東北寒冷地區農村生活污水處理工藝技術與難點

孫凌波，胡明忠，梁明明，吳永娟，劉立影，侯興順

(長春工業大學化學工程學院，吉林長春 130000)

隨著鄉村振興戰略的不斷推進，農村居民的生活水平已得到極大改善，污水產生量逐年攀升，其中大多數污水未經處理即排放至水體環境，導致水體污染形勢愈發嚴峻。農村水體環境較為脆弱，一旦超過其自身凈化能力，將會對農村水源地以及居民的身心健康產生嚴重威脅。自《農村人居環境整治三年行動方案》頒布以來，農村地區水體污染防治已取得了階段性的勝利，各水體流域水質朝著總體向好的方向發展，然而，位于我國東北地區的松花江流域以及遼河流域的部分河流仍處于污染狀態。2020年《中國生態環境狀況公報》顯示，松花江流域除黑龍江水系為輕度污染外，其余水體水質均達到良好以上水平；相較而言，遼河流域的總體水質較差，除了大凌河水系、鴨綠江水系以及大遼河水系水質較好之外，干流和主要支流均為輕度污染[1]。

東北地區冬季寒冷而漫長，氣候是影響農村污水處理技術選擇的重要因素。同時，復雜多樣的地形地貌、分布分散的村屯以及居民聚集程度的差異增加了污水收集的難度。另外，東北農村地區較為落后的經濟水平導致大部分農村并沒有足夠的經濟實力來建設完善的污水處理設施[2]。農村居民淡薄的環保意識、相關政策以及法律法規的缺失也使農村污水治理事業受到阻礙。本文結合東北地區農村生活污水處理現狀以及水質特征，提出當前農村地區污水治理所存在的難點和困境，并針對性地提出適用于該地區的污水處理技術，為東北農村污水治理事業的長效推進提供參考。

1 東北地區農村生活污水處理現狀及水質特征

國外從很早就開始針對農村污水進行相關處理技術的開發與研究，經過半個多世紀的發展，已經形成了較為完善的農村污水治理體系，發明了許多先進的技術并積累了大量成熟寶貴的經驗，如日本JARUS模式凈化槽[3]、美國分散型污水處理系統[4]、韓國濕地污水處理系統[5]、荷蘭一體化氧化溝[6]、德國百樂克(BIOLAK)污水處理系統[7]、澳大利亞非爾脫(FILTER)污水處理系統[8]、美國高效藻類塘(HRAP)[9]以及Living Machine System[10]等。在此基礎上，這些發達國家還制定了相關法律法規以保證農村污水治理朝著標準化和規范化方向不斷發展[11]。與發達國家相比，我國對于農村污水處理的研究仍處于起步階段，尚未形成能夠面向農村地區大范圍推廣與普及的研究成果，目前僅在部分經濟較為發達的南方地區如江蘇、浙江、上海等地建設農村污水治理示范工程，而在東北寒冷地區仍缺少相關示范工程的有力指導。表1顯示了東北地區對農村污水處理情況的統計數據分析，由此可知，東北地區未對生活污水進行處理的鄉鎮仍占極大比例，再加上國家和地方針對農村污水治理的相關規范以及法律法規尚不完善，導致在農村污水處理的技術開發和管理上均遠落后于世界發達國家[12]。

表1 東北地區農村污水處理統計Tab.1 Statistics of Rural Wastewater Treatment in Northeast China

我國東北地區農村生活污水主要表現出以下特征：(1)農村生活污水一般分為黑水和灰水，黑水由尿液、糞便、沖廁污水以及圈舍沖洗污水組成，而灰水則由洗滌和洗浴污水、餐廚污水等組成，黑水的污染物濃度遠高于灰水；(2)生活污水中N、P以及有機物含量較高，同時還存在著大量病原微生物，一般不含重金屬等高毒性物質[13]；(3)農村地區人口規模較小，稍大一些的村莊有一二百戶，而小的僅有10戶左右，故產生的污水總量相對較少，一般低于500 m3/d[14]；(4)居民生活習慣較為接近，污水一般呈間歇排放且時間段相對集中，具有一定的規律性，通常在早中晚出現排水高峰，而其他時間段則較少甚至零排放，日變化系數較大，可達3～5[15]；(5)由于村落分布狀況以及人口聚集程度的差異性，同時大部分農村地區經濟仍處于欠發達水平，尚未建設完善的污水收集系統，也無法充分、有效地利用市政管網系統，污水僅通過簡單的明渠或暗溝排放甚至隨意潑灑，污水排放呈現出較強的隨機性和分散性[16]；(6)東北地區多樣的地形地貌以及不同農村的人口規模、生活習俗、經濟水平等因素導致農村地區的污水水量、水質均存在一定程度的區域性差異。

