農村生活污水處理技術與模式研究情況

汪澤鋒，操家順，王超越，殷同昕

(1.河海大學 環境學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 3.國河環境研究院(南京)有限公司，江蘇 南京 211599；4.江蘇東華市政工程設計有限公司，江蘇 南京 210008)

隨著農村地區經濟水平的大幅度提升，農村生活污水排放量也不斷增大，從而導致污染物排放負荷逐年增長[1]，這不僅嚴重制約了農村地區的經濟發展，破壞了農村水環境，而且對農村居民的用水安全造成影響。

長期以來水污染治理工作相對集中于城市地區，農村地區水環境治理及保護遠未跟上城市的步伐。目前，由于大部分農村沒有建設相應的排水管網系統，導致大量生活污水就近排入農村附近河流，引發自然水體的富營養化及黑臭現象。此外，少部分已開展農村生活污水治理的地區存在污水處理設施運行效率不高的問題。因此，采用科學有效的處理工藝，探索因地制宜的處理模式，加快推進農村生活污水處理工作，是實現鄉村振興戰略的迫切需要[2]。

本文介紹了農村生活污水的來源、特點以及存在的問題，詳細闡述了農村生活污水處理模式的種類，并根據城鎮污水收集管網分布、村居情況、地形這幾方面進行比較，來確定農村生活污水處理模式。介紹了我國常見的農村生活污水處理技術：AAO、MBR、人工濕地、曝氣生物濾池、化糞池以及基于各類工藝的一體化處理裝置、組合工藝等，以及將來能應用到農村的新型污水處理技術，并比較了各工藝對農村生活污水處理效能的影響，為今后關于農村生活污水處理的研究提供參考。

1 農村生活污水特點

1.1 農村生活污水來源

根據污水來源可將農村生活污水分為黑水和灰水兩類，黑水是指人體的排泄、沖刷所產生的高濃度生活污水，具有污染物濃度高、水量小的特點，來源是廁所污水；灰水是在洗滌、清潔過程中產生的低濃度、水量大的生活污水，來源是廚房污水和洗滌污水[3-4]。目前，農村生活污水的源頭分離和分散處理由于沒有長距離的管道建設，減少剩余污泥產量，降低建設和運營成本，提高污水處理效率，改善水資源的再利用等優點得到研究者的廣泛關注與應用[5-6]。不同類型的農村生活污水的化學組分以及在農村污水量的占比見表1。

表1 農村生活污水中污染物來源及組成[3]Table 1 Sources and composition of pollutants in rural domestic wastewater

1.1.1 廁所污水 廁所污水主要包括廁所糞便、尿液及沖廁水等。生活污水中大部分的氮、磷都來自于廁所污水，同時還會含有大量的致病微生物[7-8]。何源等[9]對巢湖地區農村生活污水產排污調研，發現灰水和黑水污染物COD、NH3-N、TN及TP負荷占比分別為72.40%和27.60%，15.07%和84.93%，28.77%和71.23%以及54.55%和45.45%。

1.1.2 廚房污水 廚房污水主要由洗碗水、淘米水、洗菜水等組成。廚房污水中含有米糠、菜屑、動植物脂肪和鈉、醋酸、氯、碘等多種元素，導致BOD、COD含量很高。

1.1.3 洗滌污水 洗滌污水由洗衣水、洗漱水、洗澡水等組成。農村地區大部分家庭長期使用洗衣粉和肥皂等洗滌用品，導致生活污水中N、P含量高，對農村水體造成巨大污染，加重了水體富營養化。

1.1.4 其他污水 主要指畜禽養殖、水產養殖、農產品加工、農家樂等所產生的，無法與廚房污水、洗滌污水和廁所污水分流的污水。

1.2 農村生活污水特點

由于我國地域寬廣、幅員遼闊，農村地區村莊數量眾多且分布分散，不同農村地區的經濟水平、生活習性、地理位置等均有不同，導致存在不同的農村生活污水水質水量及排放規律[10]。

1.2.1 污水總量巨大且逐年增加 目前，我國農村約有8.2億多人口，約占全國總人口的60%，排水總量超過6 000萬m3/d，約占城市污水量的50%[11]。隨著農村經濟的發展，農村生活質量的提高，農村生活污水的排放總量將不斷增加。

1.2.2 污水處理量小 農村地區村莊分布分散，單個村落居住人口不多，且生活污水人均排放量較小，導致需要處理的污水量小。據調查，一個200戶、1 000人左右的村莊，污水處理量在100 t/d左右[12]。

