《污水就地处理系统手册》、《分散污水处理系统管理手册》

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美国国家环保局于2002年发布了《污水就地处理系统手册》，2005年发布了《分散污水处理系统管理手册》，引导地方政府和群众在在适当的地方安装分散型污水处理系统并配合管理、维护。

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美国污水就地生态处理技术给我国农村污水处理带来怎样的启示？
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，在美国得到了极为广泛的应用。分析总结了美国污水生态技术发展历程及其作为“革新/替代技术”写入《清洁水法》的技术背景，重点介绍农村污水就地处理系统（OWT）在美国的应用，并在此基础上，对我国农村污水建设提出思考和建议。
1、污水生态技术概述
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：
①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；
②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；
③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；
④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；
⑤操作管理简单，一般可以不需要专业技术人员；
⑥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。其最大的缺点是：单位污水量需要较多的土地，在污水量大而地价昂贵的城市地区难以推广。但有专家则认为，既然城市可以从数百公里以外引水，为何不能把城市污水输送到容易获得土地的农村地区处理或者灌溉农田？例如，美国有“沙漠城”之称的凤凰城严重缺水，就采用城市污水作为农业灌溉用水，同时换取另一地区的优质地下水，双方都获得满意的生态经济效益。我国寿光市利用距市区约35km的废弃盐场地，建造成芦苇湿地作为污水高级处理系统，处理规模达10万m3/d。
2、美国污水生态技术再兴起历史背景其实污水生态技术并不新鲜，已有几百年的历史。早在1650年苏格兰就有污水农场（sewage farms）在运行；19世纪中叶美国采用化粪池+土壤吸附系统处理分散的农村家庭污水；1901年美国建成了第一个城市污水稳定塘处理系统；1907年澳大利亚的沃瑞比农场投入使用，利用废水塘灌溉约1万hm2的土地；1938年英国41个城市系统的污水采用土地处理技术，同期美国有94个城市污水农场和污水土地处理系统在运行。之后，由于城市化的发展以及日渐昂贵的城市地价，这些污水生态处理场地逐步被侵占，城市污水处理代之以机械性、化学品处理技术。到了20世纪70年代初，美国通过实践证明“传统的污水末端处理技术救不了我们的环境”，这是生态技术再次兴起的历史背景。
3、美国污水生态技术的应用概况
3.1氧化塘系统美国1901年就建成了第一个城市污水氧化塘处理工程，1983年全国城市污水氧化塘处理系统达7000座，比1968年增加一倍多，是1988年城市污水处理厂系统总数15 591座的45%，是当年城市污水二级处理厂8536座的82%。1990年全国氧化塘系统达2万个，占全国城市污水处理系统的25%。90%的氧化塘用于城市人口1万或小于1万的小城镇污水处理。
3.2农村家庭污水就地处理系统在美国污水就地处理系统（OWTS）有上百年的历史，最早用于没有污水收集系统分散居住的农村家庭污水处理，其典型的处理工艺是《化粪池-土壤吸附系统》（ST/SAS）。这种方法的基础是化粪池和土壤吸附，处理系统改造简单，化粪池出水经过一个配水井分配到埋于地下的穿孔管，形成渗滤土壤场地（见图1）。由于不要能耗和运行费用，被称之为“革新/替代技术”，实际是一种生态技术，同时由于费用低和管理简单，处理设施均埋于地下，不妨碍环境卫生条件，所以成为美国分散的农村家庭污水最常用的处理方法。图1 美国农村家庭废水就地处理系统随着生态技术的研究和应用，又发展了以化粪池或沉淀池为预处理的潜流人工湿地系统，一般用于社区居民污水处理，同时这种系统可以打造成庭院花园或绿地。
3.2.1应用情况就地处理系统在美国得到政府的支持而得到广泛应用。19世纪中叶，美国有1800万个化粪池/土壤就地处理系统，占全国住宅总数的25%；1970年全国29%的家庭（1950万）污水采用了就地处理系统；1970~1980年，全国平均每年新建约50万个就地处理系统。有的州这种系统的服务人口比例很大：其中有10个州高达40%， 22个州为25%~40%，14个州小于25%。1978~1984年弗罗里达州每年平均建成56 327个就地处理系统；1986年北卡罗林那发放57835个ST/ SAS处理系统执照，1986年对该州11207个系统发放了改建许可证，1988年全州有1500万个在运行。1988年全国建成2300万个化粪池-土壤处理系统，其服务人口约占全国总人口的25%；1999年达2465万个。2002年，全美有1/4的家庭生活污水处理使用了OWT技术。每天有40多亿gal(1 gal（英）≈4.55 L) 的生活污水经该技术处理系统后进入地下水。在美国居民生活污水处理所使用的技术种类统计中，城镇污水集中处理率占74.8%（服务人口与总人口比），就地处理技术占24.1%，其他技术为1.1%。