2 東北寒冷地區農村污水治理難點分析

我國東北寒冷地區農村污水治理主要存在以下幾個難點。

(1)農村地區居民文化水平有限，《中國農村統計年鑒2020》顯示，80%以上的農村居民文化程度集中在小學及初中水平，接受過高中及以上教育程度的居民僅占11.2%，因而對污水治理的認知相對匱乏，環保意識和生態意識淡薄，缺乏治理污水以及保護農村環境的積極性和主動性[17]。此外，基層地方政府對于農村生活污水治理工作的宣傳力度仍有待提升。

(2)由于農村和城鎮地區在地理條件、經濟發展水平、居民聚集情況、生活習慣以及污水處理規模等諸多方面均存在較大差異，現有較為成熟的城鎮污水處理模式和工藝在農村地區污水處理中往往表現出較差的適應性[18]。

(3)東北地區冬季的嚴寒氣候導致各類污水處理系統中的微生物以及植物活性受到抑制，嚴重影響污水處理設施的凈化效果，甚至可能無法啟動運行[19]。

(4)城鎮與農村地區的環保資源配置嚴重失衡。在農村地區從事污水治理的相關專業技術人員極為稀缺，大多數農村污水處理設施建成后，僅對當地村民進行簡單培訓后即進行污水處理設施的日常運營和管理，導致污水處理設施的運行維護不理想，進而降低其處理效率[20]。

(5)農村地區污水治理工程資金缺口巨大，基礎設施建設極度匱乏，污水治理事業的推進受到嚴重阻礙[21]。盡管東北地區農村居民人均可支配收入較往年已有顯著提升，但仍難以承擔污水處理設施建設所需的巨額費用，對于農村污水治理項目的建設還只能依靠政府的投資。此外，污水處理系統建成后還需要進行相應的維護和保養工作，產生運行和維護成本，缺乏持續的資金供給，使污水處理設施在農村地區維持長期良性運轉面臨挑戰。

(6)盡管各省已相繼發布了農村生活污水處理設施水污染物排放標準，但目前針對農村地區污水治理所制定的相關標準和法律體系尚未完善，在處理設施建設、具體工藝參數以及運行維護等方面的規定仍處于空白狀態，導致農村地區污水處理設施在規劃設計以及實際建設階段缺乏科學的理論指導，運行效果難以得到保障。

(7)未建立有效的監管體制，農村污水治理工程存在管理主體不明的亂象，各級政府和職能部門權責歸屬模糊，同時還缺乏長期運行效果的監測評價體系[22]。

3 東北寒冷地區農村污水處理技術探究

3.1 選擇原則

針對東北寒冷地區農村生活污水處理技術的選擇要充分結合當地情況，從實際出發，因地制宜地選擇能夠克服冬季寒冷氣候、經濟實用、操作簡單的污水處理技術。

3.2 污水處理模式

東北地區農村分布廣泛，一般來說，不同地域的地形地貌、居民聚集程度、經濟發展水平以及污水特征等均存在一定差異，因此，適用于農村地區的污水處理模式也應隨之表現出多樣性。目前，農村污水處理模式主要可以分為集中處理、分散處理以及納入市政管網統一處理3種類型，其適用條件如表2所示[23]。作為集中處理模式的補充，分散處理模式在布局以及工藝選取上更加靈活多變，有利于解決集中處理模式無法覆蓋的農村地區的污水處理需求，在有效控制投資成本的同時仍能保持較為理想的處理效果[24]。

表2 農村污水處理模式Tab.2 Modes of Rural Wastewater Treatment

3.3 污水處理主要技術

結合上述分析，綜合考慮東北地區的氣候、地理條件及其農村地區的經濟發展狀況、人口分布、污水處理規模等多種因素，可以大致確定以下幾類適用于東北農村地區的污水處理技術，如化糞池和厭氧沼氣池、地下土壤滲濾、潛流人工濕地、穩定塘、一體化污水處理技術以及組合工藝等[25-26]。

(1)化糞池和厭氧沼氣池。化糞池和厭氧沼氣池作為典型的厭氧消化技術在我國農村地區的應用非常廣泛，對于東北地區而言，通常采取地埋式以達到保溫效果。通過微生物的厭氧發酵作用，污水、人畜糞便中的有機物發生轉化，產生沼氣和沼渣，分別可用作燃料和農家肥，在實現污染物降解的同時實現了資源循環利用的目的，是一種資源利用率極高的污水處理工藝[27-28]。數據表明，截至2019年，農村地區戶用沼氣池數量已超過3 380萬個，表3顯示了東北地區戶用沼氣池以及沼氣工程的建設情況。化糞池和厭氧沼氣池優勢在于施工難度低、基建投資省、抗沖擊負荷能力強、管理方便、運行過程中基本不消耗能量、具有極高的蟲卵殺滅能力。然而，由于其停留時間長、污泥產量多、處理效果相對有限、出水難以達到污水排放標準，一般僅用于污水的預處理階段。

