農村生活污水處理技術模式與進展

(武夷學院 生態與資源工程學院，福建 武夷山 354300)

引言

農村環境作為城市生態系統的支持者一直是城市污染的消納方。近年來我國城市環境不斷改善，但農村環境污染問題越來越突出，其中生活污水是農業面源污染主要的來源之一。據統計，我國農村每年產生生活污水超過80億噸，但大部分地區都沒有相應完善的水處理系統[1]。農村生活污水的主要來源有廚房、沐浴、洗滌和沖廁等。其數量、成分、污染物濃度與各地居民的生活習慣、生活水平和用水量有關[2]。水體以氮、磷等營養物質為主，還有大量的細菌、病毒和寄生蟲卵[3]。其特點為面廣分散、來源多、隨機性強、日變化和季變化幅度大、污水成分復雜、防治困難。尤其是農村生活污染源分散，不易集中，加上經濟水平相對落后，集中治理存在較大困難，因此，以村級為單位的農村污水治理工程已成為建設社會主義新農村的重要內容[4]?？梢姡覀円浞种匾曓r村生活污水的處理，在對處理技術及工藝模式進行選擇時必須權衡技術的經濟性、實用性、可靠性，又必須因地制宜，才能合理利用現有的水處理技術，經濟、高效地解決農村的生活污水污染問題。

1 農村生活污水處理現狀及存在問題

中國農村生活污水處理尚處于起步階段，污水處理設施不完善，其建設與運行管理相對滯后，究其原因主要有：認識不到位；缺乏穩定可靠的建設和運轉資金；尚無相關的農村生活污水排放標準。目前絕大部分村莊沒有完善的排水管渠和污水處理系統，排放途徑主要是直接灑向地面、就近排入溝渠 、河道或通過下水道入河等，已造成嚴重的面源污染。農村生活污水處理中存在的問題主要表現在：(1)不少農戶在新建房屋和衛生設施改造中，建設標準過低，絕大部分生活污水不經任何處理，直接排入河道或排出室外空地后任意滲入地下，少部分經“三格式”化糞池簡單處理后滲入地下，嚴重污染附近水體，致使一些河道和水體成了納污場所[5]；(2)少數鋪設污水管道的村鎮，一般采用雨污合流的排水體制，缺乏科學、合理的規劃，雨量大時混合水體流入溝渠，由于溝渠的排水斷面偏小，加之易被垃圾堵塞，致使污水漫流，嚴重影響周圍環境；(3)隨著農村水沖廁所的廣泛使用，排水量加大但其污水并未經處理直接排出室外灌渠，水體中有機物、氮磷和微生物指標嚴重超標，對農業灌溉用水污染頗大；(4)目前我國只有小于10%的農村污水進行了收集處理[6]。已進行處理的污水設施在一定范圍內或多或少的存在設計規模與實際污水量不匹配、工藝選擇不合理、投資和運行費用短缺、缺乏政策和標準支持以及運行管理水平不高等問題。

2 農村生活污水處理模式

我國地域發展不平衡，不同地域間農村居住方式、生活習慣等差別較大，使得污水水質水量存在較大差異。因此污水處理方式不能過于單一，不存在一種污水處理模式適用于所有地區。應根據農村具體現狀，因地制宜地采用不同污水處理模式。目前，農村污水主要有集中處理和分散處理兩種模式。

2.1 集中處理模式

農村污水集中處理模式，即所有農戶產生的污水進行集中收集，統一建設處理設施處理村莊全部污水。主要有以下幾種形式[7]:(1)村鎮污水集中處理：條件許可的村鎮，分散農戶集中居住，配套建設小型污水處理廠。充分利用周圍的天然廢塘、荒地、洼地，優先考慮生態塘處理系統、濕地處理系統等因地制宜的生態處理工藝，減少土地占用，節省投資。(2)借助地勢，集中處理：在農戶相對集中，地勢有一定落差的地區。可通過管網把各戶產生的生活污水經格柵井收集匯流，經過無動力地埋式厭氧凈化沼氣池等相關處理，最后經調節池澆灌附近山林、竹林、經濟林，水質可達到國家二級排放標準。(3)接入市政管網統一處理：距離市政污水管網較近(一般5km以內)符合接入城市污水處理廠的鄉鎮，可將村莊內所有農戶污水經管道集中收集后，接入市政污水管網，統一處理。該處理模式具有投資省、施工周期短、見效快、統一管理方便等特點。

