林荣斌+陈步丹+郑永旭

摘要在集中式污水处理弊端突出、创新乏软，随城市化加速难以前进的背景下，分散式的水污染控制成为亟待解决的环境问题。文章简述了集中式污水处理厂的发展历程和现状，分析了传统分散式、小型化污水处理的典型工艺、优势和局限性，研讨了更为先进的分散式污水处理新技术生态透析技术，并探讨了把污水变为资源、与环境和谐发展的污水处理技术应具备的原则。最后对污水处理技术进行了展望。

关键词

小型化；分散式；生态透析；活性污泥法；MBR；人工湿地

一般而言，污水处理模式有集中式和分散式两种。集中式的污水处理模式一贯作为市政工程中常用的污水处理模式，主要用于收集和处理较大流量的污、废水，而“分散”的概念在20世纪末才逐渐受到人们的关注和研究。目前，我国主要的污水处理方式是集中式污水处理，对分散式污水处理的研究和应用尚不够深入，对分散式污水处理模式也缺乏明朗的概念和整体把握，仅停留在污水处理简单的小型化认识阶段，这样造成了分散式处理和集中式处理在工艺技术上的混淆和区分困难。因此，本文着重论述了集中式和分散式污水处理的概念、技术和发展状况，并对它们进行了综合对比和分析展望。

1集中式污水处理厂的现状和研究

1.1发展历程和现状

以污水处理厂为主要代表的集中式污水处理模式，是城镇污水处理的主要方法。截至2015年6月底，全国设市城市、县累计建成污水处理厂3802座，污水处理能力达1.61亿m3/d。从国内外城市污水厂建设的发展历史来看，在人口密集的大城市，建设集中式污水厂是污水处理的主要途径。

目前污水厂采用的技术是活性污泥法，该技术于1914年诞生，由英国的爱德华·阿登（Ardern E）和威廉·洛克特（Lockett w T）发明，并于同年在曼彻斯特市建立了全球首座活性污泥法污水处理试验厂，于1916年在美国正式建立第一座活性污泥法污水厂，这一技术奠定了至今100多年污水处理技术，虽然在某些工艺上有改进但本质上和形式上没有取得大的飞跃。

我国污水处理技术起步早，推广晚，发展迅猛。随着活性污泥法污水处理的成功和逐渐传播，在1921年上海建设了中国第1座污水处理厂一上海北区污水处理厂，并在1926年和1927年又分别建设了上海西区、东区污水厂。直到改革开放以后，才在西安、太原、北京等地建设少数污水厂。近20年来中国污水处理数量猛增，到2014年3月底，中国占有的污水处理厂日处理能力达到1.54亿m3/d，已经超过了美国（约1.15亿m3/d），位居全球首位。

随着“水十条”的颁布，在污水处理、全面控制污染物排放等多方面进行强力监管并启动严格问责制，铁腕治污将进入“新常态”，必将对我国的生态文明建设和“美丽中国”建设、环境保护以及社会发展方式的转变产生深远的影响，意义重大。

1.2特征和效果

集中式污水处理是把各种城市生活污水收集输送到污水厂，采用物理、化学、生物等综合技术逐级处理，处理达标后再排入自然水域（如图1），其最主要特征是：大建设、大收集、大处理和大排放。

污水厂是解决城市水资源和水污染的有效途径之一。住房城乡建设部通报的2015年第二季度污水处理设施建设和运行情况显示，全国城镇污水厂累计处理污水126.2亿m3，累计削减化学需氧量（COD）总量326.7万吨，平均削减COD浓度达到259.1mg/L。山东省新泰污水处理厂，当进水COD、SS、NHa-N浓度各在一定范围时，各指标去除率：COD有73.750，SS有87.36%，NHa-N有85.47%，各项指标均可达到一级A排放标准。如果对新泰污水厂获得的环境效益进行定量的估算，按远期满负荷处理3万吨/天污水计，每年可减少向环境排放总磷38.3t、氨氮219t、SS1861.5t、COD2956.5t。

综上所述，污水处理厂能有效处理城区的生活污水、工业废水等，对削减污染物、减少排污总量、保护生态环境起到良好的作用。

1.3弊端分析

污水厂引领了污水处理的首次革命，100年来对环境保护起了很大的作用，但是，随着生态环境保护要求越来越高，淡水资源越来越紧缺，以及人民生活要求越来越高，城市管理要求越来越规范的情况下，弊端和技术的滞后性和毒副作用已经越来越凸现，具体分析如下。

