分散式生活污水处理技术的研究进展

张轩，宋小三，王三反，张少博

(兰州交通大学 环境与市政工程学院 寒旱地区水资源利用教育部工程中心，甘肃 兰州 730070)

根据世卫组织的调查报告，全球数10亿人没有适当的家庭废水处理系统，水污染导致传染病的蔓延，每年造成数以万计的儿童因饮用被污染的水而死亡[1]。全球水资源正面临着两大挑战：水资源短缺和水环境污染。随着国家和政府对水环境保护重视程度的不断提高，城市污水通过污水管网收集到污水厂统一进行处理，城市污水的集中处理得到了快速发展[2]。由于分散式居住地区的管网覆盖滞后、缺乏长效运行机制、处理工艺选择不当等问题，难以采用集中式系统进行处理[3]。针对分散式污水水质变化大、组分复杂特点，介绍了几种新兴污水处理技术，提出了分散式污水处理技术未来的发展方向。

1 分散式生活污水处理概念

生活污水分散式处理技术，就是将无集中污水处理厂的地区产生的生活污水就地处理达标排放或回用，例如居住比较分散的偏远山区和农村、排水管网不完善的村镇、船舶、军队和微小企业等。在污水处理时根据当地的自然条件灵活的运用不同的污水处理技术，减少水污染，节约水资源[4]。分散式污水处理技术旨在最大程度地减少淡水资源的利用，减少越境污染物的数量，并最终最大化地回用水[5]。

分散污水处理主要分为在线系统和群集系统[6]。在线系统是从私人住宅排出的污水，由于没有铺设大面积社区用的污水管道或缺乏一套集中处理设施，通过自然系统或机械装置来收集，处理排放或中水回用，这种自然系统或机械装置被称为在线系统；群集系统是一种服务于一个或二个以上住户的污水收集或处理系统，但其范围不超过整个社区。从几家住户排出来的污水可以经过个体用户的化粪池或组合装置现场预处理后，再经过低成本、特殊污水管运送到比集中式系统相对小的处理单元。

2 国内外研究现状与趋势

19世纪后期，国外就针对独立用户产生的污水开始使用分散式污水处理技术，包括简单的污水收集坑和化粪池，相对起步较早。后经过改进，产生了许多有效的处理方式[7]。经过不断的发展，目前，美国分散式污水处理技术已经十分先进，主要处理方式有利用土壤的自净能力为基础的土地污水处理技术和地下渗滤处理技术，人工湿地等[8]。日本政府从1973年开始进行分散式生活污水处理技术的研究，针对农村居民和农村行政事业单位产生的生活污水，开始建设“农村集落排水工程”，集中处理农村生活污水。近年来，新型的膜分离技术因其建设费用低、处理效果好等优点在日本已被开发出来并得到大范围的实际应用，主要用于BOD和氨的深度处理[9-10]。2003年，德国政府进行了“分散式城镇污水处理基础设施系统”的研究[11]，其在处理城镇污水方面的相关技术已基本成熟。该系统对雨水和污水进行分别收集，然后通过膜生物反应器，利用反应器中微生物和生物膜过滤的共同作用，使污水达到排放水体的标准。

我国从20世纪80年代开始开展生活污水分散式处理技术的开发与研制工作，虽然起步较晚，但根据不同的地理特点和污水水质已研制出成熟的处理系统。生活污水分散式处理技术是在传统污水处理技术基础上通过改进发展而来，主要可分为好厌氧生物处理技术和自然生物处理技术，其中生态厕所、人工湿地、蚯蚓生态滤池和稳定塘等技术具有建设费用低、环境影响小、处理效果好等优势[12]。目前，为了实现若干个单一工艺的优势互补，进行污水处理工艺的耦合，包括溢流式电化学膜生物反应器(EMBR)、微生物燃料电池(MFCs)和化粪池反应堆(ASR)等技术，将生物法与电化学系统结合被证明是最有应用价值的。分散式污水处理技术具有运行费用低、处理效果好、工艺操作灵活、不产生残渣等优点，目前在国内被大量采用。

3 分散式污水处理技术研究

3.1 自然生物处理系统

人工湿地是由人工建设和控制运行的与沼泽地相似的地面，利用生态系统的物理、化学与生物的三重协调作用，经过滤吸附、离子交换沉淀、植物吸收与为微生物分解实现对水生活污水的高效净化[13]。按污水的流经方式人工湿地分为垂直潜流湿地(VFW)、水平潜流湿地(SSFW)和表面流湿地(SFW)[14]。

自然生物处理系统因其处理效果好、建设成本低等优点被广泛应用。但是由于悬浮物截留和吸附、微生物膜和藻类的生长、化学沉淀、土壤颗粒水膨胀等原因造成系统渗滤介质的堵塞问题制约其进一步发展[17]。

