分散式污水處理系統研究進展*

張 堃，秦漢軍，孔 偉，周艷偉，易 瑩，謝喬光

（中國電器科學研究院有限公司，廣東 廣州 510300）

1 污水分散式處理與污水集中式處理的比較

城市污水處理設施是城市公共基礎設施的重要組成部分，是城市控制水體污染、維護生態環境的重要城市基礎設施。污水處理的方式主要有集中式處理和分散式處理。集中式處理系統通過復雜的市政管網將城市污水輸送到污水處理廠進行處理，然后自然排放或回用，是目前全世界城市污水處理廣泛采用的一種方式［1］。分散式處理將污水單獨或就地處理，可以不依賴復雜的市政排水系統，是一種新的污水處理方式，尤其適用于無排水系統的地區。分散廢水管理涉及廢水的收集、處理和排放、回用，這些廢水源自單獨的住戶、組屋和獨立的社區、工業及慈善機構以及廢水產生點和附近的部分社區。分散式污水處理系統將這些廢水經過預處理，液體和少量的殘余固體可在收集站做進一步的處理和回用［2］。對于中小城市（鎮）、農村及偏遠地區，由于地理條件和經濟因素的限制，不適宜實行生活污水集中處理的地區，應大力發展分散式污水處理技術，就地實現污水的處理與回用［3］。分散式污水處理技術已經成為國內外生活污水處理的一種新模式［4］。

集中式污水處理系統需要獨立的污水管道系統，單獨處理灰水和黑水，3條平行的管道系統以及2個分配系統適用于飲用水和工業用水。因此，需要高昂的基礎設施建設費用。而且水在管網系統輸送過程中可導致污水的滲漏，并且所占比例很大［4］。這不僅污染了環境，而且浪費了水資源，從水資源回收利用、可持續發展角度看極為不利。同時集中式系統把工業廢水和家庭污水相互混合，不利于單獨的灰水排放和水資源的再利用（如灌溉）。分散式系統可避免這些缺點［5］。

2 分散式污水處理技術研究現狀

2.1 自然凈化系統

在環境氣候條件適宜并且有充足土地的情況下，可利用人工濕地、蘆葦塘、土地滲濾、氧化塘等自然凈化系統進行污水的就地處理，其處理效果安全穩定、處理成本低、處理過程管理簡單。缺點是占地面積較大，受氣候條件限制，可能會產生一些異味，易造成淤積飽和現象。這種處理系統尤其適用于農村的小型分散污水處理系統。意大利很久以前就使用過這種方法［1］。

2.2 厭氧處理系統

在過去幾十年里，人們做了大量關于污水厭氧處理的嘗試。其中，以荷蘭首創的上流式厭氧污泥床反應器為基礎，將其與水解上流式污泥床反應器等結合起來，成功地進行了農業和工業污水處理［6］。厭氧處理技術可將有機污染物轉化為甲烷，在處理污水的同時，回收部分能源。厭氧技術工藝穩定，產生污泥少，所需費用和設施所占空間減少，因此具有一定的生態效益和經濟效益。厭氧技術還能夠處理好氧生物處理技術不可降解的物質，此外厭氧處理技術還可以降低氯化有機物毒性［7］。隨著技術的不斷進步，在污水的分散式處理上，厭氧處理系統展現出了很好的應用前景。

2.3 膜生物反應器技術

20世紀60年代以來，人們已經了解了反滲透、微濾和超濾技術，但是，價格便宜且能用于城市污水處理的膜，近幾年才開發出來。膜技術最重要的應用就是膜生物反應器。近年來，膜技術已被成功的應用在好氧污水生物處理工藝，這些好氧膜生物反應器已被證明可以處理市政及工業廢水，其處理效率高、出水水質好、產生的污泥量少、不需要太大的占地面積［8］，膜生物反應器在污水處理的應用范圍和規模不斷擴大和增加，尤其是將膜工藝與厭氧污水生物處理相結合的厭氧膜生物反應器，越來越受到關注。但是，目前膜生物反應器大規模應用面臨的最大問題就是膜污染；同時，高昂的膜組件投資費用，也是影響其市場化推廣的主要因素。隨著近來膜材料科學技術的快速發展，膜材料和膜組件的費用也在逐步降低，但膜污染卻依然是膜生物反應器推廣應用的主要障礙。

國外已將膜生物反應器技術廣泛應用于分散式污水處理，例如日本的Kubota（久保田）系統，該系統把膜組件直接插入活性污泥曝氣池，可將系統中的生物濃度提高到15 000 mg/L以上，可使曝氣池的體積大大縮小，兩步甚至一步處理就能達到三級處理出水水質，出水無菌且不含懸浮物。該系統在日本和英國已經用于小規模污水處理。英國已建成了2個鄉鎮污水處理系統，服務人口數為4 000人和23 000人。但值得注意的是，Kubota株式會社開發的系統僅負責服務人口最多為50人的系統。因此，該系統在小型分散污水處理和回用處理方面具有更大的應用潛力［9］。

