分散式面源生活污水生态处理技术
慧聪水工业网 快速城市化在带动经济、社会迅猛发展的同时带来了城市水环境严重破坏的问题，日益激化了水资源供需矛盾。水体污染可分为两大类：点源污染与非点源污染。非点源污染主要是面源污染，是指污染物在降水径流淋洗与冲刷大气的作用下以广域分散的形式进入受纳水体引发的水体污染。PRAKASH等采用遥感和GIS技术建立模型，发现城郊结合部住宅区是硝酸盐污染的最强来源。我国晋江流域非点源氮磷负荷研究发现：非点源氮负荷为12298.95t/a，主要来自畜禽养殖、农田径流和农村生活污水，其贡献率分别为31.72%、26.38%和17.44%;非点源磷负荷为667.04t/a，主要来自土壤侵蚀、农田径流和农村生活污水，其贡献率分别为43.27%、21.10%和12.25%。另有研究证实中国绝大数流域，如太湖、滇池等，面源中的城郊与农村地区分散性生活污水排放、农田径流等是造成水体污染的主要原因，其贡献率总计超过70%，远高于来自工业生产和城市生活排污造成的点源污染。
分散式面源生活污水生态处理技术研究进展
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近年来，城市地区环保资金投入巨大，管网不断完善、污水处理厂大批兴建以及相关法律法规逐步完善与落实，城市水体污染控制取得了一定成果，但是黑臭河道整治、景观水复原等仍是较发达东部城市急需解决的问题，而分散式面源生活污水是其重要污染来源。相比于集中式点源污染治理，面源污染治理是一个更加复杂与困难的问题。城市面源生活污水主要是城郊地区与上游农村地带无序排放的生活污水，考虑到这些地区人口居住相对分散，管网建设投资大，采用集中式污水处理厂处理效益不高。因此，探求经济、实效的分散式生活污水处理法成为恢复和维护城市水环境的关键之一。
1国内外分散式面源生活污水处理概况
1.1国外面源生活污水治理
针对面源生活污水处理的研究在国外早已展开。美国于20世纪70年代初期开始研究并在公共卫生和环保界达成共识，认为分散式的处理系统将作为一种永久性的处理方法用于分散式面源污染治理，而且近年来也一直致力于提高其处理效率，尤其重视开发和应用就地处理系统。美国约25%的废水采用分散式的处理系统，其中最普遍的分散式处理系统是在化粪池后加一个亚土层过滤系统。挪威鉴于居民房屋分布比较分散且很多是建立在岩石上，无法采用土地渗滤进行污水的就地处理，因而发展了以SBR、生物转盘、移动床生物膜反应器等技术为主，并结合化学絮凝除磷的集成式小型污水净化装置。日本净化槽技术到目前已经发展了50多年，至2005年净化槽的服务人口数约1093万人。澳大利亚开发了一种过滤和灌溉作物的污水土地处理系统，称为“FILTER”，污水通过灌溉土地处理后得到净化，再利用地下暗管将其汇集和排出。BDOUR等对地中海城市地区可持续的污水处理与回用技术总结中认为，氧化塘、湿地、上流式厌氧污泥反应器和土壤含水层处理技术是最合适的技术。HUG等认为，分散式处理方式在很多地区能有效替代集中式污水管网和污水处理厂，并且建立了相关模型用于集中监控分散式离线处理方式获得的处理效果。
1.2国内面源生活污水治理
我国面源污染研究早期主要对滇池、太湖等进行探索性研究。近年来，众多专家学者也对从外国引进的净化槽技术、FILTER工艺、人工湿地等技术进行了多方探讨和尝试。但是，目前我国大部分城郊及农村地区还没有较完善的分散式污水处理设施，即使是沿海经济较发达的城郊及农村地区，家庭排放的生活污水一般只经过化粪池简单处理，而化粪池无法有效去除污染物，加之下垫面越来越多地被水泥、柏油等覆盖，污染物下渗受到限制，更多的污染物通过汇流进入附近流域的河流或水库。
在分散式面源生活污水处理方面，江苏省江阴市走在国内前列，于2009年11月确立对无法接管且规划保留的居民点的生活污水，采用高效、低耗、经济和维护简单的污水处理技术。我国城镇、农村经济水平不及西方发达国家，生活习惯的差异造成污水成分差异较大，同时国外对技术产权的保护与限制，使得国内无法直接利用国外现有技术来解决国内面源生活污水处理的难题。目前而言，因地制宜的分散式生态污水处理方法具有处理效果稳定、投资少、管理简单等优点，不仅适合我国当前的国情，而且符合生态化、可持续发展的趋势，得到了越来越多专家学者的认可，被认为是一种极具潜力的处理方法。
2分散式面源生活污水生态处理技术
分散式面源生活污水治理主要采用人工湿地、稳定塘和土地处理等3种生态处理技术。
