我国农村分散型污水处理设施与设备性能评估体系的建立

齐嵘, 周文理, 郭雪松, 陈梅雪, 严岩, 刘俊新, 杨敏, 李朋. 我国农村分散型污水处理设施与设备性能评估体系的建立[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109
引用本文: 齐嵘, 周文理, 郭雪松, 陈梅雪, 严岩, 刘俊新, 杨敏, 李朋. 我国农村分散型污水处理设施与设备性能评估体系的建立[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109
QI Rong, ZHOU Wenli, GUO Xuesong, CHEN Meixue, YAN Yan, LIU Junxin, YANG Min, LI Peng. Establishment of the assessment system of Chinese decentralized wastewater treatment facilities and equipment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109
Citation: QI Rong, ZHOU Wenli, GUO Xuesong, CHEN Meixue, YAN Yan, LIU Junxin, YANG Min, LI Peng. Establishment of the assessment system of Chinese decentralized wastewater treatment facilities and equipment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109

我国农村分散型污水处理设施与设备性能评估体系的建立

    作者简介: 齐嵘(1975—),男,博士,助理研究员。研究方向:污水生物处理。E-mail:qirong@rcees.ac.cn
    通讯作者: 刘俊新(1957—),男,博士,研究员。研究方向:污水生物处理。E-mail:jxliu@rcees.ac.cn
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102004-002);国家重点研发计划(2016YFC0400804)
  • 中图分类号: X703

Establishment of the assessment system of Chinese decentralized wastewater treatment facilities and equipment

    Corresponding author: LIU Junxin, jxliu@rcees.ac.cn
  • 摘要: 我国农村分散型污水处理设施与设备正处于向正规化和可持续化转变的关键阶段。如何构建具有我国特色的农村分散型污水处理设施与设备的完整评估体系,真实提供科学评估后的处理效率,从而切实提高真正具有长期稳定运行能力的适用技术与设备的应用比率,这是我国当前农村分散型污水处理中亟需解决的关键问题。通过对欧、美、日等发达国家(地区)分散型污水处理设施与设备性能评估体系的系统剖析发现,这些国家在构建相关上位法律的基础上,建立标准化的评估流程与多样化的性能评估内容是评估体系能够真正发挥作用的重要保证。我国未来的评估体系应首先考虑建立合格的独立第三方评估主体,保证认证过程的公正性与评估结果的公平性;其次,认证内容方面则应坚持多元化的性能认证,引导未来分散型污水处理“因地制宜”的发展趋势;第三,提倡在标准进水及变化条件下对多类污染物的去除效率评价,体现设施运维的操作便利性,为未来可能的工艺组合中提供准确的污染物单元削减能力。我国的分散型污水处理设施与设备的评估体系的建立将为当前各项繁杂技术的比对提供统一客观依据,进一步地规范污水处理技术与设施设备的市场化选择运行,有效推广低成本、低能耗、易维护、高效率污水处理技术的实际应用,从而为农村人居环境改善中“梯次推进农村生活污水治理”的目标奠定坚实的技术评价基础。
  • 混凝是一种常见的水处理工艺,混凝剂可使水中胶体粒子和微小悬浮物发生聚集,从而通过沉淀作用将其分离,进而达到净化水的目的[1]。铝盐混凝剂是一种高效无机混凝剂,不同类别铝盐在水解时形态差异较大,按照与Ferron试剂的反应速度不同,其可分为Ala、Alb和Alc[2],3种形态的铝分子质量和稳定性都逐步增强[3]。一般来讲,Ala形态只具有压缩双电层性能;Alb形态具有最强的电中和性能;而Alc形态由于其颗粒粒度已达到一定的尺寸,从而具有较高的吸附架桥性能[4-5]

    虽然铝系混凝剂对于水中污染物具有显著的去除作用,但水体中的残余铝对人体健康和输水过程具有显著影响。有研究表明,铝的毒性不仅与总铝浓度有关,还与铝的存在形态密切相关[6]。溶解态铝对人体造成的危害较大,其会通过饮食摄入的方式进入人体并积累残留,从而产生一定慢性中毒,如引发学习记忆障碍、骨软化、抑制免疫功能、睾丸毒性病理改变以及胚胎发育致畸形等[7-9]。溶解态余铝的产生是由于铝盐混凝剂在净化水过程时容易以溶解态的单体或小聚合体的形式与溶解性有机物中的羧基、酚基类活性基团络合,形成溶于水的有机络合态铝而残留在水中[10-12]。总体而言,目前对出水残余铝的研究主要集中在分子质量小于1 000、1 000~3 000和3 000~10 000 Da的溶解态铝、颗粒态铝以及总铝5个方面,溶解态铝由于其尺寸在超滤范围内[13],因此,又被称为超滤膜分级余铝。

    本文主要对出水中超滤膜分级余铝和混凝过程进行了研究,以黄河上游水源水作为实验样本,研究了Al13和AlCl3 2种不同铝形态的混凝剂在不同投加量下的混凝过程,结合出水中的溶解态余铝含量、UV254、pH、浊度和絮体特性的变化趋势,探究了铝形态对出水残余铝及混凝过程的影响机制,以期为实际工程生产中余铝的控制及絮体调控提供参考。

