日本生活污水深度處理技術(shù)的發(fā)展與推廣

日本生活污水深度處理技術(shù)的發(fā)展與推廣

日本的生活污水處理廠建設(shè)主要分為“廢水處理”（指城市污水處理廠和管網(wǎng)建設(shè)）、“農(nóng)業(yè)和農(nóng)村污水處理”和“清潔海洋”。其中，以大城市為中心的廢水處理事業(yè)發(fā)展最快。后來,由于下水道建設(shè)速度無(wú)法滿足日益擴(kuò)大的城市圈的發(fā)展,其滯后部分由凈化槽事業(yè)替代補(bǔ)充,直至下水道的服務(wù)覆蓋到該地區(qū)。之后隨著城市地區(qū)下水道的逐步完善,要求農(nóng)村地區(qū)也要建設(shè)完善下水道,隨即開始以具備一定規(guī)模管網(wǎng)的分散型生活污水處理為中心,實(shí)施農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè)及小規(guī)模的下水道事業(yè)。而凈化槽事業(yè)則是在下水道管網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)過大、人口密度極低的山區(qū)等地區(qū),作為住宅的單體生活污水處理設(shè)施得以推廣。日本的生活污水處理事業(yè)目前仍維持著這樣的業(yè)務(wù)劃分狀況,其分散型生活污水處理事業(yè)則橫跨上述三類業(yè)務(wù),但從歷史上看,下水道事業(yè)始于城市地區(qū)的大規(guī)模污水處理,隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展,逐步開始以分散型處理為對(duì)象,而農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè)和凈化槽事業(yè)從一開始就是以分散型處理為對(duì)象,這是上述三類業(yè)務(wù)顯著不同的特點(diǎn)。要想了解日本生活污水的分散型處理狀況,需要從更廣的角度全面了解并探討上述三種業(yè)務(wù)格局及其相互關(guān)系。從這一角度出發(fā),根據(jù)日本上述三類業(yè)務(wù)的特點(diǎn),系統(tǒng)梳理了日本分散型生活污水處理技術(shù)的實(shí)際狀況,并分析了相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r,旨在為我國(guó)開展農(nóng)村生活污水處理事業(yè)提供借鑒。1日本污水處理廠的總體情況1.1凈化槽事業(yè)在點(diǎn)下建置中的發(fā)展現(xiàn)狀日本的生活污水處理事業(yè)分為下水道事業(yè)、農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè)以及凈化槽事業(yè),其主管部門分別為國(guó)土交通省、農(nóng)林水產(chǎn)省和環(huán)境省。下水道事業(yè)起源于1900年制定的下水道法,起初僅為管網(wǎng)建設(shè),直到1922年才在東京建設(shè)了第一家污水處理廠。20世紀(jì)70年代,日本開始大力興建下水道,90年代起進(jìn)一步加快了建設(shè)速度。下水道建設(shè)是以城市規(guī)劃為基礎(chǔ)、以城市地區(qū)較大規(guī)模的下水道建設(shè)為中心開展的,并在自然公園內(nèi)或農(nóng)村、山村等重點(diǎn)水環(huán)境保護(hù)地區(qū),同時(shí)開始實(shí)施以處理人口為1000~10000人為對(duì)象的特定環(huán)境保護(hù)公共下水道事業(yè)。近年來,在處理人口不到1000人的地區(qū)也開始建設(shè)下水道。隨著城市地區(qū)下水道的日益完善,下水道建設(shè)開始向較小規(guī)模發(fā)展,主管下水道的國(guó)土交通省將處理人口在10000人以下的下水道定義為小規(guī)模下水道。農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè)始于1983年,其目的是為了改善下水道建設(shè)滯后的農(nóng)村地區(qū)的生活水平和水環(huán)境。