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分散型生活污水治理,美国怎么做?

时间:[2017-06-02]  来源:

目前全国各个省市普遍积极地开展了农村污水处理技术方案的示范研究,农村污水处理设备得到了宣传推广。而国外污水生态处理技术具有低能耗、低成本、运行管理简单、无二次污染等优点,得到了极为广泛的应用,给我国农村生活污水处理带来新的启迪。本文通过综述美国分散型生活污水处理的技术措施与管理机制,以期从美国分散型污水处理经验中找到适合我国农村污水治理的方式。

所谓污水生态技术,是利用自然系统的基础组分:水、土壤、细菌、高等植物和阳光组成的污水自然净化系统。与常规污水处理技术比较,生态技术具有以下优点:不需要大规模的钢铁、水泥和投加化学药剂,基本没有二次污染;造价和运行成本低廉,分别为传统处理技术的1/3~1/8和1/6~1/17;低能耗或无能耗运行,有效去除污水中的氮磷营养物,而能耗只有传统技术的1/10左右;耐冲击负荷能力强;处理效果比较稳定,适用于农村污水量昼夜波动大的特点;操作管理简单,一般可以不需要专业技术人员;可以营造成生态景观,改善村镇环境,农田灌溉或种植蔬菜也可以获得经济收益。

一、分散污水处理技术

美国分散型污水的处理技术可以基本概括为传统的土地处理系统以及其他替代系统。替代系统包括常规的好氧处理系统与厌氧处理系统,例如悬浮态生长和固定膜好氧处理系统、序批式反应器、升流式厌氧流化床等。

1.化粪池-土壤吸收系统

化粪池-土壤吸收系统一般包括化粪池与吸收场地两部分(见图1)。化粪池作为污水初级处理单元,起到污水的收集和初级处理功能。吸收场地可以分为两种类型,即有砾石型和无砾石型,按照场地形状又可以划分为沟式和畦式。

化粪池-土壤吸收系统的使用对土壤、地质要求较高。为了提高处理效果,化粪池的结构经过了一系列改良,出现了隔板型和升流式化粪池等。Mikhaeil等研究了3种水力停留时间下传统型、单隔板型、双隔板型、双隔板填充型化粪池处理生活污水的性能。对于不同池型的化粪池,COD、BOD、TSS去除率均与HRT成正相关,且去除率为双隔板填充型>双隔板型>单隔板型>传统型。因此双隔板型与双隔板填充型化粪池更适合处理乡村地区高浓度生活污水。Sabry使用改良型的化粪池——升流式化粪池/隔板反应器(USBR)处理农村生活污水。一年运行期内,COD、BOD、TSS去除率达到了84%、81%、89%。USBR系统不受冲击负荷影响,且受低温的影响较小。

2.土墩系统

土墩系统是高于自然土表的、装载有填料的污水土地处置方式。填料是土墩系统中的重要处理单元。不同结构的填料应用于土墩系统,具有不同的处理效果。一些填料由于含有铝、铁、钙元素,能增强系统除磷的效果。同时,回收利用工业废弃物作为填料,从而降低成本也是一大趋势,例如高炉矿渣、粉煤灰等。Charles等向砂石土墩系统填充工业副产品以提高除磷效果,发现磷平均去除率高达98%,而氮平均去除率较低,仅有19%。

3.砂滤系统(Sand filters)

砂滤系统是指采用介质对污染物进行截留和生物降解的处理装置,其结构各异,灵活性大,适用范围广。砂滤系统按照结构可以分为地埋式、间歇式和循环式3种。对于砂滤系统而言,堵塞是其故障的主要原因,它会降低系统的渗透系数,严重时将导致系统完全失效。堵塞问题的探讨主要为成因分析,包括悬浮物的截留、生物膜生长、植被生长、化学效应等。然而,砂滤系统的堵塞程度不容易被评估,尤其是地下的砂滤系统,以往通常采用过滤水头损失进行测定,目前也出现了对预警参数的研究。Petitjean等研究了地埋式垂直流砂滤系统阻塞情况的预警参数,建议使用NH3-N/NO-3-N出水浓度比以及多孔介质中的氧气浓度来检测早期阻塞。

4.污水蒸散系统

污水蒸散系统是通过土壤表面蒸发和植物蒸腾作用等物理力将污水排入大气的污水处理设施。主要由防渗衬垫、布水管和砂床组成,砂床表面可以种植植被。蒸散系统的蒸散速率与植物的生长情况以及营养物的可及性有关,不同的树种处理效果也不相同。在温带气候区域,柳树、杨树比较流行,因为其在生长季节具有高蒸腾速率、耐水淹,且污染物浓度耐受性高。

5.一体化处理装置(Package Plants)

