可持續發展的分散式農村生活污水治理技術

呂錫武

隨著我國城市污水處理率的大幅度提高，農村生活污染對水污染的貢獻愈加突出，以太湖流域為例，農村生活污染排放量占所有排放源排放量的比例，化學需氧量占23%，氨氮占38%，總氮占40%，總磷占38%。加快農村生活污水治理，對改善水環境質量十分必要和緊迫。

與城鎮污水處理技術相比，農村生活污水排放分散，處理率低，嚴重缺乏技術儲備;同時，由于小型分散、缺乏專業管理人員，農村生活污水處理工藝不能簡單套用城鎮污水處理廠規模化、專業化的工藝流程，必須操作簡單、易維護，且具備穩定、高效的特點。

針對農村生活污水處理，國際上主要有生物處理技術和生態處理技術。生物處理技術以日本的凈化槽為代表，是一種大型污水處理廠工藝小型集約化的應用技術，用于我國農村，存在建設及運行成本高、管理復雜的問題，且一般不具備除磷功能，不適宜推廣應用：單一的生態處理技術主要在澳大利亞、北美等土地資源豐富、環境容量大的地區應用，由于占地較大，處理效果受季節影響明顯，也不適合在我國農村推廣使用。

農村生活污水治理的有利條件是：污水無有毒有害物質，且富含氮磷，如果把農村生活污水治理融入到農業之中，則農村生活污水中的氮磷可變廢為寶，成為農業種植所需的寶貴肥料資源，農村豐富的生態容量和農田種植業也完全具備消納生活污水氮磷的強大能力。從該立場出發的農村生活污水治理策略應該是：擯棄城市規模化、專業化的污水處理技術，以源于三農、融入三農、服務于三農的理念，瞄準“因地制宜、高技術、低投資與運行成本、易維護、資源化利用氮磷”的目標，構建可持續發展的我國農村污水治理新模式。

東南大學在國家“十二五”水專項和省部級專項經費的支持下，經過多年的持續研究和開發，形成了可持續發展的農村生活污水生物生態組合處理成套技術：厭氧一缺氧生物濾池一跌水充氧接觸氧化裝置一水生蔬菜濾床和浸潤度可控型人工濕地組合工藝。通過對生物方法和生態工程的優化組合，實現了農村生活污水處理過程中的節能減排與高效除磷脫氮目標，具有節能、節地、資源回收以及低投資和運行費用、易維護等特點，實現了氮磷的資源化利用和污水回用的可持續發展目標。

可持續發展的農村生活污水治理的理念與工藝創新體現在：處理技術采用生物生態組合，生物單元與生態單元相融合——生物單元去除有機物，生態單元作為污染凈化型農業實現氮磷去除和資源化利用。與常規技術相比，由于生物單元只去除有機物，不專門設計除磷脫氮功能，大幅度簡化了生物單元，既降低了建設成本，又使得運行管理簡單：前置大深徑比厭氧反應器可實現有機物的高效去除，降低后續好氧段有機負荷和需氧量：在生態單元，篩選氮磷吸收能力強、生物量大的空心菜、萵苣、水芹等經濟性作物替代蘆葦、香蒲等傳統濕地植物，在實現污水中氮磷資源化利用的同時，產生可觀的經濟效益，推廣應用前景廣闊。

一、生物單元

多級串聯大深徑比高效厭氧反應器

常溫厭氧處理低濃度污水雖然可行，但水力停留時間較長，往往難以滿足實際要求。因此，需要提高低濃度污水常溫厭氧處理效率。生物生態組合體系中，厭氧段需要高效降解有機物，以降低好氧段有機負荷和需氧量，為后續好氧段實現低耗能提供保障。從反應器流態看，推流厭氧反應器比完全混合反應器具有更高的處理效率。多級串聯大深徑比高效厭氧反應器很好解決了這一難題：以水動力學和反應器構造原理為基礎，增加厭氧反應器的有效水深，形成“大深度，小內徑”的特征構型，在其內部形成整體升流或降流的推流流態;而多級串聯使水力停留時間更趨推流，保證厭氧反應的高效進行。反應器內填充無紡布或彈性填料，生物附著比表面積大，可有效提高厭氧反應效率。在相同容積負荷的情況下，較大的深徑比也縮減了反應器的占地面積。

高適應性農村生活污水處理的低能耗高效率好氧處理單元

組合工藝中好氧段以氨氮無機化和有機物去除為主要功能。常規小型污水生物脫氮工藝中，曝氣動力消耗一般占動力消耗的80%，是傳統生物處理的主要耗能單元。采用水車驅動生物轉盤、階式跌水、往復式跌水、拔風等自然充氧形式，改變了傳統生物處理曝氣方式，還具有易維護的特點。

跌水曝氣充氧裝置利用提升污水高度獲得勢能，多級跌落，形成水幕、水滴自然充氧。可包含多種不同構型的充氧裝置，以適應不同地形不同水質變化的需求。該裝置有梯式和垂直交錯跌水兩種類型。垂直交錯跌水充氧生物接觸氧化池多級垂直交錯分布，利用擋板使污水往復跌落，占地較梯式可節省50%以上，且由于占地集中，外圍可建房屋保溫，可適應寒冷的北方地區。水車驅動生物轉盤利用水流跌落的動能帶動水車轉動，實現污水跌落、濺水分散充氧和轉盤盤面復氧的三重充氧作用，處理效果好，適用于較高濃度的生活污水。

