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农村分散污水处理技术研究进展揭示膜技术有发展潜力
中国污水处理工程网 / 时间:2010-08-24 11:22:19
  据西藏水利网2010年8月24日讯 我国长期的城乡二元结构导致在污水处理方面城乡之间差别显著:在城市,污水不但有完善的收集、处理技术和设施,而且国家颁布系统的法律法规和标准加以控制;而占全国总面积近90%的广大农村,96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统。未经处理的生活污水通过点源和非点源排放,将各类污染物带人河流,严重污染各类水源,导致出现了包括蓝藻水华等诸多生态环境问题。
  农村生活污水主要为冲厕污水和洗衣、洗米、洗菜、洗澡废水。污水中主要是生活废料和人的排泄物,一般不含有毒物质,往往含有氮、磷等营养物质,还有大量的细菌、病毒和寄生虫卵。因生活习惯、生活方式、经济水平等不同农村生活污水的水质水量差异较大,污水有如下特点和问题:①污水分布较分散,涉及范围广、随机性强,防治十分困难,管网收集系统不健全,粗放型排放,基本没有污水处理设施;②农村用水量标准较低,污水流量小且变化系数大(3.5~5.0);③污水成分复杂,但各种污染物的浓度较低,污水可生化性较强。
  由于农村生活污染源分散,不易集中,村镇居民环保意识差,加上经济水平相对落后,治理上也存在较大困难,因此,农村生活污水已成为影响水体环境质量的重要污染源。目前我国75%的天然和人工水体出现富营养化,而且这一趋势正在不断恶化中。
  分散式污水处理的概念及其分类
  目前,我国主要研究的污水处理方式是集中式的污水处理,对分散式污水处理的研究还不够深入,我国对于分散式污水处理还没有一个很明确的概念,还简单地停留在污水处理厂小型化这样一个认识阶段。现在较为被广泛接受的方式是对污水进行就地处理、就地回用。
  分散污水处理系统主要包括:
  ⑴在线系统(Onsite system)。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即称在线系统。常用的在线系统包括化粪池(septic tank)和沥滤场(leach fields)。
  ⑵群集系统(Cluster system)。群集系统是一种服务于两个或两个以上住户的污水收集和处理系统, 但其范围不超过整个社区。从几家住户排出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, 再通过低成本、非传统技术的污水管运送到比集中式系统相对小的处理单元。分散污水处理系统就是这样一种在线系统或群集系统。
  分散式污水处理技术
  分散式废水处理工艺可以粗略地分为以下几类:
  ⑴自然系统,即利用土壤作为处理和处置的媒体, 包括土地应用、人工湿地、地下渗滤等。还有一些污泥处理系统,如干沙床和泻湖。
  ⑵集水系统,即不使用传统的重力式污水管,而代以轻质塑料管,其优点是埋深较浅、管接少、连接结构不复杂。常用的污水管道有压力式、真空式和小直径重力式。
  ⑶传统的处理系统,即结合生化和物化工艺,由池、泵、鼓风机和其他机械装置组成的系统,其包括三种形式:悬浮式生长,固定式生长,两者混合。这一类也包括对污泥的处理,如消化、脱水和堆肥等。
  ⑷膜技术。国内对于分散式废水处理研究没有国外那么系统化,较多的是对(建筑)小区污水的处理, 而且工艺仍然是传统方法的组合,是城市污水处理厂的小型化。随着科学技术的发展,尤其是膜技术的发展,污水处理设施实现了装置化、小型化,使污水分散处理和回用得以实现。
  由于前三种技术比较落后,因此膜技术有着非常大的优点和巨大的发展潜力,故这里着重先容膜技术。
  膜技术主要包括污泥生物膜复合生物反应器、膜分离技术和膜生物反应器。
  ㈠活性污泥生物膜复合生物反应器系统
  在曝气池中投加各种能提供微生物附着生长表面的载体, 利用载体容易截留和附着微生物量大的特点, 是曝气池中同时存在附着相和悬浮相生物, 充分发挥两者的优越性, 克服各自的缺陷和不足, 大家将这种反应器称之为复合生物反应器。复合是指反应器中同时存在悬浮相和附着相生物。
  ㈡膜分离技术
