分散式污水处理系统研究进展*

张 堃，秦汉军，孔 伟，周艳伟，易 莹，谢乔光

（中国电器科学研究院有限公司，广东 广州 510300）

1 污水分散式处理与污水集中式处理的比较

城市污水处理设施是城市公共基础设施的重要组成部分，是城市控制水体污染、维护生态环境的重要城市基础设施。污水处理的方式主要有集中式处理和分散式处理。集中式处理系统通过复杂的市政管网将城市污水输送到污水处理厂进行处理，然后自然排放或回用，是目前全世界城市污水处理广泛采用的一种方式［1］。分散式处理将污水单独或就地处理，可以不依赖复杂的市政排水系统，是一种新的污水处理方式，尤其适用于无排水系统的地区。分散废水管理涉及废水的收集、处理和排放、回用，这些废水源自单独的住户、组屋和独立的社区、工业及慈善机构以及废水产生点和附近的部分社区。分散式污水处理系统将这些废水经过预处理，液体和少量的残余固体可在收集站做进一步的处理和回用［2］。对于中小城市（镇）、农村及偏远地区，由于地理条件和经济因素的限制，不适宜实行生活污水集中处理的地区，应大力发展分散式污水处理技术，就地实现污水的处理与回用［3］。分散式污水处理技术已经成为国内外生活污水处理的一种新模式［4］。

集中式污水处理系统需要独立的污水管道系统，单独处理灰水和黑水，3条平行的管道系统以及2个分配系统适用于饮用水和工业用水。因此，需要高昂的基础设施建设费用。而且水在管网系统输送过程中可导致污水的渗漏，并且所占比例很大［4］。这不仅污染了环境，而且浪费了水资源，从水资源回收利用、可持续发展角度看极为不利。同时集中式系统把工业废水和家庭污水相互混合，不利于单独的灰水排放和水资源的再利用（如灌溉）。分散式系统可避免这些缺点［5］。

2 分散式污水处理技术研究现状

2.1 自然净化系统

在环境气候条件适宜并且有充足土地的情况下，可利用人工湿地、芦苇塘、土地渗滤、氧化塘等自然净化系统进行污水的就地处理，其处理效果安全稳定、处理成本低、处理过程管理简单。缺点是占地面积较大，受气候条件限制，可能会产生一些异味，易造成淤积饱和现象。这种处理系统尤其适用于农村的小型分散污水处理系统。意大利很久以前就使用过这种方法［1］。

2.2 厌氧处理系统

在过去几十年里，人们做了大量关于污水厌氧处理的尝试。其中，以荷兰首创的上流式厌氧污泥床反应器为基础，将其与水解上流式污泥床反应器等结合起来，成功地进行了农业和工业污水处理［6］。厌氧处理技术可将有机污染物转化为甲烷，在处理污水的同时，回收部分能源。厌氧技术工艺稳定，产生污泥少，所需费用和设施所占空间减少，因此具有一定的生态效益和经济效益。厌氧技术还能够处理好氧生物处理技术不可降解的物质，此外厌氧处理技术还可以降低氯化有机物毒性［7］。随着技术的不断进步，在污水的分散式处理上，厌氧处理系统展现出了很好的应用前景。

2.3 膜生物反应器技术

20世纪60年代以来，人们已经了解了反渗透、微滤和超滤技术，但是，价格便宜且能用于城市污水处理的膜，近几年才开发出来。膜技术最重要的应用就是膜生物反应器。近年来，膜技术已被成功的应用在好氧污水生物处理工艺，这些好氧膜生物反应器已被证明可以处理市政及工业废水，其处理效率高、出水水质好、产生的污泥量少、不需要太大的占地面积［8］，膜生物反应器在污水处理的应用范围和规模不断扩大和增加，尤其是将膜工艺与厌氧污水生物处理相结合的厌氧膜生物反应器，越来越受到关注。但是，目前膜生物反应器大规模应用面临的最大问题就是膜污染；同时，高昂的膜组件投资费用，也是影响其市场化推广的主要因素。随着近来膜材料科学技术的快速发展，膜材料和膜组件的费用也在逐步降低，但膜污染却依然是膜生物反应器推广应用的主要障碍。

