農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀及智慧管理新模式

袁 宇，劉燁星，曾雨薇，張文璐，黎媛萍,

(1. 湖南城市學院 市政與測繪工程學院，湖南 益陽 413000；2. 湖南城市學院規(guī)劃建筑設(shè)計研究院 湖南省城鄉(xiāng)生態(tài)規(guī)劃與修復工程技術(shù)研究中心/湖南省博士后流動站協(xié)作研發(fā)中心，湖南 益陽 413000)

由于農(nóng)村地形地貌差別大、經(jīng)濟相對落后、村民居住地分散、生活習性不同、環(huán)境保護意識薄弱等原因，生活污水大多未經(jīng)處理直接排放﹒在收集、處理和管理模式上農(nóng)村生活污水與城鎮(zhèn)污水有較大差異，且統(tǒng)籌管理難度大，不宜直接利用城鎮(zhèn)污水處理相關(guān)經(jīng)驗和設(shè)計規(guī)范﹒因此，因地制宜探索農(nóng)村污水處理之道，是解決我國農(nóng)村當前存在的問題和改善生活環(huán)境的有效策略﹒

本文通過分析農(nóng)村生活污水特征、處理模式和技術(shù)等方面的研究進展，提出基于地理數(shù)據(jù)庫(Geodatabase)的農(nóng)村污水智慧管理模式﹒

1 農(nóng)村生活污水特征

1.1 主要污染指標及分類

根據(jù)不同來源，農(nóng)村生活污水的成分及特 點見表1，其污染程度主要通過化學需氧量、總氮、總磷、氨氮、SS、BOD5等6 種指標衡量[1]﹒

表1 農(nóng)村生活污水污染參數(shù)

1.2 農(nóng)村生活污水排放特征

由于生活規(guī)律和用水習慣不同，不同區(qū)域農(nóng)村生活污水排放特征有一定差異性，但我國大部分農(nóng)村生活污水具有以下3 個共性特征[2]：1)排放基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)普遍不足，缺乏統(tǒng)一完善的污水收集與處理系統(tǒng)，污水直接排放現(xiàn)象十分普遍，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成一定污染；2)排放不規(guī)律，日變化系數(shù)較大，季節(jié)性變化明顯；3)來源廣，水域分散，收集管理有難度﹒

2 農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀

在美國，超過1/3 農(nóng)村人口采用分散污水治理方式[3]；在德國，分流式污水處理模式逐步代替集中式已成為主流[4]；在日本，村落采用排水設(shè)施和組合凈化槽作為處理污水的主要手段[5]﹒

根據(jù)村落的具體地形地勢、地理位置和住宅分布等實際情況，我國農(nóng)村采用不同的生活污水收集輸送方法，有些以村為單位構(gòu)建收集系統(tǒng)，有些幾戶共建，有些甚至單戶獨立建設(shè)﹒現(xiàn)有的收集處理方式主要可分為3 類：農(nóng)戶分散收集處理、村鎮(zhèn)集中收集處理和統(tǒng)一歸入市政管網(wǎng)[6]﹒

3 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)

3.1 化糞池處理工藝

我國農(nóng)村生活污水較早較多地使用三格式化糞池處理工藝[7]﹒通過工藝改進不斷提高化糞池對污染物降解效率備受研究者關(guān)注﹒武毛妮[8]結(jié)合厭氧生物池+人工濕地處理技術(shù)對三格式化糞池進行改進，在厭氧生物池中加入?yún)捬鯊椥蕴盍虾退槭訌娒摰仔Ч@得出水COD 和SS 等指標達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)[9]中一級B 標準；付婉霞等[10]在山區(qū)村莊化糞池中添加填料，通過增加不同填料厚度提高污染物去除率，獲得SS、COD、色度和氨氮去除率分別為92.9 %，60.5 %，23.2 %和11.9%；陳洪斌等[11]運用上流式厭氧污泥床反應(yīng)器處理化糞池黑水，研究水溫和水力停留時間對黑水預(yù)處理效果的影響，在水力停留時間不小于30 h，水溫為30 ℃的條件下，對總化學需氧量和懸浮性化學需氧量的去除率分別達 71.9%和91.6%﹒

