山東省農(nóng)村低成本污水處理工藝探討

姚慶豐,王金巖,左長(zhǎng)安

山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061

隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和農(nóng)民生活水平的不斷提高，農(nóng)村生活污水的排放量也與日俱增。建設(shè)部《村莊人居環(huán)境現(xiàn)狀與問題》調(diào)查報(bào)告顯示，在我國(guó)，96%的村莊沒有排水管網(wǎng)和污水處理設(shè)施[1]，生活污水隨意排放，造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重污染，甚至危及農(nóng)民的飲水安全。農(nóng)村生活污水所造成的污染問題已不容忽視，污水治理刻不容緩。

然而，由于目前農(nóng)村經(jīng)濟(jì)實(shí)力薄弱，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平較低，許多在城市污水處理系統(tǒng)中行之有效的污水工藝因成本過高，難以在農(nóng)村普及。另外，隨著近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)污水處理的越發(fā)關(guān)注，污水處理工藝日趨成熟，污水處理技術(shù)呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)，各種新型、改良技術(shù)層出不窮，但由于各地村莊在自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、村莊典型特征等方面存在差異，鮮有某種工藝能滿足廣大農(nóng)村的污水處理需求。在此背景下，為每個(gè)村莊選擇適宜且低成本的污水處理工藝已成為一個(gè)亟需解決的問題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 低成本農(nóng)村污水處理工藝影響因素

農(nóng)村污水具有水質(zhì)穩(wěn)定，有機(jī)物含量高，不含重金屬和有毒物質(zhì)，可生化性好，面廣分散，收集困難，水量變化大，排放不均勻等特征[2]。為了實(shí)現(xiàn)因地制宜的低成本污水治理，污水工藝的選擇需要充分考慮當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩?、社?huì)經(jīng)濟(jì)及村莊典型特征等因素（圖1）。

1.1 自然地理因素

1.1.1 地理位置 山東省遼闊的省域范圍使得省內(nèi)村莊的自然地理差異十分明顯，地理位置將在很大程度上影響污水處理工藝的選擇。例如，沿海及平原水網(wǎng)發(fā)達(dá)地區(qū)的村莊可充分利用現(xiàn)有水塘河道，建設(shè)強(qiáng)化型氧化塘或人工濕地。

圖1 污水處理工藝影響因素Fig.1 Influence factors of sewage treatment process

1.1.2 地形地貌 根據(jù)山東地貌類型分布規(guī)律，可將全省劃分為四個(gè)地貌類型區(qū)：魯西北平原區(qū)、魯中南山地丘陵區(qū)、魯東丘陵區(qū)和海濱地貌區(qū)[3]。不同的地貌特征會(huì)對(duì)污水工藝的選擇產(chǎn)生不同影響。例如，山地型村莊的污水宜實(shí)行滲水井排放，或可利用地勢(shì)落差采用無動(dòng)力階梯式污水處理工藝。

1.1.3 氣候條件 一個(gè)地區(qū)的溫度與降雨量將直接影響污水工藝的選擇。山東省冬季溫度偏低，故某些對(duì)溫度敏感的污水工藝將慎重選擇。例如，蚯蚓生態(tài)濾池技術(shù)適用于我國(guó)南方地區(qū)，蚯蚓的生存溫度為3～35℃，且具有冬眠和夏眠的習(xí)性，易造成出水水質(zhì)不穩(wěn)，故難以在北方寒冷地區(qū)采用[4]。

1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素

1.2.1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平 各地村莊經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異較大。當(dāng)村莊的經(jīng)濟(jì)水平較高時(shí)，農(nóng)民生活富裕充實(shí)，對(duì)環(huán)境要求較高，會(huì)選擇比較完善、環(huán)境效益好的污水收集和處理系統(tǒng)[5]。然而，山東省廣大農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力仍較薄弱，污水處理設(shè)施的建設(shè)與運(yùn)維成本將作為污水工藝選擇的首要因素。

1.2.2 村莊職能 山東農(nóng)村可大體劃分為傳統(tǒng)農(nóng)耕型、畜牧養(yǎng)殖型、海濱漁業(yè)型、工業(yè)型、旅游型以及其他型村莊。不同類型村莊由于從事的生產(chǎn)活動(dòng)不同，污水類型存在較大差異。例如，旅游型村莊為滿足游客的生活需求，村內(nèi)往往建有農(nóng)家樂、特色餐廳等產(chǎn)油污量較大的服務(wù)設(shè)施，故在進(jìn)行污水處理時(shí)，需要增加過濾池等工序，將浮在污水表面的油污祛除，防止油污對(duì)處理設(shè)施造成影響。