    1)实验原水。本实验选用黄河上游水源水作为原水进行实验,对其进行水质分析,其表征结果为UV254为 0.045 cm−1,pH为7.94,浊度为2.13 NTU,水中总有机碳的质量浓度(以TOC计)为2.143 mg·L−1

    2)混凝剂。氯化铝(AlCl3·6H2O)分析纯,购自上海升德医药科技有限公司。利用慢速滴碱法制备出 OH+与Al3+物质的量的比为2.2:1的PACl溶液,然后加硫酸钠形成硫酸铝十三沉淀,利用氯化钡溶液置换出Alb含量大于 90%,Al含量为0.1 mol·L−1的Al13溶液[14]。利用Ferron络合比色法[15]测定Al13和AlCl3 2种混凝剂中Al的形态,实验结果列于表1。结果表明,AlCl3中主要的铝形态为Ala,而Al13中主要铝形态为Alb,选择此2种混凝剂可有效探究铝形态对混凝过程及出水余铝的影响。

    表 1  混凝剂的Al形态分布
    Table 1.  Al species for coagulants used in this study
    Al形态Ala/%Alb/%Alc/%
    AlCl395.213.281.51
    Al132.9396.270.80
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    3)实验设备。搅拌采用HJ-6A型六联电动搅拌仪(上海汗诺),药品称量采用FA2204C型电子天平(上海天美),测试余铝含量采用EXPEC 7000型ICP-MS(北京吉天仪器),UV254的测定765型紫外可见分光光度计(上海仪电),pH的测定采用pHs-3C型pH仪(上海理达仪器厂),浊度测试采用2100P型的浊度仪(美国Hach公司),粒度的测定采用Mastersizer 2000型的激光粒度仪(Malvern,UK)。

    1)混凝实验。首先取1 L实验原水倒入烧杯中,以250 r·min−1搅拌30 s,再加入一定量混凝剂,以200 r·min−1搅拌90 s,之后以40 r·min−1搅拌10 min,最后静置沉淀30 min。混凝剂投加量为0.01~0.08 mmol·L−1(以Al原子量计算),浓度梯度为0.01 mmol·L−1

    2)分级实验。在混凝结束后,利用膜分离技术进行过滤分级实验[13]。利用从大到小多种孔径的滤膜,逐步分离出溶解态铝、3 000~10 000、1 000~3 000 和小于1 000 Da的溶解态铝。首先,将含有颗粒态和溶解态铝的混凝后出水利用0.45 μm的膜进行过滤,颗粒态铝被截留;利用截留分子质量为10 000 Da的膜对第1次渗出液进行过滤,分子质量大于10 000 Da的铝被截留;再利用截留分子质量为3 000 Da的膜对第2次渗出液进行过滤,在3 000~10 000 Da的铝被截留;利用截留分子质量为1 000 Da的膜对第3次渗出液进行过滤,1 000~3 000 Da的铝被截留,小于1 000 Da的铝存在于最终渗出液中。

    使用ICP-MS测定出水中的余铝含量,使用紫外分光光度计分析出水中的UV254,使用pH计测试出水pH,使用浊度仪分析出水浊度,使用马尔文激光粒度仪测试絮体粒度,强度因子,恢复因子以及分形维数。

    1)溶解态余铝。图1反映了2种混凝剂在不同投加量下出水中溶解态铝浓度变化的趋势。结果表明,随着混凝剂投加量的增加,残余铝质量浓度均呈现出先增后减的趋势。当使用0.05 mmol·L−1 AlCl3作为混凝剂时,余铝质量浓度最大值为280.59 μg·L−1,之后开始迅速下降;而当0.06 mmol·L−1 Al13作为混凝剂时,余铝质量浓度最大值为72.43 μg·L−1。这是因为在混凝剂投加量较低时,铝以络合体形式存在于出水中,导致余铝浓度上升,而随着投加量的增加至一定限值,水中开始形成絮体,余铝浓度出现下降[2]。总体来看,在投加量范围内,Al13作为混凝剂时,出水中余铝质量浓度均低于0.2 mg·L−1,且受混凝剂投加量影响较小。

    图 1  出水溶解态余铝浓度变化的趋势图
    Figure 1.  Dissolved residual aluminum at different coagulant dosages

    2) UV254变化。图2反映了2种混凝剂在不同投加量下出水中UV254变化的趋势。在投加量范围内,2种混凝剂出水中UV254均随着投加量的增加出现下降趋势,对有机物均有一定去除效果。在投加量较低时,Al13有更强的电中和能力,其表现出比AlCl3更高的芳香类物质去除率;但当投加量超过0.06 mmol·L−1时,Al13出水中UV254从0.026 cm−1急剧上升至0.034 cm−1,这是因为Al13浓度过高导致的电荷逆转,Al13的正电荷较高使颗粒和胶体带有较高的同号正电荷,相对排斥而复稳,而AlCl3通过吸附架桥和网捕卷扫作用仍对UV254有较好的去除效果[16]

