農(nóng)村分散污水處理技術(shù)研究進(jìn)展
1.農(nóng)村分散式生活污水的特點(diǎn)
我國(guó)長(zhǎng)期的城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在污水處理方面城鄉(xiāng)之間差別顯著:在城市，污水不但有完善的收集、處理技術(shù)和設(shè)施，而且國(guó)家頒布系統(tǒng)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)加以控制；而占全國(guó)總面積近90％的廣大農(nóng)村，96％的村莊沒(méi)有排水渠道和污水處理系統(tǒng)。未經(jīng)處理的生活污水通過(guò)點(diǎn)源和非點(diǎn)源排放，將各類污染物帶人河流，嚴(yán)重污染各類水源，導(dǎo)致出現(xiàn)了包括藍(lán)藻水華等諸多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。
農(nóng)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(zhì)，往往含有氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還有大量的細(xì)菌、病毒和寄生蟲(chóng)卵。因生活習(xí)慣、生活方式、經(jīng)濟(jì)水平等不同農(nóng)村生活污水的水質(zhì)水量差異較大，污水有如下特點(diǎn)和問(wèn)題：(1)污水分布較分散，涉及范圍廣、隨機(jī)性強(qiáng)，防治十分困難，管網(wǎng)收集系統(tǒng)不健全，粗放型排放，基本沒(méi)有污水處理設(shè)施；(2)農(nóng)村用水量標(biāo)準(zhǔn)較低，污水流量小且變化系數(shù)大(3.5～5.0)；(3)污水成分復(fù)雜，但各種污染物的濃度較低，污水可生化性較強(qiáng)。
由于農(nóng)村生活污染源分散，不易集中，村鎮(zhèn)居民環(huán)保意識(shí)差，加上經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)落后，治理上也存在較大困難，因此，農(nóng)村生活污水已成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的重要污染源。目前我國(guó)75％的天然和人工水體出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，而且這一趨勢(shì)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(guó)主要研究的污水處理方式是集中式的污水處理,對(duì)分散式污水處理的研究還不夠深入,我國(guó)對(duì)于分散式污水處理還沒(méi)有一個(gè)很明確的概念,還簡(jiǎn)單地停留在污水處理廠小型化這樣一個(gè)認(rèn)識(shí)階段，F(xiàn)在較為被廣泛接受的方式是對(duì)污水進(jìn)行就地處理、就地回用。
分散污水處理系統(tǒng)主要包括:
(1)在線系統(tǒng)(Onsitesystem)。從私人住宅排出的污水由于沒(méi)有鋪設(shè)大面積社區(qū)用的污水管道或缺乏一套集中處理設(shè)施,通過(guò)自然系統(tǒng)或機(jī)械裝置來(lái)收集、處理、排放或中水回用,這種自然系統(tǒng)或機(jī)械裝置即稱在線系統(tǒng)。常用的在線系統(tǒng)包括化糞池(septictank)和瀝濾場(chǎng)(leachfields)。
(2)群集系統(tǒng)(Clustersystem)。群集系統(tǒng)是一種服務(wù)于兩個(gè)或兩個(gè)以上住戶的污水收集和處理系統(tǒng),但其范圍不超過(guò)整個(gè)社區(qū)。從幾家住戶排出的污水可以經(jīng)過(guò)個(gè)體用戶的化糞池或組合裝置現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理后,再通過(guò)低成本、非傳統(tǒng)技術(shù)的污水管運(yùn)送到比集中式系統(tǒng)相對(duì)小的處理單元。分散污水處理系統(tǒng)就是這樣一種在線系統(tǒng)或群集系統(tǒng)。
3.分散式污水處理技術(shù)
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(tǒng),即利用土壤作為處理和處置的媒體,包括土地應(yīng)用、人工濕地、地下滲濾等。還有一些污泥處理系統(tǒng),如干沙床和瀉湖。
(2)集水系統(tǒng),即不使用傳統(tǒng)的重力式污水管,而代以輕質(zhì)塑料管，其優(yōu)點(diǎn)是埋深較淺、管接少、連接結(jié)構(gòu)不復(fù)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(tǒng)的處理系統(tǒng),即結(jié)合生化和物化工藝,由池、泵、鼓風(fēng)機(jī)和其他機(jī)械裝置組成的系統(tǒng),其包括3種形式:懸浮式生長(zhǎng),固定式生長(zhǎng),兩者混合。這一類也包括對(duì)污泥的處理,如消化、脫水和堆肥等。
(4)膜技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)于分散式廢水處理研究沒(méi)有國(guó)外那么系統(tǒng)化,較多的是對(duì)(建筑)小區(qū)污水的處理,而且工藝仍然是傳統(tǒng)方法的組合,是城市污水處理廠的小型化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是膜技術(shù)的發(fā)展,污水處理設(shè)施實(shí)現(xiàn)了裝置化、小型化,使污水分散處理和回用得以實(shí)現(xiàn)。
