移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)展

邱勇軍,張玉峰,楊永前,封明敏,繆愛軍,*,楊柳燕

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司,江蘇南京 211102;2.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210023;3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司建設(shè)分公司,江蘇南京 210000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,農(nóng)民生活水平不斷提高,用水量也在逐步增加。據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒2021》,建制鎮(zhèn)生活用水量為649 082.2萬(wàn)m3,約占建制鎮(zhèn)總用水量的44.12%,人均日生活用水量達(dá)到106.79 L,然而農(nóng)村生活污水的處理率僅為61.95%。農(nóng)村的環(huán)保建設(shè)水平與經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平不相匹配、生活污水的隨意排放,導(dǎo)致水污染問題日益加重[1-2]。如果采用排水管網(wǎng)對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行統(tǒng)一收集處理,將會(huì)增加財(cái)政負(fù)擔(dān),經(jīng)濟(jì)上不可取。地下式一體化污水處理設(shè)備具有安裝簡(jiǎn)便、運(yùn)行費(fèi)用低、建設(shè)投資少等優(yōu)點(diǎn),適用于農(nóng)村生活污水處理[3-4]。但對(duì)于建筑施工營(yíng)地、災(zāi)后重建營(yíng)地臨時(shí)貯存的生活污水,地下式一體化污水處理設(shè)備仍然具有局限性,這是因?yàn)榈叵率揭惑w化污水處理設(shè)備很難移動(dòng)且無(wú)法拆卸,施工結(jié)束后無(wú)法跟隨施工隊(duì)撤離,從而造成資源浪費(fèi)。相比較而言,移動(dòng)式生活污水處理設(shè)備具有占地面積小、設(shè)備簡(jiǎn)單、處理效率高且能隨時(shí)移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),適用于該類廢水的處理。此外,隨著水處理工藝效率逐步提高,污水處理設(shè)備的體積逐漸減小,使得一體化生活污水處理設(shè)備的可移動(dòng)性大大增加,在未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景也會(huì)更加廣泛。因此,有必要對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)式生活污水處理設(shè)備的工藝進(jìn)行總結(jié),為后續(xù)移動(dòng)式生活污水處理設(shè)備的升級(jí)提供理論基礎(chǔ)。

1 移動(dòng)式一體化生活污水處理技術(shù)簡(jiǎn)介

生活污水按照其來(lái)源可以分為黑水和灰水。黑水由糞便、尿液以及沖廁水組成,灰水則是由洗浴用水、盥洗污水、洗衣水和廚房用水等組成[5]。生活污水通常具有水質(zhì)水量波動(dòng)大、集中性差、氮磷含量高等特點(diǎn)[6],且通常含有大量懸浮性固體、溶解性有機(jī)物和微生物。目前,移動(dòng)式一體化生活污水處理裝置主要應(yīng)用于分散型污水(農(nóng)村生活污水、臨時(shí)宿營(yíng)地貯存污水)的處理。相比于城市生活污水,此類污水污染物含量高、水量小且較難收集,需要針對(duì)性處理。

現(xiàn)有移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備的核心工藝基于原理可分為生物處理和物理化學(xué)處理兩大類別(表1)。生物處理主要包括缺氧好氧(AO)系列工藝、生物膜法及其衍生工藝,物理化學(xué)處理主要包括膜分離技術(shù)、混凝沉淀、電絮凝、高級(jí)催化氧化及其衍生工藝。各工藝的機(jī)理與特點(diǎn)如下。

表1 移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備核心處理工藝

1.1 AO系列工藝

AO工藝是比較常見的生活污水處理工藝,是活性污泥法的一種。缺氧池中進(jìn)行反硝化反應(yīng),將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮?dú)鈴奈鬯腥コ?除此之外還能將大分子降解為小分子物質(zhì),提高后續(xù)曝氣池的處理效果。曝氣池中進(jìn)行硝化反應(yīng),降解污水中的有機(jī)物。厭氧缺氧好氧(AAO)就是在AO處理工藝缺氧池的前面加入一個(gè)厭氧池,厭氧池的主要作用是使回流的聚磷菌厭氧釋磷,從而加強(qiáng)反應(yīng)設(shè)施的除磷效果[7]。胡軍福等[8]采用二級(jí)AO生物接觸氧化工藝處理農(nóng)村生活污水,以柔性生物繩作為生物填料,提高了生物膜的黏附性能,減少了污泥的產(chǎn)生,最后出水的COD、氨氮、總磷均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 生物膜法

