的研究和推廣,而印度則是通過分散雨水的收集與排放來減少混合污水量,并利用收集的雨水有效解決了缺水問題。
在污水處理方面,廣泛采用了自然土地處理法和生物-化學處理法。澳大利亞出現了一種Filter(非爾脫) 的高效、持續性的污水灌溉技術。它先將污水用于作物灌溉,然后將經過灌溉土地處理后的水匯集到地下暗管排水系統中排出,特別適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區,或是以種植牧草為主的地區,一般用于大田作物。
美國是發展人工濕地最多的國家,有600多處人工濕地用于市政、工業和農業廢水。在歐洲一些國家,如丹麥、德國、英國等至少有200 多人工濕地在運行,多用于對人口規模近千人的鄉村級社區進行處理。韓國作為一個具有典型春旱氣候的國家,發展了人工濕地與廢水穩定塘相結合的土地處理技術, 穩定塘儲存用水可用于春旱的補充用水。可見,用人工濕地+ 穩定塘技術進行污水處理和農業應用可以作為分散農村地區的保護水體和克服水短缺的一種方法。
厭氧消化技術具有低造價、低運行費、能回收利用能源等特點,它在分散生活污水的處理中得到了越來越廣泛的研究與應用。近20 年來,發展了越來越多的高速處理設備和技術, 如厭氧濾池(AF) ,升流式污泥床反應器(UASB),厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB) 等,荷蘭、巴西、哥倫比亞、印度等國家已建成生產性UASB來處理生活污水，但厭氧技術在低溫下的應用仍然是研究的難點與熱點。
在適合的工藝基礎上,一體化裝置發展迅速。日本對其研究較早,至今已有40 多年的歷史。目前,日本安裝有800萬個小型凈化槽,服務人口約3600 萬。凈化槽是一種高效的一體化處理設施,主要采用厭氧濾池與接觸曝氣池、生物濾池或移動床接觸濾池的結合工藝,部分工藝反應都在一個室內完成,各步驟用隔板隔開,出水加氯消毒。一些歐洲國家也根據自己特點開發了不同形式的一體化凈化裝置。在挪威,因為大部分人口分散在小村莊或小社區,一體化裝置應用廣泛,開發了多種不同工藝的裝備。隨著填料生產技術的不斷發展,生物膜技術在一體化裝置中應用迅速增多,生物膜法所需的設備簡單,能源消耗低,成本和維護費用低,而處理污水的效率高,是今后發展的一個方向。
一些國家對分散式處理設施的出水水質從法規上提出一定要求,如芬蘭即要求總BOD去除率90%,總磷去除率85%，總氮去除率40%，這使得戶主必須承擔起對處理設施進行清潔和維護的責任,而能為戶主們提供技術支持和服務的合作組織也廣泛發展起來。
5. 我國農村分散式處理技術的應用與發展
在我國廣大農村地區,普遍應用的分散式處理技術為土地處理技術和厭氧消化技術。
5.1 土地處理技術
土地處理技術是一項造價低、運行費低、低能耗或無能耗、易于維護的污水處理技術,研究和應用比較多的污水土地處理工藝有快速滲濾處理系統、人工濕地處理系統和地下滲濾處理系統。其中,人工濕地兼具了生態效益、經濟效益和美學效益,近年來對其研究與應用逐步升溫。早在“七五”期間我國就開展了人工濕地的研究，目前該技術在我國已發展到實用階段。國內對濕地系統的研究熱點集中在濕地污染物去除機理、濕地植物、濕地基質填料、濕地微生物種群和生態系統的研究等方面。但人工濕地占地面積大,且基質再處理及再利用技術不成熟,因此在土地資源缺乏地區的應用受到限制。
5.2 厭氧消化技術
厭氧消化技術具有動力消耗少,環境污染少,沼渣沼液利用途徑多,且能產生能源沼氣等優點。近年來,我國大力推廣了厭氧消化技術在農村地區的使用。通過農業部國債項目的推行,截止至2005年底,全國戶用沼氣達到1807萬戶,養殖場的沼氣工程3556處,年產沼氣70億m3 ,折合標煤500萬t，在農業部發布的《全國農村沼氣工程建設規劃》上,計劃到2010 年全國將有4000萬農戶用上沼氣。國債沼氣項目要求戶用沼氣“一池三改”,最大量的減少了傳染源,切斷了疫病傳播途徑,因此也是農村血吸蟲防治的一項有效手段。
自上個世紀80年代開始,生活污水凈化沼氣池由農村能源部門向城鎮的住宅樓、醫院、學校等衛生配套建設中大力推廣，住宅樓中每10～12戶生活污水所產沼氣可供其中1 戶全年用氣,因此可考慮由用氣戶承擔凈化沼氣池的日常維護工作。生活污水凈化沼氣池20多年來一直采用二級厭氧消化加多級兼氧過濾的處理模式。目前，考慮到生活污水脫氮除磷的需求，國內有研究在工藝上采用二級厭氧和一級好氧達到氮磷脫除效果。近年來，隨著農村畜禽養殖戶減少和農村勞動力的減少，同時集中養殖戶的增多,國家及時調整政策，從2007年開始,將對養殖小區集中供氣沼氣工程和聯戶沼氣工程予以資金支持，以推進人畜糞便、農作物秸稈、生活垃圾和污水的綜合治理和轉化，此舉措必將在短期內使我國沼氣工程的技術得到快速的發展。
我國近幾年通過私有資金和民營企業的參與，在一體化裝置方面也有了快速的發展。如有環保公司與日本公司合作生產凈化槽；也有自主開發出多種不同規模的一體化污水處理裝置,如武漢的新天達美環保公司還開發了以風能帶動曝氣的一體化分散污水處理裝置等。
6. 結語
為加速我國新農村的建設進程，保護農村生態環境，解決農村水污染問題勢在必行。分散式污水處理模式是一種適合農村污水處理的好方法，我國宜借鑒國際經驗，探索并改善各種分散型污水處理工藝，并與當地的農業相結合，形成污水回用與再利用的生態農業模式，實現污水的無害化和資源化。
實際工作中應當在摸清不同類型村莊污染現狀的基礎上，根據環境污染特點，結合地方特征，從行政管理方面、資金方面、處理技術等方面采取相應解決方案和對策。在經濟發達地區，先進行新技術試點，逐步將適合當地農村的污水處理及資源化技術推廣到其他地區。有條件的地區盡可能與當地科研院所相結合，充分利用其科研能力，研發最優的技術、設施。
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