2.1人工湿地技术
人工湿地系统在生活污水治理方面的成效已经被国内外众多专家学者证实。吴昊等对四川广元昭化镇人工湿地应用于农村污水中主要污染物去除效果及运行经济性进行了比较分析，表明污水COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别可以达到82.2%、65.7%、55.0%、94.0%，一次投资费用和运行费用都较小。MERLIN等全面评价位于法国高海拔地区已运行6年的垂直流人工湿地，用于处理边远山区的生活污水，证实该种方法是一种可以用于边缘地区替代常规污水处理方法的生态技术。SOLANO等研究了应用湿地作为长久性方案处理小乡村生活污水，只需经过前期简单去除粗砂、重固体和漂浮物质，单一湿地系统即可作为长期的生活污水处理方法。STEER等研究评价了美国俄亥俄州住宅人工湿地系统处理污水的效能，湿地系统能达到美国环境保护署对于污染物减量化的要求，其中出水BOD低于30mg/L，去除率达到89%;总悬浮固体低于30mg/L，去除率达到79%;每100mL出水大肠杆菌低于1000个;磷排放质量浓度1mg/L，去除率50%;氮排放质量浓度1.5mg/L，去除率16%。
2.2稳定塘技术
国内外专家学者对稳定塘及其与其他工艺结合的联合工艺应用于面源生活污水处理做了不少研究工作。周炜峙等认为，对于部分受地形限制无法纳入城市市政系统的村镇生活污水，采用厌氧水解—稳定塘工艺的出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级B标准。ZHAO等在稳定塘中增加了人造纤维作为载体，发现有机物、氨氮的去除效果得到了很大的提升，出水水质明显好于单一稳定塘，并且相对稳定。BONOMO等为找到一种可靠、简易、低成本的小型废水处理系统，研究了以浮萍为基础的稳定塘处理村镇或社区污水的效果，TSS去除率为55%～88%，COD去除率大于75%，但是冬季降至60%，总氮的去除只能在外部曝气的条件下获得，总磷的去除效果不明显。KATSENOVICH等分析评价了种植有植物的兼性塘长期用于净化处理农村生活污水的效能，系统COD平均去除率为76%，BOD5为93%，TSS为80%，氨氮为89%，同时发现随着季节的变化，氧化塘中的微生物群落也发生了明显变化。
2.3土地处理系统技术
2008—2010年，上海在开展郊区农村生活污水治理的8个区县中，7个区县采用了土壤渗滤系统，且其安装数量占该区县系统总数的比例几乎均在50%以上，甚至高达100%。在国外，美国约有36%的农村及零星分布的家庭住宅采用渗滤装置处理生活污水;瑞典、芬兰和挪威等国家，约有100多万散居住户采用渗滤系统处理生活污水。根据土地处理系统中水流运动的速率和流动轨迹的不同，土地处理系统可分为4种类型：慢速渗滤系统、快速渗滤系统、地表漫流系统和地下渗滤系统。慢速渗滤系统的污水投配负荷一般较低，渗滤速度慢，主要用于污水的深度处理。项爱枝等采用UASB+SBR+ASBR+土地处理系统处理养猪废水，其中慢速渗滤土地处理系统作为深度处理工艺，对COD、BOD5和氨氮去除率都在99%以上。快速渗滤系统是将废水有效控制地投配到具有良好渗滤性能的土壤如砂土、沙壤土表面，水力负荷和有机负荷较其他类型的土地处理系统高很多，是目前研究和应用较多的一种土地处理类型。地表漫流系统相对其他类型的土地处理系统应用相对较少。袁宜如等采用地表漫流系统为主要工序处理九江校园生活污水，其出水水质达到GB18918—2002二级标准。
地下渗滤系统是将废水有控制地投配到距地表一定深度、具有一定构造和良好扩散性能的土层中，使废水在土壤的毛细管浸润和渗滤作用下，向周围运动且达到净化废水要求的土地处理系统。地下渗滤系统的布水系统埋于地下，不影响地面景观，负荷较低，对污染物的去除效果好。沈阳应用生态研究所在“八五”期间修建了处理规模为50m3/d的地下渗滤示范工程;“九五”期间修建了处理规模为300m3/d的示范工程。张建等采用红壤土作为填充土壤，在2cm/d的水力负荷下，进行了地下渗滤系统处理村镇生活污水的现场中试，出水达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920—2002);2004年采用地下渗滤系统处理滇池流域的村镇生活污水，工程设计处理水量为30m3/d，设计水力负荷为0.08m3/(m2˙d)，获得对COD、总氮和总磷的去除率分别达到86.7%、85.5%和96.5%;同年，通过向处理生活污水的地下渗滤系统内掺加10%(体积分数)的草炭，启动时间从70d缩短到30d，氨氮和总氮的平均去除率也由原来的83%和69%分别提高到95%和80%。