農(nóng)村分散生活污水治理技術(shù)探討

孔 進(jìn)，張百德，宋玉亮

(1. 山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101； 2. 濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東濰坊 261000)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國鄉(xiāng)村常住人口為5億6 401萬人，占總?cè)丝跀?shù)的40.42%[1]。盡管農(nóng)村人口占全國總?cè)丝诘谋壤陙碛兴陆?，但農(nóng)村水環(huán)境污染的問題卻日漸嚴(yán)重。我國目前有260多萬個(gè)自然村和近60萬個(gè)行政村，每年可產(chǎn)生90多億m3污水，污水處理率僅有22%左右[2]，相當(dāng)一部分農(nóng)村污水直接或不達(dá)標(biāo)排放造成農(nóng)村水環(huán)境嚴(yán)重惡化。隨著農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)村普遍存在污水排放量遞增與污水處理設(shè)施建設(shè)相對滯后的矛盾。由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平較低，住戶比較分散，因此，農(nóng)村污水的處理不適合采用相對高度集中與高能耗的處理方式。要想解決農(nóng)村的水環(huán)境污染問題，就必須從農(nóng)村污水治理技術(shù)的研究入手。

1 農(nóng)村污水處理模式

1.1 污水排放規(guī)律與污染物特征

根據(jù)對山東南部鄉(xiāng)村的調(diào)研，絕大多數(shù)自然村生活污水總量小于100 m3/d，污水主要來自于廚衛(wèi)和洗浴，為間歇性排放，每日排放時(shí)段一般集中在三餐前后，其他時(shí)段排水量較小或基本不排水。農(nóng)村污水成分簡單，主要為有機(jī)物、N、P、病原菌、懸浮物(SS)等，基本不存在有毒物質(zhì)。不同家庭的污水在相同時(shí)段亦表現(xiàn)出巨大的差異性，污染濃度的高低與各家庭的生活習(xí)慣、衛(wèi)生習(xí)慣和污水收集系統(tǒng)是否完備等因素密切相關(guān)。山東南部某村相鄰10戶家庭夏季污水的主要污染物濃度如表1所示，采用混合排水系統(tǒng)的家庭化糞池出水污染物濃度較低，采用源分離排水系統(tǒng)的家庭化糞池出水污染物濃度較高。大部分家庭排出的污水和城市生活污水相比，總氮(TN)濃度相對較高，而碳氮比(C/N)相對較低。

表1 山東南部鄉(xiāng)村家庭綜合污水主要污染物濃度Tab.1 Concentrations of Major Pollutants in Rural Household Sewage in Southern Shandong

農(nóng)村居民相對分散，水質(zhì)波動較大，污水不便于集中收集，因此，污水處理設(shè)施水量規(guī)模小，水量變化系數(shù)高于城市污水。

1.2 污水分散處理與集中處理的選擇

基于農(nóng)村污水水質(zhì)和水量特點(diǎn)以及污水收集的難易程度，污水處理模式可分為集中處理與分散處理兩大類，兩者的差異如表2所示。

表2 農(nóng)村污水集中處理與分散處理的差異對比Tab.2 Contrast of Centralized and Decentralized Treatment for Rural Sewage

僅從處理工藝考慮，集中處理有利于污水水量和水質(zhì)的均化，污水處理效率高，易于管理，在城市污水處理中多被采用。但農(nóng)村住戶分布較為分散，污水集中收集難度較大，污水處理可能更適合采用較為分散的處理方式。在美國，采用分散式污水處理的住宅比例在20%以上[3]。

根據(jù)村落規(guī)模的大小、住戶的集中程度，農(nóng)村分散污水的處理又可以分別采用大規(guī)模分散處理方式(以村莊或片區(qū)為單位)和小規(guī)模分散處理方式(獨(dú)立住戶或組團(tuán)住戶)。鑒于污水集中處理的優(yōu)勢，應(yīng)盡量將污水集中，例如，以多戶鄰近家庭作為一個(gè)組團(tuán)，將污水收集到一起處理，這樣既可均化水量和水質(zhì)，又能降低污水處理設(shè)施的總投資和運(yùn)行維護(hù)成本。

