山東省農村低成本污水處理工藝探討

姚慶豐,王金巖,左長安

山東大學土建與水利學院,山東 濟南 250061

隨著我國農村經濟的發展和農民生活水平的不斷提高，農村生活污水的排放量也與日俱增。建設部《村莊人居環境現狀與問題》調查報告顯示，在我國，96%的村莊沒有排水管網和污水處理設施[1]，生活污水隨意排放，造成生態環境的嚴重污染，甚至危及農民的飲水安全。農村生活污水所造成的污染問題已不容忽視，污水治理刻不容緩。

然而，由于目前農村經濟實力薄弱，基礎設施建設水平較低，許多在城市污水處理系統中行之有效的污水工藝因成本過高，難以在農村普及。另外，隨著近年來國內外對污水處理的越發關注，污水處理工藝日趨成熟，污水處理技術呈現出多樣性的特點，各種新型、改良技術層出不窮，但由于各地村莊在自然地理、社會經濟、村莊典型特征等方面存在差異，鮮有某種工藝能滿足廣大農村的污水處理需求。在此背景下，為每個村莊選擇適宜且低成本的污水處理工藝已成為一個亟需解決的問題，具有重要的現實意義。

1 低成本農村污水處理工藝影響因素

農村污水具有水質穩定，有機物含量高，不含重金屬和有毒物質，可生化性好，面廣分散，收集困難，水量變化大，排放不均勻等特征[2]。為了實現因地制宜的低成本污水治理，污水工藝的選擇需要充分考慮當地的自然地理、社會經濟及村莊典型特征等因素（圖1）。

1.1 自然地理因素

1.1.1 地理位置 山東省遼闊的省域范圍使得省內村莊的自然地理差異十分明顯，地理位置將在很大程度上影響污水處理工藝的選擇。例如，沿海及平原水網發達地區的村莊可充分利用現有水塘河道，建設強化型氧化塘或人工濕地。

圖1 污水處理工藝影響因素Fig.1 Influence factors of sewage treatment process

1.1.2 地形地貌 根據山東地貌類型分布規律，可將全省劃分為四個地貌類型區：魯西北平原區、魯中南山地丘陵區、魯東丘陵區和海濱地貌區[3]。不同的地貌特征會對污水工藝的選擇產生不同影響。例如，山地型村莊的污水宜實行滲水井排放，或可利用地勢落差采用無動力階梯式污水處理工藝。

1.1.3 氣候條件 一個地區的溫度與降雨量將直接影響污水工藝的選擇。山東省冬季溫度偏低，故某些對溫度敏感的污水工藝將慎重選擇。例如，蚯蚓生態濾池技術適用于我國南方地區，蚯蚓的生存溫度為3～35℃，且具有冬眠和夏眠的習性，易造成出水水質不穩，故難以在北方寒冷地區采用[4]。

1.2 社會經濟因素

1.2.1 經濟發展水平 各地村莊經濟發展水平差異較大。當村莊的經濟水平較高時，農民生活富裕充實，對環境要求較高，會選擇比較完善、環境效益好的污水收集和處理系統[5]。然而，山東省廣大農村地區的經濟實力仍較薄弱，污水處理設施的建設與運維成本將作為污水工藝選擇的首要因素。

1.2.2 村莊職能 山東農村可大體劃分為傳統農耕型、畜牧養殖型、海濱漁業型、工業型、旅游型以及其他型村莊。不同類型村莊由于從事的生產活動不同，污水類型存在較大差異。例如，旅游型村莊為滿足游客的生活需求，村內往往建有農家樂、特色餐廳等產油污量較大的服務設施，故在進行污水處理時，需要增加過濾池等工序，將浮在污水表面的油污祛除，防止油污對處理設施造成影響。

1.2.3 技術能力及運維管理水平 當前，山東農村基礎設施建設嚴重不足，各地已建成的農村污水設施有效運行率不足20%，長期缺乏有效維護還將加快設施老化與報廢[6]。因此，污水工藝的選擇必須結合村莊實際情況，充分考慮技術的合理性，以及建成后設備運行、維護、管理的可操作性，確保處理設施長久、穩定的運行。

