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，我國大城市基本上已建設或在建設污水處理廠，采用傳統活性污泥法、A/O、SBR等二級生物處理工藝。但是，人口占全國總數1/3左右的中小城鎮污水處理系統比較簡陋，甚至沒有污水處理設施，大量的污水未經處理直接排入水體，造成了當地的水環境污染，影響了居民生活用水安全性，已成為我國城市化進程中的“瓶頸”，盡早做好中小城鎮污水治理工作勢在必行。對中小城鎮的污水排放與處理現狀調研、分析，并科學地探討適合的處理技術是做好中小城鎮污水處理工程建設的關鍵。
1 北方中小城鎮污水處理現狀與建設要求
1.1 中小城鎮污水處理的迫切性
　　我國中小城鎮數量眾多，目前擁有各種規模和性質的中小城鎮近48000多個^[1]，其中建制鎮20000多個。隨著鄉鎮企業的迅速發展和村鎮人口的不斷集中，排污量成倍增長，據統計2000年中小城鎮污水排放量為480億噸?？梢?，雖然單個中小城鎮排放的污水量無法與大城市相比，但是其排放總量相當可觀。然而，絕大多數城鎮沒有系統的污水處理設施，建有一些污水收集或處理設施的僅占10%，成為區域性水環境的重要污染源。因此中小城鎮的污水處理就顯得十分迫切和極為重要。
　　根據全國城鎮污水處理設施現狀，按照水污染總量控制的要求，國家發展改革委員會制定的全國城鎮污水處理及再生利用規劃總體建設目標為：到2010年底城鎮污水處理率平均達到60%，北方缺水城市的再生水利用率達到20% ^[2]。
1.2 北方中小城鎮污水排放與處理的特點
　　2005年，通過對黑龍江省的20多個中小城鎮的污水治理現狀進行現場調研，可以總結出北方中小城鎮的污水排放與處理基本存在以下特點：
(1) 缺乏污水處理專項規劃。除個別城鎮已建污水處理廠外，大部分中小城鎮只是在總體規劃上簡單地進行描述或對污水處理廠的位置進行了選擇，并沒有污水治理的系統規劃。
(2) 排水管網不健全。各城鎮排水管網狀況相差不多，多數為明溝暗渠排水或地表漫流；已經完成的排水管網多數為合流制，無截留主干管，各干管污水直接排入水體；排水管徑普遍偏小，雨天滿城積水，低洼地帶住宅進水，并給人們出行造成很多不便。還有個別污水處理廠建成后由于管網不配套而不能正常運營和充分發揮效益。
(3) 城鎮人口較少，水量少?？h政府所在鎮污水量一般小于2萬m³/d，遠期規劃也不足5萬m³/d，而一般建制鎮都在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，且水量的波動較大。
(4)中小城鎮較分散，各城鎮污水就地單獨處理比集中建設大型污水處理廠更現實可行。
(5) 北方冬季氣溫低，最低氣溫時排水總出口水溫為7℃，并歷時3～6個月。
1.3 北方中小城鎮污水處理工藝要求
　　與大中型城市污水處理廠相比，中小城鎮小型污水處理廠的設計、建設和運營更加困難，中小城鎮污水治理將成為今后我國水污染控制的重點和難點^[1]。工藝選擇時應考慮自然環境、社會環境和經濟條件，以經濟、簡易、可靠為目標。同時還要考慮廢水處理設施所產生的環境污染、生態影響以及資源和能源的消耗水平，滿足可持續發展要求。
　　可持續發展要求：我國大中城市絕大多數污水處理廠所采用的活性污泥法工藝，具有穩定、可靠的處理效果，但是這種高投入和高能耗的處理方式，總體的環境效益并不理想，在去除水中污染物的同時，消耗了大量的電能和化學藥劑；同時通過曝氣形成CO₂和剩余污泥，又將水污染轉化為大氣污染和固體廢物的污染，不滿足可持續發展的要求。
　　經濟條件與社會環境：北方中小城鎮經濟力量比較薄弱，人均國內生產總值普遍在1.5萬元以下，因此中小城鎮污水處理力求做到建造費用低、運行費少、節約能源。中小城鎮建設污水處理廠的維護管理技術人員及運行管理經驗都嚴重缺乏，一般不宜采用檢修環節多，檢修頻率高的處理工藝，減少機械設備的使用?；钚晕勰喙に嚧笮臀鬯幚韽S，萬噸投資基本都在1000萬元以上，運行成本在0.46元/噸左右，規?？s小后，噸水投資和運行費用會更高。中小城鎮受到經費、技術人員、管理水平的限制而在建設和運營方面會有很多困難。因此處理工藝應力求運行管理簡單、維護方便、效果穩定。
　　自然環境：相對比南方以及大中城市，北方中小城鎮土地面積大，人口密度較小，土地成本低，因此在選擇工藝時沒有必要特別考慮占地問題。北方中小城鎮，多數都以農業為主，因此可考慮將污水用于農業灌溉，這樣就不需進行脫氮除磷，從而降低了出水水質要求。