3.2 人工濕地處理工藝

人工濕地的作用機理是利用土壤基質(zhì)、水生植物和微生物組成半液體污水處理系統(tǒng)，對水中有機物和氮磷進行有效去除﹒它適用于技術(shù)管理水平低、處理規(guī)模小的農(nóng)村，具有運轉(zhuǎn)管理方便、工程基建和運轉(zhuǎn)費用低以及負荷變化適應(yīng)能力較強等優(yōu)點[12]﹒吳曉鶯等[13]利用模塊化填料構(gòu)建美人蕉潛流人工濕地系統(tǒng)，利用微生物的硝化和反硝化作用去除含氮有機物，利用填料的吸附沉淀和植物微生物的吸收作用去除磷，獲得對氨氮去除率達 54.2%~69.4% 和總磷去除率達77.7%~83.5%的成效，氨氮和COD 去除率比未添加美人蕉人工濕地系統(tǒng)分別高出約23%和11%；翟宇昆等[14]搭建了前段為礫石填料，后段為部分鐵碳填料的2 段式水平流人工濕地系統(tǒng)，填料所含的鐵和碳在水體里形成微電池，其過程產(chǎn)物有效降解污染物，出水TN，TP，NH4+-N 和COD平均質(zhì)量濃度分別為2.75，2.65，1.90 和20.33 mg/L；孫亞平等[15]構(gòu)建了3 套垂直流人工濕地系統(tǒng)，分別利用生物炭、活性炭和微生物的改良和強化作用提高濕地系統(tǒng)污染物處理能力，在最佳水力負荷為0.5 m3·(m2·d)-1的條件下，對多種污染物具有較好的去除效果﹒

3.3 穩(wěn)定塘處理工藝

穩(wěn)定塘處理工藝的作用機理是塘內(nèi)植物和微生物利用污染物進行新陳代謝，從而實現(xiàn)對污染物的沉降、攔截、吸收、吸附和分解等作用，以促進污水凈化，其基建投資低、地形利用率高和系統(tǒng)耗能低等特點適用于農(nóng)村生活污水資源化領(lǐng)域[16]﹒張巍等[17]在慶云堡鎮(zhèn)生活污水處理工程中運用穩(wěn)定塘處理工藝，出水水質(zhì)達到文獻[9]中的二級標準；孫志華等[18]利用厭氧生物膜法和吸附過濾法改進穩(wěn)定塘工藝，通過增加厭氧層厚度和提高濾層的滲透系數(shù)對工藝進行優(yōu)化，COD 去除率達90%，水力停留時間為3 d；肖雨涵等[19]采用多級串并聯(lián)生態(tài)庫塘處理污水，利用植物、菌和藻的共生系統(tǒng)對水體進化處理，獲得TN，NH4+-N 和TP 的去除率分別達30.98%~54.96%，54.11%~64.17%和27.11%~47.83%﹒

3.4 生態(tài)組合處理工藝

把上述技術(shù)有機結(jié)合并改良，所構(gòu)建的生態(tài)組合處理工藝可實現(xiàn)多種機理的協(xié)同作用，獲得更高污染物去除率﹒李紅芳等[20]在已有的化糞池及沼氣池基礎(chǔ)上，構(gòu)建由生物濾池、人工濕地和穩(wěn)定塘等污水處理單元組成的生態(tài)組合處理工藝，利用厭氧、好氧及兼性厭氧微生物，以及多種類植物的有機組合實現(xiàn)生物脫氮、固磷和吸附重金屬等作用，獲得NH4+-N，TN，TP 和COD等指標的平均去除率分別為98%，97%，97%和88%；孟令鑫等[21]在某河道黑臭水體應(yīng)急處理工程中采用超磁混凝/接觸氧化/穩(wěn)定塘組合工藝，通過底泥對PO43-的吸附/解吸、有機磷氨化、磷的擴散、水生植物吸收、揮發(fā)和沉降等多種機制的作用，獲得對COD，NH4+-N，TN 和TP 等指標去除率分別約為53%，98%，30%和95%；朱澤民[22]利用生態(tài)溝的物理、化學和生物的協(xié)同作用實現(xiàn)污水前處理，聯(lián)合厭氧+潛流人工濕地的組合工藝，出水水質(zhì)達到文獻[9]中的一級B 標準﹒

3.5 新型生活污水處理技術(shù)

在國內(nèi)外農(nóng)村生活污水處理領(lǐng)域，不斷涌現(xiàn)新型處理技術(shù)﹒膜生物反應(yīng)器是一種新型污水處理系統(tǒng)，利用膜分離技術(shù)取代傳統(tǒng)活性污泥法的重力沉淀池，通過生物膜處理技術(shù)和膜分離技術(shù)有機結(jié)合來提高處理效果[23]﹒裴亮等[24]采用一體化膜生物反應(yīng)器(IMBR)工藝處理農(nóng)村生活污水，獲得對COD，BOD5，NH3-N 和濁度的平均去除率分別為93.1%，95.3%，93.8%和97.9%；郭浩等[25]利用間歇運行的一體化膜生物反應(yīng)器(MBR)處理工藝，對COD，NH4+-N 和TN 的平均去除率分別為68.3%，65.3%和65.8%；李鵬宇等[26]設(shè)計了一種由太陽能與風能互補發(fā)電驅(qū)動農(nóng)村生活污水生物處理設(shè)施的集成系統(tǒng)，其生物反應(yīng)器為多點進水生物膜反應(yīng)器，對COD，NH4+-N 和TN 平均去除率分別達90.6%，94.7%和61.7%﹒