3.2 好厌氧生物处理系统

好氧微生物处理系统包括活性污泥法、生物转盘和好氧滤器等。通过向废水中不断补充空气和氧气维持好氧微生物所需的溶解氧浓度，通过其生命代谢活动处理废水。厌氧微生物无需提供氧气，通过自身的代谢过程将有机物转化为无机物和少量的细胞物质。厌氧处理技术因其低成本、操作系统简单和处理效果好等优点比好氧处理技术更具有应用前途。

周青龄等[18]采用一体式MBR工艺探究生活污水中脱氮除磷效果，结果表明，在溶解氧DO质量浓度为0.1～3.5 mg/L，MLSS为12 650 mg/L的条件下，该工艺对COD、NH4-N和TP的平均去除率分别为88.9%，94.6%和61.60%，具有良好的脱氮除磷效果；张静等[19]设计采用两级生物流化床(MBBR)与化学除磷工艺处理校园分散式生活污水。该工艺耐负荷冲击、操作运行简单、维护成本低，运行结果表明，出水最终达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中一级排放标准。

4 新兴分散式污水处理技术

4.1 生物电化学膜系统

膜生物反应器(MBR)是一种高效的废水处理技术，以其良好的出水水质和保留降解颗粒物的能力而在全世界范围内得到应用[20]。但需要经常清理膜结垢增加了其运行成本，需要对工艺进行改进。微生物燃料电池(MFC)由于其有限的生物量保留能力，造成污水出水质量较差。Wang等[21]设计了一种MFC-MBR集成系统，其中MBR的曝气池直接用作阴极室，碳毡被用作阴极有利于生物膜的发展，低成本尼龙网用作过滤材料[22]。系统中MBR有利于良好的污泥截流和较多的生物膜在MFC的阴极上发展，可以实现氧气作为阴极的电子受体，保证出水质量，而MFC可以提供MBR系统中消耗的大部分电能，40 d内产生的平均电流为(1.9±0.4)mA，最大功率密度达到6.0 W/m3。结果表明，COD去除率达到(89.6±3.7)%，流出的悬浮固体(SS)浓度几乎为零，展示了低成本高效的废水处理和发电能力。

4.2 化粪池反应堆(ASR)

传统厌氧处理系统的化粪池，其功能主要是储存和沉淀进水悬浮固体，由于非常低的污泥停留时间(SRT)，导致处理效率很低[25]。通过将常规化粪池(CST)的结构进行创新，制成先进的化粪池反应堆(ASR)[26]。包括将进水管道延伸到反应器底部，并利用分配塔板将流量从水平方向往上移，在反应器底部安装均匀的孔。通过装置运行超过10个月的结果表明，ASR最佳上流速度1 m/h，水力停留时间为24 h，COD、BOD5、TSS最大去除率为86.2%，79.4%和95%，生物质比产甲烷活性(SMA)为 0.31 mg COD/g VSS·d。同时，产生的沼气中最大甲烷浓度体积为74.5%，是丰富的清洁能源，可用于污水现场处理的CST的合适替代品。

4.3 下流式悬挂海绵生物反应器(DHS)

DHS技术最初设计采用多孔海绵和被动曝气进行可视化的分散式污水处理，微生物联合体会在内部形成生物膜海绵，代谢C和废水中的营养物质，将其转化为水、生物质和逸出的气体[27-29]。最初的设计包括上层好氧层、下层缺氧海绵层和废水再循环，但出水总氮较高[30]。造成这一原因主要是因为缺氧层进行反硝化的碳限制，因此将进水旁路添加到缺氧层中提供C，考察了不同旁路比率(占总进水量的百分比)对出水总氮的影响，结果表明，当增加30%的废水旁路时，污水总氮水平达到国家排放标准，氨的去除率也略有升高，COD的去除率始终>80%。证明具有废水旁路的DHS反应堆有望用于分散式污水处理。

5 结论与展望

膜技术(MBR)与微生物燃料电池(MFC)的集成是最有研究价值与应用前途的废水处理技术，还应研究其处理染料废水，含重金属和制药废水的机理与效果。另外，还需要进一步研究将MFCs与化学/物理、生物技术相结合的问题，重点发展MFC的电力储存系统。

膜技术可保证优良的出水水质，可满足污水回用的要求。但是出现的膜结垢问题制约其进一步发展，未来研究需要优化结垢机理，去除和回收水中的营养物质。

电化学强化生物质浓缩反应器(E2BCR)和微生物燃料电池(MFCs)不仅可以几乎完全去除水中的污染物质，而且可以大大减少膜污染问题。但电极材料是影响其发展的主要因素，因此，必须探究不同种类电极材料的污水处理效果，寻找最优经济高效的电极。