一体化处理装置是预制造的污水就地处理设施,适用于人口较少、污水流量较小的区域。传统处理装置需要就地安装,而一体化处理装置的处理组件直接在工厂进行装配,然后运输至指定地点。其结构紧凑、施工工程量小。集成式的污水处理设施一般具有基本的物理处理单元,包括混凝、絮凝、沉淀、过滤等,最常见的一体化处理装置有延时曝气反应装置、序批式反应器、氧化沟、接触稳定池和旋转生物接触器。

二、分散污水处理技术选择的启示

1.符合地理条件,满足选址要求

不同的技术有其相适应的地理条件。化粪池-土壤吸收系统的处理单元是土壤,因而对土壤、地质条件有一定要求。合适的土壤需要有良好的渗透性,且土壤水分在一定深度内保持不饱和状态,从而保证土壤的处理能力。处理系统的位置应该远高于地下水水位和基岩,并和饮用水水源的位置保持一定距离,以减小对地下水等天然水体的威胁。

对于选址的地理要求,美国有相应的规则标准。当一些土地处理系统不适用时,可以通过增加辅助设施来改善处理效果,或直接采用一些其他的替代技术,例如好氧、厌氧等工程化的生物处理设施。

2.处理能力符合相应环境水质要求

技术选择前期应该对所在地区进行详细调查,包括污水的水质、水量,环境敏感地区位置,人口密度等。其次,确定地表水与地下水水质,评估受纳水体的易污染程度以及水体自净能力,根据环境和健康风险来确定处理标准。不同地区对就地处理系统设置的处理要求应有所区别,对于饮用水水源地、自然保护区等水质敏感区域,就地处理系统的出水水质要求较高。

3.价格适宜

美国对已有技术的经济核算十分重视,因为这有利于指导后续的技术选择。早在1979年,EPA发布了较全面的传统污水处理技术资本和运营成本的汇总。农村污水处理技术的选择需要结合当地经济水平和环境需求,综合考虑费用与处理效果的关系,从而选择性价比较高的技术。

费用估算时,不仅要包括建造费用,还要考虑使用期的运行、维护费用,以及长期必要的维修和替换费用。只有当村庄正确评估自身所能承担的费用后,才能防止有钱建设,无钱运行,污水处理设施建成之后“晒太阳”。

三、分散污水治理的管理机制

1.完善管理条例

为了维持分散型污水处理系统的良好运行,美国分散型生活污水治理有相关法律法规的条款保障。在州层面,分散型生活污水治理的管理要求通常以涉及相关领域的法令形式出现,法令种类较多,涉及公共安全法、妨害行为法、环境保护法或建筑法规等。但在大多数州,就地处理系统的管辖权一般下放至县或其他地方管理部门。地方管辖部门在执法时可以直接执行州制定的法规或执行自行制定的更严格的法规。

除了强制执行的法律要求,EPA同时注重发布指南手册对分散型处理系统的管理予以指导,分别于2003年和2005年发布了《分散型处理系统管理指南》和《分散型污水处理系统管理手册》等相关管理文件帮助社区管理者与户主进行处理系统的运行和维护。

2.突出运行维护

一个处理系统运行成功与否很大程度上取决于运行维护阶段。美国分散型污水处理设施管理分为5种模式,分别是户主自主模式、维护合同模式、运行许可模式、集中运行模式和集中运营模式。

较为简单的系统可以通过户主教育,依靠户主自行维护;较为复杂的系统则需要供应商提供维修服务;由管理责任实体运行的系统则由管理实体负责维护。分级管理维护可以最有效率地保障处理系统的性能。不同的处理系统维护内容存在差异。

为了保证维修服务便于追溯查询,每次维修服务后需要进行登记,必要时使用联网监测设施。罗德岛的Jamestown镇具有就地处理系统的日常维护监测项目,检查员在网络数据库中记录监测信息。根据系统的大小、类型和用水情况,每3年或5年检查一次系统。

3.注重公众教育

纵观处理系统失败的原因,大多数情况是由于户主缺乏经验,不能及时有效地维修和更新故障的处理系统,最终导致系统崩溃。公众教育有利于提高处理系统相关的操作与管理人员维护系统的意识和能力,主要内容包括提醒用户定期维护,分发多媒体资料等。例如鼓励户主每3年检查一次,3~5年清掏一次化粪池系统;合理利用水资源,不随意丢弃废物;避免在土地处理系统周边停车、种植、安置雨水排放系统等。

同时,提供了处理系统的咨询对象,当户主对化粪池系统的维修存在疑问时,可以联系当地的卫生部门或监管机构,也可以通过化粪池系统服务提供商的数据库向所在地区的专家求助。

4.加强部门合作

(1)联邦、州与地方政府

美国环保署设立的清洁水州周转基金(CWSRF)是很多市政基础设施建设的资金来源,同时也是分散型污水处理项目的重要资金来源。资金的良好运转是联邦、州与地方政府良好协作的结果。清洁水州周转基金主要依靠联邦-州资助关系向社区和个人提供低息或无息贷款,贷款返还到周转基金后,再分配给后续项目。

