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分散式污水處理或?qū)⒊蔀樗幚硇袠I(yè)未來(lái)發(fā)展新方向

分散式污水處理發(fā)展現(xiàn)狀

        雖然目前全球城市化已十分明顯，但仍有近30~35億人口居住在農(nóng)村，這些人中有相當(dāng)一部分的生活條件還比較差，甚至還沒(méi)有合適的污水處理系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)可分為集中式和分散式，傳統(tǒng)的污水處理廠屬于集中式污水處理系統(tǒng)，適用于人口稠密的城市地區(qū)。而在人口分布稀疏的農(nóng)村地區(qū)采用集中式污水處理，則會(huì)因?yàn)榻ㄔ煳鬯畯S花費(fèi)的巨大錢(qián)財(cái)，而讓這些本來(lái)就經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地方再次背上債務(wù)負(fù)擔(dān)。此時(shí)，分散式污水處理系統(tǒng)將是一個(gè)更合適的選擇。

        分散式污水處理系統(tǒng)不僅適用于欠發(fā)達(dá)的發(fā)展中國(guó)家，在某些情況下，它同樣適用于發(fā)達(dá)國(guó)家。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家的城市中心人口密度正在逐漸下降，人們逐步開(kāi)始向城市邊緣分散定居，而此時(shí)如果建造集中式污水處理廠將不再合適。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署2002年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國(guó)有25%的人口已在使用分散式污水處理系統(tǒng)。

        本文將探討對(duì)比幾種典型的分散式污水處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)與適用性，以及如何進(jìn)行技術(shù)選擇與如何打破工程應(yīng)用瓶頸。

傳統(tǒng)與新型分散式污水處理工藝

傳統(tǒng)式工藝

        傳統(tǒng)分散式污水處理技術(shù)包括濕地、好氧工藝（MBR、BCR等）、厭氧工藝（UASB等）。下表從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等角度對(duì)比分析了以上分散式工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

表 傳統(tǒng)分散式污水處理工藝對(duì)比

工藝名稱(chēng)	達(dá)標(biāo)排放	環(huán)境與資源	技術(shù)特點(diǎn)	經(jīng)濟(jì)性	社會(huì)接受度
人工濕地	陽(yáng)光輻射消毒	天然處理，無(wú)法資源回收	操作便捷，性能穩(wěn)定，對(duì)氣候、地域要求較高	投資土地，重力流，無(wú)需運(yùn)維成本	人口稀疏、土地廣泛的地區(qū)較易接受
傳統(tǒng)好氧工藝	必須有深度處理	主流技術(shù)，耗能，可從污泥中回收資源	操作相對(duì)便捷，負(fù)荷沖擊適應(yīng)性一般，升級(jí)成本中高	投資和運(yùn)維成本較高（能量、污泥）	臭氣可能有污染，比較容易被接受
MBR	可以沒(méi)有深度處理，直接回用	高耗能，占地少，處理效率高，可回收資源	操作復(fù)雜，易發(fā)生膜污染，毒性抵抗力差，升級(jí)成本高	投資和運(yùn)維成本最高（高耗能、但是污泥量小）	臭氣可能有污染，接受度取決于成本
好氧濾池	根據(jù)實(shí)際情況判斷是否需要深度處理	耗能型，占地與MBR類(lèi)似，處理效率略低	操作比MBR簡(jiǎn)單，升級(jí)成本略低	投資成本較高，運(yùn)維成本低于MBR	臭氣可能有污染，接受度取決于成本
UASB	必須有深度處理	可回收沼氣，耗能轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)能	操作相對(duì)簡(jiǎn)捷，進(jìn)水流量和負(fù)荷沖擊適應(yīng)性較好，升級(jí)投資中等	中等投資，運(yùn)維成本低，沼氣可能產(chǎn)生回報(bào)收益	有經(jīng)濟(jì)回報(bào)性，有利于提高社會(huì)接受度

 

 新型工藝——生物質(zhì)濃縮反應(yīng)器

        生物質(zhì)濃縮反應(yīng)器（Biomass Concentrator Reactor，BCR）是一種與MBR非常相似的新型技術(shù)，最初由意大利帕維亞大學(xué)（University of Pavia）的Andrea G. Capodaglio和Arianna Callegari提出。并在2015年和2016年IWA出版的《Water Practice & Technology》雜志上發(fā)表了關(guān)于該技術(shù)的兩篇文獻(xiàn)報(bào)道（《Onsite management of tanker ships' rinse water by means of a compact bioreactor》、《Domestic wastewater treatment with a decentralized, simple technology biomass concentrator reactor》）。