1.2.3 水質、水量日變化大 農村居民生活作息規律，一天中有3個用水高峰時段，分別在早上6點～8點、中午11點～1點和晚上5點～8點，夜間基本不排水。污水為非連續性排放，水量變化幅度大[13]，日變化系數為3.5～5.0，同時由于各時間段排放的污水不同，導致污水水質在各時間段存在差異。

1.2.4 水質、水量季節性變化 夏季由于降雨較多，農村生活污水排放量較大，但污水中污染物的濃度較低；冬季由于枯水期的原因，農村生活污水排放量較小，污水中污染物的濃度較高，導致對周圍水體的污染嚴重[8]；春秋季農村生活污水水質水量較平穩。

1.2.5 水質、水量地區性差異大 由于我國農村地區的經濟水平、生活習性、地理位置各不相同，導致不同地方的農村生活污水水量、水質不同[14]。表2羅列了部分地區農村生活污水水質、水量的研究情況。

表2 部分地區農村生活污水水質、水量的研究情況Table 2 Research situation of the quality and quantity of rural domestic wastewater in some areas

1.2.6 具有可生化處理性 農村生活污水中的N、P及有機物的濃度較高，且一般不含重金屬等有毒有害物質，易生化處理。

1.2.7 污水隨意排放 大部分農村沒有建設相應的排水管網系統，大部分農村生活污水就近排入附近水體，部分污水直接傾倒在地表[21]，剩余部分經簡易的污水處理設施處理，排放的污水處理率低，污染附近流域水質以及土壤土質。

1.3 農村生活污水處理存在的問題

1.3.1 污水收集系統不完善 由于農村地區分布分散，管網建設資金需求量大，管網建設沒有跟上處理設施的建設，導致處理設施的閑置。同時，污水收集系統存在已有管網破損或堵塞嚴重的問題。部分地區(如遼寧省)建設了覆蓋度較高的主干管網，但是存在支管入戶率低的問題，產生的生活污水無法收集到主管網中，對后續農村生活污水處理產生影響[22]。

1.3.2 農村生活污水治理設施缺乏針對性 目前，我國有260萬個農村，各個村之間差異巨大，地形氣候、人口組成、人口聚集度、污水水質水量、水環境承載力、經濟水平、發展需求、生活習慣等都不同，就連一個鄉鎮內的不同村莊都存在巨大差異。這種情況下，很難只采用一種處理模式、工藝應用到農村生活污水處理，需要根據各個村莊的實際條件，因地制宜地選擇處理模式和工藝。而實際上，部分市區在農村生活污水治理時采用一套設備、工藝、標準去處理導致污水處理設施達不到預計效果。

1.3.3 運維資金不足 農村生活污水處理中存在重建設、輕運維傾向的現象：建設成本可以通過項目申報等方式得到，但運維資金絕大多數需要基層政府自行解決。

1.3.4 運維管理主體不明確 農村生活污水處理的運維管理主體復雜，有政府部門、相關企業單位(建設、運維)、當地的村委會等，各單位、部門間分工不明確，界限劃定不清晰，權力與義務劃定不統一，難以有效統一管理[23]。

2 農村生活污水處理模式

農村生活污水處理可分為納管處理、集中處理和分散處理三種處理模式[24-25]。處理模式的選擇需要根據當地的實際情況來確定。

2.1 納管處理模式

納管處理模式是將農村生活污水集中收集，納入污水處理廠或附近的污水處理設施統一處理。納管處理模式能夠降低農村生活污水處理時的費用，保障農村生活污水的處理效果[26]，是農村生活污水處理首先考慮的處理模式。

2.2 集中處理模式

集中處理模式適用于農村生活污水無法納入污水處理廠或城市污水干管，需要自行建設污水處理設施，解決農村生活污水出路而采取的一種治理模式。

2.3 分散處理模式

分散處理模式適用于水系豐富地區、山區等管網建設難度大的地區的農戶，或村莊中分布較為偏僻的單戶或相鄰農戶的污水處理。即以單個農戶或相鄰幾戶農戶為單位分別各自就地處理污水的模式，而無需鋪設專門的村莊污水收集管網。

2.4 處理模式選擇

農村生活污水處理模式(納管處理、集中處理、分散處理)的選擇，應根據村莊條件因素(村居情況、房屋密度等)、自然因素(地形、水系條件、環境敏感程度等)、建設因素(管道鋪設、施工條件等)、經濟因素(建設投資、運維成本等)等多方面因素的綜合考慮[26-27]。由于村莊居民分散程度、村莊(或居住區)規模直接影響管道鋪設距離、污水處理設施建設規模、建設資金投入等因素，因此主要根據附近是否有城鎮污水收集管網、村莊居民分散程度、地形來確定農村生活污水處理模式。各農村地區可結合村莊實際特征，可參照表3的內容選擇。