1.2.4 人口密度與人均用水量 當村莊的人口密度較大時，污水可通過管網集中收集處理，同時需要處理效率高，污水負荷大的處理工藝與之匹配；當人口密度較小時，污水可分散收集，就地處理排放，此時，采用各種小型分散式污水處理工藝將有效降低污水治理的成本。

人均用水量取決于一個地區的經濟水平、氣候特點、季節變化等因素。當區域經濟較好時，農民家中的用水設備更加完善，如抽水馬桶、洗衣機、淋浴等設施將增加污水產量。另外，季節變化對用水量的影響也不容忽視，一般說來，夏季由于洗浴、洗衣等較為頻繁，用水量全年最多。當用水量波動較大時，需考慮在處理設施前設置調節池。

1.3 村莊典型特征

1.3.1 山東農村污水情況 當前，山東農村絕大部分尚無系統的排水管網，雨水與污水均沿道路邊溝排至就近水體或直接下滲。由于受傳統生活習慣影響以及現實排污管道、污水處理廠、垃圾收集、處理等基礎設施建設嚴重滯后的制約，污水依然未經處理，隨處排放，給村莊環境帶來嚴重污染。

1.3.2 村落空間形態 從居住聚集程度看，可將山東村莊大體分為集中型和分散型[7]。集中型村莊常見于平原地區，村戶的相對集中，使得污水可優先考慮通過溝渠或管網集中收集處理。此類村莊宜采用生態濾池等負荷量較大的工藝類型；分散型村莊常見于山地或丘陵地區，分散的空間形態以及高度錯落的地形環境，使得村內污水難以集中鋪設管網進行收集，宜采用分散型污水處理工藝，就地收集處理。

1.3.3 現有土地資源 村莊土地資源包括自然池塘、閑置溝渠、荒地、河塘等可利用空閑地。當村莊土地資源豐富時，占地面積較大的自然處理工藝以其成本低廉、生態環保等特點成為優先考慮的工藝類型。而生態濾池等工藝占地面積小、處理效率高，適用于用地緊張的村莊。例如，東南大學研發了一種地埋式充氧生態濾池工藝，裝置完全埋于地下，覆土后地面可正常進行農業耕種，基本不占用土地資源。

1.3.4 污水處理要求 當前，我國農村污水的排放主要執行城鎮污水排放標準，多數情況下能夠較好的滿足農村對污水的處理要求。但當村莊位于水源保護區、嚴重缺水地區、重要濕地等生態敏感區時，為防止污水排放對水資源的污染，需要收集敏感地域的全部污水，同時采用處理效率高、出水水質好的污水處理工藝，進一步提高污水排放標準。

1.3.5 污水收集模式 污水治理的核心在于污水的收集與處理，在選擇處理工藝前需要確定污水的收集模式。根據人口規模、聚居程度、地形特點等差異，可將山東農村污水收集模式大體分為住戶分散收集、村鎮集中收集與市政統一收集3種模式[8]。污水收集模式將通過污水流量、處理效率、污水處理設施的建設成本等方面影響污水工藝的選擇。例如，當村莊為分散式單戶處理時，由于污水量較小，可采用庭院式人工濕地等相對低成本的工藝類型。

2 農村污水處理工藝的選取原則

由于山東農村地區經濟實力薄弱，缺乏專業技術人員，設備運營管理能力不足，因此污水治理不能一味執行城鎮污水處理模式，污水工藝的選擇需具備技術合理性、成本有效性和生態適宜性[9]。具體選擇時，應該考慮以下4個方面。

2.1 因地制宜，充分利用資源

由于農村地區自然地理、社會經濟及村莊典型特征等存在較大差異，污水處理不能拘泥于一種或幾種類型，需通過技術經濟分析，采用因地制宜、多元化的處理工藝。同時應充分利用村莊周邊閑置溝渠、荒地、廢棄河塘等自然資源，節省占地面積，不占良田。

2.2 流程簡單，維護管理方便

農村經濟水平較低，污水工藝規模較小，因此需盡量減少工藝環節，簡化流程。同時選用運行穩定、維護需求少、日常管理方便的工藝類型，以便設備能在當地薄弱的技術管理能力下正常運行。