處理人口基本在1000人以下,目前已建成的處理設(shè)施超過5000個(gè)。凈化槽事業(yè)主要針對(duì)獨(dú)棟住宅,對(duì)象處理人口為10人以下。因此,處理設(shè)施以凈化槽設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的小型處理裝置為主流。20世紀(jì)80年代—90年代期間,凈化槽事業(yè)的發(fā)展填補(bǔ)了城市地區(qū)下水道建設(shè)和水處理率的發(fā)展空白。目前,全日本建成的凈化槽超過了860萬(wàn)個(gè)。1.2生活污水治理2009年日本全國(guó)的污水處理率達(dá)到了91.5%。調(diào)查結(jié)果表明,2009年度日本污水處理方式主要有掏糞、單獨(dú)處理凈化槽、合并處理凈化槽、農(nóng)業(yè)村落污水處理及下水道事業(yè),所占比例分別為8.5%、11.8%、8.1%、2.7%和68.9%。其中,“掏糞”是指使用帶糞坑的旱廁的情況,沒有使用水沖式廁所。糞坑內(nèi)的糞便每年要清理幾次,運(yùn)到糞便處理廠進(jìn)行處理。凈化槽分為合并處理凈化槽和單獨(dú)處理凈化槽,初期的凈化槽事業(yè)主要著眼于消除水沖式廁所帶來的衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn),因此要求只處理水沖廁所排放的污水(即單獨(dú)處理)。之后又要求對(duì)包括生活雜排水在內(nèi)的所有生活污水進(jìn)行處理(即合并處理),并試圖將過去建設(shè)的單獨(dú)處理凈化槽轉(zhuǎn)換成合并處理凈化槽,但實(shí)際情況并不理想,轉(zhuǎn)換工作進(jìn)展緩慢。另外,掏糞式廁所也沒有要求處理生活雜排水,因此,日本目前約有20%的人口排放的生活雜排水未經(jīng)處理而直接排放,是造成部分地區(qū)水環(huán)境惡化的主要原因。2日本分散生活污水深度處理技術(shù)2.1設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施和凈化槽上述日本的各類事業(yè)都有相應(yīng)的技術(shù)指南,小規(guī)模污水處理設(shè)施是以《下水道設(shè)施計(jì)劃、設(shè)計(jì)指針和解說》為基礎(chǔ)的《小規(guī)模下水道計(jì)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)管理指針和解說》,農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施是《農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)指針》,而凈化槽則是《凈化槽的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及其解說》。由于農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施適用于凈化槽法,加之凈化槽的技術(shù)探討比較深入,因此《農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)指針》依據(jù)《凈化槽的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及其解說》并加入了更為詳細(xì)的內(nèi)容。2.1.1生物脫氮與生物除磷工藝作為《小規(guī)模下水道計(jì)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)管理指針和解說》的基礎(chǔ),《下水道設(shè)施計(jì)劃、設(shè)計(jì)指針和解說》中提示的處理技術(shù)如下:(1)循環(huán)硝化脫氮/絮凝沉淀工藝該工藝前段設(shè)置缺氧池,后段設(shè)置好氧池,通過硝化、反硝化進(jìn)行脫氮處理,除磷則通過絮凝沉淀來完成。該工藝對(duì)TN的去除率為70%左右,對(duì)TP的去除率>90%。(2)硝化自養(yǎng)生物脫氮/絮凝沉淀工藝該工藝在反應(yīng)池前段設(shè)置好氧池,中段設(shè)置缺氧池,后段設(shè)置好氧池。