由于前3種技術(shù)比較落后,因此膜技術(shù)有著非常大的優(yōu)點(diǎn)和巨大的發(fā)展?jié)摿?故這里著重介紹膜技術(shù)。
3.2膜技術(shù)
膜技術(shù)主要包括污泥生物膜復(fù)合生物反應(yīng)器、膜分離技術(shù)和膜生物反應(yīng)器。
3.2.1活性污泥生物膜復(fù)合生物反應(yīng)器系統(tǒng)
在曝氣池中投加各種能提供微生物附著生長(zhǎng)表面的載體,利用載體容易截留和附著微生物量大的特點(diǎn),是曝氣池中同時(shí)存在附著相和懸浮相生物,充分發(fā)揮兩者的優(yōu)越性,克服各自的缺陷和不足,我們將這種反應(yīng)器稱之為復(fù)合生物反應(yīng)器。復(fù)合是指反應(yīng)器中同時(shí)存在懸浮相和附著相生物。
3.2.2膜分離技術(shù)
所有分離過(guò)程都是利用在某種環(huán)境中混合物中各組分性質(zhì)的差異進(jìn)行分離,膜分離過(guò)程是以選擇性透過(guò)膜為分離介質(zhì),在兩側(cè)加以某種推動(dòng)力時(shí),原料側(cè)組分選擇性地透過(guò)膜,從而達(dá)到分離或提純的目的。這種推動(dòng)力可以是膜兩側(cè)的壓力差、電位差或濃度差。根據(jù)其推動(dòng)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(yōu)點(diǎn)在于工藝流程短、占地少,小型化系統(tǒng)放置場(chǎng)所不受限制；出水BOD、氮、磷和懸浮固體濃度很低,不含細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)卵等,出水符合三級(jí)處理標(biāo)準(zhǔn),可直接回收或補(bǔ)充地下水。同時(shí)可以查看中國(guó)污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
(1)反滲透。當(dāng)用一個(gè)半透膜分離兩種不同濃度的溶液時(shí),膜僅允許溶劑分子通過(guò),由于濃溶液中溶劑的化學(xué)勢(shì)低于它在稀溶液中的化學(xué)勢(shì),稀溶液中的溶劑分子會(huì)自發(fā)地透過(guò)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(duì)二價(jià)離子和分子量大于300mol的有機(jī)小分子的截留率較高。
(3)超濾膜。超濾膜的結(jié)構(gòu)多為非對(duì)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(jié)構(gòu)的多孔層組成；钚詫釉趥髻|(zhì)過(guò)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(chǎng)作用下,利用離子交換膜的選擇透過(guò)性(即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子透過(guò),陰膜只允許陰離子透過(guò))使水中陰、陽(yáng)離子做定向遷移，從而達(dá)到離子從水中分離的一種化學(xué)過(guò)程。
3.2.3膜生物反應(yīng)器
膜生物反應(yīng)器(MembraneBio-reactor,簡(jiǎn)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(shù)。膜分離技術(shù)最早應(yīng)用于微生物發(fā)酵工業(yè),隨著膜材料和制模技術(shù)的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大,已經(jīng)涉及化工、電子、輕工、紡織、冶金、食品和污水處理等多個(gè)領(lǐng)域。
MBR處理工藝在日本、加拿大等許多國(guó)家已經(jīng)得到較好的運(yùn)用,與傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝相比,MBR存在如下的優(yōu)點(diǎn):可以使水力停留時(shí)間和污泥齡完全分開(kāi),使運(yùn)行控制更靈活,穩(wěn)定;利于世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化細(xì)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(dá)26%～60%左右,節(jié)省耗能；反應(yīng)器內(nèi)MLSS可高達(dá)15000mg/L～30000mg/L,
使裝置處理容積負(fù)荷大,減少占地,也便于活性污泥法的改造;膜生物反應(yīng)器利用其高的MLSS,可以保證有機(jī)負(fù)荷高峰期的出水水質(zhì),且在低峰期污泥可以進(jìn)行自身消化,使剩余污泥比常規(guī)活性污泥法處理少50%～80%,可減少剩余污泥的處置費(fèi)用；膜生物反應(yīng)器由于存在高濃度的MLSS,硝化與反硝化同時(shí)存在,具有很高的反硝化效果,脫氮能力強(qiáng)。而在需要高效除磷時(shí),只需往污水中投加少量的明礬，因?yàn)槟つ苡行У胤蛛x這些不能沉淀的細(xì)小微絮凝體,只要其粒徑小于0.2μm即可。
4．國(guó)外分散式處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