    图 2  出水UV254变化的趋势图
    Figure 2.  Residual UV254 at different coagulant dosages

    3) pH的变化。图3反映了2种混凝剂在不同投加量下出水pH的变化趋势。可见,在不同投加量下,Al13作为混凝剂时对出水pH影响较小。分析原因在于Al13具有更好的形态稳定性,对于出水水质的影响较小。当AlCl3作为混凝剂时,随着投加量的增加,AlCl3水解反应导致出水pH逐渐降低。

    图 3  出水pH变化的趋势图
    Figure 3.  Residual pH at different coagulant dosages

    4)浊度的变化。图4反映了2种混凝剂在不同投加量下出水浊度变化的趋势。对比图1溶解态余铝浓度的变化可以看出,余铝和余浊存在一定的相关性[17]。随着AlCl3投加量的增加,出水浊度变化较大,在投加量较低时,出水浊度较高,在投加量从0.04 mmol·L−1增加到0.05 mmol·L−1时,出水浊度从1.3 NTU降至0.735 NTU,进一步增加投加量,出水浊度仍表现出下降趋势。而当Al13作为混凝剂时,出水浊度相对较低且稳定,均在0.73~0.895 NTU。分析原因在于Al13具有较高的正电荷,在低投加量时可以通过吸附电中和作用中和悬浮和胶体颗粒之间的静电排斥力[14],而且其水解后的Alb形态能通过表面络合等模式与腐殖酸形成沉淀物,然后通过网捕卷扫作用去除体系中存在的颗粒,从而达到较好的除浊效果[2]

    图 4  出水浊度变化的趋势图
    Figure 4.  Residual turbidity at different coagulant dosages

    图5反映了2种混凝剂在不同投加量下絮体特征的变化(当AlCl3作为混凝剂时,在浓度为0.04 mmol·L−1时未出现絮体)。图5(a)为平衡时絮体的粒度变化。当Al13作为混凝剂时,絮体粒度均较大,且当Al13浓度为0.06 mmol·L−1时粒度达到最大;当AlCl3作为混凝剂时,絮体粒度表现为随投加量的增加而变大。图5(b)为平衡时絮体的强度因子变化。絮体强度因子越高,代表其抗剪切能力越强,当Al13作为混凝剂时絮体强度因子较稳定,而当AlCl3作为混凝剂时,絮体强度为随投加量的增加而迅速增加,且在AlCl3为0.08 mmol·L−1时超过Al13。这说明低投加量下Al13形成的污泥絮体抗剪切能力更强,而高投加量下则AlCl3的更强。图5(c)为平衡时絮体的恢复因子变化,絮体恢复因子越高,代表絮体被破坏后越容易重新团聚成絮体,2种混凝剂均表现出较稳定的性能,在低浓度时,Al13作为混凝剂的恢复因子较大,絮体受到破坏后更容易恢复;而在高浓度时,AlCl3作为混凝剂形成的絮体受到破坏后更容易恢复[18]图5(d)中的分形维数代表平衡时絮体的分形体不规则的量度[19],分形维数越高,意味着絮体越紧实[20],2种混凝剂均表现出随投加量增加而下降的趋势,且不同投加量下AlCl3紧实度均高于Al13

    图 5  2种混凝剂在不同投加量下絮体的粒度、强度因子、恢复因子和分形维数变化
    Figure 5.  Changes of floc size, strength factor, recovery factor and fractal dimension of flocs at different coagulant dosages

    图6反映了2种混凝剂在不同投加量下出水中总溶解铝及各分子质量铝的质量浓度变化。可见,不同浓度下AlCl3做混凝剂时出水总溶解铝均高于Al13体系,值得注意的是,随着混凝剂投加量从0.04 mmol·L−1增加至0.06 mmol·L−1,投加Al13的出水中总溶解铝质量浓度从52 μg·L−1略微增长至67 μg·L−1,但投加AlCl3的则从267 μg·L−1急剧下降123 μg·L−1,质量浓度急剧的下降是由于水中的浊度变化导致总溶解铝的质量浓度出现变化[10]图4中的浊度变化也证明了这一点。

    图 6  2种混凝剂在不同投加量下出水中各分子质量铝的质量浓度
    Figure 6.  Mass concentration of molecular weight aluminum in effluent at different dosages of two kinds of coagulants

    从各分级铝的质量浓度来看,AlCl3在不同投加量下出水中均为小于1000 Da的铝占比最大(分子质量较低的余铝不容易在滤池中被去除,造成出水中余铝质量浓度升高),而Al13在投加量为0.04 mmol·L−1时1 000~3 000 Da的铝占比最高,在投加量为0.06 mmol·L−1时,3 000~10 000 Da的铝占比最高,这与图6(a)中相应不同投加量下的絮体粒度变化趋势一致。

