分散式面源生活污水生態(tài)處理技術(shù)

快速城市化在帶動(dòng)經(jīng)濟、社會(huì )迅猛發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了城市水環(huán)境嚴重破壞的問(wèn)題，日益激化了水資源供需矛盾。水體污染可分為兩大類(lèi)：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)現城郊結合部住宅區是硝酸鹽污染的最強來(lái)源。我國晉江流域非點(diǎn)源氮磷負荷研究發(fā)現：非點(diǎn)源氮負荷為12 298．95t/a，主要來(lái)自畜禽養殖、農田徑流和農村生活污水，其貢獻率分別為31．72％、26．38％和17．44％；非點(diǎn)源磷負荷為667．04t/a，主要來(lái)自土壤侵蝕、農田徑流和農村生活污水，其貢獻率分別為43．27％、21．10％和12．25％。另有研究證實(shí)中國絕大數流域，如太湖、滇池等，面源中的城郊與農村地區分散性生活污水排放、農田徑流等是造成水體污染的主要原因，其貢獻率總計超過(guò)70％，遠高于來(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)，城市地區環(huán)保資金投入巨大，管網(wǎng)不斷完善、污水處理廠(chǎng)大批興建以及相關(guān)法律法規逐步完善與落實(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(guān)水復原等仍是較發(fā)達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)更加復雜與困難的問(wèn)題。城市面源生活污水主要是城郊地區與上游農村地帶無(wú)序排放的生活污水，考慮到這些地區人口居住相對分散，管網(wǎng)建設投資大，采用集中式污水處理廠(chǎng)處理效益不高。因此，探求經(jīng)濟、實(shí)效的分散式生活污水處理法成為恢復和維護城市水環(huán)境的關(guān)鍵之一。

1 國內外分散式面源生活污水處理概況

1．1 國外面源生活污水治理

針對面源生活污水處理的研究在國外早已展開(kāi)。美國于20世紀70年代初期開(kāi)始研究并在公共衛生和環(huán)保界達成共識，認為分散式的處理系統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(kāi)發(fā)和應用就地處理系統。美國約25％的廢水采用分散式的處理系統，其中最普遍的分散式處理系統是在化糞池后加一個(gè)亞土層過(guò)濾系統。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、生物轉盤(pán)、移動(dòng)床生物膜反應器等技術(shù)為主，并結合化學(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)人口數約1 093萬(wàn)人。澳大利亞開(kāi)發(fā)了一種過(guò)濾和灌溉作物的污水土地處理系統，稱(chēng)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等對地中海城市地區可持續的污水處理與回用技術(shù)總結中認為，氧化塘、濕地、上流式厭氧污泥反應器和土壤含水層處理技術(shù)是最合適的技術(shù)。HUG 等認為，分散式處理方式在很多地區能有效替代集中式污水管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)，并且建立了相關(guān)模型用于集中監控分散式離線(xiàn)處理方式獲得的處理效果。

1．2 國內面源生活污水治理

我國面源污染研究早期主要對滇池、太湖等進(jìn)行探索性研究。近年來(lái)，眾多專(zhuān)家學(xué)者也對從外國引進(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，目前我國大部分城郊及農村地區還沒(méi)有較完善的分散式污水處理設施，即使是沿海經(jīng)濟較發(fā)達的城郊及農村地區，家庭排放的生活污水一般只經(jīng)過(guò)化糞池簡(jiǎn)單處理，而化糞池無(wú)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。

在分散式面源生活污水處理方面，江蘇省江陰市走在國內前列，于2009年11月確立對無(wú)法接管且規劃保留的居民點(diǎn)的生活污水，采用高效、低耗、經(jīng)濟和維護簡(jiǎn)單的污水處理技術(shù)。我國城鎮、農村經(jīng)濟水平不及西方發(fā)達國家，生活習慣的差異造成污水成分差異較大，同時(shí)國外對技術(shù)產(chǎn)權的保護與限制，使得國內無(wú)法直接利用國外現有技術(shù)來(lái)解決國內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定、投資少、管理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，不僅適合我國當前的國情，而且符合生態(tài)化、可持續發(fā)展的趨勢，得到了越來(lái)越多專(zhuān)家學(xué)者的認可，被認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)

