太湖流域4種農村生活污水處理工藝運行效果比較

吳昊 楊非 王海芹

摘要：通過對太湖流域農村生活污水處理技術的調查研究，選取4種典型處理技術（A/O工藝、戶用凈化槽工藝、厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化法-人工濕地技術、微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地處理技術）為研究對象進行分析比較。結果表明，厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化法-人工濕地技術，雖然初期建設成本略高，但處理效果穩定，化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）及氨態氮含量的去除率均達到80%以上，是一種很好的農村生活污水處理工藝。

關鍵詞：農村生活污水;處理工藝;運行效果;太湖流域

中圖分類號： X703.1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）13-0309-05

太湖流域地處長江三角洲南部，是我國區域經濟最為發達的地區之一，面積3.69萬km2，行政區劃分屬江蘇、浙江、上海和安徽三省一市，其中江蘇省占53%。隨著城鎮化進程的加快及農民收入水平的提高，農村生活污水（廚房污水、生活洗滌與沐浴污水、廁所污水等）產生量大大增加[1]。李新艷等的調查發現，在太湖流域丘陵區農村污水直排比例高達38%～47%，且化糞池的污染物去除效率有限[2]。根據《太湖流域“十二五”科技需求與目標任務的建議》（太湖流域實施方案編制組）中對太湖流域典型污染源的調查顯示，農村生活污水的化學需氧量（COD）、氨態氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）貢獻率分別占流域總量的21%、25%、18%、19%[3-4]。因此，提高農村生活污水處理設施建設覆蓋率、保障太湖流域水環境質量具有十分重要的意義。

農村生活污水治理引起了社會的普遍關注，江蘇省自2008年起陸續開展農村環境連片整治行動、美麗宜居鄉村建設以及“兩減六治三提升”專項行動等，農村生活污水治理情況得到了一定的改善[5]。但在筆者調研過程中發現，部分農村生活污水處理設施由于工藝選擇隨意，未能因地制宜，后期管理不到位等原因，其運行效果未達到設計要求，處理后的生活污水達不到一級B的要求，甚至荒廢，影響居民的正常生活[6]。本研究針對太湖流域農村生活污水處理設施存在較大差異的特點，在實地調研的基礎上，選取4種運用較為廣泛的處理工藝（A/O工藝、戶用凈化槽技術、厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化法-人工濕地技術、微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地處理技術）[7]作為研究對象，進行為期半年的穩定運行跟蹤監測，比較研究4種農村生活污水處理工藝對污染物的去除效果，綜合考慮各工藝的運行效果、投資費用以及日常管理與維護等方面，旨在為農村生活污水處理工藝的選擇及優化提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 調查與采樣方法

從2015年2月至2016年6月，筆者所在課題組陸續走訪了江蘇省內太湖流域的代表性區域，包括無錫（宜興市、江陰市、錫山區、惠山區、濱湖區）、蘇州（昆山市、常熟市、太倉市、張家港市、吳中區、吳江區、相城區、高新區）、常州（武進區、金壇市、溧陽市）、鎮江（丹徒區、丹陽市、句容市）、南京（江寧區、高淳區、溧水區）等地。通過管理部門訪談、資料收集以及現場實地調研等方式，對江蘇省太湖流域農村生活污水的處理情況有了充分的了解。調查結果顯示，截至2016年6月，江蘇省太湖流域地區共建成農村生活污水處理設施近 6 000套，涉及的工藝多達100余種，應用占比超過1%的有20種，其中選擇4種實際運用比較廣泛的處理工藝進行取樣分析。

本研究于2016年7—11月期間對運用4種處理工藝的農村生活污水處理設施的進出水水質跟蹤監測，為避免地表徑流影響，取樣期間避開中雨及以上降雨期。取樣過程中進出水處于不斷流動的動態過程中，樣品混合后用1 L的白色塑料封口瓶密封保存，12 h內進行檢測分析。樣品每月取樣1次。1.2 工藝流程

