北方中小城镇的污水排放现状与推荐处理技术

Wastewater discharge and recommended treatment processes in Chinese northern towns
Nanqi Ren*, Jinghao Dong, Xiuheng Wang

Research Center of Environment & Biotechnology，Harbin Institute of Technology，Harbin，150090，China

Abstract: Wastewater treatment and reclamation of northern towns will be emphasized in China for the following five years. The current situation of wastewater discharge and treatment of Chinese northern small towns is reviewed through field investigation. Natural environment, economic and social development should all put into consideration when choosing the wastewater treatment process, aim to sustainable development. Different treatment processes are recommended for this purpose, such as pond systems using solar radiation as initial energy source, sub-surface wastewater infiltration, constructed wetland and the combined system, treating wastewater at low cost and low energy consumption to realize wastewater reclamation and reuse for irrigation on farmland to provide both water and nutrients, especially in some water scarce areas. Some full-scale and pilot-scale projects on small towns sewage treatment and reclamation are listed.
Key words: Small towns, Sewage, Pond systems, Sub-surface wastewater infiltration, Constructed wetland

　　目前，我国大城市基本上已建设或在建设污水处理厂，采用传统活性污泥法、A/O、SBR等二级生物处理工艺。但是，人口占全国总数1/3左右的中小城镇污水处理系统比较简陋，甚至没有污水处理设施，大量的污水未经处理直接排入水体，造成了当地的水环境污染，影响了居民生活用水安全性，已成为我国城市化进程中的“瓶颈”，尽早做好中小城镇污水治理工作势在必行。对中小城镇的污水排放与处理现状调研、分析，并科学地探讨适合的处理技术是做好中小城镇污水处理工程建设的关键。
1 北方中小城镇污水处理现状与建设要求
1.1 中小城镇污水处理的迫切性
　　我国中小城镇数量众多，目前拥有各种规模和性质的中小城镇近48000多个^[1]，其中建制镇20000多个。随着乡镇企业的迅速发展和村镇人口的不断集中，排污量成倍增长，据统计2000年中小城镇污水排放量为480亿吨。可见，虽然单个中小城镇排放的污水量无法与大城市相比，但是其排放总量相当可观。然而，绝大多数城镇没有系统的污水处理设施，建有一些污水收集或处理设施的仅占10%，成为区域性水环境的重要污染源。因此中小城镇的污水处理就显得十分迫切和极为重要。
　　根据全国城镇污水处理设施现状，按照水污染总量控制的要求，国家发展改革委员会制定的全国城镇污水处理及再生利用规划总体建设目标为：到2010年底城镇污水处理率平均达到60%，北方缺水城市的再生水利用率达到20% ^[2]。
1.2 北方中小城镇污水排放与处理的特点
　　2005年，通过对黑龙江省的20多个中小城镇的污水治理现状进行现场调研，可以总结出北方中小城镇的污水排放与处理基本存在以下特点：
(1) 缺乏污水处理专项规划。除个别城镇已建污水处理厂外，大部分中小城镇只是在总体规划上简单地进行描述或对污水处理厂的位置进行了选择，并没有污水治理的系统规划。
(2) 排水管网不健全。各城镇排水管网状况相差不多，多数为明沟暗渠排水或地表漫流；已经完成的排水管网多数为合流制，无截留主干管，各干管污水直接排入水体；排水管径普遍偏小，雨天满城积水，低洼地带住宅进水，并给人们出行造成很多不便。还有个别污水处理厂建成后由于管网不配套而不能正常运营和充分发挥效益。
(3) 城镇人口较少，水量少。县政府所在镇污水量一般小于2万m³/d，远期规划也不足5万m³/d，而一般建制镇都在5 000m³/d 以下。污水主要是生活污水，COD＜500mg/L，pH＝6.5～7.5，SS＜500mg/L，含有一定量的氮和磷，可生化性好，且水量的波动较大。
(4)中小城镇较分散，各城镇污水就地单独处理比集中建设大型污水处理厂更现实可行。
(5) 北方冬季气温低，最低气温时排水总出口水温为7℃，并历时3～6个月。
1.3 北方中小城镇污水处理工艺要求
　　与大中型城市污水处理厂相比，中小城镇小型污水处理厂的设计、建设和运营更加困难，中小城镇污水治理将成为今后我国水污染控制的重点和难点^[1]。工艺选择时应考虑自然环境、社会环境和经济条件，以经济、简易、可靠为目标。同时还要考虑废水处理设施所产生的环境污染、生态影响以及资源和能源的消耗水平，满足可持续发展要求。
　　可持续发展要求：我国大中城市绝大多数污水处理厂所采用的活性污泥法工艺，具有稳定、可靠的处理效果，但是这种高投入和高能耗的处理方式，总体的环境效益并不理想，在去除水中污染物的同时，消耗了大量的电能和化学药剂；同时通过曝气形成CO₂和剩余污泥，又将水污染转化为大气污染和固体废物的污染，不满足可持续发展的要求。
　　经济条件与社会环境：北方中小城镇经济力量比较薄弱，人均国内生产总值普遍在1.5万元以下，因此中小城镇污水处理力求做到建造费用低、运行费少、节约能源。中小城镇建设污水处理厂的维护管理技术人员及运行管理经验都严重缺乏，一般不宜采用检修环节多，检修频率高的处理工艺，减少机械设备的使用。活性污泥工艺大型污水处理厂，万吨投资基本都在1000万元以上，运行成本在0.46元/吨左右，规模缩小后，吨水投资和运行费用会更高。中小城镇受到经费、技术人员、管理水平的限制而在建设和运营方面会有很多困难。因此处理工艺应力求运行管理简单、维护方便、效果稳定。
　　自然环境：相对比南方以及大中城市，北方中小城镇土地面积大，人口密度较小，土地成本低，因此在选择工艺时没有必要特别考虑占地问题。北方中小城镇，多数都以农业为主，因此可考虑将污水用于农业灌溉，这样就不需进行脱氮除磷，从而降低了出水水质要求。
　　2000年斯德哥尔摩国际水研讨会特别提倡采用环境友好的生态处理技术^[3]，即低投入、低能耗、简易、高效的污水处理技术。污水生态处理技术基本上不涉及化学能的投入和化学品的消耗。根据我国国情，中小城镇的污水处理必须走生态处理技术的道路，尤其提倡以联合式或强化生态处理技术为主，对污水进行综合治理和资源化利用。应用最广泛的污水生态处理技术有生态塘系统、土地处理系统和人工湿地等^[4]。污水生态处理系统可以单独运行，或与传统的处理工艺如水解酸化、活性污泥法处理系统联用，能取得更好的处理效果。