1.2.3 技術(shù)能力及運(yùn)維管理水平 當(dāng)前，山東農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重不足，各地已建成的農(nóng)村污水設(shè)施有效運(yùn)行率不足20%，長(zhǎng)期缺乏有效維護(hù)還將加快設(shè)施老化與報(bào)廢[6]。因此，污水工藝的選擇必須結(jié)合村莊實(shí)際情況，充分考慮技術(shù)的合理性，以及建成后設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、管理的可操作性，確保處理設(shè)施長(zhǎng)久、穩(wěn)定的運(yùn)行。

1.2.4 人口密度與人均用水量 當(dāng)村莊的人口密度較大時(shí)，污水可通過管網(wǎng)集中收集處理，同時(shí)需要處理效率高，污水負(fù)荷大的處理工藝與之匹配；當(dāng)人口密度較小時(shí)，污水可分散收集，就地處理排放，此時(shí)，采用各種小型分散式污水處理工藝將有效降低污水治理的成本。

人均用水量取決于一個(gè)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平、氣候特點(diǎn)、季節(jié)變化等因素。當(dāng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)較好時(shí)，農(nóng)民家中的用水設(shè)備更加完善，如抽水馬桶、洗衣機(jī)、淋浴等設(shè)施將增加污水產(chǎn)量。另外，季節(jié)變化對(duì)用水量的影響也不容忽視，一般說來，夏季由于洗浴、洗衣等較為頻繁，用水量全年最多。當(dāng)用水量波動(dòng)較大時(shí)，需考慮在處理設(shè)施前設(shè)置調(diào)節(jié)池。

1.3 村莊典型特征

1.3.1 山東農(nóng)村污水情況 當(dāng)前，山東農(nóng)村絕大部分尚無系統(tǒng)的排水管網(wǎng)，雨水與污水均沿道路邊溝排至就近水體或直接下滲。由于受傳統(tǒng)生活習(xí)慣影響以及現(xiàn)實(shí)排污管道、污水處理廠、垃圾收集、處理等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后的制約，污水依然未經(jīng)處理，隨處排放，給村莊環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。

1.3.2 村落空間形態(tài) 從居住聚集程度看，可將山東村莊大體分為集中型和分散型[7]。集中型村莊常見于平原地區(qū)，村戶的相對(duì)集中，使得污水可優(yōu)先考慮通過溝渠或管網(wǎng)集中收集處理。此類村莊宜采用生態(tài)濾池等負(fù)荷量較大的工藝類型；分散型村莊常見于山地或丘陵地區(qū)，分散的空間形態(tài)以及高度錯(cuò)落的地形環(huán)境，使得村內(nèi)污水難以集中鋪設(shè)管網(wǎng)進(jìn)行收集，宜采用分散型污水處理工藝，就地收集處理。

1.3.3 現(xiàn)有土地資源 村莊土地資源包括自然池塘、閑置溝渠、荒地、河塘等可利用空閑地。當(dāng)村莊土地資源豐富時(shí)，占地面積較大的自然處理工藝以其成本低廉、生態(tài)環(huán)保等特點(diǎn)成為優(yōu)先考慮的工藝類型。而生態(tài)濾池等工藝占地面積小、處理效率高，適用于用地緊張的村莊。例如，東南大學(xué)研發(fā)了一種地埋式充氧生態(tài)濾池工藝，裝置完全埋于地下，覆土后地面可正常進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕種，基本不占用土地資源。

1.3.4 污水處理要求 當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村污水的排放主要執(zhí)行城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)情況下能夠較好的滿足農(nóng)村對(duì)污水的處理要求。但當(dāng)村莊位于水源保護(hù)區(qū)、嚴(yán)重缺水地區(qū)、重要濕地等生態(tài)敏感區(qū)時(shí)，為防止污水排放對(duì)水資源的污染，需要收集敏感地域的全部污水，同時(shí)采用處理效率高、出水水質(zhì)好的污水處理工藝，進(jìn)一步提高污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.5 污水收集模式 污水治理的核心在于污水的收集與處理，在選擇處理工藝前需要確定污水的收集模式。根據(jù)人口規(guī)模、聚居程度、地形特點(diǎn)等差異，可將山東農(nóng)村污水收集模式大體分為住戶分散收集、村鎮(zhèn)集中收集與市政統(tǒng)一收集3種模式[8]。污水收集模式將通過污水流量、處理效率、污水處理設(shè)施的建設(shè)成本等方面影響污水工藝的選擇。例如，當(dāng)村莊為分散式單戶處理時(shí)，由于污水量較小，可采用庭院式人工濕地等相對(duì)低成本的工藝類型。