2.2 分散處理模式

污水分散處理為源于單獨的住戶、組屋和獨立的社區以及污水產生點和附近的部分社區產生的污水進行收集、處理和排放或回用的處理模式[8]。由于大部分農村地區村莊布局分散、規模較小、生活污水水質和水量波動性大、地形條件復雜、排水管網很不健全、污染物控制、收集困難、先進的污水治理技術難以應用、經濟力量薄弱以及缺乏污水處理專業人員等。針對城市污水處理市場化和集中處理的工藝不符合農村污水處理的現狀[9,10]，因此，選擇農村生活污染處理技術要充分考慮農村經濟基礎、地理位置和農民管理水平現狀，采取因地制宜、投資低、運行費用低、維護管理簡便的分散式污水處理模式[11,12]。主要有以下幾種形式[7]:(l)獨立治污，資源回收：適用于農戶相對分散，地勢比較復雜的區域、收集系統達不到的分散農戶以及飯館，酒店以及規?；笄菟a養殖業污水處理。該處理系統是每戶門前地下裝一個生活污水地埋式無動力厭氧處理裝置，此裝置工藝流程簡單、不耗能、全部埋于地下，無需專人管理，處理出水可以用于莊稼和花卉苗木的灌溉。對于排放出水要求高的區域和風景旅游區賓館、飯店的生活污水處理，可采用污水經厭氧沼氣凈化和微動力曝氣設施或動力式膜生物反應器(MBR)或者利用厭氧好氧技術，達標排放。規模化養殖場污水處理可采用厭氧一好氧結合人工濕地等工藝，實現污水農田回用或達標排放。(2)改造結合，生態處理：在農戶相對集中，地勢平坦平原地區，可利用化糞池或改建三格式化糞池，糞池出水和其他生活污水匯集經過強化溝和沉淀池，出水流經生態濾池(生態濕地)，最后直接排放或回用，水質可達國家污水二級排放標準。

總之，兩種模式比較而言，集中污水處理模式具有占地面積小、抗沖擊能力強、便于管理、出水水質好等優點，缺點是連續管線長，埋深大，管網投資高。因此，選用該模式要有完善的管網收集系統，適用于農村布局相對集中、人口較多、規模較大、經濟條件較好的平原地區單村或聯村污水處理；分散污水處理模式的優點是靈活、施工簡單、管線短、埋深淺，缺點是建站多，管理不方便，建站投資大，適用于布局分散、規模較小、地形條件復雜、污水不易集中收集的地區[13]。2010年環保部發布《農村生活污染防治政策》，指出農村生活污染防治的技術路線是在源頭削減、污染控制和資源化利用的基礎上，遵循分散處理為主、分散處理和集中處理相結合的原則。因此農村污水處理應根據當地的自然、經濟和社會條件等具體情況，因地制宜地采用集中和分散或兩者相結合的污水處理模式，做到既節省投資又便于管理。

3 國內外分散式生活污水處理技術進展

我國農村生活污水的特點恰恰是以分散式為主，但對分散式生活污水的研究較少[14]。大部分農村環境遠離排水管網和大型污水處理廠，就地處理分散型點源污水治理是必然選擇。因此要處理好農村生活污水，必須加強對分散式生活污水的處理工藝研究。