        BCR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一個(gè)曝氣反應(yīng)器，反應(yīng)器底部進(jìn)行微孔曝氣，廢水和微生物在反應(yīng)器內(nèi)呈懸浮態(tài)，出水為重力流。在帕維亞大學(xué)的試驗(yàn)中，BCR反應(yīng)器采用Porex^TM radial filter進(jìn)行固液分離，孔徑為5~20μm。由于介質(zhì)表面的粗糙度，有可能形成2~3厘米水頭損失。

        根據(jù)帕維亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用BCR反應(yīng)器，COD去除率為93~97%，脫氮率為75~79%。需要注意的是，實(shí)驗(yàn)流量只有22L/m²d，遠(yuǎn)低于最大操作流量（10~50 L/m²d），因此，實(shí)驗(yàn)期間系統(tǒng)過(guò)濾能力基本穩(wěn)定，無(wú)需反沖洗的前提下，可以穩(wěn)定運(yùn)行1年左右。而實(shí)際運(yùn)行條件下，常用膜材質(zhì)的孔徑約為0.1μm，3個(gè)月后系統(tǒng)過(guò)濾能力降低77％，需要更換膜或者進(jìn)行再生。帕維亞大學(xué)也指出，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果有可能會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，具體處理效果取決于膜的種類(lèi)、污水組分與操作工況。

 分散式污水處理的可持續(xù)性分析

所謂“最合適的技術(shù)”包括經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、環(huán)境友好、技術(shù)穩(wěn)定、公眾認(rèn)可等特性。設(shè)計(jì)“可持續(xù)性技術(shù)”需要從以下維度綜合考慮：

（1）健康與衛(wèi)生：將可能影響公共衛(wèi)生的病原體和有害物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低;

（2）能源與資源：考慮建設(shè)和運(yùn)行所消耗的能源和資源，以及能回收利用的資源（例如將水、營(yíng)養(yǎng)物返還農(nóng)業(yè)），同時(shí)綜合考慮再生資源（例如沼氣）；

（3）技術(shù)：最大程度地發(fā)揮技術(shù)功能，確保整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建、運(yùn)行和監(jiān)控。同時(shí)，要考慮技術(shù)應(yīng)對(duì)電力供應(yīng)、水資源短缺、洪澇等緊急事件時(shí)的穩(wěn)健性和盲點(diǎn)，以及技術(shù)對(duì)于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施或社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的靈活性與適應(yīng)性；

（4）經(jīng)濟(jì)：家庭以及社區(qū)的經(jīng)濟(jì)承受能力，包括建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和必要的投資成本；

（5）社會(huì)文化和制度：社會(huì)接受度、便利性、合法合規(guī)。

        分散式污水處理系統(tǒng)滿足以上全部維度要求，除此之外，還有占地緊湊、運(yùn)行靈活等。所以，分散性污水處理技術(shù)屬于可持續(xù)性技術(shù)，實(shí)際工程中具體工藝的選擇需要綜合考當(dāng)?shù)氐臍夂?、地域、污水水質(zhì)、當(dāng)?shù)厮Y源與回用需求等特性。

集中式系統(tǒng)與分散式系統(tǒng)的對(duì)比與討論

 投資成本

        集中式污水處理系統(tǒng)的投資成本顯著高于分散式系統(tǒng)。集中式系統(tǒng)需要建設(shè)大規(guī)模的污水收集管網(wǎng)，其投資成本占據(jù)了總成本的80~90%。而管網(wǎng)的平均使用壽命為50~60年，到期更換、日常維護(hù)費(fèi)用都將增加投資成本。

 運(yùn)行成本

        集中式污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮峰值流量，會(huì)導(dǎo)致增加系統(tǒng)容量，降低處理效率；重力管網(wǎng)輸送過(guò)程中有可能因?yàn)榈叵滤肭衷斐蓮U水稀釋?zhuān)黾犹幚碣M(fèi)用和能耗；長(zhǎng)距離輸水導(dǎo)致泵站需求量更大，能耗更高，這三點(diǎn)直接導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本的增加。

 水質(zhì)安全

        集中式污水處理系統(tǒng)集中排放水量較大，可能引起受納水域的富營(yíng)養(yǎng)化。而分散式系統(tǒng)由于排水量小，將降低富營(yíng)養(yǎng)化概率。

 監(jiān)測(cè)與管理

        遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展大大助力分散式系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，使用遠(yuǎn)程控制設(shè)備，可以輕松實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)，無(wú)需大量駐場(chǎng)人員。

        在管理方面，與集中式系統(tǒng)的管理“不可見(jiàn)性”不同，分散式系統(tǒng)的管理更需要聯(lián)合當(dāng)?shù)鼐用竦牧α?，公眾參與度的提升將有可能進(jìn)一步提高群眾的節(jié)水和環(huán)保意識(shí)。