2 農(nóng)村污水處理工藝的選取原則

由于山東農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)實(shí)力薄弱，缺乏專業(yè)技術(shù)人員，設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理能力不足，因此污水治理不能一味執(zhí)行城鎮(zhèn)污水處理模式，污水工藝的選擇需具備技術(shù)合理性、成本有效性和生態(tài)適宜性[9]。具體選擇時(shí)，應(yīng)該考慮以下4個(gè)方面。

2.1 因地制宜，充分利用資源

由于農(nóng)村地區(qū)自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及村莊典型特征等存在較大差異，污水處理不能拘泥于一種或幾種類型，需通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，采用因地制宜、多元化的處理工藝。同時(shí)應(yīng)充分利用村莊周邊閑置溝渠、荒地、廢棄河塘等自然資源，節(jié)省占地面積，不占良田。

2.2 流程簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便

農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平較低，污水工藝規(guī)模較小，因此需盡量減少工藝環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化流程。同時(shí)選用運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)需求少、日常管理方便的工藝類型，以便設(shè)備能在當(dāng)?shù)乇∪醯募夹g(shù)管理能力下正常運(yùn)行。

2.3 建設(shè)費(fèi)用低，管理花費(fèi)少

農(nóng)村污水治理需貫徹低成本的核心原則，污水工藝的一次性投資建設(shè)費(fèi)用不宜過高，應(yīng)在農(nóng)村現(xiàn)有財(cái)政能力的承受范圍之內(nèi)。污水處理應(yīng)選擇低能耗甚至零能耗的工藝類型。同時(shí)，處理工藝不使用化學(xué)藥劑，設(shè)備維護(hù)管理費(fèi)用應(yīng)與村民的經(jīng)濟(jì)能力相匹配。

2.4 生態(tài)適宜，美化環(huán)境

農(nóng)村污水治理需要充分考慮污水的資源化利用，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)出水直接用于農(nóng)業(yè)灌溉、景觀用水，做到節(jié)約水資源，保護(hù)水環(huán)境，打造生態(tài)適宜的鄉(xiāng)村環(huán)境。另外，污水處理設(shè)施的建設(shè)應(yīng)與景觀規(guī)劃相結(jié)合，使處理設(shè)備外觀與環(huán)境相協(xié)調(diào)，爭(zhēng)取達(dá)到改善村莊現(xiàn)狀，美化人居環(huán)境的作用。

3 山東農(nóng)村低成本污水處理工藝特征

選擇低成本的適宜污水處理工藝，需要對(duì)各類工藝的技術(shù)特點(diǎn)、適用條件、建設(shè)運(yùn)行成本、適用村莊特點(diǎn)及維護(hù)管理等方面具有全面、清晰的認(rèn)識(shí)。本文從國(guó)內(nèi)外的污水工藝中篩選出20余種適合山東農(nóng)村的工藝類型，并將其歸納為自然處理工藝[10]、生態(tài)濾池工藝[11]、新型適用工藝[12]及組合工藝（表1）[2,3,9,12]。

表1 山東農(nóng)村污水處理工藝分類Table 1 Classification of rural sewage treatment technology in Shandong Province

3.1 自然處理工藝

自然處理工藝主要指通過人工濕地或土壤滲濾系統(tǒng)等利用自然界中植物、基質(zhì)和微生物三者的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化作用，流歸地下水的處理工藝[10]，具有運(yùn)行簡(jiǎn)便，易于操作管理，節(jié)省能源，污水處理與農(nóng)業(yè)利用相結(jié)合，充分利用水肥資源，綠化大地，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)等特點(diǎn)（表2）[10,12,13]。

表2 自然處理工藝Table 2 Natural treatment technology

3.2 生態(tài)濾池工藝

生態(tài)濾池工藝是生物膜法處理污水的一種人工生物處理技術(shù)。工藝原理為污水流經(jīng)塊狀濾料層表面使其形成生物膜，棲息在生物膜上的微生物攝取流經(jīng)污水中的有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)，從而使污水得到凈化[14]。以下為5種適合山東農(nóng)村的工藝類型（表3）[11-14]。

表3 生態(tài)濾池工藝Table 3 Ecological filter technology

3.3 新型適用工藝

隨著農(nóng)村污水治理的不斷推進(jìn)，在污水處理工藝的深入研究中，逐漸發(fā)展出一些新的工藝類型，它們具備占地面積小、處理高效、設(shè)備運(yùn)行全自動(dòng)化、美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于新型工藝的建設(shè)運(yùn)行成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝，現(xiàn)階段難以在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)普及，但隨著新型技術(shù)的不斷突破，成本將會(huì)進(jìn)一步降低。介紹2種有一定前景的工藝類型（表4）[12,13]。