2 農(nóng)村排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)可分為混合排水系統(tǒng)和源分離排水系統(tǒng)?；旌吓潘到y(tǒng)是將生活中產(chǎn)生的所有污水混合收集和處理的系統(tǒng)，而源分離排水系統(tǒng)則是將糞便和尿液分別單獨(dú)排放并進(jìn)行處理的系統(tǒng)。一般意義上的生活污水為人類所有生活起居活動產(chǎn)生的污水，包括灰水、黃水和褐水等?；宜侵竵碜灶孪撮g、淋浴、廚房的廢水以及洗衣廢水；黃水是指尿液或包括尿液在內(nèi)的沖洗水；褐水是指糞便或包括糞便在內(nèi)的沖洗水。黃水和褐水的混合污水，即廁所排放的污水，也被稱為黑水。

2.1 農(nóng)村廁所形式與特點(diǎn)

農(nóng)村廁所長期以來以旱廁為主要形式，近年來有向水沖廁逐步過渡的趨勢。農(nóng)村原始的旱廁一般是將糞便和尿液混合排放，不與廚衛(wèi)排水合流，是一種不完全源分離衛(wèi)生系統(tǒng)。水沖廁衛(wèi)生系統(tǒng)則需要用大量清水對糞便和尿液進(jìn)行沖刷，產(chǎn)生的黑水常常與其他生活污水合流排放，這種排水方式在城市排水系統(tǒng)中被廣泛采用。

目前，很多農(nóng)村已將旱廁改為水沖廁，這種改變有助于提升農(nóng)民生活質(zhì)量，但同時(shí)增加了能源和資源的浪費(fèi)。尿液與糞便量約占到生活污水總量的1.4%～1.8%[4]，這些排泄物在水沖廁中被大量稀釋，使得污水排放量大幅增加，大大地增加了處理成本。實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水沖廁方式在管網(wǎng)建設(shè)不配套、污水處理設(shè)施跟不上的農(nóng)村不發(fā)達(dá)地區(qū)，對環(huán)境的污染比旱廁更大。

作為一種不完全源分離的排水系統(tǒng)，農(nóng)村原始旱廁的排泄物通常被住戶長期儲存熟化后用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。這種旱廁，尿液和固體排泄物在廁所下方的化糞池混合儲存，其中少量尿液會蒸發(fā)掉，大部分尿液可撇起用于肥田，另外少量尿液和糞便一起經(jīng)自然發(fā)酵后用于肥田。由于化糞池往往露天，衛(wèi)生條件較差,而完全源分離排水系統(tǒng)作為一種新興技術(shù)，需要對室內(nèi)便器進(jìn)行改造，使干濕排泄物從源頭得以分離，尿液與固體排泄物分別密封儲存，而后分別處置。從整體來看，這種方式更為環(huán)保衛(wèi)生，且對資源回收更為徹底。源分離廁所的總投資會隨著技術(shù)進(jìn)步逐年降低，經(jīng)濟(jì)效益從長遠(yuǎn)來看將有大幅度提升，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的農(nóng)村可以酌情采用[5]。

2.2 源分離排水系統(tǒng)與資源回收

人糞尿是良好的農(nóng)家肥，在幾千年的農(nóng)耕文明中起到了舉足輕重的作用。然而，水沖廁使得糞便中的N、P、K等營養(yǎng)物質(zhì)流失，從可持續(xù)發(fā)展的角度來說并不可取。各類生活污水中營養(yǎng)物質(zhì)的含量如表3所示，其中黃水和褐水中N、P、K的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過灰水中的含量。Xu等[6]指出，市政污水中10%的尿液貢獻(xiàn)了80%的N和42%的P，但對CODCr的貢獻(xiàn)率僅為8%。Ishii等[7]的研究也證實(shí)，通常市政污水中流量占比不到1%的尿液貢獻(xiàn)了80%的N和超過50%的P。如果將所有廁所廢物回用到農(nóng)業(yè)，則有75%～85%的N、P、K可被作為資源而不是環(huán)境的潛在污染物[8]。通過技術(shù)手段回收這些營養(yǎng)物質(zhì)，回用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將是農(nóng)村污水處理發(fā)展的方向。

表3 各類生活污水中營養(yǎng)物質(zhì)估值[4,9-11]Tab.3 Estimated Values of Nutrients in Various Domestic Sewage[4,9-11]