表3 東北地區戶用沼氣池以及沼氣工程建設統計Tab.3 Statistics of Household Biogas Digesters and Biogas Project Construction in Northeast China

(2)地下土壤滲濾。地下土壤滲濾是一種污水土地處理系統，污水由距離地面一定深度的布水系統均勻投配至處理系統中，利用土壤基質、微生物以及植物的物理、化學、生物協同作用凈化污水[29]。地下土壤滲濾技術基建投資少、運行耗能低、無需占用地表面積、受溫度影響較小、運行管理方便，還能夠通過自由調節土壤基質的構成成分及比例，以實現污水處理能力的最大化。但該工藝一般水力負荷小、對土地面積需求量較大、易發生土壤堵塞、如防滲不當易造成二次污染，適用于土地資源豐富但資金較為短缺的農村地區，出水經收集系統回收后可回灌作物，以達到水資源循環利用的目的[30]。田寧寧等[31]采用土壤毛細管滲濾技術處理小區生活污水，CODCr去除率可達80%以上，BOD5、氨氮、TP的去除率均達到90%以上，系統在冬季氣溫低至-13.5 ℃的環境條件下，仍能保持良好的處理效果。沈陽也建設有地下土壤滲濾系統示范工程，出水能夠達到中水回用要求，這也證明了該技術在東北嚴寒地區的適用性[32]。

(3)潛流人工濕地。潛流人工濕地是一種仿照自然濕地功能并經過人工適當改造而設計的生態處理系統，按照布水方式可分為水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地，污水在濕地床表面以下流動，能夠有效避免氣溫的影響[33]。濕地系統主要通過土壤基質、微生物以及水生植物三者的共同作用實現水體污染物的有效去除。人工濕地建設投資少、運行費用低、能耗低、維護管理簡單、兼具景觀效應，其劣勢在于占用土地面積較大、污水處理水力負荷有限、基質易堵塞、處理效果受季節影響較大，適合在土地遼闊但資金相對匱乏的農村地區進行推廣與應用[34]。

潛流人工濕地在東北地區的適用性已得到證實，目前已報道了沈陽滿堂河人工濕地[35]、沈陽渾南人工濕地[36]、哈爾濱信義溝人工濕地[37]、遼河流域人工濕地面源污染治理[38]以及污水廠出水深度處理[39]等示范工程。這些工程在-30～-20 ℃的嚴寒氣候下仍能保持較為理想的污水凈化效果，與此同時，工程的建設及運行成本與傳統污水處理工藝相比也得到了極大的削減。對于東北農村地區而言，可充分借鑒以上建設經驗，通過采取一定的保溫措施(如植物覆蓋法、冰雪覆蓋法、地膜保溫法、溫室保溫法)或提升濕地系統內部溶解氧量(出水回流、人工曝氣、多點進水、間歇運行)等方式保證潛流人工濕地的凈化能力[40-41]。此外，還有研究者[42]提出在傳統人工濕地的基礎上進行結構改造，構建新型復合增強型雙層潛流人工濕地，當氣溫較高時，采用上層濕地處理污水，而進入冬季后，底層濕地則進入工作狀態，保證系統在低溫期的正常穩定運行。

(4)穩定塘。穩定塘是一種利用水體自凈過程凈化污水的處理系統，能夠充分依靠藻類及其他各類微生物的協同作用降解污染物。穩定塘設計簡單，能夠充分利用地形優勢節省建設成本，同時，在運行過程中耗能低、管理方便，大大減少了運營成本。它的缺點是占地面積大、停留時間相對較長、僅能處理低濃度污水、污水處理效果受光照和溫度等環境條件影響較為嚴重、易滋生蚊蟲和臭味等[43]。穩定塘在東北農村地區使用時，可采用增加曝氣或多塘串聯的方式保證其正常運行，也作為臨時儲水塘使用，適合在經濟條件有限、有天然低洼地或廢棄塘的農村地區進行應用[44]。孫楠等[45]提出了以凹凸棒土作為填料，構建了凹凸棒土-穩定塘模式處理嚴寒地區農村生活污水，在最優運行條件下，系統對CODCr、氨氮、TP的平均去除率分別達到了91.5%、87.7%、84.1%，與單一穩定塘相比，污染物去除率均有所提升。遼寧省開原市慶云堡鎮建設了由前置強化塘、自然塘和后置調節塘組成的生活污水處理工程，處理規模為2 000 m3/d，出水水質可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)二級標準，該工程為東北地區穩定塘系統的冬季低溫運行提供了良好的示范作用[46]。