生物膜法的凈化機(jī)理如下:當(dāng)污水流經(jīng)生物膜反應(yīng)器時(shí),微生物附著在填料上生長(zhǎng),形成生物膜,污水流經(jīng)生物膜時(shí),微生物與污水中的污染物接觸,完成對(duì)污水的凈化。生物膜法的主流工藝有曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤等。曝氣生物濾池是20世紀(jì)80年代基于生物濾池和生物接觸氧化法發(fā)展起來(lái)的處理工藝[9]。包木平等[10]設(shè)計(jì)以曝氣生物濾池為核心的污水處理廠,高密度沉淀池添加絮凝劑以改善進(jìn)水水質(zhì),經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的調(diào)試,使得出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。生物轉(zhuǎn)盤與其他生物膜法工藝的區(qū)別在于,盤片和水流都是運(yùn)動(dòng)的,轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一圈便完成一次AAO過(guò)程,脫氮除磷效果好[11]。韋真周等[12]采用生物轉(zhuǎn)盤法處理小城鎮(zhèn)生活污水,每天處理水量為1 500 m3,經(jīng)格柵、旋流沉砂池、生物轉(zhuǎn)盤之后,出水COD、氨氮、總磷、總氮均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)屬于物理化學(xué)處理工藝,其分離原理是通過(guò)在膜的兩側(cè)產(chǎn)生壓力差,使得污水中的成分選擇性通過(guò)。當(dāng)污水流經(jīng)分離膜,一種或多種物質(zhì)被選擇性透過(guò),其余物質(zhì)被截留,達(dá)到分離純化的目的[13]。當(dāng)前在污水處理領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍的膜分離技術(shù)有微濾、納濾、超濾、反滲透、電滲析[14]。王東鶴等[15]利用電解耦合膜分離技術(shù)處理海上生活污水,處理水量可達(dá)64 m3/d,出水水質(zhì)均符合IMO.MEPC.227 (64)決議要求。該方法選擇微濾膜分離技術(shù),其中膜分離器采用聚偏氟乙烯中空纖維膜組件。

1.4 電絮凝

采用物理、化學(xué)方法對(duì)污水中有機(jī)物進(jìn)行處理,主要包括過(guò)濾、混凝、電化學(xué)處理等。其中,混凝和過(guò)濾處理不但可以針對(duì)有機(jī)物含量較低、懸浮物質(zhì)含量較高的廢水,而且可以充當(dāng)高COD廢水的預(yù)處理措施。電絮凝通常以鐵或者鋁為陽(yáng)極,在堿性條件下發(fā)生聚合反應(yīng)生成氫氧化物沉淀,在沉淀過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)捕作用進(jìn)一步提高出水水質(zhì)[16]。龍奎等[17]采用電絮凝-電解耦合技術(shù)處理船舶生活污水,電絮凝作為預(yù)處理工藝處理污水,電解作為深度處理方式進(jìn)一步提高出水水質(zhì),在適宜的pH、電解時(shí)間等條件下COD的去除率可達(dá)93%。

1.5 高級(jí)催化氧化

近年來(lái),高級(jí)催化氧化技術(shù)被認(rèn)為是一種高效可靠的污水處理技術(shù),其主要用途在于去除某些新污染物,例如殺蟲劑、食品添加劑、藥物等[18]。高級(jí)催化氧化通過(guò)產(chǎn)生足夠量的羥基自由基來(lái)氧化污染物[19],可以用于生活污水的處理,主要包括電芬頓、電催化和光催化等,具體特點(diǎn)如表2所示。

表2 高級(jí)催化氧化處理工藝優(yōu)缺點(diǎn)

(1)電芬頓

電芬頓技術(shù)是利用電解產(chǎn)生的Fe2+和H2O2作為芬頓試劑,二者相互作用產(chǎn)生羥基自由基,具體反應(yīng)如式(1)[20]。

Fe2++ H2O2+ H+= Fe3++ H2O + ·OH

(1)

電芬頓法產(chǎn)生的羥基自由基可以高效去除污水中的COD和氨氮。張峰等[21]利用電芬頓法去除鍍鎳廢水中的COD和磷,這類廢水中CODCr和磷質(zhì)量濃度可達(dá)2 000mg/L和1 000mg/L,在pH值= 3、電流密度為10 mA/cm2的條件下反應(yīng)40 min,使得溶液中的CODCr和磷去除率分別為84.7%和91.5%。

(2)電催化

電催化氧化技術(shù)可以處理高CODCr、高氨氮的生活污水,在電解過(guò)程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)使得污水中有機(jī)物降解[22-23]。黃彥鋒等[24]用電化學(xué)聯(lián)用膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝處理海上平臺(tái)的生活污水,在極板間距為2 cm、電流為52 A、電解時(shí)間為2 h的條件下處理效果最佳,整套裝置的運(yùn)行成本為67.96元/d,CODCr的最終降解率為87%,出水水質(zhì)符合IMO.MEPC227(64)決議要求。