分散式處理技術(shù)包括了污水的收集、處理、排放及回用。在污水收集方面,為實(shí)現(xiàn)廢棄物的源頭減量控制,需要改進(jìn)傳統(tǒng)的洗菜水、洗浴水與糞便混合的衛(wèi)生設(shè)備,主要方法是減少糞便沖洗水或采用無(wú)水收集。瑞典已經(jīng)逐步應(yīng)用了尿液分離式衛(wèi)生間,德國(guó)等國(guó)家也在進(jìn)行真空無(wú)水收集系統(tǒng)的研究和推廣,而印度則是通過(guò)分散雨水的收集與排放來(lái)減少混合污水量,并利用收集的雨水有效解決了缺水問(wèn)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(xué)處理法。澳大利亞出現(xiàn)了一種Filter(非爾脫)的高效、持續(xù)性的污水灌溉技術(shù)。它先將污水用于作物灌溉,然后將經(jīng)過(guò)灌溉土地處理后的水匯集到地下暗管排水系統(tǒng)中排出,特別適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區(qū),或是以種植牧草為主的地區(qū),一般用于大田作物。
美國(guó)是發(fā)展人工濕地最多的國(guó)家,有600多處人工濕地用于市政、工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢水。在歐洲一些國(guó)家,如丹麥、德國(guó)、英國(guó)等至少有200多人工濕地在運(yùn)行,多用于對(duì)人口規(guī)模近千人的鄉(xiāng)村級(jí)社區(qū)進(jìn)行處理。韓國(guó)作為一個(gè)具有典型春旱氣候的國(guó)家,發(fā)展了人工濕地與廢水穩(wěn)定塘相結(jié)合的土地處理技術(shù),穩(wěn)定塘儲(chǔ)存用水可用于春旱的補(bǔ)充用水？梢(jiàn),用人工濕地+穩(wěn)定塘技術(shù)進(jìn)行污水處理和農(nóng)業(yè)應(yīng)用可以作為分散農(nóng)村地區(qū)的保護(hù)水體和克服水短缺的一種方法。有污水需要處理的單位，也可以到污水寶項(xiàng)目服務(wù)平臺(tái)咨詢具備類似污水處理經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)。
厭氧消化技術(shù)具有低造價(jià)、低運(yùn)行費(fèi)、能回收利用能源等特點(diǎn),它在分散生活污水的處理中得到了越來(lái)越廣泛的研究與應(yīng)用。近20年來(lái),發(fā)展了越來(lái)越多的高速處理設(shè)備和技術(shù),如厭氧濾池(AF),升流式污泥床反應(yīng)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(guó)家已建成生產(chǎn)性UASB來(lái)處理生活污水，但厭氧技術(shù)在低溫下的應(yīng)用仍然是研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。
在適合的工藝基礎(chǔ)上,一體化裝置發(fā)展迅速。日本對(duì)其研究較早,至今已有40多年的歷史。目前,日本安裝有800萬(wàn)個(gè)小型凈化槽,服務(wù)人口約3600萬(wàn)。凈化槽是一種高效的一體化處理設(shè)施,主要采用厭氧濾池與接觸曝氣池、生物濾池或移動(dòng)床接觸濾池的結(jié)合工藝,部分工藝反應(yīng)都在一個(gè)室內(nèi)完成,各步驟用隔板隔開(kāi),出水加氯消毒。一些歐洲國(guó)家也根據(jù)自己特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了不同形式的一體化凈化裝置。在挪威,因?yàn)榇蟛糠秩丝诜稚⒃谛〈迩f或小社區(qū),一體化裝置應(yīng)用廣泛,開(kāi)發(fā)了多種不同工藝的裝備。隨著填料生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展,生物膜技術(shù)在一體化裝置中應(yīng)用迅速增多,生物膜法所需的設(shè)備簡(jiǎn)單,能源消耗低,成本和維護(hù)費(fèi)用低,而處理污水的效率高,是今后發(fā)展的一個(gè)方向。
一些國(guó)家對(duì)分散式處理設(shè)施的出水水質(zhì)從法規(guī)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(dān)起對(duì)處理設(shè)施進(jìn)行清潔和維護(hù)的責(zé)任,而能為戶主們提供技術(shù)支持和服務(wù)的合作組織也廣泛發(fā)展起來(lái)。
5.我國(guó)農(nóng)村分散式處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū),普遍應(yīng)用的分散式處理技術(shù)為土地處理技術(shù)和厭氧消化技術(shù)。
5.1土地處理技術(shù)
土地處理技術(shù)是一項(xiàng)造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)低、低能耗或無(wú)能耗、易于維護(hù)的污水處理技術(shù),研究和應(yīng)用比較多的污水土地處理工藝有快速滲濾處理系統(tǒng)、人工濕地處理系統(tǒng)和地下滲濾處理系統(tǒng)。其中,人工濕地兼具了生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和美學(xué)效益,近年來(lái)對(duì)其研究與應(yīng)用逐步升溫。早在“七五”期間我國(guó)就開(kāi)展了人工濕地的研究，目前該技術(shù)在我國(guó)已發(fā)展到實(shí)用階段。國(guó)內(nèi)對(duì)濕地系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)集中在濕地污染物去除機(jī)理、濕地植物、濕地基質(zhì)填料、濕地微生物種群和生態(tài)系統(tǒng)的研究等方面。但人工濕地占地面積大,且基質(zhì)再處理及再利用技術(shù)不成熟,因此在土地資源缺乏地區(qū)的應(yīng)用受到限制。