1）污水处理投资成本高

污水厂的投资包括三大部分：收集管网建设费、征地费、厂区建设费。征地费因地块而异，基本在上亿元（如广州猎德污水厂，若作为商业用途，价值500亿元），基建费用2000～5000元/吨，管网铺设费用5～10倍基建费用。根据已建、在建污水厂的实际情况，建成一座处理规模达50万吨/天的污水处理厂，仅一次性投资费用在7.5～10亿元；又如，已经投入资金1.98亿元，原计划于2005年年底建成的安徽省安庆市第一座污水处理厂，因经济问题和管网配套设施跟不上等原因，烂尾至今悄无声息。因此，采用集中式污水处理模式来处理城镇污水，对于经济尚不发达的我国大部分城镇来言，是不堪重负的。

2）污水处理厂运行费用高

污水厂无论采用哪种处理工艺的运行方式，其主要成本为能源消耗、药剂消耗、管网收集和维修费用、污水和污泥处理费用、人员费用等。目前污水厂的综合运行费用包含：管网收集费用2～2.5元/吨，污水处理费0.8～1.4元/吨，污泥处理费500～1000元/吨（干污泥），人工费10～50人/厂，药剂费用45～150元/天，电费0.5～1度/吨，共需3～3.5元/吨。例如，首创股份2013年的污水处理业务成本中，动力消耗和人工成本以及管网维修，分别占污水处理成本的27.95%、12.24%和34.02%，三者占污水处理总成本的74.21%；广州东区污水处理厂工程投资约7000万元，但年总运行成本费就达1000多万元；广州猎德污水处理厂（四期）规模为56万m3/d，其每立方米的运行费用1.05元，年运行费用高达2.146亿元，如此高的运行费，随着物价、人工的持续高涨，政府投资压力只增不减。

3）管理复杂

设备多、人员多、专业技术要求高。污水厂涉及水质检测与安全生产、污水泵、水处理机械设备、电器仪表、自动控制、物理化学法工艺等运行管理，需要大量的专业人才去管理和维护。其次，要添加化学物质同时需要对污泥进行处理，造成管理复杂，可控性较差，风险性较大。

4）浪费土地资源

大型污水厂占地面积几十到几百亩，如京溪地下净水厂占地面积27亩、广州石井污水厂占地面积328亩、广州猎德污水厂占地585亩。现代城市寸地寸金，中心城区更是寸金难求，这些污水处理厂的大面积占用是对宝贵的土地资源浪费严重。

5）二次污染

污水厂的最大弊端是产生大量的污泥和臭气，而其中处理每万吨水产生污泥5t～6t。2010年底，污泥产生量接近2200万吨，而且其中有80%没有得到妥善处理；专家预估到2015年底，污泥产生量将为3359万吨，能无害化处理的不足25%；这些污泥是造成垃圾围城的主要来源之一，加重了生态环境的恶化等问题。污水中的污染物被污泥富集，含有大量的有机物、重金属和氮、磷等营养物质以及病毒微生物、寄生虫卵等有毒有害物质，如果不经有效处理处置，就会对水体和土壤造成“二次污染”。

6）中水未能回用，水资源白白浪费

我国水资源分布不平衡，人均拥有淡水量约为世界平均水平的1/4，水资源严重匮乏。污水厂对处理过的“中水”直接排放，这种“大排放”是对淡水资源的巨大浪费；而且，排放的“中水”含大量氮、磷污染物一非常有利于藻类繁殖的营养物，这些排放到江河湖泊的“中水”，若无法得到较为充分的稀释，会引起水体中藻类的爆发。

7）大开马路，对社会造成严重影响

“拉链马路”是指道路挖了填、填了挖的现象。污水管网设计高低起伏、转弯或地质松软度不同，造成管网下沉破裂、堵塞，或者建筑工地的红泥未处理直接进入管道，由于泥沙沉淀造成收集管网堵塞，导致马路不断地需要开肠破肚、清理堵塞或修复；因此有大型污水厂的城市就必然造成“拉链路”。