 發(fā)展角度

        相較于集中式系統(tǒng)，分散式系統(tǒng)更適應(yīng)發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村和社區(qū)的發(fā)展變化，以及人口增長(zhǎng)。分散式系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施投資可以逐步進(jìn)行，無(wú)需一次到位。

實(shí)現(xiàn)源分離

        分散式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)污水源分離，而集中式系統(tǒng)很難做到。通過(guò)采用新型衛(wèi)生潔具，可以在源頭進(jìn)行生活污水的黑水與灰水分離，這些廢水雖然流量小，但是含有大部分的COD（黑水中3000~10000 mg/L）和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及幾乎全部的病原體和微量污染物。就近集中處理，一方面減少了環(huán)境中微量污染物如金屬和其他新興化合物（如藥品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品）的分布；另一方面，最大程度提高本地系統(tǒng)的資源回收潛力。

分散式污水處理系統(tǒng)的應(yīng)用障礙分析

        如今，在幾個(gè)歐盟國(guó)家（德國(guó)，荷蘭）的城市已經(jīng)建設(shè)了多個(gè)分散式污水處理系統(tǒng)示范項(xiàng)目，平均服務(wù)人口約為1000人，都取得了積極的成果。

        但是，分散式污水處理系統(tǒng)的推廣應(yīng)用依然存在一定的障礙。這些障礙除了土地可用性（主要針對(duì)濕地系統(tǒng)）、成本和環(huán)境要求等因素之外，最大的障礙來(lái)自人們對(duì)新事物的接受程度。通常情況下，改革系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本太高、缺乏具體的綜合經(jīng)驗(yàn)、對(duì)未知的不確定性，這些都會(huì)成為傳統(tǒng)思想中難以辯駁的因素。

        分散式污水處理系統(tǒng)的倡導(dǎo)者主要是年輕的專(zhuān)業(yè)新秀，他們難以讓決策者和傳統(tǒng)的污水處理專(zhuān)業(yè)人員接受這些新概念。事實(shí)上，分散式污水處理系統(tǒng)在發(fā)展中國(guó)家的接受程度要高于發(fā)達(dá)國(guó)家，因?yàn)榘l(fā)展中國(guó)家較少存在預(yù)先技術(shù)的障礙，而發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)模式往往青睞于傳統(tǒng)的集中式污水處理系統(tǒng)。

        但實(shí)際上，隨著大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的城市水資源基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)壽命逐漸接近上限，甚至已超上限（通常為50-60年），在未來(lái)十年中，大批的水資源基礎(chǔ)設(shè)施將面臨修復(fù)與翻新，而若能趁此機(jī)會(huì)將污水系統(tǒng)改造為分散式污水處理系統(tǒng)，將是一個(gè)適用于未來(lái)發(fā)展的長(zhǎng)期解決方案。

結(jié)論

        分散式污水處理技術(shù)由于其原位處理和便于資源回收利用而具有可持續(xù)性，這個(gè)特性在未來(lái)將會(huì)愈發(fā)顯著。集中式污水處理系統(tǒng)雖然目前可以滿足人口稠密地區(qū)的需求，但并不普適于未來(lái)發(fā)展。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，“未來(lái)城市”的新觀念很有可能將會(huì)明顯側(cè)重于分散式。

        從技術(shù)研發(fā)的角度，分散式污水處理系統(tǒng)已被充分認(rèn)知，但技術(shù)到工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)移還略顯薄弱，管理者的“守舊心態(tài)”成了新技術(shù)的推廣應(yīng)用的主要障礙之一。而實(shí)際上對(duì)于決策者而言，選擇分散式污水處理系統(tǒng)是一次變革傳統(tǒng)的機(jī)會(huì)。借此機(jī)會(huì)，將陳舊的用水設(shè)施替換為可進(jìn)行污水源分離的新型設(shè)施。對(duì)于污水收集設(shè)施已經(jīng)急需更替或者重建的區(qū)域，將分散式污水處理系統(tǒng)納入備選范圍，這是改變傳統(tǒng)污水處理模式的良好契機(jī)。

        但是，這并不意味著集中式污水處理系統(tǒng)完全無(wú)用。發(fā)達(dá)國(guó)家高度人口稠密的地區(qū)一直以來(lái)由集中式污水處理廠提供服務(wù)，并隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展不斷擴(kuò)容管網(wǎng)系統(tǒng)。在這些情況下，分散式系統(tǒng)并不是一種立即合適和可行的替代方案，折中的辦法是集中和分散二者共存，對(duì)諸如住宅、商業(yè)綜合體、醫(yī)院，可以應(yīng)用分散式系統(tǒng)，更易于處理后就近回用。