2.2.1　小型污水處理廠

2.2.1.1　概念說明

城鎮污水特別是小城鎮或村鎮生活污水，家庭生活設施使用所產生的廢水是生活污水的主要來源。科學技術的進步和生活方式的多樣化，人們對水的需求呈多樣化趨勢，越來越多的不同成分的日常消費品大量使用，使生活污水組成成分復雜化；有些地區，生活污水中還容納一定數量和濃度的工業污水，成分更加復雜。Butler^［9］等（1995）的研究表明，不同生活設施對生活污水的質量和數量影響是不相同的。廁所衛生廢水對生活污水組成成分影響程度最大，特別是氨鹽含量高，排放時間集中在晚上，占夜間排放量的60%～90%；廚房洗碗廢水中正磷酸鹽比例高，排放高峰期出現在上午6～7時和下午6～10時。居民的生活習慣和作息時間因地區、季節和民族習慣而異，家庭生活設施的使用情況與當地經濟條件、居民生活水平、年齡結構和消費群體等密切相關。

綜合各方面的資料表明，實施城鎮生活污水處理的難點主要如下。

①城鎮生活污水成分日益復雜，各種污染成分濃度較低，波動性很大，難以正確評估生活污水的污染負荷及其晝夜、季節性變化，影響到城鎮生活污水處理方法的正確選擇、處理工藝與污染物去除方案的合理設計、出水水質的準確估計以及污水處理設施的正常運轉^［10］。

②現有生活污水處理工藝設計大多建立在實驗室或中試結果基礎上，根據經驗設計大規模應用工藝，在實際操作與具體實踐中受外界環境變化影響很大^［11］。

③城鎮生活污水處理工藝與技術的選擇還受到當地社會、經濟發展水平的制約和地方保護主義或其他人文因素的抵制，常常不是采用最佳的處理工藝與處理技術。

④當地自然與生態條件（如氣溫、降水、風向和土壤等）對所選擇的處理工藝與處理技術有負面影響，使其不能發揮正常效力。

2.2.1.2　可供選擇的處理工藝

（1）生物處理

污水生物處理過程是指利用微生物的新陳代謝把污水中存在的各種溶解態或膠體狀態的有機污染物轉化為穩定的無害化物質。按照處理過程中有無氧氣的參與，污水的生物處理技術可分為好氧處理工藝和厭氧處理工藝；按照污水處理生物反應器中微生物的生長狀態，污水的生物處理技術又可分為以活性污泥為代表的懸浮生長工藝和以生物膜法為代表的附著生長工藝。表2-8概述了各種生物處理方法對城鎮生活污水處理的情況^［12］。

從表2-8中可看出，用于小城鎮或村鎮污水二級處理的工藝主要是生物濾池、生物轉盤（RBC）、生物接觸氧化、傳統活性污泥、序批式活性污泥法（SBR）和氧化溝工藝，其中生物轉盤、淹沒式生物反應器（生物接觸氧化）、傳統活性污泥、SBR等工藝對有機污染物、氮和磷有更高的去除效果，更適于作為小型污水處理設施應用。

（2）厭氧處理

厭氧處理工藝具有反應器體積小，規模靈活，工藝簡單，耗能低（僅為好氧工藝的10%～15%），產生的污泥量小（為好氧工藝的10%～15%），處理過程中對營養物的需求低等多種優點，是城鎮生活污水處理的首選方法之一。但是，城鎮生活污水中較低的污染物濃度，則成了傳統厭氧處理工藝在城鎮生活污水處理中廣泛應用的首要限制因素^［13］。為了解決這一技術難題，人們對傳統厭氧處理工藝進行了長期的各種改進試驗。改進后的厭氧處理技術在處理低濃度城鎮生活污水（COD<1000mg/L）時，無論是在試驗室水平上還是在應用水平上均取得了重要突破^［14］。特別是20世紀80年代以來，上流式厭氧污泥床反應器（UASB）技術開始在熱帶地區推廣應用^［15］，基本上克服了該工藝所遇到的這一難關。