德國的DEUS 21系統是目前分散式污水處理系統的代表，其由德國弗勞恩霍夫協會（Fraunhofer-Gesellschaft，FhG） 研發并于2004年開始建造。其位于德國斯圖加特市以南的小鎮尼林根（Knittlingen） 的一居民區，2006年該系統建成并開始試運行。該系統設計為175位居民的小區服務，截至2010年，該小區已有1/2居民入住［10］。

DEUS 21分散式污水處理系統將雨水與生活污水分開處理，其工藝流程見圖1。生活污水利用真空收集裝置（包括真空馬桶和餐廚垃圾研磨器）收集，這樣在節水的同時可提高污水中的有機污染物含量，使其適合進行后繼的厭氧處理工藝。污水經真空系統收集后進入厭氧膜生物反應器內進行厭氧處理，在降解污水中有機污染物的同時可產生沼氣。處理后的污水由于其中的氮、磷營養元素含量較高，可直接用于農業灌溉及綠化，經過后續的脫氮除磷處理后可用于一般生活服務性用水。收集到的雨水經旋轉陶瓷膜處理后可直接用于沐浴、沖洗馬桶、洗車等家庭生活用水。

圖1 德國DEUS 21厭氧污水處理系統工藝流程

污水（包含經研磨處理后的餐廚垃圾）經真空管道收集于真空站中（圖1）［10］。隨后被泵入混合池中，混合池被設計用來混合污水，使其均一化，這保證了污水水質的均一性，水量的穩定性。這與將雨水與污水分開處理同樣重要，因為膜面積是根據最大的水力負荷來設計的。污水隨后進入沉淀池，固體沉淀物會被分離，進入高效中溫（37℃） 厭氧消化反應器，固體停留時間為5～10 d。固體沉淀物質量一般占污水水量的1%～2%。為了提高處理效率，污水經由高速旋轉陶瓷膜分離。沉淀池中的污水會進入完全混合的生物反應器中進行厭氧處理，處理后的出水會經由高速旋轉陶瓷膜過濾，污泥重新回流進入反應器內。DEUS 21系統使用高速陶瓷旋轉膜組件，由于高速旋轉機構在膜片表面產生的剪切力，可有效防止膜污染，提高膜的過流通量，陶瓷膜孔徑為0.2 μm。處理工藝將污水與固體物質分開處理，2個厭氧消化反應器會產生沼氣，固體物質經過厭氧穩定化處理。DEUS 21系統非常適合在熱帶地區應用。

3 結論

污水的分散處理與回用不僅僅是一種全新的環境衛生措施，它是對傳統的環境衛生措施的補充和改進。分散式污水處理系統可以建設在居民區、公共建筑區、商業區、小型社區等人流量較小的、地理位置接近或者不存在城市污水收集系統的區域。當前我國分散污水處理主要是針對住宅小區污水，分散式處理和集中處理是污水處理的2種不可或缺但又不能互相替代的方式，兩者可互為補充。在中心城區主要以集中處理方式為主，在城市郊區（包括農村）以分散處理方式為主，將分散處理和集中處理相結合，可提高我國污水處理率，減少河流水體面源污染。

［1］Lens P，Zeem an G，Lettinga G.分散式污水處理和再利用：概念、系統和實施［M］.王曉昌，彭黨聰，黃廷林，譯.北京：化學工業出版社，2004.

［2］Tchobanoglous G，Angelakis A N.Technologies for wastewater treatment appropriate for reuse：Potential for applications in Greece［J］.Water Sci Technol，1996，33（10/11）：15-24.

［3］Gikas P，Tchobanoglous G.The role of satellite and decentralized strategies in water resources management［J］.J Environ Manage，2009，90（1）：144-152.

［4］Wilderer P A，Schreff D.Decentralized and centralized wastewater management：A challenge for technology developers［J］.Water Sci Technol，2000，41（1）：1-8.

［5］Zech T，Mohr M，Sternad W，et al.Comparison between aerobic and anaerobic wastewater treatment with a ceramic membrane filtration system［C］.The 6th IWA Specialist Conference on Membrane Technology for Water and Wastwater Treatment.Aachen，Germany，2011.

［6］張欣欣，沈菊李，朱寶庫，等.厭氧膜-生物反應器的研究及其在廢水處理中的應用［J］.膜科學與技術，2008（2）：79-84.

［7］Liao B，Kraemer J T，Bagley D M.Anaerobic membrane bioreactors：Applications and research directions［J］.Crit Rev Env Sci Tec，2006，36 （6）：489-530.

［8］Visvanathan C，Aim R B，Parameshwaran K.Membrane separation bioreactors for wastewater treatment［J］.Crit Rev Env Sci Tec，2000，30（1）：1-48.

［9］Yates J.Membrane process systems are establishing a significant position for the treatment for both municipal and industrial wastewaters［C］.The CIWEM and Aqua Enviroment Conference， Wastewater Treatment： Standards and Technologies to Meet the Challenge of the 21th Century.Leeds， England，2000.

［10］Lazarova V，Asano T，Bahri A.Milestones in water reuse：The best success stories［M］.Londun：IWA Publishing，2013.