  所有分离过程都是利用在某种环境中混合物中各组分性质的差异进行分离, 膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质, 在两侧加以某种推动力时, 原料侧组分选择性地透过膜, 从而达到分离或提纯的目的。这种推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。根据其推动力分别可分为渗析(浓度差)、电渗析(电位差)、超滤(压力差)、纳滤(压力差)、反渗透(压力差)。膜分离的优点在于工艺流程短、占地少,小型化系统放置场所不受限制;出水BOD、氮、磷和悬浮固体浓度很低,不含细菌、病毒、寄生虫卵等,出水符合三级处理标准,可直接回收或补充地下水。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。
  ⑴反渗透。当用一个半透膜分离两种不同浓度的溶液时,膜仅允许溶剂分子通过,由于浓溶液中溶剂的化学势低于它在稀溶液中的化学势,稀溶液中的溶剂分子会自发地透过半透膜向浓溶液中迁移。
  ⑵纳滤。纳滤膜又称为超低压反渗透膜或疏松型反渗透膜,其操作压力通常在1.0MPa以下,它对二价离子和分子量大于300mol的有机小分子的截留率较高。
  ⑶超滤膜。超滤膜的结构多为非对称性膜, 有一层极薄(通常只有0.1μm~1μm)具有一定孔径的表皮层(活性层)和一层较厚(通常为125μm)具有海绵状或指状结构的多孔层组成。活性层在传质过程中起真正选择性筛分作用,基本上决定了膜的分离性能;支撑层只起活性层的载体作用,基本上不影响膜的分离性能。
  ⑷电渗析。电渗析是在外加电流电场作用下,利用离子交换膜的选择透过性(即阳膜只允许阳离子透过,阴膜只允许阴离子透过)使水中阴、阳离子做定向迁移,从而达到离子从水中分离的一种化学过程。
  ㈢膜生物反应器
  膜生物反应器(Membrane Bio-reactor,简称MBR)是由膜分离和生物处理组合而成的一种新型、高效的污水处理技术。膜分离技术最早应用于微生物发酵工业, 随着膜材料和制模技术的发展, 其应用领域在不断扩大,已经涉及化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品和污水处理等多个领域。
  MBR处理工艺在日本、加拿大等许多国家已经得到较好的运用,与传统的活性污泥处理工艺相比,MBR存在如下的优点:可以使水力停留时间和污泥龄完全分开,使运行控制更灵活,稳定;利于世代时间长的硝化细菌的增殖,从而提高硝化效率;污泥浓度高,从而传氧效率高达26~60%左右,节省耗能;反应器内MLSS可高达15000~30000mg/L,使装置处理容积负荷大,减少占地,也便于活性污泥法的改造;膜生物反应器利用其高的MLSS,可以保证有机负荷高峰期的出水水质,且在低峰期污泥可以进行自身消化,使剩余污泥比常规活性污泥法处理少50~80%,可减少剩余污泥的处置费用;膜生物反应器由于存在高浓度的MLSS,硝化与反硝化同时存在,具有很高的反硝化效果,脱氮能力强。而在需要高效除磷时,只需往污水中投加少量的明矾,因为膜能有效地分离这些不能沉淀的细小微絮凝体,只要其粒径小于0.2μm即可。
  国外分散式处理技术应用现状及发展趋势
  分散式处理技术包括了污水的收集、处理、排放及回用。在污水收集方面,为实现废弃物的源头减量控制,需要改进传统的洗菜水、洗浴水与粪便混合的卫生设备,主要方法是减少粪便冲洗水或采用无水收集。瑞典已经逐步应用了尿液分离式卫生间,德国等国家也在进行真空无水收集系统的研究和推广,而印度则是通过分散雨水的收集与排放来减少混合污水量,并利用收集的雨水有效解决了缺水问题。
  在污水处理方面,广泛采用了自然土地处理法和生物-化学处理法。澳大利亚出现了一种Filter(非尔脱)的高效、持续性的污水灌溉技术。它先将污水用于作物灌溉,然后将经过灌溉土地处理后的水汇集到地下暗管排水系统中排出,特别适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区,或是以种植牧草为主的地区,一般用于大田作物。
  美国是发展人工湿地最多的国家,有600多处人工湿地用于市政、工业和农业废水。在欧洲一些国家,如丹麦、德国、英国等至少有200 多人工湿地在运行,多用于对人口规模近千人的乡村级社区进行处理。韩国作为一个具有典型春旱气候的国家,发展了人工湿地与废水稳定塘相结合的土地处理技术, 稳定塘储存用水可用于春旱的补充用水。可见,用人工湿地+稳定塘技术进行污水处理和农业应用可以作为分散农村地区的保护水体和克服水短缺的一种方法。有污水需要处理的单位,也可以到污水宝项目服务平台咨询具备类似污水处理经验的企业。
