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沧浪浊水如何变清——各国因地制宜治理生活污水

北极星水处理网  来源:《环境与生活》  作者:刘国伟  2021/4/7 8:53:27  我要投稿  

北极星水处理网讯:3月5日,国务院总理李克强在《政府工作报告》中指出,要“提高城镇生活污水收集和园区工业废水处置能力”,阐明了生活污水处理对加强污染防治和生态文明建设,持续改善环境质量的重要意义。本文将介绍目前部分国家和地区在处理城镇生活污水上的做法,他们有的依靠先进技术的加持,有的因地制宜,还有的独辟蹊径,其措施、政策和技术路线对建设适合我国国情的城镇生活污水治理技术和管理体系具有重要的借鉴作用。

污水资源化利用是大趋势

城镇生活污水处理是一个从污水中去除、转化或分解污染物,使水体达到环境影响可接受的程度后重归自然循环的过程,其工艺流程包括物理过程(如通过沉降把固体污染物与液体分离开来)和生物过程(如活性污泥或生物膜)等。拿生物处理中的活性污泥法或接触氧化法来通俗地讲,就是通过培养、驯化的手段,将活性污泥中不能降解污水中有机物的微生物饿死,让能够降解的微生物迅速大量繁殖,人为加速微生物降解有机物的速度,使原本排入江河湖海里需要数年才能净化的污染物,在污水处理厂仅仅几小时或几天就被消化掉。

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图|匈牙利首都布达佩斯的南佩斯生活污水处理厂

从各国技术现状来看,目前发达国家的生活污水处理技术已较为成熟。近些年来,传统工艺逐渐被淘汰,诸多新型工艺得到应用:

吸附生物降解法(AB法)用于超高负荷污水处理;

厌氧/缺氧/好氧法是常用的脱氮除磷工艺,去除效率高、运行稳定;

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图|挪威奥斯陆市波克拉格特地区的污水处理厂

间歇式活性污泥法及其变形工艺在美国、德国、日本、澳大利亚和加拿大等工业发达国家的污水处理领域得到广泛运用,其中循环式活性污泥工艺(CASS)是近年来国际公认的、处理生活污水和工业废水的先进工艺;

氧化沟工艺在国外得到大量应用,常见的有卡鲁塞尔氧化沟、交替工作式氧化沟和一体化氧化沟;

另外,生物膜法、曝气生物滤池、生物流化床、土地处理法、人工湿地法以及氧化塘法等也得到了一定应用,其中土地处理法、人工湿地法、氧化塘法等因其投资少、低耗能以及与生态处理紧密结合,得到了广泛认可。

目前,国外发达国家污水处理已经从二级处理升级至三级处理(也叫“深度处理”),实现水资源回用,缓解淡水资源紧张压力,以控制富营养化为目的的高效脱氮除磷已受到各国重视。发达国家正逐步将膜分离技术用于污水深度处理,实现水资源回用,主要的膜处理技术有微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO),还有近年来新兴的膜生物反应器(MBR)技术。

从产业发展趋势来看,国外城镇生活污水处理趋向于以综合性方式来解决,即污水处理不仅仅满足单一的水质改善要求,同时也考虑污水及所含污染物的资源化和能源化问题,且所采用的技术必须以低能量消耗、少资源损耗为前提。开发节能降耗设备、优化运行工艺、减少剩余污泥产量、实现磷回收和处理水回用成为其重要发展方向。同时,各国也在积极通过微生物学及生物化学方面的新发现或新认识,如厌氧氨氧化现象、反硝化除磷现象等,研发新型污水生物处理工艺。下文我们将通过具体的国家和城市案例来展示这些新技术和新趋势。

印度东加尔各答湿地独辟蹊径

要完成前述看似原理简单的生活污水处理流程,必须遵循相应的法规,用适当的管道和基础设施将污水输送到处理厂,经过处理达标后就可以排放到自然界。2020年9月,英国的《国际环境规划与管理》期刊指出,许多发展中国家生活污水处理率很低的事实表明,除了技术原因外,基础设施管理和运营维护的水平也影响着城镇生活污水的处理质量,一不小心就会给人类健康带来包括腹泻、霍乱、伤寒等风险。

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图|东加尔各答湿地的当地人在捕鱼

不过,在应对发展中国家存在的这种短板方面,印度似乎无意中找到了应对之道,那就是利用基于自然的解决方案建成的天然生活污水处理场——东加尔各答湿地,2018年印度媒体称这里是世界上最大的有机污水处理设施。

