分散式污水处理或将成为水处理行业未来发展新方向

分散式污水处理发展现状

        虽然目前全球城市化已十分明显，但仍有近30~35亿人口居住在农村，这些人中有相当一部分的生活条件还比较差，甚至还没有合适的污水处理系统。污水处理系统可分为集中式和分散式，传统的污水处理厂属于集中式污水处理系统，适用于人口稠密的城市地区。而在人口分布稀疏的农村地区采用集中式污水处理，则会因为建造污水厂花费的巨大钱财，而让这些本来就经济欠发达的地方再次背上债务负担。此时，分散式污水处理系统将是一个更合适的选择。

        分散式污水处理系统不仅适用于欠发达的发展中国家，在某些情况下，它同样适用于发达国家。近年来，发达国家的城市中心人口密度正在逐渐下降，人们逐步开始向城市边缘分散定居，而此时如果建造集中式污水处理厂将不再合适。根据联合国环境署2002年统计数据，美国有25%的人口已在使用分散式污水处理系统。

        本文将探讨对比几种典型的分散式污水处理技术的优缺点与适用性，以及如何进行技术选择与如何打破工程应用瓶颈。

传统与新型分散式污水处理工艺

传统式工艺

        传统分散式污水处理技术包括湿地、好氧工艺（MBR、BCR等）、厌氧工艺（UASB等）。下表从技术、经济、环境、社会等角度对比分析了以上分散式工艺的优缺点。

 

表 传统分散式污水处理工艺对比

工艺名称	达标排放	环境与资源	技术特点	经济性	社会接受度
人工湿地	阳光辐射消毒	天然处理，无法资源回收	操作便捷，性能稳定，对气候、地域要求较高	投资土地，重力流，无需运维成本	人口稀疏、土地广泛的地区较易接受
传统好氧工艺	必须有深度处理	主流技术，耗能，可从污泥中回收资源	操作相对便捷，负荷冲击适应性一般，升级成本中高	投资和运维成本较高（能量、污泥）	臭气可能有污染，比较容易被接受
MBR	可以没有深度处理，直接回用	高耗能，占地少，处理效率高，可回收资源	操作复杂，易发生膜污染，毒性抵抗力差，升级成本高	投资和运维成本最高（高耗能、但是污泥量小）	臭气可能有污染，接受度取决于成本
好氧滤池	根据实际情况判断是否需要深度处理	耗能型，占地与MBR类似，处理效率略低	操作比MBR简单，升级成本略低	投资成本较高，运维成本低于MBR	臭气可能有污染，接受度取决于成本
UASB	必须有深度处理	可回收沼气，耗能转变为产能	操作相对简捷，进水流量和负荷冲击适应性较好，升级投资中等	中等投资，运维成本低，沼气可能产生回报收益	有经济回报性，有利于提高社会接受度

 

 新型工艺——生物质浓缩反应器

        生物质浓缩反应器（Biomass Concentrator Reactor，BCR）是一种与MBR非常相似的新型技术，最初由意大利帕维亚大学（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》杂志上发表了关于该技术的两篇文献报道（《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的结构设计为一个曝气反应器，反应器底部进行微孔曝气，废水和微生物在反应器内呈悬浮态，出水为重力流。在帕维亚大学的试验中，BCR反应器采用Porex^TM radial filter进行固液分离，孔径为5~20μm。由于介质表面的粗糙度，有可能形成2~3厘米水头损失。

        根据帕维亚大学的实验结果，采用BCR反应器，COD去除率为93~97%，脱氮率为75~79%。需要注意的是，实验流量只有22L/m²d，远低于最大操作流量（10~50 L/m²d），因此，实验期间系统过滤能力基本稳定，无需反冲洗的前提下，可以稳定运行1年左右。而实际运行条件下，常用膜材质的孔径约为0.1μm，3个月后系统过滤能力降低77％，需要更换膜或者进行再生。帕维亚大学也指出，实际运行结果有可能会与实验结果相差较大，具体处理效果取决于膜的种类、污水组分与操作工况。

 分散式污水处理的可持续性分析

所谓“最合适的技术”包括经济最优、环境友好、技术稳定、公众认可等特性。设计“可持续性技术”需要从以下维度综合考虑：

（1）健康与卫生：将可能影响公共卫生的病原体和有害物质的风险降至最低;

（2）能源与资源：考虑建设和运行所消耗的能源和资源，以及能回收利用的资源（例如将水、营养物返还农业），同时综合考虑再生资源（例如沼气）；

（3）技术：最大程度地发挥技术功能，确保整个系统的构建、运行和监控。同时，要考虑技术应对电力供应、水资源短缺、洪涝等紧急事件时的稳健性和盲点，以及技术对于现有基础设施或社会经济发展的灵活性与适应性；