人工濕地系統在生活污水治理方面的成效已經(jīng)被國內外眾多專(zhuān)家學(xué)者證實(shí)。吳昊等對四川廣元昭化鎮人工濕地應用于農村污水中主要污染物去除效果及運行經(jīng)濟性進(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到82．2％、65．7％、55．0％、94．0％，一次投資費用和運行費用都較小。MERLIN 等全面評價(jià)位于法國高海拔地區已運行6年的垂直流人工濕地，用于處理邊遠山區的生活污水，證實(shí)該種方法是一種可以用于邊緣地區替代常規污水處理方法的生態(tài)技術(shù)。SOLANO等研究了應用濕地作為長(cháng)久性方案處理小鄉村生活污水，只需經(jīng)過(guò)前期簡(jiǎn)單去除粗砂、重固體和漂浮物質(zhì)，單一濕地系統即可作為長(cháng)期的生活污水處理方法。STEER等研究評價(jià)了美國俄亥俄州住宅人工濕地系統處理污水的效能，濕地系統能達到美國環(huán)境保護署對于污染物減量化的要求，其中出水BOD低于30mg/L，去除率達到89％；總懸浮固體低于30mg/L，去除率達到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 穩定塘技術(shù)

國內外專(zhuān)家學(xué)者對穩定塘及其與其他工藝結合的聯(lián)合工藝應用于面源生活污水處理做了不少研究工作。周煒峙等認為，對于部分受地形限制無(wú)法納入城市市政系統的村鎮生活污水，采用厭氧水解—穩定塘工藝的出水水質(zhì)可以達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級B標準。ZHAO等在穩定塘中增加了人造纖維作為載體，發(fā)現有機物、氨氮的去除效果得到了很大的提升，出水水質(zhì)明顯好于單一穩定塘，并且相對穩定。BONOMO等為找到一種可靠、簡(jiǎn)易、低成本的小型廢水處理系統，研究了以浮萍為基礎的穩定塘處理村鎮或社區污水的效果，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 等分析評價(jià)了種植有植物的兼性塘長(cháng)期用于凈化處理農村生活污水的效能，系統COD 平均去除率為76％，BOD5為93％，TSS為80％，氨氮為89％，同時(shí)發(fā)現隨著(zhù)季節的變化，氧化塘中的微生物群落也發(fā)生了明顯變化。

2．3 土地處理系統技術(shù)

2008—2010年，上海在開(kāi)展郊區農村生活污水治理的8個(gè)區縣中，7個(gè)區縣采用了土壤滲濾系統，且其安裝數量占該區縣系統總數的比例幾乎均在50％以上，甚至高達100％。在國外，美國約有36％的農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、芬蘭和挪威等國家，約有100多萬(wàn)散居住戶(hù)采用滲濾系統處理生活污水。根據土地處理系統中水流運動(dòng)的速率和流動(dòng)軌跡的不同，土地處理系統可分為4種類(lèi)型：慢速滲濾系統、快速滲濾系統、地表漫流系統和地下滲濾系統。慢速滲濾系統的污水投配負荷一般較低，滲濾速度慢，主要用于污水的深度處理。項愛(ài)枝等采用UASB＋SBR＋ASBR＋土地處理系統處理養豬廢水，其中慢速滲濾土地處理系統作為深度處理工藝，對COD、BOD5和氨氮去除率都在99％以上�？焖贊B濾系統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，水力負荷和有機負荷較其他類(lèi)型的土地處理系統高很多，是目前研究和應用較多的一種土地處理類(lèi)型。地表漫流系統相對其他類(lèi)型的土地處理系統應用相對較少。袁宜如等采用地表漫流系統為主要工序處理九江校園生活污水，其出水水質(zhì)達到GB 18918—2002二級標準。