限制厭氧技術在更大范圍內處理城鎮生活污水的另一關鍵因素是低溫。研究表明，污染物濃度低的生活污水由于在硝化過程中不能產生足夠的熱量維持厭氧細菌正常生長，在氣溫低的地區必須添加能量以維持熱平衡，使處理成本大增。面對這一挑戰，Behling等對UASB技術進行了改進，并在中溫地區應用于處理生活污水，結果表明：在無外加熱源時，可連續運行超過200d，但缺點是接種污泥時間仍很長。Nadon和Dague^［16］、Dague等^［17］報道了常溫下應用厭氧序批式反應器（ASBR）技術處理低濃度廢水，結果表明：在15～25℃處理COD濃度為400～800mg/L的人工合成廢水時，去除率在80%～90%；在處理COD為600mg/L廢水時，20～25℃時SCOD和BOD去除率均大于90%。厭氧處理工藝這一新的改進，為城鎮生活污水處理提供了一種新途徑，但是否完全可行有待進一步研究。

（3）生物膜法處理

近年來，生物膜法處理技術在城鎮生活污水深度處理特別是硝化和反硝化研究方面取得了進展^{［18，19］}。Gupta等證實了好氧條件下生物轉盤（RBC）技術同時去除有機物和N的可行性。Gupta^［20］等還報道了三級RBC在細菌Thiosphaera pantotropha參與下在完全好氧條件下，同步處理人工合成生活污水的結果，其中第一階段有機物和氮去除量高達8.7～25.9g COD/（m²·d）和0.81～1.85g N/（m²·d）。Renolds^［21］等采用淹沒式生物濾池處理生活污水，通過選擇連續流和間歇流操作方式進行硝化和反硝化，結果表明其COD去除率大于70%，NH₃-N濃度低于5mg/L。Parker等認為控制好反沖洗和捕食性微生物可以提高生物濾池的除氮效果；Palsdottir和Bishop^［22］對塔式生物濾池的研究表明：生物膜內的捕食性蝸牛是干擾其硝化過程的主要因素。

采用單一的活性污染法或生物膜法處理生活污水時，由于方法上的差異，各自的優點和缺點都十分明顯（表2-9）。但是，如果兩者結合使用，這些優缺點可以起到互補的作用，從而可以“掩蓋”其中的缺點。

大量的試驗研究和工程實踐證實，采用生物膜和懸浮生長工藝相結合的聯合處理工藝可以克服單一生物膜法或活性污泥法工藝的不足。Chen-Lung^［23］利用RBC處理生活污水，出水與生物膜管道技術聯合應用除氮，進水流速為1cm/s，能將TN濃度控制在10mg/L，出水可用于農灌用水。RBC/SC處理系統比單純RBC能提高污染物去除效率，其中SS、總COD和SCOD的去除率分別提高26%、18%和17%。

吸附生物降解工藝（AB法）是在常規活性污泥和兩段活性污泥法基礎上發展起來的生物處理技術^［24］。A段為高負荷的生物吸附區，B段為低負荷處理區。為滿足深層次的水處理要求，特別是對除磷脫氮的要求，對經典A/B工藝進行聯合工藝的改進：將B段替換成其他工藝，如曝氣生物濾池、A/O法、A²/O法、氧化溝、序批式活性污泥法（SBR）等；對A段采取多種運行方式（厭氧、缺氧、好氧等）。Su^［25］等將RBC結合到A²/O工藝中，在去除城市污水中的有機碳、氮和磷方面效果顯著。Martin^［26］等改造三級RBC處理廠時將二沉池污泥回流，對BOD₅和SS的去除率分別提高50%和40%。

（4）一級強化處理

城市生活污水強化一級處理工藝的快速發展在很大程度上得益于其基建投資少、單位污染物去除費用較低、能較大程度地提高污染物的去除率，消減污染負荷。特別是，由于該工藝運行管理簡便靈活，處理過程穩定可靠，很適于我國中小城鎮生活污水處理的實際應用，尤其適于資金緊張地區的生活污水處理。