2.3 建設費用低，管理花費少

農村污水治理需貫徹低成本的核心原則，污水工藝的一次性投資建設費用不宜過高，應在農村現有財政能力的承受范圍之內。污水處理應選擇低能耗甚至零能耗的工藝類型。同時，處理工藝不使用化學藥劑，設備維護管理費用應與村民的經濟能力相匹配。

2.4 生態適宜，美化環境

農村污水治理需要充分考慮污水的資源化利用，爭取實現出水直接用于農業灌溉、景觀用水，做到節約水資源，保護水環境，打造生態適宜的鄉村環境。另外，污水處理設施的建設應與景觀規劃相結合，使處理設備外觀與環境相協調，爭取達到改善村莊現狀，美化人居環境的作用。

3 山東農村低成本污水處理工藝特征

選擇低成本的適宜污水處理工藝，需要對各類工藝的技術特點、適用條件、建設運行成本、適用村莊特點及維護管理等方面具有全面、清晰的認識。本文從國內外的污水工藝中篩選出20余種適合山東農村的工藝類型，并將其歸納為自然處理工藝[10]、生態濾池工藝[11]、新型適用工藝[12]及組合工藝（表1）[2,3,9,12]。

表1 山東農村污水處理工藝分類Table 1 Classification of rural sewage treatment technology in Shandong Province

3.1 自然處理工藝

自然處理工藝主要指通過人工濕地或土壤滲濾系統等利用自然界中植物、基質和微生物三者的協同作用來實現水質的凈化作用，流歸地下水的處理工藝[10]，具有運行簡便，易于操作管理，節省能源，污水處理與農業利用相結合，充分利用水肥資源，綠化大地，促進生態系統的良性循環等特點（表2）[10,12,13]。

表2 自然處理工藝Table 2 Natural treatment technology

3.2 生態濾池工藝

生態濾池工藝是生物膜法處理污水的一種人工生物處理技術。工藝原理為污水流經塊狀濾料層表面使其形成生物膜，棲息在生物膜上的微生物攝取流經污水中的有機物作為營養，從而使污水得到凈化[14]。以下為5種適合山東農村的工藝類型（表3）[11-14]。

表3 生態濾池工藝Table 3 Ecological filter technology

3.3 新型適用工藝

隨著農村污水治理的不斷推進，在污水處理工藝的深入研究中，逐漸發展出一些新的工藝類型，它們具備占地面積小、處理高效、設備運行全自動化、美化環境等優點。然而，由于新型工藝的建設運行成本遠遠高于傳統工藝，現階段難以在我國農村地區普及，但隨著新型技術的不斷突破，成本將會進一步降低。介紹2種有一定前景的工藝類型（表4）[12,13]。

表4 新型適用工藝Table 4 New applicable technology

3.4 組合工藝

組合工藝是根據農村當地的實際水質及出水用途，將2個或3個工藝組合，提高處理效果和系統抗沖擊負荷性能，以期達到處理效果和經濟性的最佳組合[15]。常見組合有厭氧、生物處理與人工濕地組合等，生物處理工藝通常有接觸氧化、滴濾池、生物過濾等，組合靈活，以下為7種常見類型（表5）[12,13,16-18]。

表5 組合工藝Table 5 Combination process

4 山東農村低成本污水處理工藝選擇流程

在選擇適宜的污水處理工藝時，需要遵循一定的選擇流程：

1）對山東農村的自然地理、社會經濟及村莊典型特征進行了解，明確當地的污水處理需求、可利用的自然資源、可承受的基建運維成本等條件；

2）結合山東農村污水處理工藝的特征，選出滿足需求的工藝類型；

3）對幾種適宜的工藝進行成本分析，確定相對低成本的污水處理工藝；

4）當單一處理工藝無法滿足農村實際需求時，可在山東農村污水組合工藝中進行選擇，以期達到處理效果和經濟性的最佳組合（圖2）。

圖2 污水處理工藝選擇流程Fig.2 The selection process of sewage treatment technology

5 結語

加快農村污水治理不僅是環境整治的需要，也是我國深入貫徹科學發展觀，建設社會主義新農村，推進農村可持續發展的必然過程[12]。在選擇農村污水工藝的過程中，應該充分利用農村的自然資源優勢，構成良性循環的自然凈化生態系統，最大限度地達到基建費用低、運行成本低、維護管理簡單的目標，并滿足當地居民對健康和環境質量的要求。

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