表4 新型適用工藝Table 4 New applicable technology

3.4 組合工藝

組合工藝是根據(jù)農(nóng)村當(dāng)?shù)氐膶?shí)際水質(zhì)及出水用途，將2個(gè)或3個(gè)工藝組合，提高處理效果和系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷性能，以期達(dá)到處理效果和經(jīng)濟(jì)性的最佳組合[15]。常見組合有厭氧、生物處理與人工濕地組合等，生物處理工藝通常有接觸氧化、滴濾池、生物過濾等，組合靈活，以下為7種常見類型（表5）[12,13,16-18]。

表5 組合工藝Table 5 Combination process

4 山東農(nóng)村低成本污水處理工藝選擇流程

在選擇適宜的污水處理工藝時(shí)，需要遵循一定的選擇流程：

1）對(duì)山東農(nóng)村的自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及村莊典型特征進(jìn)行了解，明確當(dāng)?shù)氐奈鬯幚硇枨?、可利用的自然資源、可承受的基建運(yùn)維成本等條件；

2）結(jié)合山東農(nóng)村污水處理工藝的特征，選出滿足需求的工藝類型；

3）對(duì)幾種適宜的工藝進(jìn)行成本分析，確定相對(duì)低成本的污水處理工藝；

4）當(dāng)單一處理工藝無法滿足農(nóng)村實(shí)際需求時(shí)，可在山東農(nóng)村污水組合工藝中進(jìn)行選擇，以期達(dá)到處理效果和經(jīng)濟(jì)性的最佳組合（圖2）。

圖2 污水處理工藝選擇流程Fig.2 The selection process of sewage treatment technology

5 結(jié)語

加快農(nóng)村污水治理不僅是環(huán)境整治的需要，也是我國(guó)深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村，推進(jìn)農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的必然過程[12]。在選擇農(nóng)村污水工藝的過程中，應(yīng)該充分利用農(nóng)村的自然資源優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成良性循環(huán)的自然凈化生態(tài)系統(tǒng)，最大限度地達(dá)到基建費(fèi)用低、運(yùn)行成本低、維護(hù)管理簡(jiǎn)單的目標(biāo)，并滿足當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)健康和環(huán)境質(zhì)量的要求。

[1]郝亞男,宋雷蕾,劉可為.農(nóng)村污水治理研究[J].中國(guó)科技信息,2013(16):44

[2]趙 芳.山東省農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀及前景展望[J].臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào),2010,32(6):100-103

[3]何 云,胡 嘯,王 軍,等.山東省農(nóng)村水污染現(xiàn)狀及治理對(duì)策[J].中國(guó)人口·資源與環(huán)境,2015(S1):221-223

[4]楊 鍵,楊 健,婁山杰.一種新型環(huán)境友好污水處理工藝——蚯蚓生態(tài)濾池[J].中國(guó)資源綜合利用,2008,26(1):16-19

[5]潘 雄.“十二五”時(shí)期浙江省城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃研究要點(diǎn)[J].浙江建筑,2010,27(7):68-70

[6]李冠杰.我國(guó)農(nóng)村污水治理的現(xiàn)狀與對(duì)策[J].新西部:理論版,2015(10):8-9

[7]劉云國(guó),江盧華,曾光明,等.我國(guó)農(nóng)村生活污水分散式處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].世界科技研究與發(fā)展,2014(3):343-348

[8]魏 群,陳如融,吳賢華,等.農(nóng)村污水收集模式與常用處理技術(shù)[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè),2012(3):96-100

[9]張 哲.農(nóng)村生活污水生態(tài)處理工藝研究與應(yīng)用[J].建筑知識(shí),2016(1):253

[10]趙湘龍.農(nóng)村生活污水處理的工藝選擇[J].給水排水,2012(S2):101-103

[11]羅義涌.生態(tài)濾池的開發(fā)及其對(duì)低濃度廢水的凈化研究[D].重慶:重慶大學(xué),2015

[12]張齊生.中國(guó)農(nóng)村生活污水處理[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2013

[13]顧燕燕.不同農(nóng)村污水收集處理方式的經(jīng)濟(jì)性比較[J].四川水泥,2016(9):100

[14]林文廣.生物濾池技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2013(3):88-90

[15]馬 琳,賀 鋒.我國(guó)農(nóng)村生活污水組合處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].水處理技術(shù),2014(10):1-5

[16]吳 磊,呂錫武,李先寧,等.厭氧/跌水充氧接觸氧化/人工濕地處理農(nóng)村污水[J].中國(guó)給水排水,2007(3):57-59

[17]劉 瓊,張建洲.厭氧/人工濕地組合工藝處理農(nóng)村污水的實(shí)驗(yàn)研究[J].價(jià)值工程,2011(17):325

[18]李希希,宋官勇,張 偉,等.農(nóng)村污水的厭氧-跌水-人工濕地組合處理[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015(3):139-144