(3)光催化

光催化的原理是在紫外或可見光照射下,半導(dǎo)體材料表面電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶,從而形成活性氧物質(zhì),如超氧陰離子自由基、單線態(tài)氧和羥基自由基等[25]。任春燕等[26]利用光-電耦合催化作用來(lái)降低生活污水中的CODCr,在電流密度為600 A/m2、運(yùn)行電流為940 A、紫外輻射強(qiáng)度為50 μW/cm2的條件下運(yùn)行60 d,整個(gè)中試規(guī)模的水處理量可達(dá)24 m3/d,出水CODCr質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于125mg/L,符合IMO.MEPC.227 (64)決議要求。

1.6 組合技術(shù)

將上述單級(jí)處理工藝組合成多級(jí)處理工藝,可以提高污水處理效果。MBR是將膜分離技術(shù)與生物處理單元相結(jié)合的新型工藝,獨(dú)特的MBR平板膜組件被放置于曝氣池中,通過(guò)好氧曝氣和生物處理后的水,再由泵通過(guò)濾膜過(guò)濾之后抽出,利用膜分離設(shè)備截留生化反應(yīng)池中活性污泥和大分子有機(jī)物,省去了二沉池,能大大提高活性污泥濃度[27]。MBR通常與其他工藝聯(lián)用處理污水,以膜分離組件代替二沉池起到泥水分離的效果。徐建宇等[28]采用AO聯(lián)用MBR技術(shù)處理教職園區(qū)的生活污水,與常規(guī)序列間歇式活性污泥處理工藝相比提高了脫氮除磷的效果,由于使用MBR代替二沉池,節(jié)約了用地,減少了能耗。調(diào)試之后的出水水質(zhì)可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。左燕君等[29]將混凝、AO和MBR工藝聯(lián)合起來(lái)處理生活污水,先利用混凝工藝將污水中的懸浮大顆粒去除,再用AO工藝進(jìn)行脫氮除磷,最后用MBR工藝強(qiáng)化出水水質(zhì),使其達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。也有研究將生物處理技術(shù)與生態(tài)處理技術(shù)耦合,形成生物-生態(tài)組合技術(shù)。前有微生物進(jìn)行有機(jī)物的降解,后有人工濕地技術(shù)進(jìn)行深度脫氮除磷,結(jié)合彼此的技術(shù)優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步改善出水水質(zhì)[30]。

2 移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備的分類

基于不同生活污水處理工藝,移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備大體可分為4種類型,即分別以物理化學(xué)方法、生物方法、組合技術(shù)和其他技術(shù)(如人工濕地)為核心工藝的處理設(shè)備,主要包括混凝過(guò)濾、膜分離技術(shù)、高級(jí)催化氧化、AO系列工藝、生物膜法、人工濕地以及其組合工藝,特點(diǎn)如表3所示。

表3 常規(guī)移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備特點(diǎn)

2.1 以物理化學(xué)方法為核心的處理設(shè)備

以物理化學(xué)方法為核心的設(shè)備通常都是處理灰水,即洗漱、洗菜、洗浴水等污水,而非高CODCr、高氨氮的黑水。對(duì)于這一類灰水,經(jīng)混凝、過(guò)濾、殺菌后便可循環(huán)使用。羅孔城[31]發(fā)明了一種處理灰水的移動(dòng)式污水過(guò)濾車。整個(gè)裝置主要由攪拌箱、潛水泵、出水管、過(guò)濾箱、放水管、鼓風(fēng)機(jī)、鐵管、噴氣頭和出氣管等組成,核心處理工藝為過(guò)濾。先將灰水存儲(chǔ)于污水箱中,然后啟動(dòng)水泵,將污水吸入過(guò)濾箱進(jìn)行過(guò)濾,過(guò)濾之后排入攪拌箱,同時(shí)打開鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行攪拌,處理后的水可以二次使用。

除此之外,對(duì)于船舶生活污水,可以分類收集,靠岸之后排入城市污水收集系統(tǒng)進(jìn)行處理。尉賀蕾[32]發(fā)明了一種移動(dòng)式居住船生活污水處理裝置,該裝置將黑水和灰水分開收集,對(duì)兩種類別的污水進(jìn)行定期消毒殺菌,以防止病菌滋生。每個(gè)收集倉(cāng)設(shè)有警報(bào)系統(tǒng),當(dāng)容量超過(guò)80%便會(huì)發(fā)出警報(bào)。該裝置僅憑重力便可收集污水,無(wú)需其他設(shè)備。