东加尔各答湿地位于印度西孟加拉邦,占地约125平方公里,湿地内密布农田、盐沼和250多个池塘。当地农民常年在这里种植蔬菜和粮食,捕捞渔获,一派人与自然和谐相处的好风光,乍一看来和中国的江南水乡没什么差别。外地来访者置身水汽氤氲中,不会去想湿地中的水体来自何方。实际上,这些水主要是生活污水,包含了来自印度第三大城市加尔各答的居民冲厕所、洗澡和做饭后排出的废水。你可能觉得难以接受,但对于加尔各答的渔民和农民来说,正是这些生活污水为他们的农作物提供了天然肥料,为他们的鱼提供了食物,为他们的家庭带来了收入。

这片大湿地的形成在很大程度上是人为的。一个多世纪以来,加尔各答的地下排污系统一直将未经处理的生活污水排到这里的地面和池塘中。在热带阳光的炙烤下,藻类和浮游生物在生活污水中滋生,经过天然的生化反应将污水净化,这些浮游生物和藻类又成为罗非鱼等鱼类的食物。

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图|东加尔各答湿地俯瞰

从上世纪30年代起,附近的村民们开始在这片湿地里挖沟造渠,为田间种植的水稻、洋葱、花椰菜、茄子和胡萝卜等农作物浇水。如今,这里的湿地生态系统每天能处理75万吨生活污水,每年出产1万多吨鱼类和5万多吨蔬菜,为2万多个家庭提供了收入来源。

上世纪70年代,国际自然保护联盟(IUCN)的生态学家达赫鲁巴约提·戈什在该地区工作时,发现了这个绝佳的生活污水处理案例。他对污水在这里发生的变化感觉难以置信,遂将这片湿地命名为东加尔各答湿地,并扎根于此地,研究和保护这片湿地。戈什因其对这片湿地开展的工作而于1990年受到联合国的表彰,并于2016年获得卢克·霍夫曼湿地科学与保护奖。

东加尔各答湿地给予当地人的馈赠不仅仅是果腹之物,更是一个巨大的碳汇。100多种植物、20多种哺乳动物和40多种鸟类在这里繁衍气息,把这里变成了一片生机盎然的自然公园;湿地中肉眼看不到的微生物也具有不可忽视的生态价值和商业价值,例如能够降解杀虫剂和除草剂的放线菌,能够降解植物木质组织的变形杆菌,处理被油脂污染的土壤和有毒化合物的蓝细菌等等。当地的渔民合作社还将水葫芦和其他能够吸收油脂和重金属的植物种植在湿地中,并用风信子在土地边缘建立缓冲带来减少侵蚀,这都对湿地起到了更好的维护效果。

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图|在处理生活污水的想象力上,东加尔各答湿地给世人上了生动的一课。

联合国将东加尔各答湿地视为用基于自然的解决方案实现污水处理的典范。所谓基于自然的解决方案(NBS),指的是对自然实现可持续管理和利用,以应对社会和环境挑战。随着淡水供应减少和城市中心扩大并需要增加食品数量,污水再利用正在变得越来越有吸引力和切实可行。据估计,当今世界人口的10%以上正在消费用污水生产的食品,40%生活在水资源缺乏地区,所以安全地对污水实现再利用变得越发重要。

不过,即便是如此名闻天下的可持续污水处理样板,近年也面临人类活动的威胁。加尔各答东部的房地产项目在急剧扩张,建立非法垃圾填埋场等土地侵占现象也使湿地面临严重威胁,这使湿地的研究者和保护者戈什忧心忡忡。

日本将资源化利用发挥到极致

人口稠密的日本,多年来小城镇和人口更为分散的乡村普遍使用净化槽来处理生活污水。但在人口更为集中的城市和特定的环境保护区域,集中式规模化的污水处理设施(日本国土交通省为建设与主管部门)占据主导地位。下文以日本最大的污水处理厂森崎水回收中心为例,详细介绍日本大城市生活污水治理的模式。

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图|2018年日本升级了东京下水道提高生活污水的流动性,防止油脂凝块堵塞下水道

东京的人口密度多年来居世界前列,生活污水量非常大。为更有效地处理废水,日本将东京23区划分为5个区域,分别建立了污水处理厂。森崎水回收中心就是5个污水处理厂之一,平均每天处理污水约154万吨,处理后的水直接排入东京湾或在过滤后用于回收中心的洗涤、厕所用水或制冷机,排出的最终废水符合《东京都环境安全条例》的水质标准,并且足够清洁,可供鱼类生活。

为了达到这样的排放标准,日本也花了很长的时间。东京的污水处理系统始建于1884年,是日本的第一个现代排污系统项目。1922年3月,森崎污水处理厂开始运营;1961年,该厂引进污泥处理设备;1964年,森崎开始将处理后的水用于工业用途。