根據(jù)實(shí)際情況可設(shè)置多組串聯(lián)處理單元,通過硝化、反硝化進(jìn)行脫氮,通過附設(shè)的絮凝沉淀進(jìn)行除磷。該工藝對(duì)TN的去除率為70%~80%,對(duì)TP的去除率>90%。(3)分步進(jìn)水式多級(jí)硝化脫氮/絮凝沉淀工藝該工藝將完全混合型缺氧池及好氧池組合單元進(jìn)行2~3級(jí)串聯(lián)設(shè)置,使污水均等地流入各個(gè)缺氧池(分步進(jìn)水),均衡各級(jí)MLSS負(fù)荷,以提高脫氮效率。除磷則通過附設(shè)的絮凝沉淀來完成。該工藝對(duì)TN的去除率為70%~80%,對(duì)TP的去除率>90%。(4)深度處理氧化溝/絮凝沉淀工藝采用一般氧化溝工藝的反應(yīng)池,停留時(shí)間為24h,好氧和缺氧運(yùn)行時(shí)間比例為1∶1。通過硝化和反硝化進(jìn)行脫氮,除磷則由絮凝沉淀完成。該工藝對(duì)TN的去除率>85%,對(duì)TP的去除率>90%。(5)厭氧/缺氧/好氧(+絮凝沉淀)工藝該工藝將反應(yīng)池按照厭氧池、缺氧池、好氧池的順序排列,是生物脫氮與生物除磷相結(jié)合的技術(shù)。按照這一技術(shù)指針,《小規(guī)模下水道計(jì)劃、設(shè)計(jì)、維護(hù)管理指針和解說》中向小規(guī)模設(shè)施推薦的技術(shù)為深度處理氧化溝工藝。此外,還向小規(guī)模處理設(shè)施推薦了新的序批式活性污泥工藝,希望能夠去除80%左右的氮和磷。該工藝對(duì)TN、TP的去除率分別為70%左右,但進(jìn)水情況的變化(特別是混入的雨水量)會(huì)使除磷效果極不穩(wěn)定,建議與絮凝沉淀工藝并用。(6)序批式活性污泥工藝(深度處理運(yùn)行)該工藝多用于污水進(jìn)水變動(dòng)大、處理設(shè)施占地面積受限的情況。特別是小型設(shè)施,污水的進(jìn)水量往往受到家庭一天中排水量變化(通常是早晨和晚上為排水高峰,屬于雙峰型)的影響。該工藝對(duì)TN的去除率>80%,對(duì)TP的去除率>80%。2.1.2設(shè)置脫氮接觸池和二次曝氣池《凈化槽的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及其解說》中推薦的處理技術(shù)主要是硝化液循環(huán)活性污泥工藝。該技術(shù)與上述循環(huán)硝化脫氮工藝/絮凝沉淀工藝相同。為了提高脫氮效率,可選擇增設(shè)脫氮接觸池和二次曝氣池。若脫氮效果較差,可投加有機(jī)碳源(如甲醇),以保證反硝化所需碳源。《凈化槽的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及其解說》中針對(duì)深度處理僅提示了硝化液循環(huán)活性污泥工藝的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),但這種結(jié)構(gòu)可以說是生物處理的最基本結(jié)構(gòu),以此為基礎(chǔ),下文的農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施,對(duì)包括深度處理在內(nèi)的處理技術(shù)進(jìn)行了細(xì)化和更加具體的提示。2.1.3處理工藝技術(shù)方面農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施屬于凈化槽法的范疇,設(shè)施的技術(shù)指南以上述《凈化槽的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及其解說》為基礎(chǔ)。但凈化槽事業(yè)所建處理設(shè)施的對(duì)象主要是單個(gè)家庭供5~10人使用的設(shè)施,幾乎沒有農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè)所設(shè)想的以數(shù)百人至一千人為對(duì)象的設(shè)施建設(shè)業(yè)績(jī)。