對(duì)于黑水的處理,可以選擇微濾、超濾等物化工藝。在移動(dòng)污水處理裝置的設(shè)計(jì)中,微濾、超濾工藝的選擇頗多,因?yàn)檫@種工藝占用空間很小,且能達(dá)到很好的污水處理效果。Forbis-stokes等[33]設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)糞水處理裝置,用于印度城市化糞池中黑水的處理,及時(shí)清空化糞池,以供后續(xù)使用。該裝置的核心工藝為吸附、微濾、超濾。污水經(jīng)過(guò)網(wǎng)狀織物去除大顆粒物質(zhì)后,進(jìn)入由砂石和鵝卵石組成的玻璃鋼容器進(jìn)行過(guò)濾,再通過(guò)活性炭吸附裝置進(jìn)一步去除水中的懸浮物質(zhì),同時(shí)活性炭也能吸附污水中的有機(jī)物和氨氮,進(jìn)一步改善水質(zhì)。在此之后,污水再依次經(jīng)過(guò)微濾和納濾裝置,實(shí)現(xiàn)污水回用。整個(gè)裝置穩(wěn)定運(yùn)行之后,CODCr、總懸浮固體和總大腸菌群的去除率分別為81%、80%和98.4%,達(dá)到了印度污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)。

王磊等[34]發(fā)明了一種可移動(dòng)式光催化污水處理裝置,這種裝置可以有效處理生活污水和工業(yè)廢水,主要由進(jìn)水管、光催化填料棒、出水管、污水泵、移動(dòng)平臺(tái)、固定架等組成,可以根據(jù)污水水量水質(zhì)的不同,選擇不同規(guī)格型號(hào)的光催化填料棒以提高凈化效率。光催化填料棒采用透光性外殼,在白天利用陽(yáng)光進(jìn)行光催化處理污水,夜晚可以用內(nèi)置光源進(jìn)行光催化?？傮w來(lái)講,該工藝能耗較低、處理效率較高,對(duì)沖擊負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)。

2.2 以生物方法為核心的處理設(shè)備

生物方法處理污水設(shè)備價(jià)格低廉、效果好,應(yīng)用十分廣泛。同樣,在移動(dòng)污水處理裝置核心工藝的選擇上,AO、AAO、MBR等生物工藝通常會(huì)被優(yōu)先考慮。該類裝置的結(jié)構(gòu)組成通常有格柵、調(diào)節(jié)池、核心工藝池、消毒池這幾個(gè)部分。其中,格柵的作用是去除污水中的漂浮物質(zhì),調(diào)節(jié)池的作用是均勻水質(zhì)水量,大部分有機(jī)物和氨氮的去除都是在核心工藝池完成,最后消毒池的作用是消毒殺菌。

李天源[35]研發(fā)出一款智能化移動(dòng)式農(nóng)村污水處理裝置,核心工藝為AO。處理流程:裝置吸入污水到達(dá)指定液面后進(jìn)行厭氧反應(yīng),之后加入曝氣頭曝氣進(jìn)行好氧反應(yīng)。整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,中樞箱按照事先設(shè)定好的數(shù)據(jù)向各個(gè)單元發(fā)出指令,裝置便可按程序運(yùn)行。

辛海波等[36]設(shè)計(jì)出一款以AAO工藝為核心的移動(dòng)污水處理裝置。整個(gè)裝置由調(diào)節(jié)池、缺氧池、好氧池、沉淀池、消毒池組成,可以用于小規(guī)模生活污水的處理。該移動(dòng)污水處理裝置的好氧池采用多級(jí)分段式接觸氧化,使得反應(yīng)負(fù)荷逐級(jí)遞減,提高了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

王凌杭等[37]研發(fā)出一種基于AAO工藝的移動(dòng)式污水處理車,由壓濾箱、厭氧箱、缺氧箱、好氧箱組成。該裝置方便快捷,可以對(duì)處理不完全的污水進(jìn)行二次處理。其中,壓濾箱可分為壓水區(qū)和濾水區(qū)。壓水區(qū)由壓塊和氣囊組成,濾水區(qū)由活性炭層進(jìn)行吸附。最后的好氧箱頂端掛有紫外燈進(jìn)行消毒殺菌。