到了上世纪七八十年代,日本开始密集制定和出台污水处理法规,并对厂区进行技术升级。2004年,森崎污水处理厂更名为森崎水回收中心,其污水处理系统主要包含3个设施——下水道管(收集并流动污水)、污水泵站(防止下水道管过深而在中途抽吸)和水再生中心(对污水进行净化处理),凸显了日本将污水处理的重心转向回收利用。

为了构建可持续发展和循环型社会,营造宜人的环境,森崎水回收中心努力利用污水处理过程中产生的能量,污泥和再生水来获得资源和能源,很好地体现了生活污水综合性处理的产业趋势。由于夏季的生活污水温度低于气温,冬季的生活污水温度高于气温,森崎水回收中心利用污水温差来实现区域供热和制冷。从水再生中心获得的处理后的废水供应到新的索尼公司大楼,以冷却大楼的空调设备。在污水处理过程中,从污泥中产生的甲烷气体被用来发电,可谓将污水中的资源利用到了极致。

虽然日本对于生活污水的管理技术已处于成熟阶段,能在保证处理城市日常污水的同时做到能源回收利用,但日本仍然在污水处理技术上积极地探索和尝试,生物砾石污水处理技术就是近年来颇具影响力的技术之一。该技术是综合曝气生物滤池、生物接触氧化、污泥厌氧消化于一体的新型工艺。其结构由作为填料的直径10厘米的碎石球体和曝气管道组成。由于碎石球体具有较大的表面积和粗糙的结构,因此对水中的悬浮物质具有较强的吸附作用,能有效降解水中的溶解有机物。曝气管道的间隔铺设,一方面使处理槽内处于一个好氧、厌氧和还原交替重复的多重环境,使固体有机物得以水解、分解,最终降解成无机物;另一方面促使污泥向厌氧带移动,达到固液分离。我国吉林省长春市有企业引进过这种生活污水处理技术,有关部门检测后证明出水水质达到了景观用水标准。

澳大利亚练就土地利用法

澳大利亚作为发达国家的一员,在污水处理方面不乏先进技术的支持。但该国因地制宜,在生活污水的天然净化和人工处理相结合方面积累了丰富经验。墨尔本的城市生活污水处理尤其有代表性,该市建设了世界级的土地处理法与氧化塘污水处理厂,以处理该市一半以上的生活污水,出水可直接排放到海湾。

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图|墨尔本东南的沃尔比牧场是使用土地处理法来净化生活污水的传统区域,这里也是观鸟者的天堂。

墨尔本是拥有500多万人口的大都会。该市的生活污水处理设施有东部和西部两个厂区。墨尔本西部污水处理厂有相当一部分在经过一级沉淀池后,排入了墨尔本西南35公里处的沃尔比牧场。当地充分利用了地广人稀的自然条件,建成了占地上万公顷的土地法和氧化塘结合的污水处理系统。所谓土地处理法,就是将污水有控制地排放到土地上,通过土壤——植物系统物理的、化学的和生物的吸附、过滤与净化作用和自我调控功能,使污水中可生物降解的污染物得以降解、净化。在沃尔比牧场,在春天、夏天和秋天这些高蒸发季节,污水被排进这里的地面;在冬天低蒸发环境下,污水在这里的草地里流动;在雨水多的季节和污水流量高峰期,超量的污水排入这里的氧化塘进行处理。

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图|墨尔本东部污水处理厂的排放区是栗胸鸭的重要生活区

东部污水处理厂占地约1100公顷,建成于1975年,处理墨尔本约40%的污水,达到二级排放标准后排入附近的海区。但是,随着排放污水的海域的开发范围越来越大,为了保障游人们冲浪、游泳和钓鱼等活动,东部污水处理厂在排出过滤上做了工艺改进,还把污水排放口进一步延伸到更远的海区。

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图|空中俯瞰墨尔本东部污水处理厂

2011年11月,经过清洁海洋基金会领导的社区团体的多年游说后,墨尔本东部污水处理厂开始进行升级,以减少排水对环境的影响并增加水的回收应用。该厂安装了澳大利亚最大的紫外线消毒系统,生活污水通过臭氧(给污水去色去味)、生物过滤器(分解水中有机物)、紫外线消毒(进一步消毒)和氯气(最终消毒)处理后,部分回收提供给客户利用,其余在州环保部门监管下排放到海区。

这种充分利用自然环境的做法值得很多沿海国家参考和学习。

德国污水处理向四级净化进军

随着欧洲城市社会、经济的不断发展,排放的污水越来越多,水质越来越复杂,各城市排水管线和污水处理厂在水污染控制中发挥着越来越大的作用。欧盟于1991年5月颁布了《城市污水指令》,用于规范城市污水的收集、处理和排放,以及特定工业行业废水的处理和排放。同时,该指令还规定,工业废水在进入收集系统和城市污水处理设施前,应进行适当的预处理,以保证城市生活污水处理设施的正常运行。