強化一級處理技術可分為化學強化一級處理工藝（CEPT）和生物強化一級處理工藝。在對生活污水處理過程中，CEPT的處理效果明顯^［27］，一般懸浮固體去除率可達90%、BOD去除率為50%～70%、細菌去除率為80%～90%、TP為80%～90%。而常規一級處理去除率為SS 50%～60%、BOD 25%～40%、TP 10%。特別是在除磷方面，一般單采用生物除磷工藝很難滿足1.0mg/L出水水質要求，CEPT可以滿足這一出水水質的要求。利用回流一級污泥的絮凝吸附作用強化一級沉淀處理生活污水，當條件適當時COD和SS的去除率分別為60%～70%和70%左右。由于CEPT還具有不易受氣候條件限制等優點，可在寒冷地區進行推廣應用于處理城鎮生活污水。

當前，強化一級處理技術面臨的主要挑戰是：污泥產量大，對污泥的處理難度和處理費用增加，而且有的絮凝劑存在生物學毒性和生態學上的安全性問題，當采用這些絮凝劑進行強化時容易造成對環境的二次污染。

2.2.1.3　工程適應性分析

供農村污水處理選擇使用的小型污水處理工藝均來自城市污水處理工藝，其技術的成熟度、可靠性高，受自然環境的限制影響相對于自然凈化處理系統而言要小。

國外農村生活污水處理的工程實踐證明，采用傳統活性污泥法、SBR法、生物膜法、生物濾池法、氧化溝法等技術，因處理效益高、占地面積小、緩沖性能好、對污水的適應性好、運行管理的可控性高以及對環境的二次污染少，在有條件的地區推廣應用容易達到國家排放標準并實現減排目標。

由于小型污水處理工藝的基建投資、運行成本和能耗消耗較環境生態工程的高。就目前而言，要在我國農村全面推廣時機并不成熟，特別是較高的運行費用和能耗，誰來買單的問題必須解決。但在農戶和人口較為集中、沒有可供利用的土地的農村，為滿足新農村污水處理的需要，小型污水處理工藝“以資金換土地”的方案也是十分值得采用的。

2.2.1.4　工程案例

（1）芬蘭污水處理廠

在芬蘭，聯合的下水道系統經常被一個村鎮或者是多于50人的居住點應用，很多商業上的方法可以應用。其缺點是一個聯合的下水道系統需要達成明確的合作的共識以及勞動力的分配，就好像股東之間分配利益一樣。有關當事人的職位、各個點之間的距離、地理條件和土壤的類型都能夠成為這個系統地理位置的選擇的制約因素。其優點是所有的花銷（建筑、維護和運行的費用）會在合伙人之間分配。而且會有為分散處理系統的設施提供的一些津貼。因為有很多使用者以及相對穩定的廢水水力負荷，所以凈化的效率是穩定可靠的。選擇一個最好的位置來建立一個聯合處理系統有很強的可行性。

（2）英國污水處理廠

在英國，在某些地區不適合用現代污水處理設備，又不能和主要的下水系統連接上，這時建造小型的污水處理工程是最有效且經濟的選擇。在這些建造污水處理工程的地區程序和工藝的選擇是相似的。

最普遍的生物處理單元有傳統的生物濾池和旋轉生物接觸池兩種。英國農村污水初沉池及生物滴濾池如圖2-6和圖2-7所示。

1）活性污泥單元　在英國以下3種活性污泥單元最為常見：延時曝氣池、接觸穩定池、氧化溝。

2）三級處理　小型/農村污水處理工程中可以采用的方法有草地、上流澄清池、廢水氧化塘和蘆葦床處理系統（圖2-8）。

①出水排放。排放到內陸或者有潮水域；排入地下巖層；排入土地。

②各種方法的使用范圍。見表2-10。

可行性分析：處理水量相對較大，投資建設費用也較大，有一定的可行性。