（4）经济：家庭以及社区的经济承受能力，包括建设、运行、维护和必要的投资成本；

（5）社会文化和制度：社会接受度、便利性、合法合规。

        分散式污水处理系统满足以上全部维度要求，除此之外，还有占地紧凑、运行灵活等。所以，分散性污水处理技术属于可持续性技术，实际工程中具体工艺的选择需要综合考当地的气候、地域、污水水质、当地水资源与回用需求等特性。

集中式系统与分散式系统的对比与讨论

 投资成本

        集中式污水处理系统的投资成本显著高于分散式系统。集中式系统需要建设大规模的污水收集管网，其投资成本占据了总成本的80~90%。而管网的平均使用寿命为50~60年，到期更换、日常维护费用都将增加投资成本。

 运行成本

        集中式污水处理系统的设计需要考虑峰值流量，会导致增加系统容量，降低处理效率；重力管网输送过程中有可能因为地下水入侵造成废水稀释，增加处理费用和能耗；长距离输水导致泵站需求量更大，能耗更高，这三点直接导致运营成本的增加。

 水质安全

        集中式污水处理系统集中排放水量较大，可能引起受纳水域的富营养化。而分散式系统由于排水量小，将降低富营养化概率。

 监测与管理

        远程监控技术的发展大大助力分散式系统的监测，使用远程控制设备，可以轻松实现运行维护，无需大量驻场人员。

        在管理方面，与集中式系统的管理“不可见性”不同，分散式系统的管理更需要联合当地居民的力量，公众参与度的提升将有可能进一步提高群众的节水和环保意识。

 发展角度

        相较于集中式系统，分散式系统更适应发展中国家农村和社区的发展变化，以及人口增长。分散式系统的基础设施投资可以逐步进行，无需一次到位。

实现源分离

        分散式系统可以实现污水源分离，而集中式系统很难做到。通过采用新型卫生洁具，可以在源头进行生活污水的黑水与灰水分离，这些废水虽然流量小，但是含有大部分的COD（黑水中3000~10000 mg/L）和营养物质，以及几乎全部的病原体和微量污染物。就近集中处理，一方面减少了环境中微量污染物如金属和其他新兴化合物（如药品和个人护理产品）的分布；另一方面，最大程度提高本地系统的资源回收潜力。

分散式污水处理系统的应用障碍分析

        如今，在几个欧盟国家（德国，荷兰）的城市已经建设了多个分散式污水处理系统示范项目，平均服务人口约为1000人，都取得了积极的成果。

        但是，分散式污水处理系统的推广应用依然存在一定的障碍。这些障碍除了土地可用性（主要针对湿地系统）、成本和环境要求等因素之外，最大的障碍来自人们对新事物的接受程度。通常情况下，改革系统的经济成本太高、缺乏具体的综合经验、对未知的不确定性，这些都会成为传统思想中难以辩驳的因素。

        分散式污水处理系统的倡导者主要是年轻的专业新秀，他们难以让决策者和传统的污水处理专业人员接受这些新概念。事实上，分散式污水处理系统在发展中国家的接受程度要高于发达国家，因为发展中国家较少存在预先技术的障碍，而发达国家的技术模式往往青睐于传统的集中式污水处理系统。

        但实际上，随着大多数发达国家的城市水资源基础设施的设计寿命逐渐接近上限，甚至已超上限（通常为50-60年），在未来十年中，大批的水资源基础设施将面临修复与翻新，而若能趁此机会将污水系统改造为分散式污水处理系统，将是一个适用于未来发展的长期解决方案。

结论

        分散式污水处理技术由于其原位处理和便于资源回收利用而具有可持续性，这个特性在未来将会愈发显著。集中式污水处理系统虽然目前可以满足人口稠密地区的需求，但并不普适于未来发展。从发展趋势来看，“未来城市”的新观念很有可能将会明显侧重于分散式。

        从技术研发的角度，分散式污水处理系统已被充分认知，但技术到工程应用的转移还略显薄弱，管理者的“守旧心态”成了新技术的推广应用的主要障碍之一。而实际上对于决策者而言，选择分散式污水处理系统是一次变革传统的机会。借此机会，将陈旧的用水设施替换为可进行污水源分离的新型设施。对于污水收集设施已经急需更替或者重建的区域，将分散式污水处理系统纳入备选范围，这是改变传统污水处理模式的良好契机。

        但是，这并不意味着集中式污水处理系统完全无用。发达国家高度人口稠密的地区一直以来由集中式污水处理厂提供服务，并随着城镇化发展不断扩容管网系统。在这些情况下，分散式系统并不是一种立即合适和可行的替代方案，折中的办法是集中和分散二者共存，对诸如住宅、商业综合体、医院，可以应用分散式系统，更易于处理后就近回用。