林榮斌+陳步丹+鄭永旭

摘要在集中式污水處理弊端突出、創(chuàng)新乏軟，隨城市化加速難以前進的背景下，分散式的水污染控制成為亟待解決的環(huán)境問題。文章簡述了集中式污水處理廠的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析了傳統(tǒng)分散式、小型化污水處理的典型工藝、優(yōu)勢和局限性，研討了更為先進的分散式污水處理新技術(shù)生態(tài)透析技術(shù)，并探討了把污水變?yōu)橘Y源、與環(huán)境和諧發(fā)展的污水處理技術(shù)應(yīng)具備的原則。最后對污水處理技術(shù)進行了展望。

關(guān)鍵詞

小型化；分散式；生態(tài)透析；活性污泥法；MBR；人工濕地

一般而言，污水處理模式有集中式和分散式兩種。集中式的污水處理模式一貫作為市政工程中常用的污水處理模式，主要用于收集和處理較大流量的污、廢水，而“分散”的概念在20世紀末才逐漸受到人們的關(guān)注和研究。目前，我國主要的污水處理方式是集中式污水處理，對分散式污水處理的研究和應(yīng)用尚不夠深入，對分散式污水處理模式也缺乏明朗的概念和整體把握，僅停留在污水處理簡單的小型化認識階段，這樣造成了分散式處理和集中式處理在工藝技術(shù)上的混淆和區(qū)分困難。因此，本文著重論述了集中式和分散式污水處理的概念、技術(shù)和發(fā)展狀況，并對它們進行了綜合對比和分析展望。

1集中式污水處理廠的現(xiàn)狀和研究

1.1發(fā)展歷程和現(xiàn)狀

以污水處理廠為主要代表的集中式污水處理模式，是城鎮(zhèn)污水處理的主要方法。截至2015年6月底，全國設(shè)市城市、縣累計建成污水處理廠3802座，污水處理能力達1.61億m3/d。從國內(nèi)外城市污水廠建設(shè)的發(fā)展歷史來看，在人口密集的大城市，建設(shè)集中式污水廠是污水處理的主要途徑。

目前污水廠采用的技術(shù)是活性污泥法，該技術(shù)于1914年誕生，由英國的愛德華·阿登（Ardern E）和威廉·洛克特（Lockett w T）發(fā)明，并于同年在曼徹斯特市建立了全球首座活性污泥法污水處理試驗廠，于1916年在美國正式建立第一座活性污泥法污水廠，這一技術(shù)奠定了至今100多年污水處理技術(shù)，雖然在某些工藝上有改進但本質(zhì)上和形式上沒有取得大的飛躍。

我國污水處理技術(shù)起步早，推廣晚，發(fā)展迅猛。隨著活性污泥法污水處理的成功和逐漸傳播，在1921年上海建設(shè)了中國第1座污水處理廠一上海北區(qū)污水處理廠，并在1926年和1927年又分別建設(shè)了上海西區(qū)、東區(qū)污水廠。直到改革開放以后，才在西安、太原、北京等地建設(shè)少數(shù)污水廠。近20年來中國污水處理數(shù)量猛增，到2014年3月底，中國占有的污水處理廠日處理能力達到1.54億m3/d，已經(jīng)超過了美國（約1.15億m3/d），位居全球首位。

隨著“水十條”的頒布，在污水處理、全面控制污染物排放等多方面進行強力監(jiān)管并啟動嚴格問責制，鐵腕治污將進入“新常態(tài)”，必將對我國的生態(tài)文明建設(shè)和“美麗中國”建設(shè)、環(huán)境保護以及社會發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生深遠的影響，意義重大。

1.2特征和效果

集中式污水處理是把各種城市生活污水收集輸送到污水廠，采用物理、化學(xué)、生物等綜合技術(shù)逐級處理，處理達標后再排入自然水域（如圖1），其最主要特征是：大建設(shè)、大收集、大處理和大排放。

污水廠是解決城市水資源和水污染的有效途徑之一。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部通報的2015年第二季度污水處理設(shè)施建設(shè)和運行情況顯示，全國城鎮(zhèn)污水廠累計處理污水126.2億m3，累計削減化學(xué)需氧量（COD）總量326.7萬噸，平均削減COD濃度達到259.1mg/L。山東省新泰污水處理廠，當進水COD、SS、NHa-N濃度各在一定范圍時，各指標去除率：COD有73.750，SS有87.36%，NHa-N有85.47%，各項指標均可達到一級A排放標準。如果對新泰污水廠獲得的環(huán)境效益進行定量的估算，按遠期滿負荷處理3萬噸/天污水計，每年可減少向環(huán)境排放總磷38.3t、氨氮219t、SS1861.5t、COD2956.5t。