8）规划与实际运行的矛盾。存在“大马拉小车”的厂容量超过实际处理量，产能被闲置；或者存在“小马拉大车”的厂容量小于处理量，污水处理不了排入江河，造成河道污染。污水厂大投资、大建设、大排放、大耗能的缺点越来越突出，是国际、国内学术讨论的热点问题，虽然目前集中式污水处理系统是市场的主流，但在可持续发展思潮的影响下，不少学者和业内人士目前正在反思该工艺存在的缺陷，继而将研发、应用的热点转向小型化和分散式、源头化处理的新技术和新方向。

2小型化、分散式污水处理研究

分散式循环利用污水处理技术是指从污染点源进行处理、循环利用，尽可能减少对外排放，及从每一户家庭、每一栋楼、每一个小区、每一条自然村的污水作为独立单元进行处理和循环利用，不向江河、湖泊排放，从而达到节能减排，保护生态环境，充分利用淡水资源的目的。

分散式污水处理技术因具有因地制宜、占地面积少、工程费用少、管网建设费少、环境影响较小、灵活多样等优点外，还具有如下两大优势：一是能节能减排，增加淡水资源的供应，缓解我国淡水资源的不足，具有重要的战略意义；二是职责明确，能够厘清污染源的来源与责任，政府可以因此减少大量的公共投资，转为由个人或企业自己承担治污的经费。这些特点使得其成为一种新型的、经济环保的污水处理技术。

2.1传统小型化、分散式污水处理研究

目前传统小型化、分散式污水处理主要有3大类：活性污泥法小型化及改良工艺的A2/0、MBR和小型人工湿地处理。

2.1.1 A2/O工艺优势与弊端

1）优点

（1）工艺流程简单，运行效果稳定可靠，寿命长，且具有较强的抗冲击负荷能力，适合水质、水量变化较大的污水处理。

（2）厌氧一缺氧一好氧3种不同的工艺环境条件和数种微生物菌群的有机配合，在去除污水中BOD污染的同时，还能有脱氮除磷，具有很好的环境效益和经济效益。

2）缺点

（1）除磷效果差，一般达不到一级B的排放标准，通常情况下要加药物进行除磷处理。

（2）工艺流程较长，处理构筑物多，能耗大、处理水量越小造价越高。

（3）要有复杂的设备、电气、化学药物添加，还有污泥、臭气、蚊虫产生，所以运行操作的难度较大，需要专门技术人员运行管理。

2.1.2 MBR工艺优势与弊端

1）优点

（1）对悬浮物和浊度有着较好的去除效果。

（2）污泥产量比A2/0工艺低。

2）缺点

（1）膜组件费用高，MBR的基建投资远高于传统污水处理A2/0工艺。

（2）膜污染的清洗和膜组件的更换工艺复杂，需要专业人员进行操作。

（3）能耗高：MBR处理需要压力抽水和反冲洗工艺，耗能较大，比A2/0工艺耗能高。

（4）除磷效果差，整体水质指标只可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，若提高排放标准，必须添加化学药剂。

（5）寿命短，一般的材料寿命3～5年，就必须更换，较好材料的膜，8年左右就得更换。

2.1.3人工湿地技术优势与弊端

1）优点

（1）单次投资少、管理简单、运行费较低，适应于短期农村污水处理。

（2）材料来源广，就近可得。

（3）具有独特的绿化环境功能，成规模的人工湿地可迅速增加绿化率。

2）缺点

（1）寿命期短，长期累加投资大，一般只能用5～6年，又要重新投资建设。而初期6～9个月净化效果较差，处理床植物根系尚未完全成熟；4年以后处理效果变差，由于植物根系太过发达，在系统中出现饱和密实和水流短路现象，造成污水难以充分接触根系，污染物难以被植物充分吸收。这时候必须翻底更换系统，重新投资建设。