3.2.2就地处理系统的安全性问题20世纪中期就地处理系统安全问题曾受到质疑，主要集中在污染地下水和化粪池失效两个问题，也曾一度将就地处理改造为集中处理系统。1950~1970年约有1000万个就地处理系统被改成了集中处理设施。为了确认就地处理系统的安全性，美国环保局委托威斯康辛大学进行了考察研究，研究显示就地处理系统失效主要有以下几种原因；①对处理场地的评价不够仔细；②系统的设计不够合理；③没有按设计要求施工；④监管部门审查不力；⑤缺乏合理的运行操作规程等。笔者认为，其中缺乏合理的操作管理是特别重要的原因。化粪池系统的失效通常是由于人们的忽略，对化粪池不能定期进行清理，导致泥沙淤积且进入土壤吸附场，堵塞污水进入土壤。如果有合适的场地，严格的设计、施工和运行管理，化粪池系统的有效运行寿命与集中处理系统相同，可达30~40 a，其安全性是可以保证的。
3.2.3就地处理技术的优势管理简单，运行方便；系统运行安全可靠；施工简单方便可以预制；造价和成本低廉；基本不耗能；不影响周围环境卫生。3.2.4美国化粪池/土壤吸附处理的设计参考数据（1）人均污水量：美国典型的农村家庭人均污水量为170 L/（人·d）（北京农村地区为50~80 L/（人·d））。（2）化粪池容量：化粪池容量取决于服务人口数量及化粪池污泥清理的间隔时间。例如按每个家庭5口人，4个家庭20口人的污水进行联合处理时，需要化粪池容积约4 m3，预计化粪池污泥每3年清理一次。（3）土壤处理部分：按每人占地面积约2 m2左右。（4）穿孔管：连接化粪池出水与土壤的穿孔管埋设在土壤中，形成土壤渗滤场，其埋深根据地区的冰冻层而定。化粪池出水进入的土壤是处理系统的基础。由于处理设施均埋于地下，不影响环境卫生条件。
3.2.5发展前景2007年美国环保局委托水环境协会召开中长期发展研讨会，制定至2025年研发计划。美国环保局制定了就地处理系统的长期发展战略。美国提出以现有稳定塘、沉淀池、化粪池作为3种预处理技术，与土壤为载体的土地处理、人工湿地和地下渗滤等组合，可根据当地条件作为社区生活污水就地处理系统的选择模式。英国斯托夫著《水危机》（2000年）一书中，提出作为水污染解决办法的 “生态技术”。所谓生态技术就是基本全部依赖于土壤、水、植物、细菌和太阳的自然要素为基础，组成的低费用、低能耗、不加入化学药剂的自然处理系统。书中介绍：“这项技术的兴趣已经从德国扩展到欧洲、北美、澳大利亚和全世界。如今，北至加拿大的育空地区和西北地区，南到澳大利亚和新西兰，数以百计的天然湿地和人工湿地用来处理废水和暴雨水。系统的规模从单门独户的家庭到10万人口污水的大系统。”
4、我国农村污水处理工程建设的思考根据住建部2013年城乡建设统计公报，全国自然村265万个，行政村53.72万个，总人口7.62亿。有关领导介绍“十二五”我国农村污水处理目标表示，目前我国农村污水处理率为8%，预计“十三五”将是小城镇和农村环境治理的重要时期，到2020年，农村污水处理率有望翻番，由目前的8%增至15%~20%。另据环保部研究，目前全国约有60万个行政村，按照其中1/3即20万个行政村迫切需要治理，每个行政村治理需要100万元，共需财政投入2 000亿元。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。据报道，山东文登市农村正在推广“化粪池—垂直式潜流人工湿地”组成的村庄污水就地处理系统。国家环保部在寿光市三元朱村示范了“OWT技术处理农村生活污水”，也就是本文所述美国农村普遍采用的“化粪池/土壤吸附”就地处理系统。该系统全部埋于地下，不影响环境卫生，地面还可以打造成绿地。由于不需要动力运行，实现了“零”成本，系统稳定运行寿命可达40年。有的地区在同时示范各种处理模式，例如浙江绍兴上虞西湖村一口气拿出了7套方案：“厌氧+湿地”模式、“厌氧+好氧+湿地”模式、“沉淀池+提升泵”模式、“小户型厌氧+湿地”模式，以及采用德国一体化设备、“厌氧+滴灌”模式和集中纳管进城市管网模式等。有传统的“土办法”，也有从德国引进来的先进技术。值得提出的是，低能耗、低费用、以土壤为基础的生态技术应该成为农村污水处理的主导方向，例如利用“化粪池—土壤渗滤”、“化粪池—潜流人工湿地“组成的就地处理系统，以及储存污水的氧化塘系统与污水灌溉相结合的综合利用模式，可能是最佳的选择。应该吸取有些地区农村污水处理出现的“有钱建设，无钱运行”的教训。国家环保部和住建部应该联合起来及早地进行统一规划和指导。