綜上所述，污水處理廠能有效處理城區(qū)的生活污水、工業(yè)廢水等，對削減污染物、減少排污總量、保護生態(tài)環(huán)境起到良好的作用。

1.3弊端分析

污水廠引領(lǐng)了污水處理的首次革命，100年來對環(huán)境保護起了很大的作用，但是，隨著生態(tài)環(huán)境保護要求越來越高，淡水資源越來越緊缺，以及人民生活要求越來越高，城市管理要求越來越規(guī)范的情況下，弊端和技術(shù)的滯后性和毒副作用已經(jīng)越來越凸現(xiàn)，具體分析如下。

1）污水處理投資成本高

污水廠的投資包括三大部分：收集管網(wǎng)建設(shè)費、征地費、廠區(qū)建設(shè)費。征地費因地塊而異，基本在上億元（如廣州獵德污水廠，若作為商業(yè)用途，價值500億元），基建費用2000～5000元/噸，管網(wǎng)鋪設(shè)費用5～10倍基建費用。根據(jù)已建、在建污水廠的實際情況，建成一座處理規(guī)模達50萬噸/天的污水處理廠，僅一次性投資費用在7.5～10億元；又如，已經(jīng)投入資金1.98億元，原計劃于2005年年底建成的安徽省安慶市第一座污水處理廠，因經(jīng)濟問題和管網(wǎng)配套設(shè)施跟不上等原因，爛尾至今悄無聲息。因此，采用集中式污水處理模式來處理城鎮(zhèn)污水，對于經(jīng)濟尚不發(fā)達的我國大部分城鎮(zhèn)來言，是不堪重負的。

2）污水處理廠運行費用高

污水廠無論采用哪種處理工藝的運行方式，其主要成本為能源消耗、藥劑消耗、管網(wǎng)收集和維修費用、污水和污泥處理費用、人員費用等。目前污水廠的綜合運行費用包含：管網(wǎng)收集費用2～2.5元/噸，污水處理費0.8～1.4元/噸，污泥處理費500～1000元/噸（干污泥），人工費10～50人/廠，藥劑費用45～150元/天，電費0.5～1度/噸，共需3～3.5元/噸。例如，首創(chuàng)股份2013年的污水處理業(yè)務(wù)成本中，動力消耗和人工成本以及管網(wǎng)維修，分別占污水處理成本的27.95%、12.24%和34.02%，三者占污水處理總成本的74.21%；廣州東區(qū)污水處理廠工程投資約7000萬元，但年總運行成本費就達1000多萬元；廣州獵德污水處理廠（四期）規(guī)模為56萬m3/d，其每立方米的運行費用1.05元，年運行費用高達2.146億元，如此高的運行費，隨著物價、人工的持續(xù)高漲，政府投資壓力只增不減。

3）管理復(fù)雜

設(shè)備多、人員多、專業(yè)技術(shù)要求高。污水廠涉及水質(zhì)檢測與安全生產(chǎn)、污水泵、水處理機械設(shè)備、電器儀表、自動控制、物理化學(xué)法工藝等運行管理，需要大量的專業(yè)人才去管理和維護。其次，要添加化學(xué)物質(zhì)同時需要對污泥進行處理，造成管理復(fù)雜，可控性較差，風險性較大。

4）浪費土地資源

大型污水廠占地面積幾十到幾百畝，如京溪地下凈水廠占地面積27畝、廣州石井污水廠占地面積328畝、廣州獵德污水廠占地585畝。現(xiàn)代城市寸地寸金，中心城區(qū)更是寸金難求，這些污水處理廠的大面積占用是對寶貴的土地資源浪費嚴重。