（2）对浓度较高的生活污水，处理效率较差，难以达一级B标准。此外，管道收水难全面，管道易被压烂导致污水外流。

（3）占地面积大，应用范围较窄，只适应于农村污水的短期处理。而且，湿地容易被农村居民用作养殖场放养禽类、牲畜等，其排泄物容易破坏人工湿地的稳定。

（4）若遭受洪水灾害或泥沙水覆盖后，人工湿地易堵塞，而丧失污水处理功能。

（5）每5～6年翻新产生的污泥难以处理，产生二次污染。

（6）湿地植物存在病虫害，并且湿地往往是蚊蝇的孳生地，特别在登革热的发生区，湿地是要重点防治的地方。

（7）仅适应于南方温度较高的地域。

2.2先进型小型化、分散式污水处理技术一生态透析技术

2.2.1产生背景

生态透析技术启发于“蜿蜒理论”，灵感来源于古代先贤的“曲成万物”理论和国内外例子。

2.2.2技术原理

生态透析技术依托系统科学的原则和生态学的原理，通过对自然界河流山川的蜿蜒和生物丰富多样性的人工模拟，采用比表面积大的改性高分子材料作为载体，将河川弯曲的特性微型化，进而构成无数弯弯曲曲的细小河流，从而建立了一个有益于“微生物一浮游生物（微型小动物）一小动物”各个生物群落生态位协同匹配的生态链及生态系统，在人工控制强化各个生态因子的条件下，使流经本系统的污水或臭气中的有机污染物被快速降解，转化为N2、C02、02、H20和少量的无机残渣，实现污水的“三无处理”。

2.2.3特点

生态透析技术，无论在技术上还是理论上，均取得重大的突破，属于世界原创性，该技术的特点。

1）“三化”：小型化、分散化、源头化。

2）“三无”：无有机污泥、无臭气、无化学添加。

3）“两低”：投资抵、运行费用低。

4）“一快”：建设安装时间短，项目完成快。

5）耐用性：设备寿命30年，无需维修。

6）出水水质好：经生态透析技术处理的污水，其出水水质可满足《城市污水再生利用城市杂用水水质（GB 18920-2002）》标准和达到《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》一级A标准，甚至一些水质或指标能达到《地表水环境质量标准（GB 38382002）》的III类以上。

3探讨分析

现行集中式污水处理厂规模的日渐庞大凸显出各种弊端，逐渐成为社会可持续发展的障碍，而传统技术的小型化又有诸多的缺陷条件，未能满足日益增长的人民群众的生活要求和社会的可持续发展。目前无论在国际还是国内的学术上都在探讨研究把污水变为资源、与环境和谐发展的崭新污水处理革命性技术，这种污水处理工艺应该具备以下原则。

1）小型化、分散化、源头化的实现模式，适用于一栋楼、小区等点源污水排放的循环利用，可彻底切断进入水环境（河流、湖泊等）中的污染源。

2）技术要求满足无化学添加、无有机污泥产生、无臭气排放，对环境无二次污染，对生态环境良好。

3）设施耐用性强，使用寿命长。

4）经济效益好，投资、运行费用低。

5）操作简单，安装和维护方便。

6）循环利用，实现节能减排的国家战略目标。

按照这些原则的污水处理技术，才可能成为未来小型化污水处理时代的革命者和领导者。

4污水处理技术的未来展望

集中式和分散式污水处理模式均是非常重要的水处理方式。在走进微时代的今天，小型化的污水处理、分散式的处理模式符合世界发展大方向、大趋势。分散式、小型化污水处理技术符合中国当前的经济发展实际，实现区域性的可持续发展，也顺应国际上污水生态处理的新潮流。

1）分散式污水治理模式为资源节约和发展可持续环境保护提供了极大可能。推进先进型的分散式污水治理工艺，可对河流、湖泊等水域最大可能的实现零排放。水污染防治状况将从对河流的治理转变为河涌治理进而转变为小区污水治理，从而彻底切断排入水环境中的污染源，河流、湖泊的治理观念由此转变。

2）分散式、小型化污水处理模式是实现国家节能减排、建设生态文明与美丽中国等伟大战略的催化剂和生产力工具。采用先进型的分散式污水处理技术治理城镇污水能实现国家节能减排的伟大战略，可使人均水资源量增加，并极大地改善生态环境。

3）小型化、分散式污水处理技术在将来的污水处理领域会拥有广阔的发展前景。基于城镇污水处理的游刃有余，生态透析可进一步拓宽水处理的范围，将污水处理扩展到净水饮用项目，能为水污染控制和水资源节约提供方向和基础。

4）以生态透析技术为代表的先进型污水处理技术将渐渐代替集中式的污水处理模式，并可能在5～10年内迅速成为污水处理的主流技术。虽然在理论上和技术上属于世界领先水平，完全属于自主创新技术，为中国人创新争光，但目前使用率还很低，急需政府和政策的大力支持，才能够在世界上首先占领该领域的制高点，从而推动污水处理的新的技术革命和产业革命。