王昱茗等[38]研發(fā)了一種以曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)為核心的可移動(dòng)式黑臭水體的處理設(shè)備,對(duì)排水管網(wǎng)中溢出的生活污水以及周圍池塘的黑臭水體進(jìn)行處理。整個(gè)裝置由混凝反應(yīng)池、沉淀池、調(diào)節(jié)池、曝氣生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤組成,其中,混凝沉淀池中加入芬頓試劑進(jìn)行氧化處理。該裝置外接太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng),適用于小規(guī)模黑臭水體的治理,出水可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 移動(dòng)式組合技術(shù)處理設(shè)備

生活污水的水質(zhì)水量波動(dòng)大,隨季節(jié)變化明顯,為了保持出水水質(zhì)的穩(wěn)定,通常采用組合技術(shù)對(duì)污水進(jìn)行處理。鐘旭東等[39]研發(fā)出一款移動(dòng)式農(nóng)村污水應(yīng)急處理裝置以臨時(shí)處理生活污水,出水水質(zhì)可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),可用于綠化、灌溉。該裝置由調(diào)節(jié)池、缺氧池、好氧池、MBR組成,裝置尺寸為7.28 m×2.13 m× 2.18 m,在缺氧池和好氧池的水力停留時(shí)間為8 h。其中清洗箱負(fù)責(zé)清洗MBR,管道通過(guò)加藥箱投入次氯酸鈉進(jìn)行清洗。

周家正等[40]研發(fā)了一種單元式膜生物分解移動(dòng)污水處理站,核心處理裝置為生物處理池和中空纖維膜過(guò)濾裝置,該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理緊湊、可以有效處理污水且不產(chǎn)生活性污泥。生物處理池中設(shè)有曝氣槽、沉淀槽、消毒脫色槽,生活污水先經(jīng)過(guò)欄柵筐除去漂浮物質(zhì),然后進(jìn)入曝氣槽曝氣氧化,經(jīng)過(guò)殺菌脫色后進(jìn)入管式中空纖維過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾處理,提高出水水質(zhì)。

王小利等[41]研發(fā)了一種可移動(dòng)式集成污水處理設(shè)備,通過(guò)模塊化組成可移動(dòng)的處理裝置。整個(gè)裝置集混合反應(yīng)、布水、曝氣于一身,可以實(shí)現(xiàn)污水處理一體化,適用于處理小規(guī)模農(nóng)村生活污水。通過(guò)該裝置處理后的水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),可以直接排放或回用。該移動(dòng)集成裝置主要由水解酸化池、接觸氧化池、MBR池、消毒池、污泥池組成。水解酸化池中含有彈性纖維復(fù)合填料以增加微生物量,提高處理效果。水解酸化池主要將有機(jī)物降解為脂肪酸等小分子物質(zhì),也可以在缺氧條件下進(jìn)行脫氮反應(yīng)。接觸氧化池與MBR膜相連接降低了活性污泥產(chǎn)量,氧化池中附著的微生物發(fā)生氧化代謝反應(yīng)去除污水中的污染物,生化需氧量(BOD)、CODCr等指標(biāo)在該處理池也得到降低。除此之外,氧化池還會(huì)發(fā)生硝化反應(yīng),硝化液通過(guò)回流管路回流到水解酸化池中進(jìn)行脫氮。消毒池中采用投入二氧化氯的方式進(jìn)行消毒。

趙博頓[42]研發(fā)了一種移動(dòng)應(yīng)急式生活污水處理設(shè)備,與上述裝置不同,該裝置將生物方法與物化方法聯(lián)用,主要由粉碎裝置、砂石層、活性炭和光伏發(fā)電裝置組成。生活污水先經(jīng)過(guò)粉碎裝置將較大的物體粉碎成細(xì)小顆粒,再通入?yún)捬跏抑羞M(jìn)行處理。與上述裝置不同的是,該裝置的厭氧室中含有光合細(xì)菌和日光燈管,光合細(xì)菌可以在有光無(wú)氧的條件下分解污水中的有機(jī)物。經(jīng)過(guò)厭氧處理后,進(jìn)入到過(guò)濾室進(jìn)行處理,經(jīng)過(guò)活性炭吸附進(jìn)一步提升出水水質(zhì),該裝置的日光燈管、粉碎電機(jī)、攪拌電機(jī)均與光伏發(fā)電裝置相連。

2.4 移動(dòng)式人工濕地處理設(shè)備

在移動(dòng)污水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)中,人工濕地技術(shù)很少被采用,這是由于人工濕地占地面積大,處理效果較差。但是人工濕地具有三重降解機(jī)制(基質(zhì)、植物、微生物)、能耗低等特點(diǎn),使得該技術(shù)處理生活污水具有顯著優(yōu)勢(shì),尤其是在脫氮除磷方面。

