一體化農村生活污水處理裝置研究進展

陳月芳 樊榮 劉哲 陳佩佩

摘要 分析了農村分散生活污水的來源、水質水量特點和排放特征，綜述了國內外農村生活污水處理研究現狀，介紹了A/O、MBR、氧化溝、生態組合和生物濾池為主體工藝的一體化農村生活污水處理裝置，最后提出了農村應結合實際，因地制宜，合理開發集成化程度高、結構緊湊、處理效果好、占地面積小、經濟簡便，適宜廣大農村地區的一體化脫氧除磷生活污水處理裝置。

關鍵詞 農村生活污水；水處理；一體化裝置

中圖分類號 S181 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-084-05

Abstract We analyzed the source of decentralized rural domestic sewage， water quality and quantity characteristics， and emission characteristics， reviewed the research status of domestic and foreign rural decentralized domestic sewage treatment， and introduced the integrated rural domestic sewage treatment plant with A/O， MBR， oxidation ditch， ecological combination and biological filter as the main technology. Considering the situation in rural areas， an economic and convenient integrated rural domestic sewage treatment plant was rationally developed， which had the advantages of compact structure， good treatment effect， small occupation and high degree of reasonable development integration.

Key words Rural domestic wastewater； Water treatment； Integrated device

近年來，隨著我國農村地區經濟的發展和居民生活水平的提高，水資源消耗急劇增加，農村生活污水排放量也不斷增大。同時，由于治理資金短缺和農村地區居民的水環境保護意識淡薄，居住分散，缺乏污水收集管網系統及集中處理設施，導致污水處理率較低。農村生活污水任意排放已經成為農村水環境惡化的主要原因之一，如造成太湖水體富營養化的主要污染物P、N中60.0%和25.1%來源于農村生活污水[1-2]。據2012年國家環境質量公報顯示，全國798個農村環境質量試點村莊的飲用水源和地表水受不同程度污染，農村環境保護形勢嚴峻[3]。農村生活污水任意排放，不但對流經的河流造成污染，而且對飲用水安全構成了潛在威脅。

目前，國家對治理農村生活污水的重視程度與日俱增，“十二五”規劃綱要明確提出了加強農村飲用水水源地保護、農村河道綜合整治和水污染綜合治理的要求[4]。各地關于農村污水治理的規定和標準陸續出臺，實施工作全面展開，如2007年太湖藍藻事件之后，江蘇省啟動太湖流域水環境綜合治理實施方案，措施之一是要高度重視農村生活污水治理，重點推廣出水水質達到一級B以上標準的處理技術。2007～2012年江蘇省太湖流域新建農村生活污水處理設施3 580余處，受益農戶近50萬戶，同時計劃2013～2020年在3 600個自然村建設鄉村生活污水處理工程，污水處理率要達到70%以上[5-6]；浙江省《杭州城市總體規劃（2001～2020）》明確提出了加強錢塘江、苕溪等流域的污染控制和西湖、主城內河的綜合整治，《杭州市國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》中也要求支持農村地區全面開展環境整治和村莊改造，改善農村生產條件和農民生活環境[7]；上海制定了《村鎮排水工程技術規程》和《上海市農村生活污水處理技術指南》[8]等。

由此可見，應根據分散式農村生活污水處理的特點，結合當地經濟水平、自然條件、環境目標，采用不同處理技術，因地制宜，加強農村生活污水污染控制和治理，改善農村居住環境。筆者針對農村分散式生活污水的來源、水質水量特點和排放特征，綜述了國內外農村分散式生活污水處理研究現狀，以期為改善農村衛生條件和水環境提供借鑒。

1 農村生活污水來源

農村生活污水一般來源于4個方面，即廚房污水、生活洗滌污水、廁所污水及其他污水[9]。根據水中污染物濃度高低，可分為黑水和灰水[10]。不同類型生活污水的成分特征和污水水量存在很大差異，主要組成和特征見表1。

2 農村生活污水水質水量特征

2.1 水質特點

農村生活污水組分及污染物濃度與農民的生活環境、經濟水平、用水量等因素有關[11-12]。一般而言，農村生活污水的性質相差不大，但一天內的水質波動較大，污水中的主要污染物為COD、氮和磷等，且含量較高，一般不含有毒物質，可生化性良好，污水中還含有合成洗滌劑及細菌、病毒、寄生蟲卵等，不同時段的水質也不同[13-14]。

一般農村生活污水的水質：COD 250～400 mg/L，BOD5 120～200 mg/L，NH+4N和TP分別為40.0～60.0和2.5～50 mg/L[15]。

2.2 水量特點

農村生活污水水量一般較小，但日變化系數大，為3.0～5.0[16]。村民生活規律相近，導致農村生活污水排放量早晚較大，每天上午、中午、下午都有1個排水高峰時段。夜間排水量小，甚至可能斷流，即污水排放呈不連續狀態，具有變化幅度大的特點[17-18]。

