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分散式污水處理或將成為水處理行業未來發展新方向

分散式污水處理發展現狀

        雖然目前全球城市化已十分明顯，但仍有近30~35億人口居住在農村，這些人中有相當一部分的生活條件還比較差，甚至還沒有合適的污水處理系統。污水處理系統可分為集中式和分散式，傳統的污水處理廠屬于集中式污水處理系統，適用于人口稠密的城市地區。而在人口分布稀疏的農村地區采用集中式污水處理，則會因為建造污水廠花費的巨大錢財，而讓這些本來就經濟欠發達的地方再次背上債務負擔。此時，分散式污水處理系統將是一個更合適的選擇。

        分散式污水處理系統不僅適用于欠發達的發展中國家，在某些情況下，它同樣適用于發達國家。近年來，發達國家的城市中心人口密度正在逐漸下降，人們逐步開始向城市邊緣分散定居，而此時如果建造集中式污水處理廠將不再合適。根據聯合國環境署2002年統計數據，美國有25%的人口已在使用分散式污水處理系統。

        本文將探討對比幾種典型的分散式污水處理技術的優缺點與適用性，以及如何進行技術選擇與如何打破工程應用瓶頸。

傳統與新型分散式污水處理工藝

傳統式工藝

        傳統分散式污水處理技術包括濕地、好氧工藝（MBR、BCR等）、厭氧工藝（UASB等）。下表從技術、經濟、環境、社會等角度對比分析了以上分散式工藝的優缺點。

 

表 傳統分散式污水處理工藝對比

工藝名稱	達標排放	環境與資源	技術特點	經濟性	社會接受度
人工濕地	陽光輻射消毒	天然處理，無法資源回收	操作便捷，性能穩定，對氣候、地域要求較高	投資土地，重力流，無需運維成本	人口稀疏、土地廣泛的地區較易接受
傳統好氧工藝	必須有深度處理	主流技術，耗能，可從污泥中回收資源	操作相對便捷，負荷沖擊適應性一般，升級成本中高	投資和運維成本較高（能量、污泥）	臭氣可能有污染，比較容易被接受
MBR	可以沒有深度處理，直接回用	高耗能，占地少，處理效率高，可回收資源	操作復雜，易發生膜污染，毒性抵抗力差，升級成本高	投資和運維成本最高（高耗能、但是污泥量小）	臭氣可能有污染，接受度取決于成本
好氧濾池	根據實際情況判斷是否需要深度處理	耗能型，占地與MBR類似，處理效率略低	操作比MBR簡單，升級成本略低	投資成本較高，運維成本低于MBR	臭氣可能有污染，接受度取決于成本
UASB	必須有深度處理	可回收沼氣，耗能轉變為產能	操作相對簡捷，進水流量和負荷沖擊適應性較好，升級投資中等	中等投資，運維成本低，沼氣可能產生回報收益	有經濟回報性，有利于提高社會接受度

 

 新型工藝——生物質濃縮反應器

        生物質濃縮反應器（Biomass Concentrator Reactor，BCR）是一種與MBR非常相似的新型技術，最初由意大利帕維亞大學（University of Pavia）的Andrea G. Capodaglio和Arianna Callegari提出。并在2015年和2016年IWA出版的《Water Practice & Technology》雜志上發表了關于該技術的兩篇文獻報道（《Onsite management of tanker ships' rinse water by means of a compact bioreactor》、《Domestic wastewater treatment with a decentralized, simple technology biomass concentrator reactor》）。

        BCR的結構設計為一個曝氣反應器，反應器底部進行微孔曝氣，廢水和微生物在反應器內呈懸浮態，出水為重力流。在帕維亞大學的試驗中，BCR反應器采用Porex^TM radial filter進行固液分離，孔徑為5~20μm。由于介質表面的粗糙度，有可能形成2~3厘米水頭損失。

        根據帕維亞大學的實驗結果，采用BCR反應器，COD去除率為93~97%，脫氮率為75~79%。需要注意的是，實驗流量只有22L/m²d，遠低于最大操作流量（10~50 L/m²d），因此，實驗期間系統過濾能力基本穩定，無需反沖洗的前提下，可以穩定運行1年左右。而實際運行條件下，常用膜材質的孔徑約為0.1μm，3個月后系統過濾能力降低77％，需要更換膜或者進行再生。帕維亞大學也指出，實際運行結果有可能會與實驗結果相差較大，具體處理效果取決于膜的種類、污水組分與操作工況。

 分散式污水處理的可持續性分析

所謂“最合適的技術”包括經濟最優、環境友好、技術穩定、公眾認可等特性。設計“可持續性技術”需要從以下維度綜合考慮：

（1）健康與衛生：將可能影響公共衛生的病原體和有害物質的風險降至最低;

（2）能源與資源：考慮建設和運行所消耗的能源和資源，以及能回收利用的資源（例如將水、營養物返還農業），同時綜合考慮再生資源（例如沼氣）；

（3）技術：最大程度地發揮技術功能，確保整個系統的構建、運行和監控。同時，要考慮技術應對電力供應、水資源短缺、洪澇等緊急事件時的穩健性和盲點，以及技術對于現有基礎設施或社會經濟發展的靈活性與適應性；