比利時(shí)等歐洲國(guó)家經(jīng)常會(huì)舉辦音樂節(jié),音樂節(jié)場(chǎng)地通常沒有排水系統(tǒng)或者排水系統(tǒng)的容量不足,很難處理音樂節(jié)臨時(shí)產(chǎn)生的生活污水。Lakho等[43]研發(fā)了一種以人工濕地技術(shù)為核心的生活污水移動(dòng)處理設(shè)備。該移動(dòng)裝置通過(guò)人工濕地處理黑水和灰水,再通入飲用水再生系統(tǒng),進(jìn)行純凈水的再生,不僅解決了生活污水污染的問題,還進(jìn)行了水資源的回收利用。移動(dòng)設(shè)施以拖車為載體,兩側(cè)裝有進(jìn)水箱,并有水位感應(yīng)裝置,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)水,進(jìn)水通過(guò)穿孔管網(wǎng)流入濕地。整個(gè)裝置的工藝由人工濕地、超濾、反滲透組成。污水先經(jīng)過(guò)人工濕地進(jìn)行脫氮除磷,再通過(guò)一個(gè)活性炭吸附裝置去除大顆粒物質(zhì)以防后續(xù)超濾裝置發(fā)生堵塞,超濾-反滲透去除剩余的有機(jī)污染物,最后經(jīng)過(guò)消毒殺菌,水質(zhì)便可達(dá)到飲用水要求。該裝置調(diào)整優(yōu)化后對(duì)CODCr、BOD、總懸浮物、總氮、總磷的去除率可達(dá)90%、95%、97%、24.7%、76%。

Zehnsdorf等[44]研發(fā)了一種以蘆葦根部作為主要處理單元的移動(dòng)式處理裝置,用于處理臨時(shí)城市廢水(例如,臨時(shí)建筑工地的生活污水、旅游露營(yíng)地的生活污水、發(fā)生災(zāi)害后臨時(shí)宿營(yíng)地的生活污水等)。該裝置以蘆葦根部組成的反應(yīng)室為核心處理工藝,利用植物和植物上附著的微生物對(duì)污水進(jìn)行處理。由于反應(yīng)根部比較密集,為了防止堵塞,處理的廢水通常需要預(yù)處理。因此,該移動(dòng)設(shè)施通常與其他預(yù)處理措施聯(lián)用,處理負(fù)荷可達(dá)1 200 L/d。

3 生活污水移動(dòng)式一體化處理設(shè)備的特點(diǎn)

3.1 移動(dòng)式一體化處理設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的分散性污水或是臨時(shí)施工宿營(yíng)地的生活污水,沒有安裝排水系統(tǒng)或者排水系統(tǒng)的承載量不足,容易造成污水泄漏,影響周邊環(huán)境。大肆向偏遠(yuǎn)地區(qū)鋪設(shè)管道,也會(huì)造成資源浪費(fèi)。針對(duì)上述情況,生活污水移動(dòng)處理設(shè)備具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。相比于地下式處理設(shè)備,移動(dòng)污水處理裝置具有處理效率高、占地面積小、管理方便、污泥產(chǎn)量小等優(yōu)點(diǎn),不會(huì)造成資源浪費(fèi),適用于處理臨時(shí)廢水[45]。移動(dòng)式一體化裝置在處理生活廢水時(shí)具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)節(jié)省管網(wǎng)鋪設(shè)費(fèi)用

偏遠(yuǎn)地區(qū)通常住戶較少、距離城市污水處理廠較遠(yuǎn),如果強(qiáng)行鋪設(shè)城市排水管道,經(jīng)濟(jì)效益低下,同時(shí)也會(huì)增大財(cái)政部門的壓力。相比較而言,移動(dòng)污水處理設(shè)備的構(gòu)造價(jià)格以及運(yùn)行費(fèi)用低廉,在處理少量偏遠(yuǎn)地區(qū)生活污水方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),可以針對(duì)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)水量情況,采取不同工藝進(jìn)行處理,靈活度較高。

(2)節(jié)約資源

對(duì)于臨時(shí)施工或避難所營(yíng)地所排放的生活污水,如果搭建地下式或半地下式的處理裝置,待施工結(jié)束、災(zāi)情過(guò)后,臨時(shí)處理裝置就會(huì)閑置下來(lái),造成資源浪費(fèi)。相比于移動(dòng)處理設(shè)施,這種地下式裝置會(huì)占據(jù)較大面積,前期投入資金較多,且會(huì)消耗更多的人力物力。使用移動(dòng)污水處理裝置會(huì)更節(jié)約資源,符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

3.2 移動(dòng)式一體化處理設(shè)備的劣勢(shì)