（1）A/O工藝，即生活污水-AO預處理+人工生態綠地（圖1），特點是建設與治理同步，處理效果好，運行維護簡單，生態綠地采用專門的防堵技術，生態效益顯著。

（2）戶用凈化槽工藝，工藝流程主要是污水進入凈化槽后，由沉淀分離槽進行預處理，去除比重較大的顆粒及懸浮物， 提高污水的可生化性，預過濾槽內裝有填料，在填料上的厭氧生物膜的作用下去除可溶性有機物，曝氣槽是集曝氣、高濾速、截留懸浮物和定期反沖洗為一體的裝置，沉淀槽溢水堰設置了消毒裝置，對出水進行消毒處理（圖2）。

（3）厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧 化-人工濕地工藝是讓污水首先進入厭氧池，進行厭氧發酵，以降低后續接觸氧化反應的有機負荷，同時進行硝化液回流脫氮處理，經過厭氧處理的污水經泵提升進入接觸氧化池，接觸氧化池共分5格，充分利用污水提升后的部分水頭，采用跌水充氧技術提供好氧反應的需氧量，以降低運行成本，實現低能耗污水處理。在接觸氧化池內，對有機污染物進行好氧降解和充分硝化，接觸氧化池出水部分回流到前端厭氧池進行脫氮，部分進入后續潛流式人工濕地或生態凈化塘，進一步去除氮磷等營養物質（圖3）。

（4）微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地處理工藝則主要利用滲濾床和氮磷消化池的混合作用，進一步提高處理效果，且無二次污染，不排放污泥。系統設置于地下，且可人為調節溫度，不受氣候條件影響（圖4）。不需要專用土地（地表可規劃為綠地、旱地、停車場或運動場地）。

1.3 水質指標及測定方法

水質監測指標為COD、TN、TP、氨態氮含量。COD采用重鉻酸鹽法（GB/T 11914—1989《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》）;TN含量采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012《水質 總氮的測定》）;TP含量采用鉬酸銨分光光度法測定GB/T 11893—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》）;氨態氮采用納氏試劑分光光度法測定（HJ 535—2009《水質 氨氮的測定》）。

2 結果與分析

2.1 4種處理工藝對各污染物的去除效果比較分析

2.1.1 A/O工藝對各污染物的去除效果比較分析 A/O工藝出水水質基本滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。如圖5所示，COD進水濃度過低，在8月僅為7.1 mg/L，可能是由于監測時間恰逢多雨季節，雨污未分流導致;在9月之后，COD進水濃度達到正常[8]，工藝對其去除率有了明顯的提高，說明設施在正常運行后對COD的去除能達到較好的水平。設施對TN和氨態氮的去除有明顯的波動，最高可到90%，最低僅為18%，這個與A/O工藝中的厭氧段和好氧段是否正常運行有很大的關系。TP在8月達到了92.05%的去除率，與夏季人工濕地植物茂盛生長相關，植物對氮磷的需求較大，同時濕地系統的微生物群落活動最為活躍。

2.1.2 戶用凈化槽工藝對各污染物的去除效果比較分析 戶用凈化槽工藝出水水質基本滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。如圖6所示，戶用凈化槽技術進出水水質基本正常，COD、氮處理效果較好，比較穩定;對COD的去除率為40%～80%，對TN的去除率為40%～70%，對氨態氮的去除率為20%～60%。該方法雖然有一定的去磷效果，但去除率不高，最高去除率僅為35%，且隨著使用時間的延長，須要及時更換填料，否則會影響處理效果。

2.1.3 厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化-人工濕地工藝對各污染物的去除效果比較分析 厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化-人工濕地工藝的出水水質基本滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。如圖7所示，其進水水質正常，出水水質COD達到一級B標準，8月各項指標去除率很高，其原因是夏季氣溫高，跌水充氧接觸氧化段掛膜豐富，對有機污染物去除效果好;人工濕地植物茂盛生長相關，植物對氮磷的需求較大，同時濕地系統的微生物群落活動最為活躍，對氮磷去除貢獻很大。水質處理效果很好，比較穩定，4項指標最高去除率均達到80%以上。

2.1.4 微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地處理工藝對各污染物的去除效果比較分析 微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地處理技術的出水水質基本滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。如圖8所示，7、8月各污染物進水濃度較低，工藝仍能對其有較好的處理效果，其中COD去除率達38.64%。在10月，該工藝對TN、氨態氮、TP的去除率達到最高。在11月，該工藝對TN的去除效果很差，可能與氣溫低導致濕地植物生長緩慢，甚至死亡有關。