5）二次污染

污水廠的最大弊端是產(chǎn)生大量的污泥和臭氣，而其中處理每萬噸水產(chǎn)生污泥5t～6t。2010年底，污泥產(chǎn)生量接近2200萬噸，而且其中有80%沒有得到妥善處理；專家預(yù)估到2015年底，污泥產(chǎn)生量將為3359萬噸，能無害化處理的不足25%；這些污泥是造成垃圾圍城的主要來源之一，加重了生態(tài)環(huán)境的惡化等問題。污水中的污染物被污泥富集，含有大量的有機物、重金屬和氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)以及病毒微生物、寄生蟲卵等有毒有害物質(zhì)，如果不經(jīng)有效處理處置，就會對水體和土壤造成“二次污染”。

6）中水未能回用，水資源白白浪費

我國水資源分布不平衡，人均擁有淡水量約為世界平均水平的1/4，水資源嚴重匱乏。污水廠對處理過的“中水”直接排放，這種“大排放”是對淡水資源的巨大浪費；而且，排放的“中水”含大量氮、磷污染物一非常有利于藻類繁殖的營養(yǎng)物，這些排放到江河湖泊的“中水”，若無法得到較為充分的稀釋，會引起水體中藻類的爆發(fā)。

7）大開馬路，對社會造成嚴重影響

“拉鏈馬路”是指道路挖了填、填了挖的現(xiàn)象。污水管網(wǎng)設(shè)計高低起伏、轉(zhuǎn)彎或地質(zhì)松軟度不同，造成管網(wǎng)下沉破裂、堵塞，或者建筑工地的紅泥未處理直接進入管道，由于泥沙沉淀造成收集管網(wǎng)堵塞，導(dǎo)致馬路不斷地需要開腸破肚、清理堵塞或修復(fù)；因此有大型污水廠的城市就必然造成“拉鏈路”。

8）規(guī)劃與實際運行的矛盾。存在“大馬拉小車”的廠容量超過實際處理量，產(chǎn)能被閑置；或者存在“小馬拉大車”的廠容量小于處理量，污水處理不了排入江河，造成河道污染。污水廠大投資、大建設(shè)、大排放、大耗能的缺點越來越突出，是國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)討論的熱點問題，雖然目前集中式污水處理系統(tǒng)是市場的主流，但在可持續(xù)發(fā)展思潮的影響下，不少學(xué)者和業(yè)內(nèi)人士目前正在反思該工藝存在的缺陷，繼而將研發(fā)、應(yīng)用的熱點轉(zhuǎn)向小型化和分散式、源頭化處理的新技術(shù)和新方向。

2小型化、分散式污水處理研究

分散式循環(huán)利用污水處理技術(shù)是指從污染點源進行處理、循環(huán)利用，盡可能減少對外排放，及從每一戶家庭、每一棟樓、每一個小區(qū)、每一條自然村的污水作為獨立單元進行處理和循環(huán)利用，不向江河、湖泊排放，從而達到節(jié)能減排，保護生態(tài)環(huán)境，充分利用淡水資源的目的。

分散式污水處理技術(shù)因具有因地制宜、占地面積少、工程費用少、管網(wǎng)建設(shè)費少、環(huán)境影響較小、靈活多樣等優(yōu)點外，還具有如下兩大優(yōu)勢：一是能節(jié)能減排，增加淡水資源的供應(yīng)，緩解我國淡水資源的不足，具有重要的戰(zhàn)略意義；二是職責明確，能夠厘清污染源的來源與責任，政府可以因此減少大量的公共投資，轉(zhuǎn)為由個人或企業(yè)自己承擔治污的經(jīng)費。這些特點使得其成為一種新型的、經(jīng)濟環(huán)保的污水處理技術(shù)。

2.1傳統(tǒng)小型化、分散式污水處理研究

目前傳統(tǒng)小型化、分散式污水處理主要有3大類：活性污泥法小型化及改良工藝的A2/0、MBR和小型人工濕地處理。

2.1.1 A2/O工藝優(yōu)勢與弊端

1）優(yōu)點

（1）工藝流程簡單，運行效果穩(wěn)定可靠，壽命長，且具有較強的抗沖擊負荷能力，適合水質(zhì)、水量變化較大的污水處理。

（2）厭氧一缺氧一好氧3種不同的工藝環(huán)境條件和數(shù)種微生物菌群的有機配合，在去除污水中BOD污染的同時，還能有脫氮除磷，具有很好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

2）缺點

（1）除磷效果差，一般達不到一級B的排放標準，通常情況下要加藥物進行除磷處理。

（2）工藝流程較長，處理構(gòu)筑物多，能耗大、處理水量越小造價越高。

（3）要有復(fù)雜的設(shè)備、電氣、化學(xué)藥物添加，還有污泥、臭氣、蚊蟲產(chǎn)生，所以運行操作的難度較大，需要專門技術(shù)人員運行管理。