脈沖多層復合濾料生物濾池：自然跌落通風充氧，水力負荷高，占地面積小，可應用于水量稍大的農村生活污水處理。

反硝化除臭技術

目前污水廠除臭方法主要有：對已逸出到大氣中的臭氣進行收集去除的被動的除臭方法，代表技術有生物濾池過濾、植物提取液除臭、活性炭吸附、高能離子除臭、化學除臭和活性氧除臭等：以及通過投藥提高污水中氧化還原電位，避免含氮及含硫化合物產生的主動除臭法。以上方法均需額外的動力設施和化學藥劑，運行費用昂貴，管理難度大，基本不可能在農村地區推廣。創新型的反硝化除臭技術是利用已有的跌水充氧生物接觸氧化池產生的硝化液和剩余溶氧回流至缺氧池，利用硝酸鹽氧化并稀釋進水中的還原性致臭物質，簡單高效，成本低廉，解決了污水處理設施可能存在的臭味問題。

二、生態單元

生態單元緊密結合農村種植業。主要表現為兩方面：用經濟作物替代傳統濕地植物并優化濕地構型：構建污染凈化型農業，實現氮磷資源化利用的同時獲得經濟效益。通過采用水生蔬菜型過濾床、水位及浸潤度可控型潛流人工濕地技術，有效提高人工濕地的處理效率和經濟效益。種植的水生蔬菜和花卉產生經濟價值，可調動農民參與污水處理設施管理的積極性。同時還因地制宜地研發了梯式生態礫石處理技術、階式多功能強化生態凈化塘處理技術，以及多種構型的生態混凝土護坡的生態溝渠沿程降解等技術，可適應不同地區農村需求。

無土栽培與人工濕地集成優化技術

水生蔬菜人工濕地技術開創性地融合了人工濕地技術和無土栽培技術，以生物單元處理后的尾水作為人工濕地內水生蔬菜的“營養液”，在人工濕地內培植空心菜、水芹、豆瓣菜、番茄、生菜等根系發達、生長速率快的蔬菜。同時，通過攔截顆粒性污染物和水質凈化作用，對后續浸潤度可控人工濕地起保護作用。

水位及浸潤度可控型潛流人工濕地技術是利用出水堰（閥）的優化設計，實現對潛流人工濕地內水位和浸潤度的控制。一方面引導人工濕地內水生蔬菜根系縱向的充分發展，另一方面強化大氣復氧能力，改善濾床及基質的氧環境。在北方寒冷地區應用時，也可以搭建暖棚，保證人工濕地冬季的正常運行。

蚯蚓強化濕地生態功能技術是在人工濕地中引入水蚯蚓，利用水蚯蚓的“松土”作用改善內部的水力傳導以及溶解氧的傳輸，提高濕地生物多樣性，顯著提高濕地去除污染物的能力。實踐表明，該技術比傳統人工濕地提高氮磷去除率30%，并消除人工濕地堵塞現象。

污染物沿程多階凈化技術

充分利用水網豐富，溝塘密集的農村地域特征，建設具有良好生態效益的生態塘、生態溝，實現污染物從收集到排放，從“溝渠”到“塘庫”到“濕地”的多級沿程凈化低成本生態處理系統。主要技術包括生態溝渠沿程降解、階式多功能強化生態塘庫、梯式生態礫石等處理技術。其中，生態溝渠沿程攔截技術采用生態混凝土護坡，重建植物群落，結合沉水植物，恢復水體的生物多樣性，利用生物、生態作用實現水質的凈化：階式多功能強化生態凈化塘處理技術依靠塘中的藻、菌共生原理來充分調動水體的自凈能力，達到去除氮磷。深度凈化污水處理尾水、改善水體景觀的目的：梯式生態礫石處理技術是針對丘陵地區農村的地形特征而開發的生物生態高集約化技術，其將生物單元和生態單元合并，最大化節約了占地。

三、生物生態組合工藝流程

典型的生物生態組合工藝流程如下：進水-高效厭氧-缺氧反硝化-多級跌水接觸氧化-經濟型植物人工濕地-出水;冬季由于厭氧效果不能保證，可在接觸氧化出水處增加回流措施至缺氧池，通過反硝化脫臭技術消除水的異味。

四、結語

我國國土面積廣大，農村生活污水治理受農業結構、經濟狀況、人員素質、地形地貌、氣候條件等多方面條件約束，單一的污水處理工藝即使再好，也無法適應復雜農村條件下的污水處理需求，難以包打天下。可持續發展的農村污水治理技術應包含多種單元技術的可選組合技術系統，具有高適用性、針對性。這就需要將多種農村生活污水處理單元創新技術進行系統集成和優化組合，形成具有節能、節地、高效、低維護、景觀化、園林化、氮磷資源化特征的多種可選工藝流程，形成高適應性、可持續發展的農村生活污水處理生物生態組合成套技術體系，以滿足我國幅員遼闊的農村地區生活污水治理的不同需求。