3.1 國外分散式處理現狀

3.1.1 美國高效藻類塘處理技術

1972年，美國國會頒布了全國第一個完整的清潔水法以響應公眾對嚴重而蔓延的水污染日益強烈的擔憂。1987年，國會通過了清潔水法的修正案，并增補了非點源污染的控制大綱。該修正案促使人們重視小社區的生活污水問題。實踐證明在恰當的操作和管理下，分散處理系統在環境和經濟上是可接受的且技術上是可行的。從此，分散處理系統作為一種永久性的選擇來處理和再生利用生活污水，從而保護環境。尤其是就地處理系統，如果計劃、設計、安裝、操作和維護得當，更被視為極其重要的污水處理手段。

20世紀50年代末，美國加州大學伯克利分校的Oswald和Gotaas在穩定塘的基礎上提出并發展了高效藻類塘。其充分利用菌藻共生關系，對污染物進行處理。正因其最大限度地利用了藻類產生的氧氣，塘內的一級降解動力學常數值比較大,故稱之為高效藻類塘[15]。其較傳統的穩定塘優點是：停留時間短，占地面積小；建設容易，維護簡便，基建投資少，運行費用低；有機物、氮、磷營養物質以及病原體去除效率高；若高效藻類塘后接的是高等水生生物塘，則其中的水生生物不但可以除藻，降低出水的懸浮物質，并能進一步去除水中的氮磷，同時收割的高等水生植物可以作為優良的飼料和肥料。但存在的缺點是：受溫度、氣候等環境因素影響明顯，氣溫過高或較低時，藻類的生長受到抑制從而影響處理效果；水體特性、腐殖質、藻類和非生物性的懸浮物影響藻類對光的吸收，影響處理效果。

3.1.2 澳大利亞“FILTER”污水處理系統

澳大利亞科學家和工業組織的專家近幾年提出一種“過濾、土地處理與暗管排水相結合的污水再利用系統”，稱之為“FILTER”（非爾脫）高效、持續性污水灌溉新技術[16]，其目的主要是利用污水進行灌溉，通過灌溉土地處理后，再用地下暗管將其匯集和排出。該系統一方面可以滿足作物對水分和養分的要求，同時降低污水中的氮、磷等元素的含量,使之達到污水排放標準?！癋ILTER”系統對生活污水的處理效果好，其運行費用低，特別適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區，或是以種植牧草為主的地區。該系統實質上是以土地處理系統為基礎，結合污水灌溉農作物。但由于暗管排水系統造價較高，處理方法受作物生長季節的限制，且在地下水位較高的地區應用有局限性。

3.1.3 日本的污水處理裝置

日本是世界上少有的幾個分散污水治理最發達的國家之一。其農村污水處理協會設計了JARUS模式的15種不同型號污水處理裝置。可以分為兩大類：一類采用生物膜法，污水通過塑料制成的濾層，上面附有微生物。通過生物膜后可使污水中的生物耗氧量下降到20 mg/L以下，懸浮固體物下降到50 mg/L以下，總氮含量在20 mg/L以下。另一類是采用浮游生物法,通過漂浮在污水中的微生物氧化作用，可使BOD 下降到 10 mg/L～20 mg/L，SS下降到 15mg/L～50 mg/L，COD下降到15 mg/L以下，TN下降到10mg/L～15mg/L以下，TP下降到1mg/L～3mg/L以下。該裝置主要采用物理、化學與生物措施相結合處理過程，取得了很好效果。

3.1.4 韓國人工濕地處理系統

韓國農村的居民分散居住，興建集中處理的污水系統造價太高，小型和簡易的污水處理系統適合在農村應用。因此，研究出了一種濕地污水處理系統，使污水中的污染物質經濕地過濾后或被土壤吸收，或被微生物轉變成無害物。這種方法需要的能源少，維護的成本低。韓國試驗研究的濕地污水處理系統，實質上也是一種土地－植物系統，至今己廣泛用于歐洲、北美、澳大利亞和新西蘭等。濕地上多種植蘆葦、香蒲和燈心草等，對病原體的去除效果好。但其缺點是需要大量土地，并要解決土壤和水中的充分供氧問題及受氣溫和植物生長季節的影響等。一般來說，利用濕地處理后的污水灌溉水稻，可取得更好的凈化效果。