2.1.2 MBR工藝優(yōu)勢與弊端

1）優(yōu)點

（1）對懸浮物和濁度有著較好的去除效果。

（2）污泥產(chǎn)量比A2/0工藝低。

2）缺點

（1）膜組件費用高，MBR的基建投資遠高于傳統(tǒng)污水處理A2/0工藝。

（2）膜污染的清洗和膜組件的更換工藝復(fù)雜，需要專業(yè)人員進行操作。

（3）能耗高：MBR處理需要壓力抽水和反沖洗工藝，耗能較大，比A2/0工藝耗能高。

（4）除磷效果差，整體水質(zhì)指標只可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準，若提高排放標準，必須添加化學(xué)藥劑。

（5）壽命短，一般的材料壽命3～5年，就必須更換，較好材料的膜，8年左右就得更換。

2.1.3人工濕地技術(shù)優(yōu)勢與弊端

1）優(yōu)點

（1）單次投資少、管理簡單、運行費較低，適應(yīng)于短期農(nóng)村污水處理。

（2）材料來源廣，就近可得。

（3）具有獨特的綠化環(huán)境功能，成規(guī)模的人工濕地可迅速增加綠化率。

2）缺點

（1）壽命期短，長期累加投資大，一般只能用5～6年，又要重新投資建設(shè)。而初期6～9個月凈化效果較差，處理床植物根系尚未完全成熟；4年以后處理效果變差，由于植物根系太過發(fā)達，在系統(tǒng)中出現(xiàn)飽和密實和水流短路現(xiàn)象，造成污水難以充分接觸根系，污染物難以被植物充分吸收。這時候必須翻底更換系統(tǒng)，重新投資建設(shè)。

（2）對濃度較高的生活污水，處理效率較差，難以達一級B標準。此外，管道收水難全面，管道易被壓爛導(dǎo)致污水外流。

（3）占地面積大，應(yīng)用范圍較窄，只適應(yīng)于農(nóng)村污水的短期處理。而且，濕地容易被農(nóng)村居民用作養(yǎng)殖場放養(yǎng)禽類、牲畜等，其排泄物容易破壞人工濕地的穩(wěn)定。

（4）若遭受洪水災(zāi)害或泥沙水覆蓋后，人工濕地易堵塞，而喪失污水處理功能。

（5）每5～6年翻新產(chǎn)生的污泥難以處理，產(chǎn)生二次污染。

（6）濕地植物存在病蟲害，并且濕地往往是蚊蠅的孳生地，特別在登革熱的發(fā)生區(qū)，濕地是要重點防治的地方。

（7）僅適應(yīng)于南方溫度較高的地域。

2.2先進型小型化、分散式污水處理技術(shù)一生態(tài)透析技術(shù)

2.2.1產(chǎn)生背景

生態(tài)透析技術(shù)啟發(fā)于“蜿蜒理論”，靈感來源于古代先賢的“曲成萬物”理論和國內(nèi)外例子。

2.2.2技術(shù)原理

生態(tài)透析技術(shù)依托系統(tǒng)科學(xué)的原則和生態(tài)學(xué)的原理，通過對自然界河流山川的蜿蜒和生物豐富多樣性的人工模擬，采用比表面積大的改性高分子材料作為載體，將河川彎曲的特性微型化，進而構(gòu)成無數(shù)彎彎曲曲的細小河流，從而建立了一個有益于“微生物一浮游生物（微型小動物）一小動物”各個生物群落生態(tài)位協(xié)同匹配的生態(tài)鏈及生態(tài)系統(tǒng)，在人工控制強化各個生態(tài)因子的條件下，使流經(jīng)本系統(tǒng)的污水或臭氣中的有機污染物被快速降解，轉(zhuǎn)化為N2、C02、02、H20和少量的無機殘渣，實現(xiàn)污水的“三無處理”。