  厌氧消化技术具有低造价、低运行费、能回收利用能源等特点,它在分散生活污水的处理中得到了越来越广泛的研究与应用。近20年来,发展了越来越多的高速处理设备和技术,如厌氧滤池(AF),升流式污泥床反应器(UASB),厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)等,荷兰、巴西、哥伦比亚、印度等国家已建成生产性UASB来处理生活污水,但厌氧技术在低温下的应用仍然是研究的难点与热点。
  在适合的工艺基础上,一体化装置发展迅速。日本对其研究较早,至今已有40多年的历史。目前,日本安装有800万个小型净化槽,服务人口约3600万。净化槽是一种高效的一体化处理设施,主要采用厌氧滤池与接触曝气池、生物滤池或移动床接触滤池的结合工艺,部分工艺反应都在一个室内完成,各步骤用隔板隔开,出水加氯消毒。一些欧洲国家也根据自己特点开发了不同形式的一体化净化装置。在挪威,因为大部分人口分散在小村庄或小社区,一体化装置应用广泛,开发了多种不同工艺的装备。随着填料生产技术的不断发展,生物膜技术在一体化装置中应用迅速增多,生物膜法所需的设备简单,能源消耗低,成本和维护费用低,而处理污水的效率高,是今后发展的一个方向。
  一些国家对分散式处理设施的出水水质从法规上提出一定要求,如芬兰即要求总BOD去除率90%,总磷去除率85%,总氮去除率40%,这使得户主必须承担起对处理设施进行清洁和维护的责任,而能为户主们提供技术支撑和服务的合作组织也广泛发展起来。
  我国农村分散式处理技术的应用与发展
  在我国广大农村地区,普遍应用的分散式处理技术为土地处理技术和厌氧消化技术。
  ㈠土地处理技术
  土地处理技术是一项造价低、运行费低、低能耗或无能耗、易于维护的污水处理技术,研究和应用比较多的污水土地处理工艺有快速渗滤处理系统、人工湿地处理系统和地下渗滤处理系统。其中,人工湿地兼具了生态效益、经济效益和美学效益,近年来对其研究与应用逐步升温。早在“七五”期间我国就开展了人工湿地的研究,目前该技术在我国已发展到实用阶段。国内对湿地系统的研究热点集中在湿地污染物去除机理、湿地植物、湿地基质填料、湿地微生物种群和生态系统的研究等方面。但人工湿地占地面积大,且基质再处理及再利用技术不成熟,因此在土地资源缺乏地区的应用受到限制。
  ㈡厌氧消化技术  
  厌氧消化技术具有动力消耗少,环境污染少,沼渣沼液利用途径多,且能产生能源沼气等优点。近年来,我国大力推广了厌氧消化技术在农村地区的使用。通过农业部国债项目的推行,截止至2005年底,全国户用沼气达到1807万户,养殖场的沼气工程3556处,年产沼气70亿立方米,折合标煤500万吨,在农业部发布的《全国农村沼气工程建设规划》上,计划到2010年全国将有4000万农户用上沼气。国债沼气项目要求户用沼气“一池三改”,最大量的减少了传染源,切断了疫病传播途径,因此也是农村血吸虫防治的一项有效手段。
  自上个世纪80年代开始,生活污水净化沼气池由农村能源部门向城镇的住宅楼、医院、学校等卫生配套建设中大力推广,住宅楼中每10~12户生活污水所产沼气可供其中1户全年用气,因此可考虑由用气户承担净化沼气池的日常维护工作。生活污水净化沼气池20多年来一直采用二级厌氧消化加多级兼氧过滤的处理模式。目前,考虑到生活污水脱氮除磷的需求,国内有研究在工艺上采用二级厌氧和一级好氧达到氮磷脱除效果。近年来,随着农村畜禽养殖户减少和农村劳动力的减少,同时集中养殖户的增多,国家及时调整政策,从2007年开始,将对养殖小区集中供气沼气工程和联户沼气工程予以资金支撑,以推进人畜粪便、农作物秸秆、生活垃圾和污水的综合治理和转化,此举措必将在短期内使我国沼气工程的技术得到快速的发展。
  我国近几年通过私有资金和民营企业的参与,在一体化装置方面也有了快速的发展。如有环保企业与日本企业合作生产净化槽;也有自主开发出多种不同规模的一体化污水处理装置,如武汉的新天达美环保企业还开发了以风能带动曝气的一体化分散污水处理装置等。
  结语
  为加速我国新农村的建设进程,保护农村生态环境,解决农村水污染问题势在必行。分散式污水处理模式是一种适合农村污水处理的好方法,我国宜借鉴国际经验,探索并改善各种分散型污水处理工艺,并与当地的农业相结合,形成污水回用与再利用的生态农业模式,实现污水的无害化和资源化。
  实际工作中应当在摸清不同类型村庄污染现状的基础上,根据环境污染特点,结合地方特征,从行政管理方面、资金方面、处理技术等方面采取相应解决方案和对策。在经济发达地区,先进行新技术试点,逐步将适合当地农村的污水处理及资源化技术推广到其他地区。有条件的地区尽可能与当地科研院所相结合,充分利用其科研能力,研发最优的技术、设施。
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