（4）經濟：家庭以及社區的經濟承受能力，包括建設、運行、維護和必要的投資成本；

（5）社會文化和制度：社會接受度、便利性、合法合規。

        分散式污水處理系統滿足以上全部維度要求，除此之外，還有占地緊湊、運行靈活等。所以，分散性污水處理技術屬于可持續性技術，實際工程中具體工藝的選擇需要綜合考當地的氣候、地域、污水水質、當地水資源與回用需求等特性。

集中式系統與分散式系統的對比與討論

 投資成本

        集中式污水處理系統的投資成本顯著高于分散式系統。集中式系統需要建設大規模的污水收集管網，其投資成本占據了總成本的80~90%。而管網的平均使用壽命為50~60年，到期更換、日常維護費用都將增加投資成本。

 運行成本

        集中式污水處理系統的設計需要考慮峰值流量，會導致增加系統容量，降低處理效率；重力管網輸送過程中有可能因為地下水入侵造成廢水稀釋，增加處理費用和能耗；長距離輸水導致泵站需求量更大，能耗更高，這三點直接導致運營成本的增加。

 水質安全

        集中式污水處理系統集中排放水量較大，可能引起受納水域的富營養化。而分散式系統由于排水量小，將降低富營養化概率。

 監測與管理

        遠程監控技術的發展大大助力分散式系統的監測，使用遠程控制設備，可以輕松實現運行維護，無需大量駐場人員。

        在管理方面，與集中式系統的管理“不可見性”不同，分散式系統的管理更需要聯合當地居民的力量，公眾參與度的提升將有可能進一步提高群眾的節水和環保意識。

 發展角度

        相較于集中式系統，分散式系統更適應發展中國家農村和社區的發展變化，以及人口增長。分散式系統的基礎設施投資可以逐步進行，無需一次到位。

實現源分離

        分散式系統可以實現污水源分離，而集中式系統很難做到。通過采用新型衛生潔具，可以在源頭進行生活污水的黑水與灰水分離，這些廢水雖然流量小，但是含有大部分的COD（黑水中3000~10000 mg/L）和營養物質，以及幾乎全部的病原體和微量污染物。就近集中處理，一方面減少了環境中微量污染物如金屬和其他新興化合物（如藥品和個人護理產品）的分布；另一方面，最大程度提高本地系統的資源回收潛力。

分散式污水處理系統的應用障礙分析

        如今，在幾個歐盟國家（德國，荷蘭）的城市已經建設了多個分散式污水處理系統示范項目，平均服務人口約為1000人，都取得了積極的成果。

        但是，分散式污水處理系統的推廣應用依然存在一定的障礙。這些障礙除了土地可用性（主要針對濕地系統）、成本和環境要求等因素之外，最大的障礙來自人們對新事物的接受程度。通常情況下，改革系統的經濟成本太高、缺乏具體的綜合經驗、對未知的不確定性，這些都會成為傳統思想中難以辯駁的因素。

        分散式污水處理系統的倡導者主要是年輕的專業新秀，他們難以讓決策者和傳統的污水處理專業人員接受這些新概念。事實上，分散式污水處理系統在發展中國家的接受程度要高于發達國家，因為發展中國家較少存在預先技術的障礙，而發達國家的技術模式往往青睞于傳統的集中式污水處理系統。

        但實際上，隨著大多數發達國家的城市水資源基礎設施的設計壽命逐漸接近上限，甚至已超上限（通常為50-60年），在未來十年中，大批的水資源基礎設施將面臨修復與翻新，而若能趁此機會將污水系統改造為分散式污水處理系統，將是一個適用于未來發展的長期解決方案。

結論

        分散式污水處理技術由于其原位處理和便于資源回收利用而具有可持續性，這個特性在未來將會愈發顯著。集中式污水處理系統雖然目前可以滿足人口稠密地區的需求，但并不普適于未來發展。從發展趨勢來看，“未來城市”的新觀念很有可能將會明顯側重于分散式。

        從技術研發的角度，分散式污水處理系統已被充分認知，但技術到工程應用的轉移還略顯薄弱，管理者的“守舊心態”成了新技術的推廣應用的主要障礙之一。而實際上對于決策者而言，選擇分散式污水處理系統是一次變革傳統的機會。借此機會，將陳舊的用水設施替換為可進行污水源分離的新型設施。對于污水收集設施已經急需更替或者重建的區域，將分散式污水處理系統納入備選范圍，這是改變傳統污水處理模式的良好契機。

        但是，這并不意味著集中式污水處理系統完全無用。發達國家高度人口稠密的地區一直以來由集中式污水處理廠提供服務，并隨著城鎮化發展不斷擴容管網系統。在這些情況下，分散式系統并不是一種立即合適和可行的替代方案，折中的辦法是集中和分散二者共存，對諸如住宅、商業綜合體、醫院，可以應用分散式系統，更易于處理后就近回用。