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1分散污水处理技术
美国环保署分别于1980年和2002年发布了《就地污水处理处置系统设计手册》与《就地污水处理处置系统指南》,详细介绍了分散型污水的处理、处置技术。具体的技术包括传统的化粪池―土壤吸收系统、沥滤场、间歇砂滤器、好氧处理系统、消毒技术、蒸散系统等。
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。
1.1化粪池—土壤吸收系统(Septic Tank-SoilAbsorption Systems)
在美国,化粪池一土壤吸收系统在众多就地处理方法中最为流行。因为它在满足公众健康和环境要求的同时,设计较为简单,且价格相对便宜。化粪池一土壤吸收系统一般包括化粪池与吸收场地两部分(见图1)[5。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。
化粪池一土壤吸收系统的使用对土壤、地质要求较高。化粪池―土壤吸收系统的大面积使用曾经导致地下水污染而受到质疑,在运行过程中出现的各种问题催生了一系列的辅助设备,例如低压管道系统、砂滤系统、化粪池出水格栅等。这些辅助设备可以扩大系统适用范围,降低故障率。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[6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。Sab-ry[”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。
1.2土墩系统(Mound Systems)
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。主要由填料、吸收区域、布水网络、顶盖以及表层土壤组成。土地处理方式是大部分地区处理污水的首选,没有足够的土壤过滤污水时,需要人为补充土壤以及填料来进行处理。较多的土壤同时可以加大处理系统与地下水水位间的距离,保证地下水的安全。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[8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%。
1.3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。地埋式砂滤系统通过在暗渠中铺设粗砾石,并覆盖沙子以处理污水,占地面积小、无异味。间歇砂滤器通过两个或两个以上的处理单元轮流装填污水,这种轮休机制能够保证砂滤器中保持好氧状态,有利于生物膜的生长,提高污染物去除率。循环式砂滤系统由化粪池﹑循环池和砂滤器组成,通过循环也可以增加污水中氧含量。
砂滤系统中砂石是常见的介质,也出现了一些替代性的新型填料,例如无烟煤、矿渣、底灰等。开发新型介质可用于去除一些特定污染物,例如新兴污染物和消毒副产物前体。Grace 等[]使用赤泥、沸石、飞灰、颗粒活性炭以及砂石等混合介质的砂滤系统处理含有溶解性有机碳的合成废水,最优条件下Al、TOC,NH一N去除率分别为97%、71%、88%。
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0。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NH:-N/NO5一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。
1.4 污水蒸散系统(Evapotranspiration systems)
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