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图|德国柏林的瓦斯曼多夫污水处理厂扩建工程现场

随着法令的执行走向正规和深入,到 2010年,欧盟国家的城市污水收集率平均值已经高达94%,大型城镇聚集地(人口规模大于15万)约91%的污水进行了二级强化处理或深度处理,这对欧洲水体质量改善和水环境保护起了重大作用。近年来,欧盟国家在生活污水处理上普遍强调可持续发展模式,对能够节省和回收能源和资源的可持续污水处理工艺的研发投入很多,柏林的瓦斯曼多夫污水处理厂就是其典型。

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图|德国德累斯顿-卡迪兹生活污水处理厂的活性污泥工艺曝气池

瓦斯曼多夫污水处理厂是柏林地区第二大污水处理厂,日处理量为21万吨。该污水处理厂建造于1927年,1935年就建造了机械处理、生物处理和沼气发电设备。1989年,污水处理厂完成了翻新,形成了目前厂区的基本规模。在1991至1998 年,该厂在污水机械处理、生物处理、生物除磷结合硝化和反硝化、生物沼气处理和热电联产、中央控制等方面都进行了技术革新,具备了完善的污泥脱水和预处理设施。

进入新世纪以来,该厂在2010年采用鸟粪石沉降工艺实现了磷的高效产品化回收,2013年完成对脱水污泥的烘干。该厂近期计划投资1.7亿欧元用于扩建污水混合池,新建污水后续深度处理以及污泥处理流程。完成改造后,该污水处理厂将拥有四级净化(去除污水中的微污染物)能力,以适应日益严格的排放标准。

美国污水处理技术不断进步

实际上,美国的污水处理主要由州政府和地方政府负责管理,但受联邦环保署(EPA)的监管。与此相关的最重要联邦法律是1977年颁布的《清洁水法》和1987年颁布的《水质法》,这两项法案详细地规定了污水处理的标准和过程。负责收集生活、商业以及工业排放的污水并进行集中处理的任务,由美国公共污水处理厂(POTW)体系来完成。目前,这个体系约有1.6万个污水处理厂厂。2008年,全美有二级及二级以上处理工艺的污水处理厂比例为99%。据总部位于英国牛津大学的数字出版机构“我们的数据世界”2018年发布的数据,美国污水的处理比例是全世界最高的。

目前,美国城镇生活污水回用设施的数量和功能增长迅速。在气候干旱的美国中西部地区,一些起步较早的城镇,生活污水回用的产业化运营已有近30年的历史。美国的实践证明,技术进步对压低污水回用设施的建造成本作用显著。以污水高级深度处理的关键技术——膜处理技术为例,在过去的十余年中,随着新的高分子膜材料的开发和规模化生产,膜的价格已经下降了约9成,这使膜处理技术的广泛应用具备了更大的成本优势。

芝加哥的斯蒂克尼污水处理厂是全世界最大的污水处理厂,每天最多能处理附近都市圈产生的500多万吨生活污水。这些生活污水在这里完成三个阶段的沉淀、净化、过滤和消毒等流程后,就可以排入溪流中,全程还不到12个小时。从生活污水中提取的污泥,首先在巨大的厌氧消化池中分解,将其与水分离后经过干燥处理,再运出厂区,就变成了高尔夫球场草皮、街道中间绿化带和公园草皮赖以生长的营养物质。富尔顿县甚至用这种污泥来改良曾是露天矿区的贫瘠表土。

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图|世界上最大的污水处理厂多年来一直是芝加哥斯蒂克尼污水处理厂

仅仅做到这些仍是不够的。多年来,芝加哥的污水处理也受到联邦和州政府的重点监管,出水排放标准一直在不断提高。磷对农业生产至关重要,但是过量的磷进入水系统,会对水质和生态系统造成严重破坏。近年来,斯蒂克尼污水处理厂不断投资改造,以保护当地的河流湖泊,同时帮助污水厂提高资源利用率、降低投资运营成本。

据悉,斯蒂克尼污水处理厂的磷回收项目总投资约3100万美元,已于2016年5月投入使用,为目前世界上最大的营养物质回收系统,每年可以用回收物生产一万吨化肥。此举不但能帮助污水厂更好地达到排放标准,提高出水水质,同时也通过资源回收实现了减少能耗,降低运行和生产成本的目标。

(本文写作中参考了联合国、美国联邦环保署、澳大利亚新南威尔士州政府等网站的信息,在此一并致谢!)

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发表于《环境与生活》杂志2021年2-3月号总第156-157期“聚焦“栏目的原创文章

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