国外已将膜生物反应器技术广泛应用于分散式污水处理，例如日本的Kubota（久保田）系统，该系统把膜组件直接插入活性污泥曝气池，可将系统中的生物浓度提高到15 000 mg/L以上，可使曝气池的体积大大缩小，两步甚至一步处理就能达到三级处理出水水质，出水无菌且不含悬浮物。该系统在日本和英国已经用于小规模污水处理。英国已建成了2个乡镇污水处理系统，服务人口数为4 000人和23 000人。但值得注意的是，Kubota株式会社开发的系统仅负责服务人口最多为50人的系统。因此，该系统在小型分散污水处理和回用处理方面具有更大的应用潜力［9］。

德国的DEUS 21系统是目前分散式污水处理系统的代表，其由德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer-Gesellschaft，FhG） 研发并于2004年开始建造。其位于德国斯图加特市以南的小镇尼林根（Knittlingen） 的一居民区，2006年该系统建成并开始试运行。该系统设计为175位居民的小区服务，截至2010年，该小区已有1/2居民入住［10］。

DEUS 21分散式污水处理系统将雨水与生活污水分开处理，其工艺流程见图1。生活污水利用真空收集装置（包括真空马桶和餐厨垃圾研磨器）收集，这样在节水的同时可提高污水中的有机污染物含量，使其适合进行后继的厌氧处理工艺。污水经真空系统收集后进入厌氧膜生物反应器内进行厌氧处理，在降解污水中有机污染物的同时可产生沼气。处理后的污水由于其中的氮、磷营养元素含量较高，可直接用于农业灌溉及绿化，经过后续的脱氮除磷处理后可用于一般生活服务性用水。收集到的雨水经旋转陶瓷膜处理后可直接用于沐浴、冲洗马桶、洗车等家庭生活用水。

图1 德国DEUS 21厌氧污水处理系统工艺流程

污水（包含经研磨处理后的餐厨垃圾）经真空管道收集于真空站中（图1）［10］。随后被泵入混合池中，混合池被设计用来混合污水，使其均一化，这保证了污水水质的均一性，水量的稳定性。这与将雨水与污水分开处理同样重要，因为膜面积是根据最大的水力负荷来设计的。污水随后进入沉淀池，固体沉淀物会被分离，进入高效中温（37℃） 厌氧消化反应器，固体停留时间为5～10 d。固体沉淀物质量一般占污水水量的1%～2%。为了提高处理效率，污水经由高速旋转陶瓷膜分离。沉淀池中的污水会进入完全混合的生物反应器中进行厌氧处理，处理后的出水会经由高速旋转陶瓷膜过滤，污泥重新回流进入反应器内。DEUS 21系统使用高速陶瓷旋转膜组件，由于高速旋转机构在膜片表面产生的剪切力，可有效防止膜污染，提高膜的过流通量，陶瓷膜孔径为0.2 μm。处理工艺将污水与固体物质分开处理，2个厌氧消化反应器会产生沼气，固体物质经过厌氧稳定化处理。DEUS 21系统非常适合在热带地区应用。

3 结论

污水的分散处理与回用不仅仅是一种全新的环境卫生措施，它是对传统的环境卫生措施的补充和改进。分散式污水处理系统可以建设在居民区、公共建筑区、商业区、小型社区等人流量较小的、地理位置接近或者不存在城市污水收集系统的区域。当前我国分散污水处理主要是针对住宅小区污水，分散式处理和集中处理是污水处理的2种不可或缺但又不能互相替代的方式，两者可互为补充。在中心城区主要以集中处理方式为主，在城市郊区（包括农村）以分散处理方式为主，将分散处理和集中处理相结合，可提高我国污水处理率，减少河流水体面源污染。

［1］Lens P，Zeem an G，Lettinga G.分散式污水处理和再利用：概念、系统和实施［M］.王晓昌，彭党聪，黄廷林，译.北京：化学工业出版社，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］张欣欣，沈菊李，朱宝库，等.厌氧膜-生物反应器的研究及其在废水处理中的应用［J］.膜科学与技术，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.