    图7为原水的三维荧光图[14],其中区域I为蛋白质1,区域II为蛋白质2,区域III为富里酸,区域IV为微生物代谢产物,区域V为腐殖酸。根据计算,原水中的有机物主要为腐殖酸及微生物代谢产物,总计含量超过65%,而亲水性的蛋白质含量较低(约为23%)。

    图 7  实验原水三维荧光图
    Figure 7.  3D-EEM for source water

    图8为在不同Al13投加量下出水的三维荧光光谱。可见,在不同Al13投加量下,荧光图中各区域的响应强度无明显变化。对比图7中的原水三维荧光图可发现,富里酸和腐殖酸区域的响应强度明显下降。这是因为Al13有很强的电中和能力,在低投加量下就可达到芳香类物质较高的去除率[14]

    图 8  Al13处理后出水三维荧光图
    Figure 8.  3D-EEM for Al13 treated water samples

    图9反映了AlCl3在不同投加量下出水的三维荧光光谱。AlCl3投加量对荧光光谱中各区域的响应强度影响较大。对比图1中的原水三维荧光光谱可见,当投加量小于0.04 mmol·L−1时,富里酸、腐殖酸、蛋白质和微生物代谢产物区域的响应强度有所增加;而AlCl3超过0.04 mmol·L−1后,以上4个区域的响应强度均出现明显下降,这说明在AlCl3高投加量下对几种有机物均有一定的去除能力。

    图 9  AlCl3处理后出水三维荧光图
    Figure 9.  3D-EEM for AlCl3 treated water samples

    对比图8图9可以发现,Al13对富里酸和腐殖酸的去除效果要优于AlCl3,且在较低投加量下就表现出较好的去除效果,但其对蛋白质和微生物代谢产物的去除效果较弱;而AlCl3对4种有机物均能去除,但由于其工作原理是通过吸附架桥和网捕卷扫作用,因此需要在较高质量浓度时才有效果[14]

    1)混凝剂的投加量限值为0.01~0.08 mmol·L−1,投加量过高会造成混凝剂的浪费,但投加量过低则会导致水中残余铝浓度较高。2种混凝剂的最优投加量均为0.06 mmol·L−1

    2)对比2种混凝剂可以发现,Al13具有更优的混凝性能,在0.06 mmol·L−1的最佳Al13投加量时,残余铝质量浓度为72.43 μg·L−1,UV254为0.034 cm−1,pH为7.86,浊度为0.895 NTU,而且在投加量为0.01 mmol·L−1时对芳香类物质有较高的去除率。

  • 表 1  发达国家与地区分散型污水处理评估体系所依据的上位法律

    Table 1.  Basic laws of decentralized wastewater treatment facilities assessment system in developed countries and regions.

    国家或地区适用的上位法律与法规颁布/修订年份主要相关内容
    欧盟水框架指令[7]欧盟建筑法规[10]20002011分散型或小型污水处理设施与设备属于建筑产品范畴中的第18类污水工程产品;该类产品销售必须强制评估与认证其性能与持续性能
    美国清洁水法[8]分散式污水处理系统管理手册[11]19872005分散型污水处理设施作为国家污水基础设施重要组成部分,必须具有排污许可
    日本建筑基准法[14]净化槽法[13]水质污染防止法[9]195019831996净化槽类产品在正式生产之前必须取得日本全国合并处理净化槽协会的生产许可;新型净化槽要取得生产许可,必须经过初步实验,并在至少3个地区进行不少于规定时间的实地实验
    国家或地区适用的上位法律与法规颁布/修订年份主要相关内容
    欧盟水框架指令[7]欧盟建筑法规[10]20002011分散型或小型污水处理设施与设备属于建筑产品范畴中的第18类污水工程产品;该类产品销售必须强制评估与认证其性能与持续性能
    美国清洁水法[8]分散式污水处理系统管理手册[11]19872005分散型污水处理设施作为国家污水基础设施重要组成部分,必须具有排污许可
    日本建筑基准法[14]净化槽法[13]水质污染防止法[9]195019831996净化槽类产品在正式生产之前必须取得日本全国合并处理净化槽协会的生产许可;新型净化槽要取得生产许可,必须经过初步实验,并在至少3个地区进行不少于规定时间的实地实验
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    表 2  发达国家与地区分散型污水处理评估标准及主要内容

    Table 2.  Contents of decentralized wastewater treatment facilities assessment systems in developed countries and regions