移動(dòng)污水處理裝置的特點(diǎn)是方便快捷。因此,裝置的處理容量有限,不適宜處理大規(guī)模水量的廢水。地下式裝置結(jié)構(gòu)單元多,處理水量較高、抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng),運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低[46]。相比較而言,移動(dòng)污水處理裝置的處理工藝通常與膜工藝有關(guān),需要定期維護(hù)沖洗,為了提高處理效果,通常需要加藥(混凝劑)處理,因此,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用相對(duì)較高。

3.3 移動(dòng)式一體化處理設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒2021》,匯總近十年來(lái)全國(guó)建制鎮(zhèn)的年生活用水量、污水處理廠處理能力和污水處理裝置(一體化處理裝置)等信息,如表4所示,其中各項(xiàng)指標(biāo)呈逐年增加的趨勢(shì)。值得注意的是,建制鎮(zhèn)中污水處理裝置的處理能力與污水處理廠相近,說(shuō)明一體化生活污水處理裝置在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中應(yīng)用普及較為廣泛。

表4 近十年全國(guó)建制鎮(zhèn)生活污水處理情況統(tǒng)計(jì)

近年來(lái),盡管城鄉(xiāng)區(qū)域越發(fā)重視生活污水的處理,但截至2021年,具有污水處理廠或生活污水處理裝置的建制鎮(zhèn)的數(shù)量?jī)H占68%左右,究其原因,可能存在以下幾個(gè)問題限制其發(fā)展。

(1)政府財(cái)政壓力過(guò)大

農(nóng)污建設(shè)資金主要來(lái)源于國(guó)家和當(dāng)?shù)刎?cái)政,農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平較低,當(dāng)?shù)責(zé)o法購(gòu)買足夠設(shè)備或無(wú)法進(jìn)行日常維護(hù)導(dǎo)致資源的閑置浪費(fèi)。當(dāng)?shù)卣梢圆捎肞PP(public-private-partnership)模式支持鼓勵(lì)社會(huì)資金的投入,既可以幫助當(dāng)?shù)氐钠髽I(yè)發(fā)展,也能減輕財(cái)政的壓力。

(2)缺少合理性的技術(shù)和統(tǒng)一的排放標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量波動(dòng)大,每個(gè)地區(qū)的排水量都不盡相同,前期應(yīng)該進(jìn)行足量的調(diào)研,對(duì)不同地區(qū)的生活污水采用分門別類的處理方式,選擇合適的處理技術(shù)。除此之外,城鄉(xiāng)區(qū)域也應(yīng)該采用統(tǒng)一的排放標(biāo)準(zhǔn),這樣也有利于一體化生活污水處理裝置的推廣。

(3)缺少專業(yè)人員

一體化生活污水處理裝置運(yùn)行維護(hù)需要專業(yè)人員進(jìn)行,農(nóng)村地區(qū)的工作人員大多是兼職狀態(tài),對(duì)于農(nóng)村生活污水的處理了解程度不深,這就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)問題。針對(duì)這種情況,應(yīng)該大力發(fā)展一體化處理設(shè)備的智慧化運(yùn)行,采用云端操作的方式,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置運(yùn)行中的問題,提高整個(gè)裝置的處理效率。

3.4 移動(dòng)式一體化處理設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

隨著我國(guó)污水處理體系的完善,生活污水的處理結(jié)構(gòu)也更加合理。對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)生活污水的處理,當(dāng)用戶集中居住時(shí)(搬遷入樓),可以在當(dāng)?shù)亟ㄔ煳鬯畯S,但集中居住短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn),因此,在過(guò)渡期間,可以使用移動(dòng)污水處理裝置來(lái)處理當(dāng)前生活污水。目前移動(dòng)式一體化處理設(shè)備主要應(yīng)用于施工營(yíng)地生活污水、農(nóng)村生活污水的處理[47-48]。移動(dòng)污水處理裝置可以在應(yīng)急救援領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。對(duì)于災(zāi)后宿營(yíng)地,排水管網(wǎng)系統(tǒng)可能被破壞,移動(dòng)污水處理裝置可以臨時(shí)處理營(yíng)地的生活污水,為居民的生產(chǎn)生活提供保障。李為星等[49]利用移動(dòng)式一體化污水處理設(shè)施處理被污染的水源,經(jīng)絮凝沉淀、超濾、消毒后達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn),確保災(zāi)后健康用水。對(duì)于臨時(shí)建筑營(yíng)地或郊外大型活動(dòng)產(chǎn)生的生活污水,移動(dòng)污水處理裝置具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。隨著污水處理工藝的發(fā)展,移動(dòng)污水處理裝置的各項(xiàng)性能也會(huì)得到很大程度地優(yōu)化。膜分離技術(shù)具有分離效果好、所需空間小的優(yōu)點(diǎn),在移動(dòng)污水處理裝置的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但是,隨著膜單元反應(yīng)裝置處理時(shí)間的推移,膜孔會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象,需要定時(shí)清理膜孔,膜組件也容易損傷,使得維護(hù)費(fèi)用較高。隨著膜污染清除和膜改性技術(shù)研究的不斷深入,膜組件的抗污染和抗沖擊能力逐漸增強(qiáng),移動(dòng)污水處理裝置應(yīng)用前景也會(huì)更加廣泛。

