農(nóng)村分散式生活污水處理技術(shù)適用性探討

裴 菲

（中煤科工集團杭州研究院有限公司 浙江杭州 311201）

引言

截至2019 年末，我國農(nóng)村常住人口占總?cè)丝诘谋戎貫?9.40%。因此，我國農(nóng)村地區(qū)排放了大量的生活污水，農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理且隨意排放會影響農(nóng)村居民的身體健康[1]。目前，我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施已日趨完善，環(huán)境治理的方向逐漸轉(zhuǎn)移到農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)村生活污水治理已經(jīng)成為我國環(huán)境治理的重點[2]。

我國農(nóng)村地區(qū)分布范圍廣且村民居住分散，農(nóng)村生活污水具有排放量較小、水質(zhì)水量波動較大、間歇性排放等特點[3][4]。因此，農(nóng)村生活污水不宜進行集中處理。分散式污水處理技術(shù)的優(yōu)點包括管網(wǎng)維護與建設(shè)費用較低、外部環(huán)境影響較小，是一種新型且經(jīng)濟環(huán)保的污水處理技術(shù)[5]。

因此，本文總結(jié)了農(nóng)村生活污水的特點，歸納了處理農(nóng)村分散式生活污水的技術(shù)要求，通過比較現(xiàn)有典型處理工藝并探討適用于農(nóng)村分散式生活污水的處理技術(shù)。

1 農(nóng)村生活污水特點

我國農(nóng)村生活污水中的灰水碳氮比低且有機質(zhì)相對較少，而黑水中含有超過90%的TN、TP，以及50%的COD[1]。一般農(nóng)村分散式生活污水的COD 為250～400mg/L，BOD5為120～200mg/L，NH3-N 為40～60mg/L，TP 為2.5～5mg/L[6]?？梢姡r(nóng)村污水排放濃度較低，污水中大多不含有毒有害物質(zhì)且可生化性較強[7][8]。

我國農(nóng)村區(qū)域排水量一般小于500m3/d，由于受到季節(jié)的影響比較大，合流制排水系統(tǒng)在夏季排水量比冬季大[7]。我國農(nóng)村生活污水呈間歇分散式排放，污水難以統(tǒng)一收集，而且污水排放具有時間的不確定性和水量的波動性[9]。因此，農(nóng)村生活污水特點可以總結(jié)為：

（1）污水中含有氮、磷和COD，幾乎不含有毒有害物質(zhì)且可生化性較強；

（2）季節(jié)特征明顯，夏季排放量比冬季大；

（3）間歇分散式排放且難以統(tǒng)一收集；

（4）污水排放具有時間的不確定性和水量的波動性。

2 處理技術(shù)適用性分析

根據(jù)農(nóng)村生活污水的特點，選用的處理技術(shù)能夠解決以下4個問題：

（1）建設(shè)投資省，運行費用低。我國農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟基礎(chǔ)比較薄弱，建設(shè)投資和運行費用不宜過高。

（2）操作簡單，維護方便。目前，我國農(nóng)村地區(qū)的運行管理人員以當?shù)剞r(nóng)民為主。因此，處理設(shè)施不宜頻繁排泥，維護頻率和維護人員專業(yè)也不宜要求較高。

（3）抗沖擊性強，工藝穩(wěn)定。根據(jù)原水水質(zhì)、水量的特點，處理工藝能夠適應(yīng)較強的水力負荷且適應(yīng)較大水質(zhì)水量波動以及環(huán)境氣候改變。

（4）處理效果好，出水水質(zhì)能夠符合國家以及地方現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)定。

處理分散農(nóng)村生活污水和集中城市生活污水對處理技術(shù)適用性的要求不同，根據(jù)以上分析可以概括為表1。

表1 處理不同類型生活污水工藝適用性要求對比

3 典型工藝的適用性

3.1 膜生物反應(yīng)器

膜生物反應(yīng)器（MBR）結(jié)合了生物處理技術(shù)和固液分離技術(shù)的優(yōu)點，膜組件的使用確保了穩(wěn)定的處理效果，而且MBR 技術(shù)也可以實現(xiàn)膜的高效分離。因此，MBR 工藝具有穩(wěn)定的處理性能和良好的抗沖擊負荷能力[10]。

常園園[11]等采用新型模塊化MBR 工藝處理湖州市南潯區(qū)農(nóng)村生活污水，結(jié)果表明：污水中CODCr、BOD5、NH4-N、TP、SS 的去除率分別為90%、97%、80%、90%、97%。可見，MBR 工藝運行穩(wěn)定，出水水質(zhì)好，能適應(yīng)較強的水力負荷和水質(zhì)水量的變化。

MBR 工藝容易導(dǎo)致膜的污染，為保證膜的使用壽命，膜必須進行清洗和反沖洗。裴亮[12]等采用地下水反沖洗、弱酸洗、弱堿洗這3 種方式對膜進行清洗，可分別使膜通量恢復(fù)到原來的66%、89%和84%。郭浩[13]等通過試驗對膜組件進行反沖洗，結(jié)果表明：當膜通量可以維持在35L/m2/h 以上時，可以避免膜的污染。