    国家或地区评估标准评估内容
    欧盟小型污水处理设施标准合集(EN12566)[15]测试周期38周左右,可根据实际情况适当延长,包括外形尺寸、进出水及连接、可达性、水密性、结构行为、污染物处理效率和材料耐久性检测
    美国住宅废水现场处理系统(NSF/ANSI 40)[17]性能测试内容要包括16周的设计负荷测试,7.5周(52 d)的压力负荷测试,以及2.5周(18 d)的设计负荷测试。其中,压力测试包括洗衣日压力测试、父母工作条件压力测试、停电或设备故障压力测试及假日压力测试
    日本净化槽性能评价方法细则[18]对净化槽性能评价所采用的原水水质、环境温度、评价周期、水量变化系数、合格标准等均有明确规定。净化槽的性能评价分为现场评价实验和恒温短期评价实验
    国家或地区评估标准评估内容
    欧盟小型污水处理设施标准合集(EN12566)[15]测试周期38周左右,可根据实际情况适当延长,包括外形尺寸、进出水及连接、可达性、水密性、结构行为、污染物处理效率和材料耐久性检测
    美国住宅废水现场处理系统(NSF/ANSI 40)[17]性能测试内容要包括16周的设计负荷测试,7.5周(52 d)的压力负荷测试,以及2.5周(18 d)的设计负荷测试。其中,压力测试包括洗衣日压力测试、父母工作条件压力测试、停电或设备故障压力测试及假日压力测试
    日本净化槽性能评价方法细则[18]对净化槽性能评价所采用的原水水质、环境温度、评价周期、水量变化系数、合格标准等均有明确规定。净化槽的性能评价分为现场评价实验和恒温短期评价实验
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  • [1] 习近平. 决胜全面建成小康社会, 夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利[M]. 北京: 人民出版社, 2017.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-15
  • 录用日期:  2020-06-14
  • 刊出日期:  2020-09-10
齐嵘, 周文理, 郭雪松, 陈梅雪, 严岩, 刘俊新, 杨敏, 李朋. 我国农村分散型污水处理设施与设备性能评估体系的建立[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109
引用本文: 齐嵘, 周文理, 郭雪松, 陈梅雪, 严岩, 刘俊新, 杨敏, 李朋. 我国农村分散型污水处理设施与设备性能评估体系的建立[J]. 环境工程学报, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109
QI Rong, ZHOU Wenli, GUO Xuesong, CHEN Meixue, YAN Yan, LIU Junxin, YANG Min, LI Peng. Establishment of the assessment system of Chinese decentralized wastewater treatment facilities and equipment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109
Citation: QI Rong, ZHOU Wenli, GUO Xuesong, CHEN Meixue, YAN Yan, LIU Junxin, YANG Min, LI Peng. Establishment of the assessment system of Chinese decentralized wastewater treatment facilities and equipment[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(9): 2310-2317. doi: 10.12030/j.cjee.202001109

我国农村分散型污水处理设施与设备性能评估体系的建立

    通讯作者: 刘俊新(1957—),男,博士,研究员。研究方向:污水生物处理。E-mail:jxliu@rcees.ac.cn
    作者简介: 齐嵘(1975—),男,博士,助理研究员。研究方向:污水生物处理。E-mail:qirong@rcees.ac.cn
  • 1. 中国科学院生态环境研究中心,环境水质学国家重点实验室,北京 100085
  • 2. 住房和城乡建设部村镇建设司,北京 100835
  • 3. 中国科学院生态环境研究中心,水污染控制实验室,北京 100085
  • 4. 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085
  • 5. 信开水环境投资有限公司,北京 101199
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102004-002);国家重点研发计划(2016YFC0400804)

摘要: 我国农村分散型污水处理设施与设备正处于向正规化和可持续化转变的关键阶段。如何构建具有我国特色的农村分散型污水处理设施与设备的完整评估体系,真实提供科学评估后的处理效率,从而切实提高真正具有长期稳定运行能力的适用技术与设备的应用比率,这是我国当前农村分散型污水处理中亟需解决的关键问题。通过对欧、美、日等发达国家(地区)分散型污水处理设施与设备性能评估体系的系统剖析发现,这些国家在构建相关上位法律的基础上,建立标准化的评估流程与多样化的性能评估内容是评估体系能够真正发挥作用的重要保证。我国未来的评估体系应首先考虑建立合格的独立第三方评估主体,保证认证过程的公正性与评估结果的公平性;其次,认证内容方面则应坚持多元化的性能认证,引导未来分散型污水处理“因地制宜”的发展趋势;第三,提倡在标准进水及变化条件下对多类污染物的去除效率评价,体现设施运维的操作便利性,为未来可能的工艺组合中提供准确的污染物单元削减能力。我国的分散型污水处理设施与设备的评估体系的建立将为当前各项繁杂技术的比对提供统一客观依据,进一步地规范污水处理技术与设施设备的市场化选择运行,有效推广低成本、低能耗、易维护、高效率污水处理技术的实际应用,从而为农村人居环境改善中“梯次推进农村生活污水治理”的目标奠定坚实的技术评价基础。

English Abstract

  • 实施“乡村振兴战略”,满足“生态宜居、乡风文明、治理有效”的总要求,是我国目前农村环境治理工作的重中之重[1]。其中,农村分散型生活污水的有效与稳定处理则是农村人居环境改善的重要环节。据不完全统计,2013—2015年我国投入村庄排水设施费用达513亿元。其中,污水处理设施的投入费用为190亿元[2]。但目前处理设施的整体运行及处理效率并不令人满意[3]

