分散式農村污水一體化處理技術研究進展

白科，陳小潔，孫衛寧，韓盼，周凱樂

開發與應用

分散式農村污水一體化處理技術研究進展

白科，陳小潔，孫衛寧，韓盼，周凱樂

（西安工程大學環境與化學工程學院， 陜西 西安 710048）

農村污水治理是當前農村環境問題的重難點之一，農村污水因氮磷濃度高，較分散而難以集中處理等特點備受關注。近年來我國在分散式農村污水一體化處理技術研究和工程應用方面進展迅速，通過一體化活性污泥工藝、一體化生物膜工藝、一體化MBR工藝、一體化耦合工藝等對分散式農村污水進行有效治理。通過對比目前我國分散式農村污水的各種一體化處理技術的優缺點，對當前一體化技術脫氮除磷效果低，所產生的污泥的處理與處置等問題進行分析，在此基礎上提出物化法強化一體化技術脫氮除磷，利用農村污水產生的污泥制備液態肥等是我國分散式農村污水一體化處理技術領域的發展方向之一。

一體化；農村污水；水處理

據統計，我國鄉村居民約為5億人，每年產生約6.6億m3污水，僅有20 %的行政村具有污水處理設施[1-2]。大量農村污水由于居住分散，污水收集系統落后，難以采用集中式污水處理系統進行污水處理[3]等原因直接排放，不僅會造成農村地區水體氮，磷富營養化，甚至產生黑臭水體[4]。農村污水治理是當前農村環境問題的重點和難點。

目前，關于分散式農村污水處理技術的研究較多[5-7]，主要有以穩定塘、人工濕地為核心的生態處理技術，以活性污泥法、生物膜法為核心的生物處理技術[8-10]。生態處理技術抗沖擊負荷能力強，具有一定的生態景觀效果。但其對污染物去除效果略低，且占地面積較大，建設施工周期較長，在處理過程中易受季節，氣候等因素影響。生物處理技術脫氮除磷效果好，但對工藝管理水平要求嚴格，操作難度大，運維成本高，故不適宜分散式農村污水的處理。而一體化技術是將生物處理技術進行優化[11-13]，使其適應農村污水較為分散的特點，是分散式農村污水處理領域的研究熱點之一，具有良好的發展前景和優勢。

本文通過文獻分析，對比幾種分散式農村污水一體化處理技術的優缺點，結合分散式農村污水的特點探究一體化技術的發展方向，為相關工藝研究和技術開發提供參考。

1 分散式農村污水的來源、特征與危害

由于農村居民的生活習慣和生產方式的特殊性，污水水質水量與城鎮污水相比具有明顯的區域特征。中國農村污水的主要來源是廁所水、生活洗滌水、禽畜養殖水、廚房用水等[14-15]。其中主要污染物有氮磷、有機物、懸浮物（SS），此外還含有細菌、病毒、寄生蟲卵、陰離子表面活性劑等。可生化性好，基本不含重金屬和有毒有害物質[16-17]。

農村污水排放量波動大。日排放高峰在早、中、晚三個時間段。其他時段排放量和污染物濃度較低，日變化系數較大，一般在3.5～6之間波動[18]。用水量和排水量與季節、氣候等因素也有關。夏季用水量增多，降水量較大，污染物濃度降低；冬季用水量和排水量相對減少，污染物濃度增加[19]。

農村布局分散，80%農村地區污水收集和處理設施落后[2]，分散式農村污水直接排放或者經過簡單處理后排放至河流、池塘、將導致水體生態環境氮、磷富營養化，甚至造成水體發黑，散發臭味；若污水滲入地下，則會破壞土壤生態環境，造成土壤板結，間接造成農牧業經濟損失。

2 一體化處理技術研究現狀

一體化污水處理技術是將污水三級處理系統進行優化設計，集為一體，以滿足不同規模，不同水質的分散式污水處理技術[20]。一體化污水處理技術的高度集成，運行方便等優勢非常符合我國農村地區布局分散的特點。

美國從19世紀中葉就開始了使用化糞池等技術對分散式污水治理的研究[21]。20世紀70年代，日本和歐美一些國家開始使用分散式污水處理系統對農村污水進行處理[22]。其中日本的合并凈化槽技術因具有污水就地處理，就地回用和排放等諸多優勢，得到了廣泛使用，從2009年至2016年，日本的凈化槽普及人口增加了117萬[23]。成為分散式農村污水一體化處理技術的代表。