地下滲濾系統是將廢水有控制地投配到距地表一定深度、具有一定構造和良好擴散性能的土層中，使廢水在土壤的毛細管浸潤和滲濾作用下，向周?chē)�運動(dòng)且達到凈化廢水要求的土地處理系統。地下滲濾系統的布水系統埋于地下，不影響地面景觀(guān)，負荷較低，對污染物的去除效果好。沈陽(yáng)應用生態(tài)研究所在“八五”期間修建了處理規模為50m3/d的地下滲濾示范工程；“九五”期間修建了處理規模為300m3/d的示范工程。張建等采用紅壤土作為填充土壤，在2cm/d的水力負荷下，進(jìn)行了地下滲濾系統處理村鎮生活污水的現場(chǎng)中試，出水達到《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處理滇池流域的村鎮生活污水，工程設計處理水量為30m3/d，設計水力負荷為0．08m3/（m2·d），獲得對COD、總氮和總磷的去除率分別達到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內摻加10％（體積分數）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)建立地下水數學(xué)模型，試圖優(yōu)化土壤滲濾工程運行控制中水力負荷與地下水水質(zhì)監測井的布設。嚴群等則采用能增加土地毛管滲濾系統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的填料并采用不同的填料裝填方式，增加對污染物的去除效果。馬利民等通過(guò)對復合垂直流滲濾系統中增加球型填料，利用生物強化來(lái)提高垂直流滲濾系統對城市生活污水污染物去除能力�？讋偟葘Ρ攘藰藴市�、深型及淺型毛細管等3種構造的地下土壤滲濾溝去除模擬農村生活污水氮、磷，得出毛細管型構造滲濾溝在布水均勻性、穩定性及氮、磷去除效果等方面均優(yōu)于標準型構造的滲濾溝；2009年構建了一種新型地下土壤滲濾系統，通過(guò)縮短布水管間距，在同一滲濾溝內不同區域實(shí)現干/濕交替運行，保證了處理效率，減少了占地。張之崟等就上海虹橋機場(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)修復試驗，COD去除率達到75．8％，總磷得到完全去除。

地下滲濾系統長(cháng)期處于持水飽和狀態(tài)時(shí)，又被稱(chēng)為土壤含水層處理（SAT）。土壤滲濾系統中SAT系統應用和研究最為廣泛，美國農村地區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90年代開(kāi)始，國外從各方面對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地區城市污水處理廠(chǎng)出水深度處理工程，指出在5年時(shí)間內該工程為國家提供了4億m3可用于灌溉的回用水。GANOULIS等對SAT 處理廢水用于回用水做了風(fēng)險分析。NEMA 等對SAT 做了技術(shù)和經(jīng)濟評價(jià)。AKBER等在科威特采用SAT 工藝時(shí)發(fā)現，盡管系統運行將近30年，但對氨氮、有機碳、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制。此外，性激素、藥物等難降解有機物的去除是目前學(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)對于土地類(lèi)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。白軍紅等對霍林河流域研究發(fā)現，1996—2000年，沼澤、河流和湖泊濕地面積都呈現凈減少變化趨勢。陳靜等研究發(fā)現，1986—2000年?yáng)|北地區沼澤濕地總面積呈下降趨勢，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(cháng)受季節更替影響大。此外，雖然國內外對濕地凈化機制展開(kāi)了大量的研究，建設了不少實(shí)際工程，但濕地內部機制十分復雜，各地區環(huán)境差異不同，進(jìn)水水質(zhì)也有差別，對其理解不足將導致實(shí)際設計建造出的濕地系統出水無(wú)法達到預計效果或者運行年限受限。

  傳統穩定塘所需水力停留時(shí)間較長(cháng)，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微生物的活性和數量，縮短水力停留時(shí)間，達到減少占地。但是穩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，導致塘體對污染物的降解能力不足；而溫度過(guò)高，營(yíng)養物充分條件下又將引起藻類(lèi)爆發(fā)性繁殖，最終使整個(gè)系統無(wú)法正常運行。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。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

  土地滲濾系統遇到最大的困難是運行不當帶來(lái)的堵塞。而另一個(gè)不容忽視的問(wèn)題是系統無(wú)法有效去除氮污染。在圍繞如何提高土壤滲濾系統脫氮性能上，ZOU 等在不同水力負荷下，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)強化土壤裝置脫氮的性能。目前的研究結果表明，單級土壤滲濾系統仍不能取得令人滿(mǎn)意的脫氮效果，必須考慮其他措施來(lái)提高系統的脫氮能力。為此，筆者曾采用土壤滲濾系統與包埋硝化菌流化床結合的新工藝來(lái)提高總氮的去除效能，但是利用土壤滲濾系統作為主體工藝提高其脫氮性能還有待深入研究。

4 結語(yǔ)

針對上述問(wèn)題，應因地制宜地采取適當的生態(tài)處理技術(shù)，同時(shí)對技術(shù)本身去除機制仍需進(jìn)行深入研究以規避每種技術(shù)存在的缺陷，改進(jìn)處理效果，以應對分散式面源生活污水處理的難題。