    造成分散型污水处理设施运行与处理效率低下的原因有许多,如污水管网铺设及收集能力不足、设施后期运行维护不到位等。但是,其中重要的因素之一是目前分散型污水处理设施与设备在应用选择时没有统一和公平的评价体系与标准,造成所使用的产品质量不过关。与大型城市污水处理工艺相比,农村分散型污水处理设施与设备的内部高度集成化,外形高度多元化,而专业运维频度要远低于城市污水处理设施。因此,相比于工艺流程,其真实有效的污水处理水平与效率更依赖于产品质量本身。而目前在分散型污水处理设施与设备的选择过程中,由于相关检验手段与标准的缺乏,使得部分企业可以随意夸大设备性能,制造材料因陋就简;在以次充好赚取高额利润的同时,严重削弱了设备的长时有效运行能力,造成一些真正具有长期稳定运行的适用技术与设备的应用现状不容乐观。

    我国幅员辽阔,故分散型污水处理设施与设备在选型及使用时需要综合考虑。除关注设备本身质量外,还需要对相关气候、地理及经济因素进行综合考虑。因此,为了保证我国农村污水治理的稳步与高效推进,亟需构建适合我国国情的分散型污水处理设施评价标准与评价体系。欧、美、日等发达国家(地区)从20世纪五六十年代开始,逐步建立与完善了农村污水处理体系,而各具特色的处理工艺评估系统在其中发挥了重要作用[4-6]。本研究拟系统总结发达国家农村污水处理设施与设备评估体系的完整建立过程;重点剖析各自性能评估过程中的标准化及特色因素对处理效率与公平评价的影响;确认保证长期处理效果符合环境质量要求的关键评估因子,以期为建立我国的分散型污水处理设施与设备评估体系提供有效经验与参考。

  • 从历史经验来看,任何国家的某种评估体系的建立都不会一蹴而就,而是伴随着各自国家实际经济与社会发展的需要,在完善法律体系的基础上有针对性地建立,并在实践过程中不断完善而成的。由表1看出,发达国家或地区的水环境保护法律是分散型污水处理设施与设备评估体系建立的法律基础。随着科技与经济的不断发展,政策制定者对于水环境保护经历了从最初的“污染物减少”到目前愈加明确的“可持续保护”理念:欧盟2000年制定的《水框架指令》[7]中明确指出“各种水体应具有良好的化学和生态状态”;美国《清洁水法》[8]1987年修订后的保护目的是“恢复和保持国家水体化学、物理和生物的完整性”;日本的《水质污浊防止法》[9]在1996年修订后提出“为了限制从工厂及企业场所排至公共水域的水及渗透到地下的水,同时推动生活排水对策的实施,进而防止公共水域及地下水水质的污染以保护国民健康、保全生活环境。”因此,在法理上要求最终进入天然水体的分散型污水必须得到相应处理或者达到相应排放标准。

    相对于集中收集并进行处理的城市与工业污水,各国的分散型污水均存在着“多、乱、散、小”的现状。如何确定分散型污水处理的适用范围、发布具有可执行度的管理导则,考验着各国管理者的智慧。欧盟以处理容积来定义小型或分散型污水处理设施,同时在《欧盟建筑法规》[10]中明确指出“分散型或小型污水处理设施与设备(设备规模为≤50人口当量以下),属于建筑产品范畴中的第18类污水工程产品”,将该类产品的销售使用纳入法律强制评估性能及持续性能认证的范围,从而保证符合《水框架指令》[7]中的环境要求。美国分散型污水处理适用于农村地区、人口低密度发展区和人口小于1万人的小型社区;在确认分散型污水处理设施作为国家污水基础设施重要组成部分、必须具有排污许可的前提下,由美国环保署负责制定分散型污水处理设施的管理制度[11],地方政府依据当地条件决定各自排放标准与设施构型。日本规定城市(人口数量>5万人或人口密度>40人·m−2的集中居住地)适用《下水道法》[12],农村地区主要适用《净化槽法》[13],并修订《建筑基准法》[14],规定净化槽的生产与销售应以许可证的方式进行。

    在完成法律层面的必须准备以后,发达国家考虑到分散型污水的真正治理合格在于其处理设备与设施的性能能否长效符合标准要求。其中,通过第三方主体对相关设施与设备进行全面的性能评估则是体现法律严肃性和管理高效性的重要方法之一。欧盟为此通过了《小型污水处理设施标准合集》(EN-12566)[15],明确规定欧盟成员国须按《欧盟建筑法规》[10]条款要求成立或资助成立本国的相应第三方机构(notify body)并授予其相应法律地位;承担相关设备的全面与严格的标准化性能评估;并最终出具具有法律效力的评估报告(assessment document)。美国环保署则与一些非政府组织紧密合作,以管理指南和应用手册为基础,加强和完善对分散处理系统的管理监督。其中,成立于1944年的美国全国卫生基金会(NSF),在分散污水处理系统(OWTS)方面制定了包括原位水回用(NSF 350)[16]、住宅废水现场处理系统(NSF/ANSI 40)[17]在内的多项认证标准。日本净化槽的生产则需通过全国合并处理净化槽协会(全净协)的型式认定,保证常规产品符合相关法律规定的型号、结构方法及结构要求,方可获得国家部门颁发的生产许可;对于新开发、不符合法定构造标准的新产品,则必须通过由日本建筑中心(JBC)进行的性能认证,在认证结果合格后方可进行相关型式认定,获取生产许可。值得注意的是,除了日本因历史原因仅有1家第三方性能评估主体外,欧盟与美国的第三方评估主体均为多家。欧盟目前总共有34家评估主体;而美国除NSF外,还有分散式污水处理协会联盟(CIDWT)、全国污水输送协会(NAWT)、国家环境健康协会(NEHA)等8家民间组织,形成了公平及有序的社会化竞争机制。