3.2 國內分散式處理現狀

我國從上個世紀80年代開始開展生活污水分散處理技術的開發和研制工作，目前國內對農村生活污水處理技術主要包括生物處理技術包括以厭氧生物處理技術和好氧生物處理技術、生態處理技術和生物－生態組合處理技術。

3.2.1 厭氧發酵為核心的處理技術

污水中的大部分有機物經厭氧發酵可去除部分污染物質，常用的有：生活污水凈化沼氣池、地埋式無動力生活污水處理裝置和厭氧折流板濾池等。其中最通用、節儉、能夠體現環境效益與社會效益相結合的生活污水處理方式是厭氧沼氣池。其投資分散、易于建造、不專門占用土地、運行不耗能和具有較好的社會效益等特點，是現今適合我國國情的一條分散處理中小城鎮居民生活污水的有效途徑[17]。埋地式生活污水凈化裝置是1996年度國家環保局最佳實用技術A類產品，該裝置采用A/O法污水處理工藝，以獨到的配水和通氣系統，具有投資省、效果好的特點。劉操等對厭氧折流板濾池處理農村生活污水進行了研究，結果表明，在常溫下可采用消化污泥作為接種污泥，經過87d的運行，CODCr去除率達到65%左右，完成啟動。上流室中的上升流速控制在0.116～0.434 m/h，能培養出沉淀性能和活性良好的絮狀污泥。因此，常溫下啟動厭氧折流板濾池處理農村生活污水是完全可行的，并取得了良好的污水處理效果[18]。

3.2.2 好氧生物處理技術

包括氧化溝、SBBR(序批式生物膜反應器)、MBBR(好氧移動床生物膜反應器)等。其中氧化溝相當于一系列串聯的完全混合反應器，其投資省，節能性能好，污泥處理費用低，流程簡單，抗沖擊負荷，運行維護容易，但占地面積大，受氣候等因素影響大。SBBR最早由WILDERER于1992年提出[19]。王雷等[20]研究4種填料的SBBR的生物膜長勢優劣情況為碳素纖維填料＞組合填料＞海綿填料＞立體網狀填料，表明碳素纖維填料及組合填料在受到進水負荷沖擊后，能相對較快適應環境，且填料上的微生物活性較高，較適合運用于我國農村生活污水的處理。MBBR是國家農業部在上世紀80年代初從意大利引進的專用于農村水污染治理的一種高效污水處理技術，張亮等[21]對其處理效果研究表明：該工藝處理效率高、能耗低、出水水質穩定、耐沖擊負荷能力強、結構緊湊、體積小、不需要污泥回流、不發生堵塞、不需要反沖洗、維護管理相當簡單，可適用于農村生活污水的處理。