5.2厭氧消化技術(shù)
厭氧消化技術(shù)具有動(dòng)力消耗少,環(huán)境污染少,沼渣沼液利用途徑多,且能產(chǎn)生能源沼氣等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),我國(guó)大力推廣了厭氧消化技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)的使用。通過(guò)農(nóng)業(yè)部國(guó)債項(xiàng)目的推行,截止至2005年底,全國(guó)戶用沼氣達(dá)到1807萬(wàn)戶,養(yǎng)殖場(chǎng)的沼氣工程3556處,年產(chǎn)沼氣70億m3,折合標(biāo)煤500萬(wàn)t，在農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《全國(guó)農(nóng)村沼氣工程建設(shè)規(guī)劃》上,計(jì)劃到2010年全國(guó)將有4000萬(wàn)農(nóng)戶用上沼氣。國(guó)債沼氣項(xiàng)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(nóng)村血吸蟲(chóng)防治的一項(xiàng)有效手段。
自上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始,生活污水凈化沼氣池由農(nóng)村能源部門向城鎮(zhèn)的住宅樓、醫(yī)院、學(xué)校等衛(wèi)生配套建設(shè)中大力推廣，住宅樓中每10～12戶生活污水所產(chǎn)沼氣可供其中1戶全年用氣,因此可考慮由用氣戶承擔(dān)凈化沼氣池的日常維護(hù)工作。生活污水凈化沼氣池20多年來(lái)一直采用二級(jí)厭氧消化加多級(jí)兼氧過(guò)濾的處理模式。目前，考慮到生活污水脫氮除磷的需求，國(guó)內(nèi)有研究在工藝上采用二級(jí)厭氧和一級(jí)好氧達(dá)到氮磷脫除效果。近年來(lái)，隨著農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖戶減少和農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，同時(shí)集中養(yǎng)殖戶的增多,國(guó)家及時(shí)調(diào)整政策，從2007年開(kāi)始,將對(duì)養(yǎng)殖小區(qū)集中供氣沼氣工程和聯(lián)戶沼氣工程予以資金支持，以推進(jìn)人畜糞便、農(nóng)作物秸稈、生活垃圾和污水的綜合治理和轉(zhuǎn)化，此舉措必將在短期內(nèi)使我國(guó)沼氣工程的技術(shù)得到快速的發(fā)展。
我國(guó)近幾年通過(guò)私有資金和民營(yíng)企業(yè)的參與，在一體化裝置方面也有了快速的發(fā)展。如有環(huán)保公司與日本公司合作生產(chǎn)凈化槽；也有自主開(kāi)發(fā)出多種不同規(guī)模的一體化污水處理裝置,如武漢的新天達(dá)美環(huán)保公司還開(kāi)發(fā)了以風(fēng)能帶動(dòng)曝氣的一體化分散污水處理裝置等。
6.結(jié)語(yǔ)
為加速我國(guó)新農(nóng)村的建設(shè)進(jìn)程，保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，解決農(nóng)村水污染問(wèn)題勢(shì)在必行。分散式污水處理模式是一種適合農(nóng)村污水處理的好方法，我國(guó)宜借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，探索并改善各種分散型污水處理工藝，并與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)相結(jié)合，形成污水回用與再利用的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)污水的無(wú)害化和資源化。
實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)在摸清不同類型村莊污染現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)境污染特點(diǎn)，結(jié)合地方特征，從行政管理方面、資金方面、處理技術(shù)等方面采取相應(yīng)解決方案和對(duì)策。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，先進(jìn)行新技術(shù)試點(diǎn)，逐步將適合當(dāng)?shù)剞r(nóng)村的污水處理及資源化技術(shù)推廣到其他地區(qū)。有條件的地區(qū)盡可能與當(dāng)?shù)乜蒲性核嘟Y(jié)合，充分利用其科研能力，研發(fā)最優(yōu)的技術(shù)、設(shè)施。
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