  • 从欧、美、日等发达国家(地区)的评估过程来看,其分散型污水处理设施与设备评估的标准化流程一般顺序为:1)企业向第三方评估主体提交完整的相关文字材料与设备;2)第三方评估主体对文件进行文字技术审查,对设备进行包括材料、污染物去除性能、设备安全等方面的评估工作;3)若其中一项及几项未通过相关检测,企业可以进行相关整改,直至最终通过评估;4)通过评估后,由第三方评估主体提供测试报告或相关技术文件,证明该类设施与设备具有与实验数据相符合的污染物处理能力;5)设备与设施据此可以在一定时限内在市场进行销售与使用。

    发达国家的评估标准化流程之间并无太大差异。值得注意的是,对于评估认证结果的使用时限,所有相关制度相对成熟的国家均不太长,一般为3~5年,并且统一规定在时限内可以进行不定期抽查。若抽查不合格,则取消该批次设备与设施的合格认证结果。这是为保证上位水环境保护法律的执行效果而对设备生产与使用过程起到的有效监督与管理措施。

  • 尽管各国标准化流程大致相同,但在评估内容上则体现出不同的特色,在长效保护水环境的同时,使得分散型污水处理设施与设备的生产和使用成本、处理效果与本国的实际情况更为贴合。

    在欧盟的标准化评估过程中,主要评估内容包括了外形尺寸(overall dimensions)、进出水及连接(inlets, outlets and connections)、可达性(accessibility)、水密性(watertightness)、结构行为(structure behavior)、污染物处理效率(treatment efficiency)和材料耐久性(durability of material)检测[15]。与城市和工业污水不同,欧盟的分散型污水处理设施与设备主要以单户小型一体化设备为主,材质、外形及系列型号复杂,长期以地埋方式进行运行与管理。因此,除了考虑到对常规碳、氮、磷等主要污染物质的去除能力外,分散型污水设施与设备本身的材料质量与结构安全也是重点的评估内容。所以,要求外形尺寸、进出水连接、可达性及水密性为所有型号设备的必测项目;结构行为的检测则在同一系列中的最大型号设备下进行;而处理效果则在最小型号设备下获得数据,以便评估设备在最恶劣条件下的真实性能。以《小型污水处理设施标准合集》中第三分集《单元现场组装生活污水处理站》(EN-12566-3)[15]的评估内容为例,要求设备与设施需在干/湿条件、深坑条件、最大载重负荷及崩溃阈值负荷条件下严格测定其结构的最大稳定性,以保证设备与设施在长期地埋使用时的完好性;同时,考虑到分散型污水具有较大水量与水质的日均变化系数,因此在污染物性能评估过程中,设备需要在碳、氮、磷等污染物标称负荷、超负荷(150%)和负荷不足(50%)的条件下测定其24 h的最低去除效率。

    美国的分散型污水处理设施主要以原位的土地处理系统为主,因此并没有像欧盟那样的针对设备本身结构的安全评估内容,而主要以污水处理性能评估为主。住宅废水现场处理系统(NSF/ANSI 40)[17]将符合处理性能标准的土地处理设施分为两级,即一类系统(class I systems)和二类系统(class II systems)。其中,一类系统需要符合环保署市政污水的二级处理出水指标要求,主要包括:1) CBOD5的30 d平均出水浓度不超过25 mg·L−1;2) TSS的30 d平均出水浓度不超过30 mg·L−1;3) pH连续6个月应为6.0~9.0。二类系统出水水质需要达到如下要求:1) CBOD5大于60 mg·L−1的比例不超过10%;2) TSS大于100 mg·L−1的比例不超过10%。在26周(182 d,约6个月)的评估过程中,性能测试内容要包括16周(112 d)的设计负荷测试、7.5周(52 d)的压力负荷测试、以及2.5周(18 d)的设计负荷测试。其中,压力负荷测试是美国评估体系的特色内容,主要包括按照美国生活习惯产生的洗衣日压力测试(wash-day stress)、父母工作条件下的压力测试(working-parent stress)、停电或设备故障压力测试(power/equipment failure stress)以及假期压力测试(vacation stress)这4种类型。这4类测试内容高度模拟了处理系统的未来真实运行环境,给出了处理系统长期可靠的运行性能。当然,除出水水质外,污水处理的附属系统在文档方面也需到达要求,包括安装、运行、维护、故障排除与维修手册等。同时,污水处理系统还必须满足结构完整性、泄漏、噪音、电气认证、接入端口、故障检测与信号设备(视觉和声音报警)、流量设计、数据板以及服务标签等方面的最低要求。