　　2000年斯德哥爾摩國際水研討會特別提倡采用環境友好的生態處理技術^[3]，即低投入、低能耗、簡易、高效的污水處理技術。污水生態處理技術基本上不涉及化學能的投入和化學品的消耗。根據我國國情，中小城鎮的污水處理必須走生態處理技術的道路，尤其提倡以聯合式或強化生態處理技術為主，對污水進行綜合治理和資源化利用。應用最廣泛的污水生態處理技術有生態塘系統、土地處理系統和人工濕地等^[4]。污水生態處理系統可以單獨運行，或與傳統的處理工藝如水解酸化、活性污泥法處理系統聯用，能取得更好的處理效果。

2 污水生態處理技術在北方中小城鎮的應用
2.1 生態塘處理系統
　　生態塘作為污水處理和再利用技術，具有結構簡單，基建及運行費用低，管理維護方便，能有效去除有機物和病原體等優點。生態塘系統通常由于占地面積大而限制其應用發展，但北方小城鎮土地供應充足，價格低廉，不構成問題。
　　對于北方地區，尤其是干旱地區的生活污水處理，推薦采用如下生態塘系統：污水→預處理→兼性塘→控制出水塘→農田灌溉→出水補充地下水或地表水。兼性塘是本系統的主要功能單元，當有工業廢水混入時，可考慮兼性塘前加厭氧塘?？刂瞥鏊潦氰b于北方的氣候特點而設置的。在冬季低溫季節，生物降解功能低下，處理水水質難于達標，將處理水貯存，待天氣轉暖，降解功能恢復正常，生態塘開始正常運行，處理水水質達到排放標準后排放。在溫暖的季節，控制出水塘還可以做魚或水禽養殖塘。
　　齊齊哈爾生態塘系統和安達生態塘系統是寒溫帶污水處理生態塘系統應用范例。兩個城市冬季冰封期超過4個月，冰下水溫一般為2-5℃。1985年投建的齊齊哈爾污水處理生態塘系統工藝流程為：污水→明渠→格柵→泵站→厭氧塘→兼性塘→水生作物塘→排入嫩江。生態塘系統采用冬儲夏排方式運行，用于處理分流制的城市污水。進水SS = 235~310mg/L，BOD₅ = 125~160mg/L，生態塘的出水SS和BOD₅達到5~10mg/L；合成洗滌劑和氨氮的去除率超過80%，細菌去除率超過99%；苯酚和氰化物的去除率超過90%。安達塘系統污水處理總量為1.5萬m³/d。處理流程為：篩網→沉砂池→強化厭氧塘→兼性塘→最終凈化儲留塘→出水排入農田。入塘污水主要為生活污水和毛紡、食品加工等廢水。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 地下滲濾系統
　　地下滲濾系統是土地處理的一種，將預處理后的污水有控制地通入設于地下距地面0.5m深處的滲濾田，通過土壤物理作用和微生物降解，使污水得到凈化。地下滲濾系統的優勢在于它是設于地面以下的，由于土壤對污水具有保溫作用，該系統受外界氣溫變化的影響較小，因此比較適用于北方寒冷地區。地下滲濾系統還具有不影響地面景觀、基建及運行管理費用低、運行管理簡單、氮磷去除能力強、處理出水水質好、可用于污水回用等特點。在日本、美國、新西蘭和西歐等國家，地下滲濾系統的研究和應用日益受到重視^[6]。
　　中國科學院沈陽應用生態研究所在遼河油田茨榆坨采油廠家屬區主持修建了處理規模為300m³/d的示范工程，其一次性投資相當于二級生化處理工程的1/2，運轉費僅為其1/5，出水實現了回用^[7]。貴州省環境科學研究設計院2001年在紅楓湖國家亞高原水上運動訓練基地建設一套30ｍ³/ｄ的生活污水處理工程，其處理效果良好，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%。土壤表面種植植物后，污水凈化效果進一步提高^[8]。
　　哈爾濱工業大學在對大慶某小區景觀湖水體保護工程中采用了以地下滲濾系統為主體的處理技術。該景觀湖內養魚并作為小區雨水受納水體。雨水預處理后入湖，湖水循環處理后水質要求達到《景觀娛樂用水水質標準》（GB12941-91）中的B標準。采用方案為：湖水→地下滲濾系統→循環泵→礫石地表漫流水景（夏季啟用）→入湖。
2.3 人工濕地處理系統
　　人工濕地是人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統，具有與沼澤類似的地面，通過濕地自然生態系統中的物理、化學和生物作用的優化組合來進行廢水處理。北方地區如大慶、齊齊哈爾等周邊城鎮有大量的濕地、沼澤，該地區土地不適合進行農耕，均被閑置，如將其建造成人工濕地充分進行利用，可取得明顯的經濟效益和環境效益。