國內于20世紀80年代才開展分散式污水處理技術的研究和實踐［24］，起步較晚。針對分散式農村污水的水質水量特征，目前已開發出多種較為成熟的處理技術，包括一體化處理技術，人工濕地技術，穩定塘技術等。其中一體化技術具有低能耗，結構緊湊，處理效果好等優勢［25］，在國內應用廣泛。當前我國分散式農村污水一體化處理技術主要可分為活性污泥工藝，生物膜工藝，一體化MBR工藝以及一體化耦合工藝。

2.1 活性污泥工藝

2.1.1 一體化A2/O工藝

活性污泥法中A2/O工藝較為成熟［26］。近年來，A2/O工藝在分散式農村污水一體化處理技術中應用越來越多。

肖炘圻［27］等研究用一體化A2/O工藝處理喀斯特地區農村污水，在運行穩定時，對NH3-N、TN、TP、COD的平均去除率分別為88.4%、80.2%、72.8%、78.4%，出水水質優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級A標準。該技術通過對反應器改進，將常規A2/O工藝需要單獨設置的厭氧區，缺氧區，好氧區進行整合，大大縮小了占地面積，提高了氧的利用率和處理效率。

考慮到農村地區的經濟條件，張吉庫［28］等用氣提泵代替A2/O工藝中所需的回流泵來處理農村污水。通過試驗分析，在外回流比為70%、內回流比為200%、HRT為12 h、SRT為15 d、DO為

2.0 mg·L-1的工況下，系統對COD、NH3-N、TP去除率分別為89.9%、87.7%、94.1%。各項指標均符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級A標準。

對一體化A2/O工藝的反應器和設備進行優化和改良，提高了分散式農村污水的處理效率。但A2/O工藝固有的泥齡矛盾限制著其脫氮除磷效果的提升，且對于該技術后續產生的污泥的處理與處置等問題研究較少，有待進一步探索。

2.1.2 一體化SBR工藝

序批式活性污泥（SBR）工藝對系統自動化控制要求較高，因此多用于度假區、旅游景點等區域的分散式污水處理[29-30]。

為適應農村污水的特點，彭杰[31]等采用地埋式一體化SBR工藝處理分散式農村污水，日處理量為80 m3·d-1，該系統對SS去除率可達90.0%以上，對NH3-N去除效果可達80.0%以上，經過投加PAC除磷，出水指標滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級B標準，處理成本為0.95元·m-3。

易亞杰[32]等在河南省某農村生活污水處理工程設計中采用“水解酸化+SBR”一體化技術。日處理量為100 m3·d-1，水解酸化進一步提高了污水的可生化性和碳氮比，污水經主體生化階段后進行“砂濾+紫外消毒”深度處理，出水水質可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級A標準, 處理成本為0.42元·m-3。

一體化SBR工藝能有效抑制污泥膨脹問題的發生，并且處理效果穩定。但其采用間歇運行的方式，控制過程較為復雜，稍有故障便會影響其處理效果；加藥除磷也使得處理成本提高。因此在處理分散式農村污水領域尚且不是最佳選擇，還需進一步改良。

2.2 生物膜工藝

2.2.1 生物接觸氧化

生物接觸氧化法是以生物膜法為主，同時具有活性污泥特點的生物處理方法[33]。日本的凈化槽技術便是以“厭氧+生物接觸氧化”為原理[34]。常邦[35]合成了一種新型微電解填料用于凈化槽，利用反應器中鐵碳填料的電化學作用、化學氧化作用、沉淀和共沉淀作用強化除磷，試驗結果表明系統對磷的去除率高達90.0%。在系統HRT為4 d，混合液回流比為200%時，穩定運行120 d，出水指標可達到（GB 18918—2002）《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級B標準。

田雙超[36]用“接觸氧化+吸附法”處理農村污水，分別考察了小陶粒，大陶粒，懸浮填料，海綿填料，火山巖等五種填料的掛膜效果。結果顯示火山巖填料效果較佳，僅需17 d完成掛膜，對COD、NH3-N的去除率分別為96.0%和70.0%。當HRT為10 h，回流比為100%時，TP的去除率達到最高，但出水濃度仍難以達到一級B標準，用自制的污泥基生物炭進行吸附法強化除磷，出水TP質量濃度低于0.5 mg·L-1。出水COD、NH3-N、TN、TP、SS濃度均達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級A標準。