因此,農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施以凈化槽的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),作為更加具體的處理技術(shù)的技術(shù)指南,編制了《農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)指針》。(1)厭氧濾床/接觸曝氣/絮凝沉淀工藝通過厭氧濾床和接觸曝氣池的組合,可實(shí)現(xiàn)較好的脫氮除磷效果。該工藝對(duì)TN的去除率為60%左右,對(duì)TP的去除率>90%。(2)厭氧、好氧工序相結(jié)合的序批式活性污泥工藝該工藝的處理原理與上述深度處理型序批式活性污泥工藝相同,對(duì)TN的去除率>70%,對(duì)TP的去除率>90%。(3)連續(xù)進(jìn)水間歇曝氣/絮凝沉淀工藝在曝氣池反復(fù)進(jìn)行曝氣(好氧)及攪拌(缺氧)工序,通過反復(fù)的硝化和反硝化進(jìn)行脫氮,基本上相當(dāng)于上述厭氧/好氧工序相結(jié)合的序批式活性污泥工藝的連續(xù)進(jìn)水模式。但與序批式相比,攝取了磷的污泥無(wú)法充分地被隔離到系統(tǒng)外,因此除磷部分由絮凝沉淀工藝完成。該工藝對(duì)TN的去除率>70%,對(duì)TP的去除率>90%。(4)深度處理氧化溝/絮凝沉淀工藝該工藝的處理原理與小規(guī)模污水處理設(shè)施中的深度處理氧化溝/絮凝沉淀工藝相同,對(duì)TN的去除率>70%,對(duì)TP的去除率>90%。(5)膜分離活性污泥工藝該工藝的處理原理與循環(huán)硝化脫氮/絮凝沉淀工藝相同,但用膜池替代了沉淀池,因此反應(yīng)池內(nèi)的微生物濃度是通常活性污泥工藝的4倍左右,可對(duì)整個(gè)設(shè)施進(jìn)行緊湊型設(shè)計(jì)。此外,該工藝可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脫氮效果。與其他工藝相比,膜的藥液清洗等維護(hù)管理更為復(fù)雜。該工藝對(duì)TN的去除率>80%,對(duì)TP的去除率>90%。2.2農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施現(xiàn)狀(1)小規(guī)模污水處理設(shè)施(人口<10000人)據(jù)2008年度的下水道統(tǒng)計(jì)顯示,規(guī)模<2500m3/d的處理設(shè)施有1015座,其中進(jìn)行深度處理的設(shè)施為79座。主要處理技術(shù)為膜分離活性污泥工藝、深度處理氧化溝工藝以及厭氧好氧活性污泥工藝。其中使用最多的是深度處理氧化溝工藝,為44座。在處理規(guī)模方面,最小的是90m3/d,不足1000m3/d的處理設(shè)施占到2/3。(2)農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施據(jù)2010年版的農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè)數(shù)據(jù)文件顯示,截至2010年,包括計(jì)劃啟用在內(nèi)的處理設(shè)施共有5100座。其中,從數(shù)據(jù)文件提供的處理方式判斷,進(jìn)行脫氮或除磷的處理廠約為1700座。估計(jì)同時(shí)進(jìn)行脫氮除磷的處理廠約為400座。從整體看,農(nóng)業(yè)村落污水處理設(shè)施與小規(guī)模污水處理設(shè)施相比,進(jìn)行深度處理的設(shè)施比例較高。調(diào)查結(jié)果表明,采用連續(xù)進(jìn)水間歇曝氣工藝的處理廠最多,其次是深度處理型序批式活性污泥工藝。除磷主要是通過添加鐵鹽的絮凝沉淀工藝來完成。(3)凈化槽目前已建成的凈化槽大多為服務(wù)人口在20人以下的獨(dú)戶處理設(shè)施。以獨(dú)戶處理為目的的合并凈化槽基本上是用FRP等塑料材質(zhì),脫氮型為厭氧、好氧濾床循環(huán)工藝,脫氮除磷型為脫氮型與電解除磷法的組合工藝,這些在琵琶湖等擁有封閉性水域的部分地區(qū)應(yīng)用比較普遍。