2 污水生态处理技术在北方中小城镇的应用
2.1 生态塘处理系统
　　生态塘作为污水处理和再利用技术，具有结构简单，基建及运行费用低，管理维护方便，能有效去除有机物和病原体等优点。生态塘系统通常由于占地面积大而限制其应用发展，但北方小城镇土地供应充足，价格低廉，不构成问题。
　　对于北方地区，尤其是干旱地区的生活污水处理，推荐采用如下生态塘系统：污水→预处理→兼性塘→控制出水塘→农田灌溉→出水补充地下水或地表水。兼性塘是本系统的主要功能单元，当有工业废水混入时，可考虑兼性塘前加厌氧塘。控制出水塘是鉴于北方的气候特点而设置的。在冬季低温季节，生物降解功能低下，处理水水质难于达标，将处理水贮存，待天气转暖，降解功能恢复正常，生态塘开始正常运行，处理水水质达到排放标准后排放。在温暖的季节，控制出水塘还可以做鱼或水禽养殖塘。
　　齐齐哈尔生态塘系统和安达生态塘系统是寒温带污水处理生态塘系统应用范例。两个城市冬季冰封期超过4个月，冰下水温一般为2-5℃。1985年投建的齐齐哈尔污水处理生态塘系统工艺流程为：污水→明渠→格栅→泵站→厌氧塘→兼性塘→水生作物塘→排入嫩江。生态塘系统采用冬储夏排方式运行，用于处理分流制的城市污水。进水SS = 235~310mg/L，BOD₅ = 125~160mg/L，生态塘的出水SS和BOD₅达到5~10mg/L；合成洗涤剂和氨氮的去除率超过80%，细菌去除率超过99%；苯酚和氰化物的去除率超过90%。安达塘系统污水处理总量为1.5万m³/d。处理流程为：筛网→沉砂池→强化厌氧塘→兼性塘→最终净化储留塘→出水排入农田。入塘污水主要为生活污水和毛纺、食品加工等废水。冬季出水COD = 71.0 mg/L； BOD₅ = 24.1 mg/L，SS = 41.3 mg/L，TKN = 10.3 mg/L，TP = 1.4 mg/L ^[5]。
2.2 地下渗滤系统
　　地下渗滤系统是土地处理的一种，将预处理后的污水有控制地通入设于地下距地面0.5m深处的渗滤田，通过土壤物理作用和微生物降解，使污水得到净化。地下渗滤系统的优势在于它是设于地面以下的，由于土壤对污水具有保温作用，该系统受外界气温变化的影响较小，因此比较适用于北方寒冷地区。地下渗滤系统还具有不影响地面景观、基建及运行管理费用低、运行管理简单、氮磷去除能力强、处理出水水质好、可用于污水回用等特点。在日本、美国、新西兰和西欧等国家，地下渗滤系统的研究和应用日益受到重视^[6]。
　　中国科学院沈阳应用生态研究所在辽河油田茨榆坨采油厂家属区主持修建了处理规模为300m³/d的示范工程，其一次性投资相当于二级生化处理工程的1/2，运转费仅为其1/5，出水实现了回用^[7]。贵州省环境科学研究设计院2001年在红枫湖国家亚高原水上运动训练基地建设一套30ｍ³/ｄ的生活污水处理工程，其处理效果良好，出水平均值COD=13.59mg/L，NH₃-N=3.53 mg/L，TP=0.146 mg/L去除率均大于80%。土壤表面种植植物后，污水净化效果进一步提高^[8]。
　　哈尔滨工业大学在对大庆某小区景观湖水体保护工程中采用了以地下渗滤系统为主体的处理技术。该景观湖内养鱼并作为小区雨水受纳水体。雨水预处理后入湖，湖水循环处理后水质要求达到《景观娱乐用水水质标准》（GB12941-91）中的B标准。采用方案为：湖水→地下渗滤系统→循环泵→砾石地表漫流水景（夏季启用）→入湖。
2.3 人工湿地处理系统