表3 農村生活污水處理模式選擇Table 3 Rural domestic sewage treatment mode selection

3 農村生活污水處理技術

我國常見的農村生活污水處理技術包括AAO、MBR膜生物反應器、人工濕地、曝氣生物濾池、化糞池等以及基于以上工藝的一體化處理裝置、組合工藝。應該根據不同地區的水體排放要求、排放水質特點選擇適宜的污水處理技術，以此實現農村生活污水經濟高效的處理[28]。

3.1 AAO工藝

AAO是目前應用最廣泛的脫氮除磷工藝，具有構造簡單、運行方式靈活、HRT短、不易污泥膨脹、投資成本低、易于運維等優點，但AAO工藝存在碳源競爭、來水水質水量穩定性要求，運行穩定性不高等問題，影響了AAO工藝的脫氮除磷效果[29]。陳江杰等[30]調研了長三角平原地區AAO工藝處理農村生活污水的效果，COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別為(46.9±30.5)%，(46.0±37.3)%，(19.7±18.7)%和(25.1±21.9)%。

3.2 MBR膜生物反應器

3.3 人工濕地

3.4 曝氣生物濾池

3.5 化糞池

化糞池是農村生活污水處理中常用的設施，由于化糞池對污染物的去除效果有限，化糞池一般僅作為預處理設施，多與其他處理技術聯用[28]。常見的化糞池結構為“三格式”，主要通過沉淀和厭氧發酵來去除生活污水中的懸浮性有機物。化糞池具有建設投資小、無能耗、易于管理、占地少等優點。

3.6 一體化處理技術

一體化處理技術將傳統污水處理工藝的各部分進行模塊化單元組合并對整體空間布局設計與優化，能夠根據實際的進水水質水量要求設計不同規模的污水處理工藝，具有運輸方便、組裝簡便及占地面積較小等優點[38]。

3.7 組合工藝

在實際應用中發現采用單一的技術難以實現對污水的高效穩定去除，采用兩種技術組合應用，可有效彌補單一污水處理技術存在的不足，形成優勢互補，污水凈化效果明顯提升[28]。根據不同地區的區域位置、經濟條件、水質水量等要求可選擇不同的組合工藝，目前主要有AAO-MBR、MBR-人工濕地、曝氣生物濾池-人工濕地等組合工藝。各工藝農村生活污水處理效果見表4。

表4 各工藝農村生活污水處理效果一覽表Table 4 List of rural domestic wastewater treatment effects by process

3.8 新型農村污水處理工藝

目前，全世界面臨資源能源短缺的問題，研發新型農村污水處理技術，強化農村污水處理效果、降低運維能耗、藥耗以及投資成本，實現農村污水處理的節能降耗十分必要。近年來，厭氧氨氧化、同步硝化反硝化以及短程硝化反硝化等技術成為國內外污水處理領域的熱點。

3.8.3 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化將硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，之后直接進行亞硝酸鹽型反硝化。短程硝化反硝化為硝化作用節省了約25%的氧氣供應，為反硝化作用節省了40%的有機碳作為電子供體，并實現了較低的污泥產量[47]。

根據上述新型脫氮除磷技術研發新型污水處理工藝，實現高效、低碳、穩定處理農村生活污水。

4 總結與展望

農村生活污水處理作為農村人居環境整治的重要組成部分，是實施鄉村振興戰略的重要一環。目前，大部分地區農村生活污水處理主要關注在污水處理設施上，而忽視了前期設計和后期運維的重要性，在農村生活污水處理模式與技術的選擇上仍比較隨意和盲目。因此，在農村生活污水處理過程中，應因地制宜，結合當地農村人口、經濟、資源、生態、環境及其工程技術、運行效率等條件，選擇合適的處理模式與技術，同時盡可能考慮投資成本、運維管理的可行性與適用性，使農村生活污水得到有效治理，更好地保護農村生態環境。

未來農村生活污水處理的發展可能主要分為以下幾個方向。

(1)規劃設計的完善。完善相應規劃設計，解決目前農村生活污水處理因缺乏建設、驗收和運維標準，難以對設施建設質量和運行維護進行技術指導和規范管理，治理效果難以保障等問題。

(2)優化農村生活污水處理模式選擇研究。根據不同區位條件、村莊分布、人口密度、環境本底、經濟基礎等方面的不同特征，構建適應不同村莊特征的農村生活污水處理模式選擇模型。

(3)研發高效、穩定、低碳新技術。為實現碳中和的目標，研發廢水生物處理工藝脫氮除磷新技術是有效去除氮污染，實現節能降耗的重要途徑。