2.3磷組合工藝中的磷處理技術(shù)以日本公開發(fā)表的統(tǒng)計(jì)資料等為基礎(chǔ),對(duì)日本分散型生活污水處理設(shè)施采用的深度處理技術(shù)進(jìn)行解析,最終選擇的最具代表性的技術(shù)有:連續(xù)進(jìn)水或序批式間歇曝氣工藝、深度處理氧化溝工藝、膜分離活性污泥工藝(深度處理對(duì)應(yīng)型為硝化液循環(huán)/絮凝沉淀)。所有的處理技術(shù)均為硝化和反硝化相結(jié)合的生物脫氮與鐵鹽或鋁鹽絮凝沉淀除磷的組合工藝,極少采用同時(shí)生物脫氮除磷技術(shù)。(1)連續(xù)進(jìn)水或序批式間歇曝氣工藝連續(xù)進(jìn)水間歇曝氣工藝的一般性處理流程見圖1。該工藝流程與普通活性污泥工藝的處理流程沒有很大的區(qū)別,只是在曝氣池進(jìn)行反復(fù)的曝氣和攪拌(無(wú)曝氣)?？刂品绞接袃煞N:一種是利用定時(shí)器控制,曝氣和攪拌每30min交替運(yùn)行一次;還有一種是根據(jù)設(shè)置在曝氣池內(nèi)的DO儀指示運(yùn)行。(2)深度處理氧化溝工藝深度處理氧化溝工藝流程見圖2。該工藝從粗格柵到細(xì)格柵的工序與其他處理技術(shù)基本相同,氧化溝反應(yīng)池在活性污泥工藝?yán)锵喈?dāng)于曝氣池,不是通過水中的曝氣導(dǎo)入空氣,而是利用反應(yīng)池前后或間隔一定空間設(shè)置的螺旋式攪拌機(jī)將空氣導(dǎo)入水中。此外,由于需投加絮凝劑,故設(shè)置了后曝氣池。間歇性控制攪拌機(jī)的運(yùn)行強(qiáng)度,使反應(yīng)池內(nèi)出現(xiàn)好氧狀態(tài)和厭氧狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)脫氮。(3)膜分離活性污泥工藝膜分離活性污泥法的工藝流程見圖3。由于好氧部分(曝氣池)設(shè)置了膜分離組件,因此不需要沉淀池,但為了防止膜堵塞等,保持良好的維護(hù)管理,缺氧池前設(shè)置的微細(xì)格柵就顯得非常重要。3運(yùn)行管理成本的負(fù)擔(dān)承擔(dān)日本生活污水處理事業(yè)的是下水道事業(yè)、農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè)以及凈化槽事業(yè),縱觀各個(gè)事業(yè)領(lǐng)域,明確了日本分散型生活污水處理中所使用的深度處理技術(shù)的動(dòng)向和發(fā)展方向。日本使用最多的深度處理技術(shù)可大致分為間歇曝氣工藝、深度處理氧化溝工藝、膜分離活性污泥工藝。特別是致力于在農(nóng)村地區(qū)推廣分散型生活污水處理事業(yè)的農(nóng)業(yè)村落污水處理事業(yè),大多采用間歇曝氣工藝,這是最顯著的特點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),城市污水處理廠等大型設(shè)施有能力安排常駐的運(yùn)行管理人員,但小規(guī)模分散型設(shè)施如設(shè)常駐人員就會(huì)加大運(yùn)行管理成本的負(fù)擔(dān),導(dǎo)致支出過大。因此,這樣的處理設(shè)施需要使用更為簡(jiǎn)易的處理技術(shù),每周進(jìn)行1~2次的運(yùn)行管理即可維持。此外,日本的分散型生活污水處理,極少采用同時(shí)進(jìn)行生物脫氮及除磷的處理技術(shù)。最大的原因是這些處理技術(shù)都比較復(fù)雜,且運(yùn)行管理要求高,因此,除磷都是由鐵鹽或鋁鹽進(jìn)行絮凝沉淀來完成的。但絮凝沉淀在進(jìn)行高效除磷的同時(shí),會(huì)增加污水處理過程中的污泥產(chǎn)量,而且污泥中的鐵或鋁濃度的增加,會(huì)限制污泥的農(nóng)田利用(作為有機(jī)肥料使用)。在我國(guó),糞便等的循環(huán)利用比例也呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),如果需要對(duì)新產(chǎn)生的污泥進(jìn)行處理處置,這部分費(fèi)用很可能會(huì)追加到運(yùn)行管理成本中,這將對(duì)今后的推廣產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。若處