    与欧美的性能评估内容类似,日本的评估同样是在明确原水水质、环境温度、评价周期、水量变化系数、合格标准等规定的前提下,对净化槽进行现场污染物处理能力评价的实验[18]。这是净化槽产品市场推陈出新同时又可以功能稳定的核心保证。由于日本分散型污水处理市场的高度保守性,净化槽产品的材质与外型高度雷同。因此,日本净化槽的评估内容又衍生出独具特色的点检评估和恒温短期污染物去除性能评估两大部分。点检评估主要针对设备是否具有相关66项便于运维硬件,以“是否”形式判断运维时利于人工操作,从而保证净化槽长期地埋使用时的日常操作与维护便利性。由于常规性能评估实验周期较长(48周),日本净化槽评估提供了恒温短期评估实验(16周),在环境温度、原水水质、进水流量可以调整的实验室内进行。实验分为恒温设计负荷实验(20 ℃、正常负荷、周期为8周)、低温设计负荷实验(13 ℃、正常负荷、周期为4周)、恒温短期负荷实验(20 ℃、0.5倍负荷及1.5倍负荷、周期为4周) 3个阶段,这样整体评价实验的周期为污泥驯养时间+16周。与现场评价实验相比,恒温短期评估实验的优势在于实验精度高、结果真实可信且可以通过公式计算未测温度时的处理效率,可以大幅缩减实验周期;但缺点是评估成本较高。发达国家与地区分散型污水处理评估标准及主要内容见表2

  • 我国幅员辽阔,气候、地理等因素的变化幅度与欧、美类似,乡村经济结构又正在发生着巨大的变化。因此,我国的评估体系可以借鉴发达国家的经验,但又绝不能生搬硬套,必须有所创新,以真正符合我国家现阶段社会与经济需要及农村可持续发展的需要。

    发达国家或地区的经验带来的启示是,一个评估体系的根基在于国家具有完整的上位法律。自中共十八大以来,我国水污染防治和农村环境治理走上了科学综合治理的快行道,特别是近年修订与颁布的《水污染防治法》[19]、《水污染防治行动计划》[20]、《农村人居环境整治三年行动方案》[21]等法律文件,已经基本构建完成分了散型污水处理战略指导层面的法律框架。2018年9月生态环境部与住建部联合下发的《关于加快制定地方农村生活污水处理排放标准的通知》[22]第一次从国家层面确认了分散型污水“因地制宜的排放与处理”,明确了评估体系在全国分散型污水“合格处理、资源化循环”中的作用。未来应着重考虑国家认证与质量监督管理部门中相关法律与法规的制定,特别是第三方评估主体的性质。合格的第三方评估主体体现着评估的过程公平与结果公正,保证认证过程的法律可执行度及评估结果的广泛认可。未来我国第三方评估主体应是独立的、不参与直接销售等营运经济活动的法人组织机构,在技术上有能力完成业务范围内规定的合格评定程序,并能在工作中保持其独立性、公正性及完整性,能定期接受政府主管部门与其认可的组织的监督与检查。

    恰当的评估内容既能保证评估结果的普适性,同时也能通过评估过程引导未来分散型污水处理的发展趋势。目前,我国农村分散型污水处理的趋势是根据最终排放去向的“因地制宜”多元化处理形式,性能评估的结果将是设备与设施在复杂工艺外形下重要的使用判断依据。但在性能评估过程中,应避免以简单达到某类排放标准为结果进行一刀切,而是提倡在标准进水及变化条件下对多类污染物的去除效率。比如,强调在进水水量与水质高变化系数下及贴近实际运行环境温度条件下的分散型污水处理设施与设备对污染物的去除能力数值。这样的结果,一是便于不同地域标准下对设备与设施的选择使用;同时,也为未来工艺组合中提供准确的单元污染物削减能力,以排放去向为导向,保证进入不同水体的合格排放。从一些发达国家的经验也可以发现,保证阶段稳定性的生物处理过程是获得准确数据的前提,而运维的可操作与便利性则是设施与设备长时运行的关键,这些均应体现在我国的评估内容中。

    建立我国的分散型污水处理设施与设备的评估体系,不仅能为当前各项繁杂技术的比对提供统一的客观依据,亦可为农村分散型污水处理设施与设备提供其长效稳定运行的衡量标准;同时,还可以进一步地规范污水处理技术与设施设备的市场化选择运行,并可以有效推广低成本、低能耗、易维护、高效率污水处理技术的实际应用,进而为农村人居环境改善中“梯次推进农村生活污水治理”的目标奠定坚实的技术评价基础。

参考文献 (22)

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