　　人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，具有与沼泽类似的地面，通过湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行废水处理。北方地区如大庆、齐齐哈尔等周边城镇有大量的湿地、沼泽，该地区土地不适合进行农耕，均被闲置，如将其建造成人工湿地充分进行利用，可取得明显的经济效益和环境效益。
　　人工湿地受气候影响比较大，对于北方不可忽略的一个因素就是越冬问题，存在防冻和植被枯死、表面冻结造成床体缺氧等许多问题。常用的解决办法之一是污水在非生长季节贮存，而在温暖的春、夏和秋季排向湿地。但这种方法的缺点是贮存池需要大量花费，占地面积较大，建议采用以下技术改造措施。
　　潜流式人工湿地最早是在德国建造的，其主要优势是污水在处理过程中被覆盖起来，使污水因蒸发和流动造成的能量损失最小，比较适宜在温带地区冬天运行^[9]。我国的刘红^[10]等人在北京官厅水库潜流人工湿地系统的试验研究表明，冬季在水力负荷率为 0.15~0.45m/d 时，高锰酸盐指数和氨氮的去除率分别为 15%和 50%。北京市环境科学研究院在北京市延庆沈家营镇建设了一座200t/d的潜流人工湿地，进水COD<200mg/L，为预处理后的工业废水， 2004年冬季的运行结果为COD去除率64-77%，直接运行成本（不含折旧）0.05元/吨。此外，该湿地作为公园的一部分还有很高的生态价值^[11]。
　　1980～1984年间，在加拿大安大略省通过调整操作方案成功地完成了湿地的越冬工程。采取的措施是，水位上升至冰冻面后形成一层冰层，然后水位下降，这样就在水位与冰层之间形成了绝缘空气层，水生植物密实的地上茎对冰层的形成起到了支撑作用，枯死的香蒲所积聚的雪层也为湿地提供了一层绝缘雪毯^[4]。
　　另外，适当增加人工湿地的构筑深度可以起到保温的效果，如东北第一座人工湿地处理系统——沈阳市满堂河生活污水处理人工湿地，其一级处理由沉淀池和浮动生物床组成，考虑到冻土层，湿地深度大于1ｍ，经过一年的试运行，出水水质稳定达标^[12]。
2.4 湿地组合系统
　　彭润芝、董泽琴^[13]等对贵州省环科院家属楼宿舍化粪池出水进行试验，证明地沟式渗滤与碎石床湿地组合处理污水效率在同样进水水质情况下，污染物去除率比单纯的地沟式渗滤提高，抗冲击负荷能力强。在冬天无植物生长情况下对BOD₅、COD、SS、NH₃-N和TP的去除率平均为91.56%、84.75%、93.33%、81.30%和88.90%，夏季处理效率分别提高4.29%、5.75%、6.9%、14.81%和4.85%。
　　对于出水水质要求较高和有再生回用要求的地区，可采用水解酸化/不完全氧化活性污泥法/人工湿地处理系统，水解酸化和不完全氧化工艺基本不受温度变化的影响。该组合工艺对COD、BOD₅和SS的去除率分别可达70%、80%和80%以上。为保证冬季的处理效果，适当增加氧化池的曝气量和停留时间来弥补土壤—植物系统处理能力的降低，克服了单纯人工湿地越冬的难题，可常年运行 ^[14]。
2.5 其他工艺
　　除采用生态技术外，中小城镇的污水处理还可以根据当地的实际情况采用接触氧化法、强化一级处理等方法。接触氧化法具有处理效果好、操作简单、污泥量少、耐低温等优点。化学强化一级处理工艺，建设投资较少，不易受气候条件的限制，在寒冷地区有生物处理工艺无法比拟的优势；适当时间再建二级处理，这在国内外均有先例。