2.3 排放體質特征

農村生活污水一般呈粗放型排放，排放收集體制不健全。我國約96%的村莊無排水溝渠和污水處理系統，污水沿道路邊溝或路面排放至就近水體，構成了一個點狀無序的污染體，對周圍環境造成了威脅[19-20]。

3 農村生活污水處理研究現狀

3.1 國外農村生活污水處理研究現狀

國外對分散式農村生活污水處理研究起步較早，于20世紀70年代開始，美、日、歐洲等發達國家根據自身特點開發了不同形式的小型污水處理裝置對鄉村的污水進行治理，取得很好的成效。美國自19世紀中葉開始建設農村污水處理設施，2002年針對分散處理技術頒布了《分散式污水處理系統應用手冊》[21]。挪威的居民房屋分布比較分散，很多是建立在巖石上，約有25%的人口居住在無任何集中污水收集系統的鄉村地區，難以采用土地滲濾進行污水處理，故發展了以SBR、移動床生物膜反應器、生物轉盤、滴濾池技術為主，并結合化學絮凝除磷的集成式污水凈化裝置，如Uponor，BioTrap和Biova等工藝[22-24]。日本開發的凈化槽能去除N和P，同時獲得高質量出水，在無排水系統的邊遠鄉村和分散式生活污水處理中得到了廣泛應用[25]。德國從2003年起開始進行分散市政基礎設施系統項目研究，利用膜生物反應器凈化偏遠村鎮生活污水[8]。目前，分散式農村生活污水處理技術在這些國家運用較為成熟。

3.2 國內農村生活污水處理研究現狀

國內對分散式農村生活污水處理研究起步較晚，隨著淮河、海河、遼河和太湖、巢湖、滇池等重點流域污染的加重，國內對農村生活污水的治理進行了研究。常規處理技術如人工濕地、生態浮床、穩定塘、土地滲濾、生物濾池、厭氧生物處理工藝、膜生物反應器以及生物生態組合工藝在我國農村地區得到了研究及應用[26-27]。

4 一體化農村生活污水處理裝置

農村污水具有排放點分散、水質水量變化幅度大、有機物和氮、磷含量高等特點，對于農戶居住較分散的地區特別是山區和缺乏污水管網的地區，現有處理工藝存在一些不足，使其在農村地區的推廣受到限制[28-29]。同時，農村生活污水治理的基建投資及運行費用較大，農村經濟實力及技術力量難以滿足常規城市生活污水處理廠技術要求等[30-32]。因此，根據農村的實際情況，合理開發集成化程度高、結構緊湊、處理效果好、占地面積小、經濟簡便，適宜廣大地區特別是山區分散農戶生活污水處理的工藝，將對改善農村人居環境和衛生條件具有重要的現實意義。

目前，集預處理、生物處理、沉淀、消毒等為一體的生活污水處理裝置，因具有占地面積小、簡單實用、管理方便、效率高、投資少、運行成本低等優點，并可根據要求實現脫氮除磷，適合于農村地區而得到廣泛關注。筆者介紹了幾種一體化農村生活污水處理裝置。

4.1 一體化A/O工藝

李瑾等[33]設計了A/O一體化生活污水處理中試裝置。該裝置主體設備為自行研制的一體化厭氧好氧生物除磷脫氮反應器，主要由內、外2個筒體構成（圖1）。

該實驗在進水流量為1 m3/h，污泥回流比為200%，總停留時間為5～8 h，水溫為4～14 ℃的條件下，考察該裝置對生活污水的處理效果。結果表明，裝置在啟動2周后開始穩定運行；總磷、總氮、氨氮、CODCr和BOD5平均去除效率分別為86.7%、69.5%、80.0%、84.7%和84.9%，出水可達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）2級標準。與傳統污水處理工藝相比，該工藝具有占地少、耐沖擊負荷能力強、運行管理簡便等優點。

蘇翔[34]針對農家樂生活污水自行研制的A/O一體化凈化槽實驗裝置，采用升流式厭氧-接觸氧化處理的一體化技術。由于農家樂生活污水中動植物油含量相當高，在污水進入凈化槽裝置之前對其進行隔油處理，主體裝置如圖2所示。

該研究采用的隔油池對農家樂生活污水中動植物油去除效果明顯，在天氣炎熱的夏季，去除率可達76.0%，冬季低溫情況下其去除率也可達64.0%，最終出水CODCr、NH+4N、SS、動植物油的平均去除率分別為87.0%、85.5%、913%、915%，各項污染物出水均可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）三級排放標準以上。該處理裝置構造簡易，無回流污泥等復雜步驟，且要求動力設備極少，大幅降低了農家樂生活污水的處理成本，也為解決農村生活污水難以處理的問題找到了綜合處理路線。

4.2 一體化MBR工藝

裴亮等[35]采用一體化膜生物反應器（IMBR）工藝處理農村生活污水，其膜組件采用日本某公司生產的聚偏氟乙烯（PVDF）簾式纖維超濾膜，膜孔徑0.15 μm，外徑0.16 mm，膜表面積1.7 m2。膜組件上設曝氣管，隔板將整個反應器分為與處理池和膜池，系統設計最大出水體積流量10 m3/d。