　　人工濕地受氣候影響比較大，對于北方不可忽略的一個因素就是越冬問題，存在防凍和植被枯死、表面凍結造成床體缺氧等許多問題。常用的解決辦法之一是污水在非生長季節貯存，而在溫暖的春、夏和秋季排向濕地。但這種方法的缺點是貯存池需要大量花費，占地面積較大，建議采用以下技術改造措施。
　　潛流式人工濕地最早是在德國建造的，其主要優勢是污水在處理過程中被覆蓋起來，使污水因蒸發和流動造成的能量損失最小，比較適宜在溫帶地區冬天運行^[9]。我國的劉紅^[10]等人在北京官廳水庫潛流人工濕地系統的試驗研究表明，冬季在水力負荷率為 0.15~0.45m/d 時，高錳酸鹽指數和氨氮的去除率分別為 15%和 50%。北京市環境科學研究院在北京市延慶沈家營鎮建設了一座200t/d的潛流人工濕地，進水COD<200mg/L，為預處理后的工業廢水， 2004年冬季的運行結果為COD去除率64-77%，直接運行成本（不含折舊）0.05元/噸。此外，該濕地作為公園的一部分還有很高的生態價值^[11]。
　　1980～1984年間，在加拿大安大略省通過調整操作方案成功地完成了濕地的越冬工程。采取的措施是，水位上升至冰凍面后形成一層冰層，然后水位下降，這樣就在水位與冰層之間形成了絕緣空氣層，水生植物密實的地上莖對冰層的形成起到了支撐作用，枯死的香蒲所積聚的雪層也為濕地提供了一層絕緣雪毯^[4]。
　　另外，適當增加人工濕地的構筑深度可以起到保溫的效果，如東北第一座人工濕地處理系統——沈陽市滿堂河生活污水處理人工濕地，其一級處理由沉淀池和浮動生物床組成，考慮到凍土層，濕地深度大于1ｍ，經過一年的試運行，出水水質穩定達標^[12]。
2.4 濕地組合系統
　　彭潤芝、董澤琴^[13]等對貴州省環科院家屬樓宿舍化糞池出水進行試驗，證明地溝式滲濾與碎石床濕地組合處理污水效率在同樣進水水質情況下，污染物去除率比單純的地溝式滲濾提高，抗沖擊負荷能力強。在冬天無植物生長情況下對BOD₅、COD、SS、NH₃-N和TP的去除率平均為91.56%、84.75%、93.33%、81.30%和88.90%，夏季處理效率分別提高4.29%、5.75%、6.9%、14.81%和4.85%。
　　對于出水水質要求較高和有再生回用要求的地區，可采用水解酸化/不完全氧化活性污泥法/人工濕地處理系統，水解酸化和不完全氧化工藝基本不受溫度變化的影響。該組合工藝對COD、BOD₅和SS的去除率分別可達70%、80%和80%以上。為保證冬季的處理效果，適當增加氧化池的曝氣量和停留時間來彌補土壤—植物系統處理能力的降低，克服了單純人工濕地越冬的難題，可常年運行 ^[14]。
2.5 其他工藝
　　除采用生態技術外，中小城鎮的污水處理還可以根據當地的實際情況采用接觸氧化法、強化一級處理等方法。接觸氧化法具有處理效果好、操作簡單、污泥量少、耐低溫等優點。化學強化一級處理工藝，建設投資較少，不易受氣候條件的限制，在寒冷地區有生物處理工藝無法比擬的優勢；適當時間再建二級處理，這在國內外均有先例。

3 北方中小城鎮的污水再生利用
　　中小城鎮污水處理的規劃與設計，不應僅停留在傳統的達標排放的理念上，污水處理廠出水應作為回饋環境的水資源，為開辟城鎮第二水源提供基礎條件。在規劃建設污水處理設施時，應根據本地區的水資源開發利用的具體情況，確定再生水資源利用方向和利用水量，把污水處理與利用結合起來考慮。特別是對于北方缺水地區，應考慮建設污水再生利用設施，發展再生水在園林綠化、市政環衛、城鎮雜用、工業冷卻、農業灌溉等方面的使用。城鎮污水再生利用也是削減水污染物排放總量的主要措施之一，在規劃控制水環境污染及建設污水集中處理設施時應給予充分重視。

4 結論
　　對于北方中小城鎮的污水處理建設，應根據其所處的自然環境條件、經濟情況以及污水水質、排放要求等，因地制宜合理確定其處理工藝，避免照搬大中城市污水處理工藝及參數。投資省、運行管理簡便、高效低耗的工藝是污水處理界所致力研究與尋求的方向，對于北方中小城鎮，這樣的需求更加突出。根據調查研究的結果，我們推薦采用生態塘系統、地下滲濾處理系統和人工濕地系統等生態處理技術，并將污水處理與再生利用結合起來。

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