日本污水處理現狀與規模

日本全國年污水處理總量約為155億m3/a（截止2020年），所使用的處理系統及工藝分布見表1和圖1。總體而言，日本污水處理系統包括集中式和分散式兩大類（圖1a）；全國平均污水收集處理率達87.6%，覆蓋1.08億人（圖1b），其中，集中式污水處理占據主導（75.8%）。城市人口規模不同，污水處理采用的方法和比例差異明顯。人口規模越大，采用公共市政管網和集中式處理的方式就越多；當人口規模大于5萬人時，集中式處理占主導（>60.5%）；當人口規模小于5萬人且地域偏僻而不適合建設下水道管網時，凈化槽等分散式處理設施則成為主要處理方式。值得一提的是，日本全國約12.4%的人口（1530萬）正在使用可單獨處理黑水的凈化槽或“Vault toilet”，家庭灰水則不經處理直接排放。

日本目前共有2145座市政污水處理廠，應用數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，傳統氧化溝工藝數量占比最大（973座，42.0%），廣泛應用于≤1萬m3/d污水處理廠。其次，普通活性污泥法數量為656座（占比28.3%），多應用于1~50萬m3/d的水處理廠。然而，國人十分熟悉的A2/O工藝在日本僅有43座（占比1.9%），其應用數量還不及SBR工藝（75座）。盡管日本采用高級/深度處理工藝的污水處理廠數量為354座，占比14.2%，但是，采用MBR工藝的污水處理廠數量卻少得可憐，僅有24座，處理水量多為僅為幾百至上千m3/d小規模設施，最大一座也不過4萬m3/d。

日本作為水處理膜生產和銷售大國，擁有久保田、三菱、東麗等大型著名膜生產企業，但MBR工藝應用卻極少（約1%）。顯然，所謂節地、水質好的MBR工藝在國土面積狹小的日本并不廣受待見。主要原因就是MBR單位電耗過高（0.4~0.8 kW·h/m3），是傳統生物工藝的兩倍（0.2~0.4 kW·h/m3）之多。即使采用各種方法來降低能耗，目標也只是與生物法最高能耗相當，難以進一步降低（圖2）。此外，MBR處理能力受限于膜性能，對水量波動敏感，因此，還需設置足夠容量調節池方能奏效。圖3顯示，經過50多年發展，應用雨污合流處理的污水處理廠數量從1950年代開始不斷增多，至1970年代達到高峰（約100座）；但此后應用不斷下降，至2010年代后應用數量已極少，且基本都是分流式處理設施。

日本家庭分散式污水處理常用的凈化槽（帶曝氣裝置）安裝只適用于遠離市政下水道的農村及別墅，安裝數量也只有不到總污水處置設施的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，無需處理。此外，日本對于凈化槽的運維管理模式已相當成熟，由政府指定企業統一管理；每年定期清掏，清掏出的污泥會統一運送至集中處理中心進行無害化處理（圖4）。

(a) 日本生活污水處理總系統

(b) 處理方式占比（基于人口）

(c) 處理工藝占比（基于污水廠數量）

圖1 日本污水處理系統及方法

表1 不同處理規模下的處理工藝分類

表2 日本MBR工藝應用全案例

圖2 日本MBR單位能耗發展目標

圖3 日本MBR應用場景發展歷程

圖4 日本凈化槽及清掏污泥集中處理模式

污泥處理現狀

日本全國市政污泥產生量約為230萬t/a（干基）（2020年），處理工藝經過多年來發展，已日趨成熟和穩定，工藝占比詳見圖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荷，也為了形成循環型社會，剩余污泥處理一直以持續減量為規范。在10年內，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%，且由于缺少土地無法大量填埋和農用，而只能焚燒，如今最終污泥總干化焚燒率已達到80%以上。

此外，隨著1996年污水處理相關法律的修訂，引入了“污泥減量義務”，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展

與污泥焚燒工藝配套的是已經實際工程化的灰分磷回收項目，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，岐阜市開始從污水污泥的焚燒灰分中全面回收磷，詳見圖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），該全規模工廠每年可向農業市場提供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》書中。

圖7 日本岐阜市污泥焚燒灰分磷回收工廠

污水廠設計與建設現狀

秉持原則：

有效利用土地

對于位于城市區域的處理廠，考慮到周圍環境，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）。

具備經濟性

在大多數污水處理廠中，污水通過重力流收集，然后經過一次提升進行處理，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構（即，處理單元部分植入地下），以避免污水二次提升排放，同時，頂部加蓋用于臭氣收集并統一處理（圖8a~b）。

日本全國范圍內建造的完全式地下污水處理廠案例目前僅有3項，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；川崎市區建造的反硝化深床濾池深度達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) 半地下式實際污水廠（來自琦玉市）

(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 日本污水處理廠設計與建造實例

污水處理未來發展方向

污水處理總原則/理念：

資源回收和再利用

水、生物質、余溫熱能、磷等。

減緩全球變暖與形成低碳社會

節能系統和工藝、現場減少溫室氣體排放等。

促進公眾健康及保護水質

去除有害物質（藥品、抗生素等）、致病性寄生蟲、細菌、病毒。

來源 | 水業碳中和資訊

作者 | 王向陽，郝曉地