联邦主要负责向各州提供拨款,各州负责州内CWSRF项目的运作,提供各种类型的资金援助,包括贷款、再融资、采购或保证地方债务和购买债券保险。当基金不能直接下放给私人实体时,可以通过转手贷款先资助当地政府实体,再向户主或其他实体提供贷款或拨款。

(2)联邦与合作组织

为了加强EPA与分散系统相关从业者的合作,EPA和分散型污水处理的相关合作组织在2005年建立了谅解备忘录,这些机构包括国家乡镇协会、国家污水技术人员协会、国家环境健康协会等。EPA和签约组织的职责包括为从事分散型污水处理系统行业的人员提供项目、法规、计划的信息,准备培训、授予证书,提升公众意识,为实施分散系统的组织准备材料等。

2014年,MOU扩张至18个合作伙伴,更新了EPA和合作组织的承诺,着手进一步加强分散系统的管理,增加EPA与州、地方政府、分散系统相关从业者以及供应商的合作。

(3)州与州

流域性的污水问题仅靠州内单独治理并不能得到很好的解决。对于分散型污水处理,美国各州之间注重区域合作和信息共享。2015年,为了更好地实现切萨皮克湾的污染物最大日负荷总量目标,特拉华州、马里兰州、宾夕法尼亚州、弗吉尼亚州和西弗吉尼亚州签署了一份合作备忘录,承诺对用于削减切萨皮克湾氮负荷的就地处理系统的预处理单元进行数据共享,协议为期5年。这种州际之间合作开发工具共享数据的行为在就地污水处理行业中尚属首次。此前处理系统的审批在每个州单独进行,合作后能够大大简化各个州内处理技术的审批流程,降低用户和制造商的成本。

随着中国供水量的稳步增加,全国污水排放量亦呈现快速增长趋势,水体污染问题日益突出。近年来,城市污水处理设施建设取得较大进展,污水处理能力日益提升。再生水市场启动,“十二五”期间,城市污水处理再生利用率将达到10%,再生水将新增投资逾百亿元。由于中国水资源的稀缺性日渐显现并且未来水价上调成为必然趋势,所以污水处理及循环利用、再生水市场、海水淡化市场、自来水供应将成为下一个热点领域。

国家环保总局环境规划院的一项预测显示,中国“十二五”和“十三五”时期废水治理投入将分别达1.05万亿元和1.39万亿元,其中工业和城镇生活污水的治理投资将分别达4355亿元和4590亿元。其次,未来超出水资源控制量之外的增量指标,将通过水权流转或再生水使用的方式满足,这些政策将为从事污水处理的相关公司带来明显利好。

1.行业竞争日益激烈,水务企业更多向综合环境服务商转变

为进一步占领和巩固国内水务市场,各水务公司纷纷加快区域布局,北京、江苏、湖南、内蒙古、山东等省市均已成为各大水务公司抢占的重点区域,一些区域政府也通过投资成立区域性水务公司来规划本地市场,行业竞争日渐激烈。

"十二五"期间,国家通过政策发布引导各水务企业把各自的战略定位向综合环境服务商或系统解决方案提供商转变,这一转型也正在被市场和越来越多的企业所认同。近年来,固废处理、污泥处置、海水淡化、再生水循环利用、餐厨垃圾处置、景观水治理等新兴产业逐渐成为环保类企业深入挖掘的投资热点,行业竞争模式从单一的水务项目争夺向开拓环保产业多元化领域发展。

2.长期价格上涨已是必然之势

国务院于2007年发布的《关于印发节能减排综合性工作方案的通知》中规定:“污水处理费吨水原则上不低于0.8元”。然而,时隔8年后,仅前文列举的48个主要城市中,仍有15个城市低于这一标准。同时,随着排放标准的提供和污泥处置费用的增加,污水处理成本早已高于8年前,可见,中国污水处理费标准总体偏低。

另外,水资源的稀缺程度日益体现,上调水价是促进节约用水、合理配置水资源,发挥价格杠杆的有效手段。未来水价改革将成为中国价格改革的重点之一,污水处理费进一步上涨已成为必然趋势,污水处理行业的利润率有望进一步提升。

3.区域争夺加剧,二三线城市及乡镇地区的污水处理问题成为新的关注点

近年来,为进一步占领和巩固国内水务市场,各水务公司纷纷加快产业布局,北京、江苏、湖南、内蒙古、山东等省市均成为各大水务公司抢占的重点区域,一些大型水务项目备受各方关注,并购项目及小城镇项目也随着城镇化和环保政策的推进逐渐进入各方视线,部分地方政府也通过投资成立区域性水务公司的方式来规划本地市场,参与市场竞争。

另外,随着经济发达的一线城市污水处理行业进入成熟期,需求增长放缓,污水处理行业的需求主要来源于“提标改造”。污水处理行业逐渐向二三线城市渗透,且二三线城市及乡镇地区污水处理业务配套设施还不健全,因此在这些地区的污水处理业务将可能成为企业新的利润增长点。

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