3.2.3 生態處理技術

常用的有人工濕地系統、穩定塘系統、蚯蚓生態濾池和土地滲濾處理系統等。人工濕地處理系統運行簡單，處理效果良好，不僅能去除有機物，而且能脫氮除磷和去除重金屬，該方法在北京、深圳和天津等地均有應用實例，效果良好，在土地資源條件許可的條件下是一種可行的污水處理方法。穩定塘系統是一種土地經過人工適當的修整，設圍堤和防滲層的池塘，主要依靠自然生物凈化功能使污水得到凈化的污水生物處理技術。它可充分利用地形，節省基建投資；運行維護費低，系統基本不耗能；無需污泥處理；可實現污水資源化。但穩定塘占地面積大，受氣候的影響較大，在氣候適宜、土地利用許可且污水量不大的農村可以考慮采用該技術。蚯蚓生態濾池，又稱蚯蚓生物濾池，是利用蚯蚓具有提高土壤透水性能和促進有機物質分解轉化的生態學功能而設計的一種生物、生態相結合技術[22]，其工程造價和運行費用低，除污效能高，占地面積小，剩余污泥量少，可實現污水、污泥的同步處理，減少后續污泥的處置處理相關費用等，通過蚯蚓的運動疏通和吞食增殖微生物，還解決了傳統生物濾池所遇到的堵塞問題[23]。地下滲濾系統通常由化糞池和土壤滲濾裝置構成，除了物理截留、物化吸附、化學沉淀、生物降解、動植物等作用，也存在一些土壤生態處理系統中的特殊機制，如光催化、光降解、植物吸取等。其具有氮、磷去除能力強，處理出水水質好，可回用，基建及運行成本低，運行管理簡單、維護容易、不產生剩余污泥且對進水負荷的變化適應性強等優點外，還對各種病原體具有很好的降解作用，適用于新興農村地區的生活污水處理，因而成為人們所關注和廣泛使用的農村污水處理工藝。張建等在滇池周邊進行地下滲濾處理農村生活污水的中試，處理規模為30～40 m3/d，可處理200余戶村民產生的生活污水，運行效果良好，水力負荷為8 cm/d時，系統對COD、NH4+-N、TP和 TN的去除率分別達到 80%、90%、95%和80%以上，出水水質優于建設部頒發的生活雜用水水質標準[24,25]。

3.2.4 生物－生態組合處理技術

單獨的生物處理技術或生態處理技術都各自有一定的缺點。生物處理技術的缺點主要是：好氧處理時，需曝氣充氧等，能耗高；厭氧處理時，N、P去除效果較差；建設、運行成本較高；工藝運行管理較復雜。生態處理技術的缺點主要是：需要占用較大面積的土地；脫氮除磷性能不穩定；處理效率受環境氣候等影響；易堵塞，影響處理系統的性能。鑒于以上兩種技術的缺點，將生態技術與生物技術結合起來，“生物+生態”組合處理技術是一種適用于農村污水處理的新型技術工藝組合，其特點有：生物方法與生態工程有機結合；節省占地面積、建造成本和運行費用；穩定的除磷脫氮效果，出水水質穩定；多種工藝變形及其組合[26]。目前在江蘇省有示范工程的生物-生態處理技術有：厭氧池－人工濕地組合工藝、厭氧池－自流充氧接觸氧化渠－人工濕地組合工藝、厭氧－跌水充氧接觸氧化－人工濕地組合工藝、厭氧池－脈沖濾池－人工濕地組合工藝、厭氧濾池－氧化塘－生態渠組合工藝、厭氧池－梯式生態濾池組合工藝、塔式蚯蚓生態濾池工藝等，并均取得了較好的處理效果[27]?？傊?，應該充分結合當地條件和處理要求靈活的組合生物-生態污水處理技術盡量使污水處理技術實現低能耗，優質化，資源化。

4 技術發展趨勢

(1)開展農村生活污水治理立法、可持續管理的組織機制研究，科學制定農村生活污水處理建設規劃以及制定農村生活污水處理工程技術規范。

(2)以實現技術創新、指標創新和管理創新為突破點，實現農村分散式生活污水工藝及裝備的標準化、設備化、管理物業化。

(3)從農村農業的特點和實際條件出發，實現農村污水治理的生態化，園林景觀化，氮磷資源化，大力發展有機農業。

總之，為實現農村污水處理“建得起、用得起、管得好”的目標，促進新農村建設可持續發展，農村污水處理工程規劃建設應從農村實際出發，結合當地的自然地理環境和經濟發展水平，堅持“低投入、低成本、重回用、易管理”的原則，從規劃方案、工藝選擇、工程實施、運行管理等各個環節做好統籌規劃，使農村水污染防治工作步入良性發展軌道，保護和改善當地的生態環境。

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