生物接觸氧化技術除磷效果欠佳，填料是生物接觸氧化法的關鍵，填料種類影響掛膜效果，同時還影響氧傳遞速率。通過填料改良和物理方法強化提升其運行效能，但同時也增加了處理成本。

2.2.2 生物濾池

生物濾池利用在濾料上附著的微生物的新陳代謝作用來降解污水中的污染物[37]。根據其構造不同可分為曝氣生物濾池( BAF)、膨脹床生物濾池等。

曝氣生物濾池是對傳統濾池的改進，能在同一反應器內同時進行生化反應及固液分離。具有高有機負荷、處理效果明顯等優點。黃曉鳴[38]等研究使用沸石作為曝氣生物濾池填料，試驗結果表明使用沸石填料增強了生物的可再生性，同時強化了生物脫氮的效果。試驗中COD、NH3-N和TN均達到（GB18918—2002）《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準。

李嘉樹[39]研究了一體化“膨脹床+曝氣生物濾池+膨脹床”技術處理農村污水，并探究了最佳運行條件。結果表明，反硝化效果與濾料層厚度成正比，濾料層越厚水力停留時間越長，反硝化效果越好。當進水溫度為23～25 ℃、水力負荷為4 m3/（m2·h）、硝化液回流比為150%、氣水比為3∶1、同時在曝氣生物濾池出水處投加60 mg·L-1的鐵鹽，該系統對COD、NH3-N、TN、TP、SS的去除率分別可達90.2%、92.2%、68.2%、90.0%、98.6%。各項指標基本上達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級A標準。

生物濾池能有效去除大部分污染物，但也存在除磷效果差的問題，需要配置加藥設備和頻繁的人工維護，因此不適合作為分散式農村污水處理的單一工藝。

2.2.3 生物轉盤

生物轉盤工藝的工作原理時利用盤片轉動，帶動附著在盤片上的生物膜與空氣和污水交替接觸，通過水的自然跌落給生物膜連續充氧，通過微生物膜的吸附和氧化分解作用對污染物進行降解[40]。

韋真周[41]等研究用一體化生物轉盤技術處理小城鎮生活污水，系統運行穩定后對COD、SS、NH3-N、TP的去除率分別高達86.0%、95.0%、85.0%、78.0%，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中一級A標準。運行費用為0.79元·m-3。該技術能耗低、產泥少、無二次污染，環境與經濟效益較好。

汪濱[42]等對一體化生物轉盤技術進行了改良，將一體化生物轉盤分為“厭氧+生物轉盤”兩個單元。厭氧段強化除磷，生物轉盤段強化脫氮和有機物的去除，在生物轉盤之后先經一體化高效沉淀設備強化泥水分離，再經人工濕地進行深度處理。鄉鎮生活污水經過改良型一體化生物轉盤技術處理及高效沉淀后，COD、NH3-N和TP的去除率分別可達71.3%，52.0%，80.0%以上。再經深度處理后出水指標均可穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級A標準。

張尊舉[43]等優化了一體化生物轉盤技術的盤體結構。使用生物濾池填料填充生物轉盤，使其形成較大的生物附著面以提高污水處理效果。對實際生活污水的處理試驗表明填料生物轉盤對污水中COD、BOD5、SS、NH3-N的去除效率均超過87.0%，且運行穩定，出水水質滿足河北省《農村生活污水排放標準》（DB13/2171—2015）一級B標準。高洪貴[44]等也做了相近研究，使用3D立體結構生物轉盤一體化技術處理農村污水，出水COD為38.1 mg·L-1，NH3-N為2.7 mg·L-1，總氮為12.8 mg·L-1，總磷為0.34 mg·L-1，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。

生物轉盤的盤片性能決定了其運行效果，增大盤片面積，改良盤體結構或附加深度處理都能改善其處理效果，但會造成了占地面積增大，盤體過重的問題，間接增加了運行成本。

2.3 一體化MBR技術

膜生物反應器（MBR）工藝是膜分離技術和生物處理技術的有機結合，是一種新興污水處理工藝[45]。該工藝處理性能穩定，抗沖擊能力強。在我國應用較為廣泛。

常園園[46]等研發了一種新型模塊化MBR工藝，該工藝采用一種抽屜式膜, 大大簡化了維護管理工作，且運行效果良好，對污水的COD、BOD5、NH3-N、TP、SS等污染物均有較好去除效果，出水水質均優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。謝晴[47]等使用一體化“A2/O-MBR”技術處理四川省生活污水，該技術采用自動化控制、超聲波清洗等方式來確保系統的平穩運行。出水指標全部滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。于玉彬[48]等用一體化“SP+MBR”工藝處理農村污水。結果表明該工藝對COD、NH3-N、TP去除率分別可達92.0%、96.0%和91.0%。