源分離排水系統(tǒng)不但能夠減少沖洗水的用量，達(dá)到節(jié)水的目的[7]，還可以減少污水排放量，提高污水處理能力，產(chǎn)出的有機(jī)肥可以提高糧食安全[12]。日本、德國、美國、瑞典等國家源分離排水系統(tǒng)很早就有工程應(yīng)用，我國近年來也在不斷嘗試。德國采用源分離系統(tǒng)的示范工程有呂貝克市(Luebeck)某住宅區(qū)和弗賴堡市(Freiburg)某住宅區(qū)等[11]。呂貝克市的住宅區(qū)源分離生態(tài)排水系統(tǒng)利用真空廁所，分別收集黑水和灰水，然后分類處理，降低了污水處理成本，最終可以回收生活污水中60%的N、46%的P和43%的K[13]。比爾與梅琳達(dá)·蓋茨基金會(Bill & Melinda Gates Foundation)投資數(shù)億元，致力于開發(fā)可有效分離并處理尿液與糞便的藍(lán)色分流廁所(blue diversion toilet)，并于2018年在北京“新世代廁所”博覽會上進(jìn)行了展示。Larsen等[14]在該基金會的資助下于肯尼亞開展了應(yīng)用研究，證實(shí)將這種基于沖洗水循環(huán)回用和肥料回收的衛(wèi)生系統(tǒng)用于解決城市貧民窟的衛(wèi)生危機(jī)是可行的。北京奧林匹克公園建立了源分離的分質(zhì)排放、處理和循環(huán)利用系統(tǒng)，對收集到的黃水進(jìn)行貯存、腐熟和肥化處理，最終得到了富有營養(yǎng)、易于分解的有機(jī)氮肥[15]。另外，鄂爾多斯市與瑞典合作的生態(tài)鎮(zhèn)項(xiàng)目也進(jìn)行了源分離生態(tài)排水系統(tǒng)的積極嘗試。

Malila等[16]指出，在農(nóng)村應(yīng)用源分離排水系統(tǒng)，可以比現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)多回收4倍的P和30倍以上的N，將對水體富營養(yǎng)化的影響減少到現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)的1/5。李建軍[17]認(rèn)為，衛(wèi)生問題仍然是當(dāng)前農(nóng)村污水處理的核心問題，源分離衛(wèi)生廁所既衛(wèi)生又生態(tài)，建議對農(nóng)村原生態(tài)循環(huán)習(xí)俗予以保留。源分離排水系統(tǒng)在減少污水排放量、降低污水處理投資和運(yùn)行成本的同時(shí)，通過對糞便和尿液的無害化處理，可實(shí)現(xiàn)N、P、K等資源的循環(huán)利用，符合農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的方向。

3 農(nóng)村污水處理工藝

目前，我國農(nóng)村混排污水處理技術(shù)主要有化糞池、生物膜法、活性污泥法、人工濕地、土地滲濾、穩(wěn)定塘等多種形式，究竟哪種方式更適合農(nóng)村，需要根據(jù)實(shí)際情況做出判斷。由于農(nóng)村人口居住分散，收集在一起的污水量較少，對處理工藝的要求反而更高。從資源化利用的角度考慮，若將處理水回用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，則對污水處理工藝出水中如有機(jī)營養(yǎng)以及N、P、K等指標(biāo)的要求可適當(dāng)降低。

3.1 針對源分離排水系統(tǒng)的分質(zhì)處理工藝

對源分離的排水系統(tǒng)排放的污染物進(jìn)行分質(zhì)處理，在降低處理費(fèi)用的同時(shí)，還能得到優(yōu)質(zhì)肥料，一舉兩得。

(1)黃水的處置

尿液是一種環(huán)境友好的肥料，實(shí)現(xiàn)黃水的分離式收集和處理,能大幅降低生活污水中的N、P負(fù)荷[12]。將尿液腐熟后作為農(nóng)家肥使用，這在農(nóng)村是較為便捷的處理方式。尿液腐熟,即尿液在儲存過程中發(fā)生的一系列物理、化學(xué)和生化反應(yīng)或變化，其中的尿素轉(zhuǎn)化為易于被植物吸收的NH3-N[18]。尿液腐熟180 d即可有效殺滅其中的病原菌,滿足農(nóng)用液體肥料的安全標(biāo)準(zhǔn)[18]。

尿液中的營養(yǎng)元素也可以通過一定的工藝進(jìn)行回收。將黃水貯存至少6個(gè)月后進(jìn)行濃縮或干化，得到的氮素可用于肥田。Ishii等[7]研究發(fā)現(xiàn)，向尿液中大量添加MgO和Na3PO4，促使鳥糞石沉淀，可得到較高的N回收率。此類方法應(yīng)用于農(nóng)村黃水處理的經(jīng)濟(jì)性還有待于進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。

(2)褐水的處置

日常生活中每人每天產(chǎn)生的糞便干重約為47.9～48.4 g/(人·d)[10]。源分離的人類固體廢物(糞便)在農(nóng)村通常單獨(dú)或與有機(jī)垃圾共同堆肥處理，既能穩(wěn)定其中的有機(jī)物，又能殺死其中的病原菌。堆肥富含有機(jī)質(zhì)，含N量高，營養(yǎng)全面，既有肥效，還可改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤中有益微生物的生長[19]。