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植植被。由于需要蒸发和植物蒸腾作用等作用力，污水蒸散系统对气候有较严格的要求,仅适合年蒸发率超过年降水率的干旱、半干旱地区,且不能在水资源短缺区域使用。而且由于通过蒸散作用排水，一般不会危及地下水安全,因而地质条件适应范围较广。
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12]。在热带气候区域,其他类型的植物也有一定应用,例如竹子,柑橘等[13]。Curneen 等[14在低渗透性底土地区使用6种柳树型蒸散系统处理化粪池和二级生活污水出水,蒸散量在576~929 mm/年。由于低渗透性底土以及当地较高的相对湿度,所有系统均未能达到污水零排放。但是系统能够有效削减污染物,总氮和磷酸盐去除率分别在67%~99%和94%～99%。

1.5一体化处理装置(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。
目前MBR的研究与应用较为广泛,因为其生物质含量高、体积小、出水水质好,而膜组件的模块化性质允许其适应不同处理规模的要求。Su 等g[15]使用具有高通量平板膜的-体化好氧生物膜反应器来处理生活污水。水力停留时间为22 h时, COD.BOD, , sS、 TN、NH,一N和TP去除率分别达到了81.5%,84.8%、81.7%、38.3%,84.6%和40.1%。在反应器后添加混凝―膜反应器后,TP和SS都降低至0.01 mg/L。但膜技术存在膜污染问题,且成本较高,因此考虑开发低成本的替代物,例如天然存在或废弃材料制备的陶瓷膜。Tewari 等[1将两种低成本的膜过滤器,即30μm聚合物网和2~6μm大孔废灰基陶瓷过滤器,用于浸没式膜生物反应器(MBR)中处理住宅小区生活废水,结果表明陶瓷过滤器可以长期使用,悬浮物截留量高达96%,COD、总氮﹑总磷均有-一定程度削减。此外,削减能源消耗也可以降低膜技术的成本。Verrecht 等1使用动态模型对小型膜生物反应器能量消耗进行优化,发现降低膜曝气量和SRT最有利于降低能耗,增加循环流量可以改善TN去除效果,却降低了TP去除效果。
除了序批式反应器(SBR),序批式生物膜反应器(SBBR)或序批式膜生物反应器(SBMBR)等复合型反应器也有应用。Aygun等[!研究了断电故障对SBR 与SBBR处理校园生活污水的影响,发现断电故障降低了COD和 TSS的去除率,同时影响污泥沉降性能。但 SBBR中生物膜的存在有利于削弱断电故障的不利影响。
2分散污水处理技术选择的启示
2.1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。化粪池一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。1993年,国家制图和地理中心(NRCS)对化粪池吸收场建立了限制评级系统用于指导选址[19。不同的州对于就地处理系统有不同的选址规则,例如阿拉巴马州有6项选址参数,分别是渗透性、到岩石或其他限制层深度、到季节性水位深度﹑坡度、洪泛频率和含水土壤的存在[20]。中国经度、纬度跨度大,地形、地貌差异明显,需要根据当地地质情况考虑是否选择土壤处理技术,以保证系统处理性能,避免重蹈覆辙v污染地下水。同时应建立详细的场地评估标准,在选择技术前进行场地评估v规范技术的选择流程。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。

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①《化粪池系统房主指导手册》
②《房主化粪池系统目录手册》
③《现场污水处理系统:评估服务合同的房主指南》

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传统分散式污水处理系统主要由化粪池和土壤吸附系统两部分组成。分散式污水处理系统又名①化粪池系统、②现场处理系统( OWTSs)、③单独处理系统、④收集处理系统、⑤一体式处理系统、⑥大容量化粪池处理系统等。因为其具有成本低、处理效果好、维护简单等优点，尤其适用于城市以外分散式住宅等不适合使用集中式污水处理系统的地区。