此外,文章選擇了兩例以AO系列技術(shù)為核心工藝、滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的案例,對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析,其污水處理成本在1.5～2.0元/m3[50-51],而城鎮(zhèn)污水處理廠處理費(fèi)用約為1元/m3[52]。因此,農(nóng)村生活污水的處理政策應(yīng)該靈活多變,衡量水質(zhì)水量與污水處理成本。對(duì)于人口密集的區(qū)域可以修建污水處理廠統(tǒng)一收集處理,對(duì)于流量小的區(qū)域則可以采用移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備進(jìn)行“網(wǎng)上預(yù)約式”處理。

4 結(jié)論與展望

移動(dòng)式一體化處理裝置是我國(guó)污水處理體系中的關(guān)鍵一環(huán),它使得我國(guó)污水處理系統(tǒng)更加完整,值得探討和研究。移動(dòng)式一體化污水處理裝置將現(xiàn)有的復(fù)雜工藝進(jìn)行組合簡(jiǎn)化,使得單元結(jié)構(gòu)組合更加合理,形成一體化的處理流程,提高了污水處理效率。相比于地下式生活污水處理裝置,移動(dòng)污水處理裝置在偏遠(yuǎn)地區(qū)、施工期生活污水處理方面更具有優(yōu)勢(shì),不會(huì)造成資源浪費(fèi)?，F(xiàn)有的移動(dòng)式一體化生活污水處理設(shè)備大多是以AO為核心工藝,這是因?yàn)樵摷夹g(shù)成本較低、運(yùn)行管理比較方便,但其水力停留時(shí)間較長(zhǎng)、需要另設(shè)沉淀池、為提高出水水質(zhì)仍需與其他工藝聯(lián)用等,在確?？梢苿?dòng)性的前提下,裝置的處理效率受到限制。

移動(dòng)式一體化生活污水處理裝置的升級(jí)換代與高效的生活污水處理技術(shù)研發(fā)密切相關(guān)。隨著環(huán)境領(lǐng)域的快速發(fā)展,生活污水處理技術(shù)的種類也逐漸增加,多種高性能工藝逐漸應(yīng)用在生活污水處理領(lǐng)域,這為移動(dòng)污水處理裝置的發(fā)展提供了更多可能性,其中高級(jí)催化氧化和膜分離工藝值得關(guān)注。高級(jí)催化氧化技術(shù)憑借反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基來(lái)高效去除污水中的CODCr、氨氮,以此工藝為核心的裝置占地面積小,與其他除磷工藝組合后出水可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。但該工藝前期投入資金較多,未來(lái)研究可以降低成本為出發(fā)點(diǎn),如研發(fā)低成本電催化陽(yáng)極涂層、優(yōu)化電芬頓、光催化反應(yīng)條件。膜分離是一種簡(jiǎn)單高效的污水處理技術(shù),通過(guò)多種膜分離工藝的聯(lián)用,出水水質(zhì)可達(dá)飲用水標(biāo)準(zhǔn)。但由于膜制作成本較高且易污染,限制其在移動(dòng)式一體化生活污水處理裝置上的應(yīng)用,未來(lái)研究可以減少膜污染為立足點(diǎn),如自潔膜材料的研究,達(dá)到“一機(jī)一膜”以降低運(yùn)行維護(hù)成本。由于生物方法的高性價(jià)比(低價(jià)高效),未來(lái)的移動(dòng)式一體化污水處理裝置的處理方式仍然會(huì)是以生物方法為核心工藝、物理化學(xué)方法為深度處理工藝的聯(lián)合處理模式。除了技術(shù)上的突破,農(nóng)村生活污水處理模式、運(yùn)行機(jī)制也應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)不同地區(qū)的水質(zhì)水量采用不同處理方式,加強(qiáng)地方政府和企業(yè)的合作,帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,減輕當(dāng)?shù)刎?cái)政壓力。