3 北方中小城镇的污水再生利用
　　中小城镇污水处理的规划与设计，不应仅停留在传统的达标排放的理念上，污水处理厂出水应作为回馈环境的水资源，为开辟城镇第二水源提供基础条件。在规划建设污水处理设施时，应根据本地区的水资源开发利用的具体情况，确定再生水资源利用方向和利用水量，把污水处理与利用结合起来考虑。特别是对于北方缺水地区，应考虑建设污水再生利用设施，发展再生水在园林绿化、市政环卫、城镇杂用、工业冷却、农业灌溉等方面的使用。城镇污水再生利用也是削减水污染物排放总量的主要措施之一，在规划控制水环境污染及建设污水集中处理设施时应给予充分重视。

4 结论
　　对于北方中小城镇的污水处理建设，应根据其所处的自然环境条件、经济情况以及污水水质、排放要求等，因地制宜合理确定其处理工艺，避免照搬大中城市污水处理工艺及参数。投资省、运行管理简便、高效低耗的工艺是污水处理界所致力研究与寻求的方向，对于北方中小城镇，这样的需求更加突出。根据调查研究的结果，我们推荐采用生态塘系统、地下渗滤处理系统和人工湿地系统等生态处理技术，并将污水处理与再生利用结合起来。

参考文献
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