日本污水處理現(xiàn)狀與規(guī)模

日本全國(guó)年污水處理總量約為155億m3/a（截止2020年），所使用的處理系統(tǒng)及工藝分布見(jiàn)表1和圖1�？傮w而言，日本污水處理系統(tǒng)包括集中式和分散式兩大類（圖1a）；全國(guó)平均污水收集處理率達(dá)87.6%，覆蓋1.08億人（圖1b），其中，集中式污水處理占據(jù)主導(dǎo)（75.8%）。城市人口規(guī)模不同，污水處理采用的方法和比例差異明顯。人口規(guī)模越大，采用公共市政管網(wǎng)和集中式處理的方式就越多；當(dāng)人口規(guī)模大于5萬(wàn)人時(shí)，集中式處理占主導(dǎo)（>60.5%）；當(dāng)人口規(guī)模小于5萬(wàn)人且地域偏僻而不適合建設(shè)下水道管網(wǎng)時(shí)，凈化槽等分散式處理設(shè)施則成為主要處理方式。值得一提的是，日本全國(guó)約12.4%的人口（1530萬(wàn)）正在使用可單獨(dú)處理黑水的凈化槽或“Vault toilet”，家庭灰水則不經(jīng)處理直接排放。

日本目前共有2145座市政污水處理廠，應(yīng)用數(shù)量前三的工藝分別是氧化溝、普通活性污泥法和深度處理（圖1c）。其中，傳統(tǒng)氧化溝工藝數(shù)量占比最大（973座，42.0%），廣泛應(yīng)用于≤1萬(wàn)m3/d污水處理廠。其次，普通活性污泥法數(shù)量為656座（占比28.3%），多應(yīng)用于1~50萬(wàn)m3/d的水處理廠。然而，國(guó)人十分熟悉的A2/O工藝在日本僅有43座（占比1.9%），其應(yīng)用數(shù)量還不及SBR工藝（75座）。盡管日本采用高級(jí)/深度處理工藝的污水處理廠數(shù)量為354座，占比14.2%，但是，采用MBR工藝的污水處理廠數(shù)量卻少得可憐，僅有24座，處理水量多為僅為幾百至上千m3/d小規(guī)模設(shè)施，最大一座也不過(guò)4萬(wàn)m3/d。

日本作為水處理膜生產(chǎn)和銷售大國(guó)，擁有久保田、三菱、東麗等大型著名膜生產(chǎn)企業(yè)，但MBR工藝應(yīng)用卻極少（約1%）。顯然，所謂節(jié)地、水質(zhì)好的MBR工藝在國(guó)土面積狹小的日本并不廣受待見(jiàn)。主要原因就是MBR單位電耗過(guò)高（0.4~0.8 kW·h/m3），是傳統(tǒng)生物工藝的兩倍（0.2~0.4 kW·h/m3）之多。即使采用各種方法來(lái)降低能耗，目標(biāo)也只是與生物法最高能耗相當(dāng)，難以進(jìn)一步降低（圖2）。此外，MBR處理能力受限于膜性能，對(duì)水量波動(dòng)敏感，因此，還需設(shè)置足夠容量調(diào)節(jié)池方能奏效。圖3顯示，經(jīng)過(guò)50多年發(fā)展，應(yīng)用雨污合流處理的污水處理廠數(shù)量從1950年代開(kāi)始不斷增多，至1970年代達(dá)到高峰（約100座）；但此后應(yīng)用不斷下降，至2010年代后應(yīng)用數(shù)量已極少，且基本都是分流式處理設(shè)施。

日本家庭分散式污水處理常用的凈化槽（帶曝氣裝置）安裝只適用于遠(yuǎn)離市政下水道的農(nóng)村及別墅，安裝數(shù)量也只有不到總污水處置設(shè)施的1%，包括Tandoku-shori凈化槽和Gappei-shori凈化槽，分別用于黑水和混合生活污水處理。而且，對(duì)于采用“Tandoku-shori凈化槽”和“Vault toilet”模式的家庭，灰水均是直接排放，無(wú)需處理。此外，日本對(duì)于凈化槽的運(yùn)維管理模式已相當(dāng)成熟，由政府指定企業(yè)統(tǒng)一管理；每年定期清掏，清掏出的污泥會(huì)統(tǒng)一運(yùn)送至集中處理中心進(jìn)行無(wú)害化處理（圖4）。

(a) 日本生活污水處理總系統(tǒng)

(b) 處理方式占比（基于人口）

(c) 處理工藝占比（基于污水廠數(shù)量）

圖1 日本污水處理系統(tǒng)及方法

表1 不同處理規(guī)模下的處理工藝分類

表2 日本MBR工藝應(yīng)用全案例

圖2 日本MBR單位能耗發(fā)展目標(biāo)