MBR工藝因為濃差極化現象很容易造成膜污染，使用化學法進行膜清洗可能造成二次污染，其次膜組件成本投入較高，運維困難，在對污水處理效果要求較高的農村地區較為適用。

2.4 一體化耦合工藝

單一的污水處理技術有時難以達到滿意的效果，往往需要多種技術聯用，綜合各自的優勢，組成耦合工藝，提高污水處理效果。

Wang等[49]研究了“A2/O-MBR”一體化技術處理某農村生活污水和雨水，在一年多的運行調試過程中，該系統對COD、BOD5、TN、TP的去除率分別為83.7%、91.6%、69.0%和74.5%，出水水質能達到景觀用水回用標準和直接排放標準，該技術實現了將約60%的污水回用，投資和運行成本約0.41美元·m-3。

洪日輝[50]等采用“接觸氧化+人工濕地”一體化耦合工藝處理湖北某村莊污水，該系統可根據污染負荷變化靈活調整運行模式，當污染負荷較低時，僅通過人工濕地進行處理，依然能保證處理效果，出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級B標準。

付麗霞等[51]設計了“水解酸化+接觸氧化+MBR”一體化技術處理農村污水。水解酸化段主要去除有機物，COD去除率保持在30%左右；接觸氧化段進行脫氮，對NH3-N去除率保持在70%～80%。經3個月的調試運行，出水中COD、NH3-N、SS和TP等指標滿足河北省《農村生活污水排放標準》（DB 13/2171—2015）一級A標準和(GB 18918—2002)《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準。

一體化耦合工藝可實現較為理想的處理效果，但在確保出水水質達標的前提下，應進一步將流程簡化，降低投資運行成本和維護管理難度。

3 結束語

隨著我國對農村污水治理的不斷重視，一體化技術在未來分散式農村污水處理領域將會受到更多關注。目前，有多種一體化處理技術用于分散式農村污水處理，但仍然存在一些問題：1）目前大多研究集中在對一體化技術的反應器進行改良或對其結構進行優化，對于除磷不達標問題多采用投加鐵鹽的方式來強化，加大了運維難度和成本；2）在分散式農村污水處理領域多以《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)為參考標準，只有少數地區出臺了相關標準；3）對于分散式農村污水處理過程產生的剩余污泥的處理與處置并無太多關注。

針對分散式農村污水處理現狀及存在的問題，提出以下建議：1）未來國家和地方應加緊出臺相應的執行標準。2）加強物理化學處理技術在分散式農村污水處理領域的應用研究，如王磊[52]等研發的緩釋除磷藥劑值得關注。3）農村污水不含重金屬及有毒有害物質，其產生的剩余污泥就地用作制備污泥液態肥的原料，就地資源化利用，將會是一個具有前景的研究方向。

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Research Progress of Distributed Rural Wastewater Integrated Treatment Technology

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（School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an Shaanxi 710048, China）

Rural sewage treatment is one of the most difficult points of current rural environmental problems. Rural sewage has attracted much attention due to its high concentration of nitrogen and phosphorus, it is relatively scattered and difficult to concentrate treatment. In recent years, China has made rapid progress in the research and engineering application of decentralized rural sewage integrated treatment technology. Through integrated activated sludge process, integrated biofilm process, integrated MBR process, integrated coupling process, distributed rural sewage is effectively treated. In this article, the advantages and disadvantages of various integrated treatment technologies for decentralized rural sewage in China were compared, and the current integrated technologies for low nitrogen and phosphorus removal and the treatment and disposal of the sludge produced were analyzed. It waspointed out that strengthening the integrated technology of physicochemical method for nitrogen and phosphorus removal and using sludge from rural sewage to prepare liquid fertilizer should be one of the development directions in the field of integrated rural sewage treatment technology in China.

Integrated technology; Rural sewage; Sewage treatment

陜西省科技統籌創新工程計劃項目（項目編號：2011KTCL01-12）；西安市科技計劃項目（項目編號：20SFSF0012）；西安工程大學研究生創新基金（項目編號：chx2021022）。

2021-10-27

白科（1997-），男，陜西榆林人，西安工程大學環境與化學工程學院2019級在讀研究生，研究方向：分散式生活污水脫氮除磷研究。

X799.3

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1004-0935（2021）12-1813-05