研究結果表明：IMBR工藝對COD、BOD5、NH+4N和濁度的平均去除率分別為93.1%、95.3%、93.8%和97.9%，出水優于《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）要求。

Santasmasas等[36]采用自動化的MBR工藝處理低負荷灰水，處理后的回收水用于馬桶沖水。灰水的回收處理包括4個階段：過濾、生物氧化、過濾，最后通過氯化消毒。一體化裝置如圖3所示。研究結果表明：COD、BOD5、SS和濁度去除率分別為90.0%、95.0%、98.0%和98.0%，出水水質達到西班牙立法允許的回用水標準。

4.3 一體化氧化溝工藝

錢盤生等[37]發明了一種一體化多功能立體循環氧化溝設備，主要包括氧化溝、二沉池和曝氣轉刷。氧化溝內設有3塊隔板，將氧化溝自上而下分隔成相連通的4個隔室，其上層的第1、2隔室為好氧區，中部的第3隔室為缺氧區，位于底部的第4隔室為厭氧區，二沉池底部與厭氧區連通，上部設有出水口，該出水口處設有消毒裝置，在氧化溝的頂部安裝有生物除臭裝置。該實用新型工藝集脫氮、除磷、除臭、消毒于一體，具有結構緊湊、構造簡單、功能多樣的特點，占地面積較現有氧化溝減少70%，在生活社區中使用尤為合適。

Han等[38]利用太陽能作為動力處理分散式生活污水的1個創新集成系統，由1個雙通道的氧化溝和1個沒有蓄電池的光伏（PV）系統組成（圖4）。由于系統操作無蓄電池，氧化溝白天運行，晚上停止工作，氧化溝中可以周期性地出現厭氧、缺氧和有氧條件，有利于N和P的去除，同時可以降低光伏系統的成本。

研究結果表明：中午太陽能輻射強度有1個峰值，在不同天氣條件下，光伏系統輸出的電量滿足裝置的基本運行條件。COD、NH+4N、TN和TP的平均去除效率分別為880、98.0%、70.0%和83.0%。

4.4 一體化生態組合工藝

Wu等[39]根據我國北方農村生活污水的特點，采用了一種家庭組合型人工濕地的就地凈化系統，組合處理裝置如圖5所示。研究結果表明：BOD5、TSS、NH+4N和

TP去除率分別為96.0%、97.0%、88.4%和878%。同時，裝置上有0.4 m厚度的生物質層覆蓋，為系統提供了大量絕緣熱，在寒冷的冬季條件下能保持高處理性能。該系統成本經濟，操作簡單，無需能量輸入，適合于發展中國家的家庭使用。

鄭琳等[40]為解決當前常用分散式生活污水處理工藝脫氮功能差、運行不穩定、工藝復雜難控制等問題，研究了一種新型一體化生活污水處理裝置，該裝置由厭氧區、好氧區和生態濕地區3部分組成。厭氧除碳區填充直徑為1.5～2.0 cm的竹球填料，好氧硝化區采用了專利技術（ZL 200720108622.1）將曝氣池和沉淀池同底共墻合理結合，并通過隔板優化后解決了兩者的動、靜平衡問題，保證實現污泥自回流循環。生態濕地反硝化區自下而上采用鵝卵石、礫石和粗砂填充，并在粗砂表層種植水燭。一體化生活污水處理裝置如圖6所示。該裝置對COD、NH4N、SS、TN和濁度的平均去除率分別為84.6%、77.1%、92.6%、31.9%和96.9%，出水指標能穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B標準。

4.5 一體化生物濾池系統

Yoon等[41]針對韓國小型農村社區污水排放特點，研發了一種吸收性生物濾池系統（ABS）處理分散式生活污水。該中試裝置見圖7。該系統具有較高的處理效果，SS、BOD5、TN和TP去除率分別為975%、957%、91.8%和90.1%，滿足排放標準。該系統成本經濟，維修費用少，同時用電量、噪音、臭味和剩余污泥少，可以忽略不計。

Liu等[42]采用一套全面的蚯蚓濾池系統處理我國農村生活污水。該中試裝置如圖8所示。研究結果表明，COD、BOD5、NH+4N和TSS的平均去除效率分別為67.6%、780%、92.1%和78.0%，在17個月的運行過程中，污泥產生量很少，出水滿足中國灌溉水質標準。

5 建議

現階段，我國農村地區普遍面臨經濟基礎薄弱，投資和運行費用短缺，管理人員經驗不足，管理體制不健全等情況，因此，應根據農村生活污水的實際特點，向著高度集中化、自動化、系列化、成套化等方向發展，因地制宜，研發出真正高效、低耗、污泥量少、一次性投資低、運行費用低、處理效果穩定、維護管理運行成本合理的一體化處理設備，從源頭上控制水體富營養化形成條件，保障農村地區飲用水的安全，以滿足農村地區生活污水處理的切實需要。

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