(5)一體化污水處理技術。一體化污水處理技術是一種將預處理、生化處理以及污泥處理等流程集于一體的污水處理工藝，在東北農村地區常采用地埋式，當建于地面上時，應采取適當的保溫措施。一體化污水處理技術所包含的污水處理工藝更為多樣化，但其主體工藝基本為生物處理法，如生物接觸氧化法、AO或AAO、序批式活性污泥法(SBR)、膜生物反應器(MBR)以及其他變形、組合工藝等[47]。該技術可以充分依據其服務區域的水量、水質進行針對性設計，具有靈活性高、空間占用少、運行費用低、處理效率高、易于實現自動化、管理方便等諸多優點，但是相應的工程建設及維護成本與傳統生態處理工藝有所提升，因而適用于污水處理規模較小、有一定的經濟實力且對出水水質要求較高的農村地區[48-49]。遼寧省某村莊采用兼氧MBR一體化設備處理生活污水，設備整體埋于地下以起到保溫效果，監測時段內各項水質指標均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B標準，衛生條件也得到極大提升，在北方農村有著良好的應用前景和推廣價值[50]。遼寧省盤錦市大洼區清水河流域的周邊村鎮采取一體化接觸氧化污水處理設施處理農村生活污水，出水水質達到一級A標準，能夠有效減少河流污染，改善水體環境[51]。谷成國等[52]針對東北地區的村鎮污水提出了AAO+MBR+MBBR一體化污水處理集成化設計工藝，與單項工藝相比，集成工藝具有更強的穩定性以及更高的污染物處理效率，對CODCr和氨氮的去除率分別達到92.85%和97.19%，滿足遼寧省地方標準《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》中的一級標準，但是工藝成本也相應提升，其大規模應用受到制約。

(6)組合工藝。一般而言，單一類型的污水處理技術由于其自身局限性通常不能達到理想的預期治理效果，此時需要結合實際情況對多種污水處理工藝進行靈活組合與優化，從而實現污水處理效果最大化的目的，如生態組合工藝、生物組合工藝以及生態-生物組合工藝等。組合工藝將其包含的各類單一工藝的優勢集于一身，因而具有更強的穩定性和抗沖擊負荷能力，出水水質也更加優良，適用性也更為廣泛，但是其建設及運行成本也相對增加，適用于有一定經濟基礎且對出水水質要求較高的地區[53]。宋鐵紅等[54]構建了厭氧折流板反應器(ABR)酸化預處理+兩級人工濕地組合工藝凈化生活污水，采取珍珠巖作為保溫材料，在室外氣溫低至-30 ℃的條件下，工藝仍能保持穩定的去除效果，結果表明，低溫對酸化過程產生的影響遠小于濕地，當系統溫度保持在5 ℃以上時，濕地對CODCr的去除率與夏季水平相當，而當溫度低于5 ℃時，CODCr的去除率則降低至50%以下。吳迪等[55]探究了兩級回流生物膜工藝對農村生活污水的處理效果，設計處理規模為100 m3/d，結果表明，工藝對CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS的平均去除率分別可達到75.7%、84.8%、69.2%、68.0%、58.9%、87.9%，除TP達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的二級標準外，其余指標均符合一級B標準。表4列舉了一些組合工藝在東北地區農村污水處理的應用案例，從表中可以看出生物+生態組合工藝在達到高凈化效率的同時還能保持較低的投資成本，因此，這種處理工藝較為符合東北農村地區的實際情況。

表4 組合工藝在東北農村污水處理案例Tab.4 Application Cases of Combined Processes in Rural Wastewater Treatment in Northeast China

4 結論

針對東北地區農村污水處理存在的問題，可采取以下措施：(1)研發農村污水處理新工藝，降低污水處理成本，加強專業技術人才的培訓規模與力度；(2)大力推廣操作以及維護簡單的工藝；(3)加快制定相關政策、標準以及法律規范，明確主體責任，積極推動農村生活污水治理的規范化發展；(4)從實際出發，因地制宜，針對不同農村的現場情況制定相應的污水處理工藝路線；(5)國家和地方各級政府應針對污水處理設施的后期運行與維護制定相應的政策并提供資金支持，同時拓寬資金渠道；(6)加大環保宣傳力度，積極轉變農村居民對于污水處理的認知和態度，提升農民的認同感和參與感。

東北農村地區特殊的地理及氣候特征使污水處理技術的應用受到限制。因此，在選取適用于該地區的污水處理技術時，要綜合考慮農村地區的客觀條件，遵循因地制宜的原則，對于當前已存在的污水處理技術，未來應著眼于進一步拓寬其應用范圍、提升其處理能力，如經過適當的技術改良或采取一定的保溫措施使其達到滿意的凈化效果。農村污水治理是創造農村宜居環境，提升農民群眾幸福感的重要一環，能夠產生諸多綜合效益，對實現鄉村振興、改善農村人居環境具有極為重要的意義。