圖3 日本MBR應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)展歷程

圖4 日本凈化槽及清掏污泥集中處理模式

污泥處理現(xiàn)狀

日本全國(guó)市政污泥產(chǎn)生量約為230萬(wàn)t/a（干基）（2020年），處理工藝經(jīng)過(guò)多年來(lái)發(fā)展，已日趨成熟和穩(wěn)定，工藝占比詳見(jiàn)圖5。其中，污泥直接焚燒工藝已成為主流。為了減少最終處理廠負(fù)荷，也為了形成循環(huán)型社會(huì)，剩余污泥處理一直以持續(xù)減量為規(guī)范。在10年內(nèi)，污泥焚燒灰從50%增加到61%，熔渣從4%增加到9%；脫水污泥則從41%下降到26%，且由于缺少土地?zé)o法大量填埋和農(nóng)用，而只能焚燒，如今最終污泥總干化焚燒率已達(dá)到80%以上。

此外，隨著1996年污水處理相關(guān)法律的修訂，引入了“污泥減量義務(wù)”，污泥填埋比例不斷降低，至2007年降為約23%（圖6）。污泥資源化率則逐漸提高，總回收率為77%，回收的污泥中約80%被用于制造建材。

圖5 日本市政污泥處理工藝分布

圖6 日本市政污泥資源化工藝發(fā)展

與污泥焚燒工藝配套的是已經(jīng)實(shí)際工程化的灰分磷回收項(xiàng)目，其中之一坐落于岐阜市。日本政府于2010年5月編制并出版了《污水中磷的利用指南》。2010年，岐阜市開(kāi)始從污水污泥的焚燒灰分中全面回收磷，詳見(jiàn)圖7。利用氫氧化鈉浸出灰分中的磷，并最終回收為羥基磷灰石（HAP），該全規(guī)模工廠每年可向農(nóng)業(yè)市場(chǎng)提供400~500 t/a再生磷肥。作為堿法浸出的污泥灰分磷回收典型案例，還被收錄于2019年在Springer出版的《Phosphorus Recovery and Recycling》書(shū)中。

圖7 日本岐阜市污泥焚燒灰分磷回收工廠

污水廠設(shè)計(jì)與建設(shè)現(xiàn)狀

秉持原則：

有效利用土地

對(duì)于位于城市區(qū)域的處理廠，考慮到周圍環(huán)境，通常采用雙蓋式→地面上部有效利用作公園（如，名古屋等大城市）。

具備經(jīng)濟(jì)性

在大多數(shù)污水處理廠中，污水通過(guò)重力流收集，然后經(jīng)過(guò)一次提升進(jìn)行處理，并最終自然排放于河流或海洋。因此，有許多情況采用半地下結(jié)構(gòu)（即，處理單元部分植入地下），以避免污水二次提升排放，同時(shí)，頂部加蓋用于臭氣收集并統(tǒng)一處理（圖8a~b）。

日本全國(guó)范圍內(nèi)建造的完全式地下污水處理廠案例目前僅有3項(xiàng)，分別位于福岡縣、川崎市和大分縣（圖8c）。其中，福岡縣采用高能耗的MBR工藝；川崎市區(qū)建造的反硝化深床濾池深度達(dá)24 m，基建投資巨大；大分縣則因地制宜，采取挖掘山體的建造模式，以減少基建投資和維持海岸線自然風(fēng)景（圖8d）。其余污水處理廠基本上采用加蓋式的半地下式建造模式。顯然，完全地下式污水處理廠建造在彈丸之地的日本似乎并不趨之若鶩，原因是投資大、能耗高。

(a) 半地下式污水廠建造模式

(b) 半地下式實(shí)際污水廠（來(lái)自琦玉市）

(c) 川崎市全地下式污水廠

(d) 九州大分縣全地下式污水廠

圖8 日本污水處理廠設(shè)計(jì)與建造實(shí)例

污水處理未來(lái)發(fā)展方向

污水處理總原則/理念：

資源回收和再利用

水、生物質(zhì)、余溫?zé)崮堋⒘椎取?/p>

減緩全球變暖與形成低碳社會(huì)

節(jié)能系統(tǒng)和工藝、現(xiàn)場(chǎng)減少溫室氣體排放等。

促進(jìn)公眾健康及保護(hù)水質(zhì)

去除有害物質(zhì)（藥品、抗生素等）、致病性寄生蟲(chóng)、細(xì)菌、病毒。

來(lái)源 | 水業(yè)碳中和資訊

作者 | 王向陽(yáng)，郝曉地