尹海龙等通过建立地下水数学模型，试图优化土壤渗滤工程运行控制中水力负荷与地下水水质监测井的布设。严群等则采用能增加土地毛管渗滤系统水力渗透性能的煤渣及提高土壤通气性能的草炭，与土壤合并作为地下渗滤系统的填料并采用不同的填料装填方式，增加对污染物的去除效果。马利民等通过对复合垂直流渗滤系统中增加球型填料，利用生物强化来提高垂直流渗滤系统对城市生活污水污染物去除能力。孔刚等对比了标准型、深型及浅型毛细管等3种构造的地下土壤渗滤沟去除模拟农村生活污水氮、磷，得出毛细管型构造渗滤沟在布水均匀性、稳定性及氮、磷去除效果等方面均优于标准型构造的渗滤沟;2009年构建了一种新型地下土壤渗滤系统，通过缩短布水管间距，在同一渗滤沟内不同区域实现干/湿交替运行，保证了处理效率，减少了占地。张之崟等就上海虹桥机场围场河典型污染河段进行土壤渗滤法水质生态修复试验，COD去除率达到75.8%，总磷得到完全去除。
地下渗滤系统长期处于持水饱和状态时，又被称为土壤含水层处理(SAT)。土壤渗滤系统中SAT系统应用和研究最为广泛，美国农村地区大量的家庭即利用花园使用了这种高效、低能、管理简易的生态工程技术。从20世纪90年代开始，国外从各方面对SAT进行了深入而广泛的研究，特别是污水回用方面。KANAREK等于1996年介绍了以色列Dan地区城市污水处理厂出水深度处理工程，指出在5年时间内该工程为国家提供了4亿m3可用于灌溉的回用水。GANOULIS等对SAT处理废水用于回用水做了风险分析。NEMA等对SAT做了技术和经济评价。AKBER等在科威特采用SAT工艺时发现，尽管系统运行将近30年，但对氨氮、有机碳、病毒、重金属等仍然保持良好的处理效果。此外，研究者还从水利条件953-964，、渗透性等动力学角度研究SAT去除污染物的效能与机制。此外，性激素、药物等难降解有机物的去除是目前学者研究的热点，而其中微生物群落分布则是研究的难点。
3存在问题
上述生态处理技术中，人工湿地技术对于土地类型和面积有一定的要求。目前，沼泽、池塘及闲置土地的面积都在快速缩减。白军红等对霍林河流域研究发现，1996—2000年，沼泽、河流和湖泊湿地面积都呈现净减少变化趋势。陈静等研究发现，1986—2000年东北地区沼泽湿地总面积呈下降趋势，后5年年均缩减速率是前10年的28倍。同时，植物作为人工湿地发挥去污能力的重要组成部分，其生长受季节更替影响大。此外，虽然国内外对湿地净化机制展开了大量的研究，建设了不少实际工程，但湿地内部机制十分复杂，各地区环境差异不同，进水水质也有差别，对其理解不足将导致实际设计建造出的湿地系统出水无法达到预计效果或者运行年限受限。
传统稳定塘所需水力停留时间较长，占地面积大。目前，可以通过增加人工曝气措施和添置填料等能增加塘内微生物的活性和数量，缩短水力停留时间，达到减少占地。但是稳定塘处理效果受气候影响较大。低温条件下，菌藻的活性受到抑制，导致塘体对污染物的降解能力不足;而温度过高，营养物充分条件下又将引起藻类爆发性繁殖，最终使整个系统无法正常运行。此外，臭味、滋生蚊蝇、污泥不易排出等问题也亟待完善解决。
土地渗滤系统遇到最大的困难是运行不当带来的堵塞。而另一个不容忽视的问题是系统无法有效去除氮污染。在围绕如何提高土壤渗滤系统脱氮性能上，ZOU等在不同水力负荷下，采用改良土壤提高土壤脱氮性能。VAN等953-964研究了水力负荷与净化水质效果之间的相互关系。WANG等采用分流的方式来提高土壤装置的脱氮性能。ZHANG等还通过间歇操作的方式来强化土壤装置脱氮的性能。目前的研究结果表明，单级土壤渗滤系统仍不能取得令人满意的脱氮效果，必须考虑其他措施来提高系统的脱氮能力。为此，笔者曾采用土壤渗滤系统与包埋硝化菌流化床结合的新工艺来提高总氮的去除效能，但是利用土壤渗滤系统作为主体工艺提高其脱氮性能还有待深入研究。
4结语
针对上述问题，应因地制宜地采取适当的生态处理技术，同时对技术本身去除机制仍需进行深入研究以规避每种技术存在的缺陷，改进处理效果，以应对分散式面源生活污水处理的难题。
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