高溫堆肥是肯尼亞內(nèi)羅畢非正規(guī)社區(qū)實(shí)施的一種生態(tài)方法，能夠更有效地保留糞便中的N和P，其產(chǎn)物中的植物有效氮約為214.5 mg N/kg，比300～600 ℃熱解產(chǎn)物中的植物有效氮高16～858倍[10]。高溫堆肥需要對物料加熱，能耗高，不適合在農(nóng)村大規(guī)模推廣。白帆等[20]模擬自然狀態(tài)下生態(tài)廁所的好氧堆肥過程，在糞便中加入鋸末，保持溫度在35 ℃左右2周時(shí)間，無需加熱，對糞便中有機(jī)物的去除率仍可達(dá)到63%以上，總固體量減少量在56%以上，試驗(yàn)結(jié)果表明，中溫好氧堆肥能夠礦化穩(wěn)定糞便中的有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)免水沖廁所糞便的資源回收，在農(nóng)村具有較好的應(yīng)用前景。一些農(nóng)村的實(shí)際做法是將糞便、有機(jī)垃圾與草木灰等按一定比例混合在一起進(jìn)行封存，經(jīng)過一段時(shí)間后進(jìn)行翻堆，繼續(xù)封存至堆肥完成。堆肥物料中的初始C/N控制在25∶1～30∶1，夏季腐熟大約需要2個(gè)月，冬季腐熟則需要3～4個(gè)月，堆肥完成后可直接作為農(nóng)肥使用。

(3)黑水的處理

唐賢春等[21]對采用AAO-MBR工藝處理黑水的實(shí)際工程進(jìn)行了長期監(jiān)測，結(jié)果顯示，經(jīng)深度處理后的出水滿足農(nóng)作物或林木的澆灌、景觀用水補(bǔ)水和道路清洗水要求，產(chǎn)生的污泥與餐余垃圾一起進(jìn)行厭氧消化后，再經(jīng)脫水處理可作為農(nóng)肥使用。這種處理方式投資和運(yùn)行費(fèi)用都較高，而且需要專人管理。

農(nóng)村黑水最簡易的處理方式，是先通過三格化糞池進(jìn)行儲存、沉淀和厭氧發(fā)酵，上清液經(jīng)稀釋后肥田，再將沉淀污泥與有機(jī)垃圾、植物秸稈等混合做堆肥處理。三格化糞池結(jié)構(gòu)簡單，在農(nóng)村應(yīng)用較為普遍，旱廁黑水進(jìn)入化糞池后在常溫下即可進(jìn)行厭氧發(fā)酵。對某山村黑水化糞池水質(zhì)進(jìn)行實(shí)測，出水NH3-N可高達(dá)292 mg/L[22]，具有很高的農(nóng)用價(jià)值。馮長艷等[23]對10戶農(nóng)家的三格化糞池進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，以人工濕地組合工藝處理化糞池后的黑水，其中有8戶出水達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中規(guī)定的二級標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 灰水和混排綜合污水的處理

Gross等[24]在以色列的農(nóng)場對灰水回用進(jìn)行了長期研究，發(fā)現(xiàn)灰水不經(jīng)過處理而直接灌溉作物，會帶來比較大的環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)?；宜途C合污水經(jīng)過處理后方可用于農(nóng)業(yè)灌溉、園林綠化以及沖洗廁所等。Ghisi等[25]研究了兩戶巴西家庭，對灰水處理后進(jìn)行回用，分別節(jié)省了25.6%和30.4%的生活用水。

土壤滲濾、人工濕地、穩(wěn)定塘等占地面積大，但運(yùn)行費(fèi)用較低，是較適合農(nóng)村灰水處理的方式。土壤滲濾和人工濕地進(jìn)水SS濃度不能太高，要求有一定的預(yù)處理。張思等[26]以農(nóng)村生活污水為研究對象，以粉煤灰為填料配合土壤構(gòu)建的土壤滲濾系統(tǒng)，對CODCr的去除率達(dá)到了85.8%，對TN和TP平均去除率分別為78.4%和98.1%。Hong等[27]開發(fā)了一種改進(jìn)的多土壤分層(MSL)系統(tǒng)，專門用于處理農(nóng)村地區(qū)低C/N的生活污水，CODCr、TN、TP去除率分別達(dá)到了98.29%、69.86%、100%。Elfanssi等[28]利用人工濕地處理摩洛哥農(nóng)村污水，TSS、BOD、CODCr、TN和TP去除率分別達(dá)到了95%、93%、91%、67%和62%，而且該系統(tǒng)顯示出非常強(qiáng)的殺菌能力。Comino等[29]的試驗(yàn)也驗(yàn)證了濕地植物有助于人工濕地凈化不同有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷的灰水。山東棗莊農(nóng)村多利用村邊坑塘興建穩(wěn)定塘，對灰水和雨水的混合污水進(jìn)行處理，塘內(nèi)種植蘆葦、荷花、菖蒲、睡蓮等植物，既美化了環(huán)境，對水環(huán)境污染也起到了一定的緩解作用。