2.2 4種處理工藝建設運行比較分析

如表2所示，4種農村生活污水處理工藝的操作管理都比較簡單，只須定期清理、檢修即可。其中，戶用凈化槽工藝的建設成本最高，達到其他3種工藝建設成本的4倍不止。厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化法-人工濕地技術的建設成本次之，1 t水投資達6 000元左右，遠高于A/O工藝和微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地處理技術。A/O工藝建設成本較低，但運行費用較高，1 t水費用遠高于其他3種水處理技術。

3 討論

3.1 4種處理工藝運行效果比較分析

A/O工藝的監測時間屬于多雨季節，COD進水含量過低，總磷含量變化太大，水處理效果極不穩定，這對A/O工藝在實際應用中具有借鑒作用，在夏季必須做好工藝的運行維護。戶用凈化槽技術將處理工藝集成到小型凈化槽中，無需配套另外設備即可達到排放標準，操作簡便、維護簡單，但建設成本較高，去磷效果較差。厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭- 跌水充氧接觸氧化法-人工濕地技術處理效果持續、穩定，是一種很好的農村生活污水處理工藝，但建設成本偏高。微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地處理技術脫氮效果很好，處理率60%以上，但COD、TP進水含量因為受季節影響較大，去除效果不太穩定。

外界氣溫是影響農村生活污水處理工藝污染物去除率的關鍵因素之一， 氣溫對工藝的各組成部分（微生物、人工濕地微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地 建設投資較小，運行費用很低 無復雜設備，系統維護簡單，只須負責濕地植物的生長 較不穩定

植物等）具有很大的影響作用。4種工藝在低溫期的COD、TN、TP去除率均要低于高溫期，但影響程度不一致，其中厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化-人工濕地工藝受外界氣溫影響最大，A/O工藝相對較小。從4種工藝的建設安裝分析，A/O工藝、戶用凈化槽工藝和微動力高效復合滲濾床+氮磷消化濕地工藝的厭氧和好氧系統部分一般埋在地下，利用地熱受外界溫度影響相對較小，冬季低溫條件下受外界溫度影響相對較大，從而導致生物膜的微生物轉化作用得到限制。除戶用凈化槽工藝之外的其他3種工藝均設有人工濕地處理單元，夏季濕地植物與微生物生長迅速，對氮磷的去除作用極大，但到了冬季植物和微生物基本不發揮作用。在實際應用中，必須十分清楚地考慮溫度的影響[9]。

3.2 4種處理工藝建設與維護比較分析

A/O工藝運行費用較大，達2.17元/t;戶用凈化槽工藝建設成本大，適合分散型農村生活污水處理;厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化-人工濕地工藝，設施較多，但運行成本低，效果穩定。微動力高效復合滲濾 床+ 氮磷消化濕地工藝基建投資低，無需專門的人員維護，且運營費用極低。

農村生活污水的治理對區域污染防止所起的作用是非常巨大的[10-11]，有效改善附近地表水的水質，大大減少了疫病暴發或流行病的潛在危險，有效改善了農村的人居環境和農村生態環境，縮小了城鄉差距，促進了區域經濟發展，促使社會效益、環境效益和經濟效益進一步協調。

4 結論

經調研，江蘇省太湖流域農村生活污水處理技術種類多達幾百個，即使按照工藝原理分類也多達數十種，很多地方更是因為工藝選擇和設計沒有因地制宜，給后期的統一維護帶來較大的技術難度，更甚者只建設不運行。太湖流域農村生活污水日變化系數大，在早、中、晚各有1個高峰時段，但夜間排水量小，甚至出現斷流現象[12]，同時，作為旅游業發達地區，江蘇省太湖流域農村生活污水新增來源（農家樂污水），油脂含量多，水質、水量波動大，尤其在節假日或冬季，污染物濃度明顯較高，這對農村生活污水處理技術選擇和管理要求較高。因此，農村生活污水治理應在設計之初就根據當地的基本特征，因地、因時、因人制宜，選用不同的處理技術以適應當地條件和滿足農民需求，以保證其長期有效穩定的運行。

厭氧產沼氣-缺氧反硝化脫臭-跌水充氧接觸氧化法-人工濕地技術，雖然初期建設成本略高，但處理效果穩定，COD、TN、TP及氨態氮的去除率均達到80%以上，是一種很好的農村生活污水處理工藝。

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