2.2.3特點

生態(tài)透析技術(shù)，無論在技術(shù)上還是理論上，均取得重大的突破，屬于世界原創(chuàng)性，該技術(shù)的特點。

1）“三化”：小型化、分散化、源頭化。

2）“三無”：無有機污泥、無臭氣、無化學(xué)添加。

3）“兩低”：投資抵、運行費用低。

4）“一快”：建設(shè)安裝時間短，項目完成快。

5）耐用性：設(shè)備壽命30年，無需維修。

6）出水水質(zhì)好：經(jīng)生態(tài)透析技術(shù)處理的污水，其出水水質(zhì)可滿足《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)（GB 18920-2002）》標準和達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）》一級A標準，甚至一些水質(zhì)或指標能達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 38382002）》的III類以上。

3探討分析

現(xiàn)行集中式污水處理廠規(guī)模的日漸龐大凸顯出各種弊端，逐漸成為社會可持續(xù)發(fā)展的障礙，而傳統(tǒng)技術(shù)的小型化又有諸多的缺陷條件，未能滿足日益增長的人民群眾的生活要求和社會的可持續(xù)發(fā)展。目前無論在國際還是國內(nèi)的學(xué)術(shù)上都在探討研究把污水變?yōu)橘Y源、與環(huán)境和諧發(fā)展的嶄新污水處理革命性技術(shù)，這種污水處理工藝應(yīng)該具備以下原則。

1）小型化、分散化、源頭化的實現(xiàn)模式，適用于一棟樓、小區(qū)等點源污水排放的循環(huán)利用，可徹底切斷進入水環(huán)境（河流、湖泊等）中的污染源。

2）技術(shù)要求滿足無化學(xué)添加、無有機污泥產(chǎn)生、無臭氣排放，對環(huán)境無二次污染，對生態(tài)環(huán)境良好。

3）設(shè)施耐用性強，使用壽命長。

4）經(jīng)濟效益好，投資、運行費用低。

5）操作簡單，安裝和維護方便。

6）循環(huán)利用，實現(xiàn)節(jié)能減排的國家戰(zhàn)略目標。

按照這些原則的污水處理技術(shù)，才可能成為未來小型化污水處理時代的革命者和領(lǐng)導(dǎo)者。

4污水處理技術(shù)的未來展望

集中式和分散式污水處理模式均是非常重要的水處理方式。在走進微時代的今天，小型化的污水處理、分散式的處理模式符合世界發(fā)展大方向、大趨勢。分散式、小型化污水處理技術(shù)符合中國當前的經(jīng)濟發(fā)展實際，實現(xiàn)區(qū)域性的可持續(xù)發(fā)展，也順應(yīng)國際上污水生態(tài)處理的新潮流。

1）分散式污水治理模式為資源節(jié)約和發(fā)展可持續(xù)環(huán)境保護提供了極大可能。推進先進型的分散式污水治理工藝，可對河流、湖泊等水域最大可能的實現(xiàn)零排放。水污染防治狀況將從對河流的治理轉(zhuǎn)變?yōu)楹佑恐卫磉M而轉(zhuǎn)變?yōu)樾^(qū)污水治理，從而徹底切斷排入水環(huán)境中的污染源，河流、湖泊的治理觀念由此轉(zhuǎn)變。

2）分散式、小型化污水處理模式是實現(xiàn)國家節(jié)能減排、建設(shè)生態(tài)文明與美麗中國等偉大戰(zhàn)略的催化劑和生產(chǎn)力工具。采用先進型的分散式污水處理技術(shù)治理城鎮(zhèn)污水能實現(xiàn)國家節(jié)能減排的偉大戰(zhàn)略，可使人均水資源量增加，并極大地改善生態(tài)環(huán)境。

3）小型化、分散式污水處理技術(shù)在將來的污水處理領(lǐng)域會擁有廣闊的發(fā)展前景?；诔擎?zhèn)污水處理的游刃有余，生態(tài)透析可進一步拓寬水處理的范圍，將污水處理擴展到凈水飲用項目，能為水污染控制和水資源節(jié)約提供方向和基礎(chǔ)。

4）以生態(tài)透析技術(shù)為代表的先進型污水處理技術(shù)將漸漸代替集中式的污水處理模式，并可能在5～10年內(nèi)迅速成為污水處理的主流技術(shù)。雖然在理論上和技術(shù)上屬于世界領(lǐng)先水平，完全屬于自主創(chuàng)新技術(shù)，為中國人創(chuàng)新爭光，但目前使用率還很低，急需政府和政策的大力支持，才能夠在世界上首先占領(lǐng)該領(lǐng)域的制高點，從而推動污水處理的新的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。