生物轉(zhuǎn)盤運(yùn)行費(fèi)用較低，也比較適合用來處理農(nóng)村污水。昆山農(nóng)村采用以生物轉(zhuǎn)盤為主體的SW一體化污水處理裝置處理生活污水，出水再經(jīng)人工濕地強(qiáng)化處理，水質(zhì)達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)[30]。Amr等[31]的研究顯示，生物轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)對灰水中BOD5處理效率約為93.0%～96.0%，對TSS去除效率約為84.0%～95.0%。

日本農(nóng)村對于不能納入集中排水工程的分散污水，普遍采用安裝方便、操作靈活的凈化槽處理技術(shù)[32]。日本的凈化槽技術(shù)已從最初只處理糞便的單獨(dú)處理凈化槽，發(fā)展到了處理綜合生活污水的合并處理凈化槽以及出水可再生利用的深度處理凈化槽。相比土地處理法，凈化槽技術(shù)處理效果好，但投資和運(yùn)行成本相對較高。日本政府在通過立法約束農(nóng)村居民排污行為的同時(shí)，采用凈化槽補(bǔ)貼制度推動凈化槽技術(shù)在農(nóng)村的推廣[33]。凈化槽技術(shù)實(shí)際上是將常規(guī)污水處理工藝中的預(yù)處理、生化處理、膜分離、消毒和污泥處理等多個(gè)單元集成于一體化設(shè)備中，利用物理、生物和化學(xué)作用等凈化污水。生化部分一般由兩步厭氧單元和一步好氧單元組成，主要通過厭氧微生物與好氧微生物的作用降解污水中的有機(jī)污染物以及脫氮除磷。干鋼等[34]采用膜式凈化槽對安吉縣農(nóng)村生活污水進(jìn)行深度處理，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，對SS、BOD5、CODCr的平均去除率分別達(dá)到了93.95%、84.46%、83.64%，對NH3-N和TP的去除率分別達(dá)到了97.94%和94.13%。目前凈化槽技術(shù)在我國多地已得到借鑒與應(yīng)用，但受管理水平和經(jīng)濟(jì)水平的局限，普遍存在管護(hù)不力的現(xiàn)實(shí)問題[35]。

4 結(jié)論

農(nóng)村居住區(qū)布局分散，人口密度低，經(jīng)濟(jì)條件、自然條件、環(huán)境容量等差異較大，應(yīng)因地制宜地選擇污水處理技術(shù)解決農(nóng)村生活污水的問題。

(1)對未改造為水沖廁的排水系統(tǒng)，宜保留原有旱廁或改造為完全源分離排水系統(tǒng)，由住戶對各自產(chǎn)生的污水進(jìn)行分類收集，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行處置和資源化利用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最大程度利用人糞尿中的N、P、K，減少資源和能源浪費(fèi)。黃水宜采用腐熟的方式進(jìn)行資源化利用；褐水宜采用中溫堆肥的方式進(jìn)行資源化利用。

(2)對水沖廁的排水系統(tǒng)，針對農(nóng)村居住分散、污水難以集中的特點(diǎn)，建議采用組團(tuán)式多戶聯(lián)用的污水收集系統(tǒng)和污水處理模式。低耗是農(nóng)村污水處理技術(shù)發(fā)展的主要方向，污水處理應(yīng)盡量采用簡單易行、維護(hù)方便的工藝。

(3)黑水宜采用三格化糞池加各種生化處理或多種生化處理的集成技術(shù)，灰水和混排綜合污水可采用人工濕地、土地滲濾、凈化槽、生物轉(zhuǎn)盤等進(jìn)一步凈化。穩(wěn)定塘對雨、污混流污水處理效果雖然不夠理想，但可以作為經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)村污水處理的一種權(quán)宜之計(jì)。