新型處理技術(shù)中人工快速滲濾系統(tǒng)也備受關(guān)注，它由人工土地滲濾系統(tǒng)發(fā)展而來，天然土層被滲透性能較好的滲濾介質(zhì)取代，使系統(tǒng)的水力負荷大大提高，具備投資運行費用及動力消耗低，出水水質(zhì)高和無污泥產(chǎn)生等優(yōu)點[27]﹒林明等[28]發(fā)現(xiàn)以人工快滲技術(shù)為核心的一體化設(shè)備在實際工程運行中，COD，NH4+-N，TP 和SS 的平均去除率分別達到85%，90%，80%和95%以上；陳佼等[29]研究了不同掛膜方式啟動下人工快速滲濾系統(tǒng)的運行效果，發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)勢菌掛膜啟動時系統(tǒng)運行速度快且穩(wěn)定，對COD，NH4+-N 和TN去除率分別達90.0%，98.2%和71.0%﹒

將上述2 種新型技術(shù)與其他工藝進行組合，可實現(xiàn)對污染物更高效地去除﹒朱霞等[30]采用上流式厭氧污泥床(UASB)-A2/O-MBR 組合工藝系統(tǒng)處理有機餐廚廢水，對4種主要污染物COD，NH4+-N，TN 和TP的去除率分別達到96.8%，96.4%，70%和80%﹒陳佼等[31]將電極生物膜和硫自養(yǎng)反硝化技術(shù)耦合應(yīng)用于人工快速滲濾系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)電極強化的系統(tǒng)對TN 的去除率達73%，污染物的去除率對比傳統(tǒng)系統(tǒng)得到較大提升﹒

4 基于Geodatabase 農(nóng)村生活污水智慧管理新模式

目前，在我國大中型城市，基于Geodatabase技術(shù)的智慧城市排水系統(tǒng)已經(jīng)初步形成[32~33]，但其在農(nóng)村生活污水處理處置領(lǐng)域仍少見報道﹒Geodatabase 是一種采用標準關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型，基于Geodatabase 技術(shù)建立的農(nóng)村生活污水智慧管理系統(tǒng)見圖1﹒

圖1 基于Geodatabase 農(nóng)村生活污水智慧管理新模式

基于Geodatabase 技術(shù)的農(nóng)村生活污水智慧管理新模式具備以下幾個功能：

1)通過GIS 強大的地理空間定位和查詢分析等功能，更好地組建空間數(shù)據(jù)和地物表達[34]，在農(nóng)村生活污水處理處置領(lǐng)域，可利用Geodatabase進行山地、農(nóng)田、河流以及農(nóng)村污水排放相關(guān)監(jiān)測點的分布以及管道布置等﹒

2)通過大數(shù)據(jù)積累和網(wǎng)絡(luò)平臺云計算，實現(xiàn)對農(nóng)村生活污水信息的收集，得出實時相關(guān)特征，提供有效的管理策略﹒

3)在基于Geodatabase 的農(nóng)村污水智慧管理系統(tǒng)中加入適應(yīng)當?shù)匦枨蟮慕M合處理工藝﹒例如利用“厭氧池+短程好氧生物濾池”的農(nóng)村生活污水處理工藝將“農(nóng)村污水單純處理”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗踪Y源化利用”，在處理工藝的進、出水口以及處理過程中的相關(guān)節(jié)點設(shè)置監(jiān)測點，實時監(jiān)測污水處理過程，將處理后符合農(nóng)業(yè)灌溉標準的水進行農(nóng)業(yè)灌溉﹒這樣，既解決了農(nóng)村污水處理排放難題，又實現(xiàn)了污水中氮磷資源化利用，體現(xiàn)智慧化[35]﹒

5 結(jié)語

1)在農(nóng)村生活污水收集處理模式選擇上，要遵循因地制宜原則，充分考慮農(nóng)村水資源、地形地貌、經(jīng)濟發(fā)展水平和村民生活習性等多方面因素﹒2)在農(nóng)村生活污水處理技術(shù)上，傳統(tǒng)工藝需要不斷進行改進與升級﹒研發(fā)新型材料應(yīng)用于工藝改良及優(yōu)化技術(shù)組合結(jié)構(gòu)可獲得更高污染物去除率；研發(fā)新型處理系統(tǒng)具有廣闊發(fā)展前景﹒3)在管理模式上，新型農(nóng)村生活污水管理模式與云計算、大數(shù)據(jù)和GIS 空間管理技術(shù)接軌，具有高時效性、可視化和智能化，體現(xiàn)智慧管理﹒