王琦[14]等研究指出：MBR 工藝處理污水的能耗是常規(guī)工藝處理污水能耗的1～2 倍。可見，MBR 工藝的運行費用較高。

目前，限制MBR 工藝應(yīng)用的主要限制性因素為膜的污染和較高的能耗，而且該工藝對維護人員的專業(yè)要求也較高。因此，MBR 工藝適合在我國東部較為發(fā)達的近郊農(nóng)村社區(qū)應(yīng)用。

3.2 土地滲濾系統(tǒng)

該系統(tǒng)是通過土壤過濾、吸附和生物降解等作用處理生活污水，能夠?qū)崿F(xiàn)地下水的補給和區(qū)域的水量平衡。該系統(tǒng)也是一個植物-土壤-微生物復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，在物理、化學(xué)、生物的綜合作用下，可降解的有機污染物實現(xiàn)了無害化，且氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)實現(xiàn)了資源化[15]。

劉雪美[16]總結(jié)了該處理系統(tǒng)的主要優(yōu)點：位于地下，地表環(huán)境不受影響；抗沖擊負荷強，不受外部氣候環(huán)境影響，氮磷的去除率較高。華文才[17]等采用地下土壤滲濾技術(shù)對上海市金山區(qū)的農(nóng)村生活污水進行試驗研究，結(jié)果表明：當水力負荷為60mm/d時，出水達到了回用水質(zhì)標準，而且有機物和氮磷的去除率分別達到80%和95%以上。相關(guān)科研院所、高校也對該技術(shù)進行了研究，結(jié)果表明：有機物、氮磷的去除率較高，運行費用低，維護方便，而且該技術(shù)在冬季能夠穩(wěn)定運行[18]?？梢?，土壤滲濾技術(shù)的處理效果好，運行費用低，維護方便，抗沖擊性強且工藝穩(wěn)定。

盡管傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，但也存在易堵塞、處理負荷低、脫氮效果差等缺點[19]。因此，國內(nèi)學(xué)者對傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)進行改良。呂晶晶[20]等采用前置微納米曝氣改良型土壤滲濾系統(tǒng)研究生活污水的處理效果，試驗結(jié)果表明：當水力負荷為4L/d 時，氨氮、總氮、總磷、CODCr的平均去除率分別可達96.5%、66.4%、92.6%、83.7%，脫氮效果優(yōu)于傳統(tǒng)的土壤滲濾系統(tǒng)，系統(tǒng)不易堵塞。鄒淵[21]研究了改良型土壤滲濾系統(tǒng)對農(nóng)村生活污水的處理效果，結(jié)果表明：當水力負荷為8cm/d、分流比為2:1 時，系統(tǒng)達到了最佳的運行工況，且系統(tǒng)對氨氮、總氮、總磷、CODCr的去除率分別為80.07%、63.78%、89.93%、82.36%。

顯然，改良型土壤滲濾系統(tǒng)克服了該系統(tǒng)易堵塞、處理負荷低、脫氮效果差等缺點，適宜在我國農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。

3.3 人工濕地

人工濕地是在人為控制的條件下，由基質(zhì)、植物和微生物構(gòu)成，具有較好的污染物去除效果[22][23]。由于人工濕地具有成本較低、能夠有效處理與控制農(nóng)村污水產(chǎn)生的二次污染等特點，具有很好的適用性[24]。周瑋[25]等采用人工濕地處理農(nóng)村污水的研究指出：污水處理效果較好，運行管理方便，投資費用一般為生物處理的1/3～1/4，運行費用一般為生物處理的1/5～1/6。王世和[26]等通過自行建造的人工濕地模型，對污水處理廠的初沉池出水進行試驗，結(jié)果表明：污水中的BOD、COD、SS 等處理效果明顯優(yōu)于生物處理；進水的水力負荷對各種污染物處理效果受到水深的影響較大，進水負荷承載力差；當水深為60 米時，水力負荷達到最佳，最佳的水力負荷為45.2～50.4cm/d，此時對各種污染物處理效果最好。

在冬季氣溫較低的地區(qū)，濕地植物和微生物一旦失活，人工濕地的處理效果會受到很大影響。為了保障人工濕地在冬季時依然具備良好的處理效果，國內(nèi)學(xué)者已對人工濕地技術(shù)進行了改進研究。唐抒圓[27]等采用潛流式和表面流人工濕地串聯(lián)的組合工藝對吉林地區(qū)農(nóng)村污水進行處理，研究發(fā)現(xiàn)：冬季時人工濕地不處理污水，僅用作污水儲存，處理效果比較穩(wěn)定。

因此，人工濕地具有處理效果較好、運行管理方便、投資及運行費用低等優(yōu)點，但同時也具有進水負荷承載力差、受季節(jié)影響較大等缺點。

3.4 生物-生態(tài)組合處理

隨著我國農(nóng)村生活污水排放標準的提高和加快推進美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，單一的處理技術(shù)已經(jīng)難以滿足更加嚴格的排放標準，采用生物-生態(tài)組合處理技術(shù)可以實現(xiàn)農(nóng)村生活污水的最終達標排放。目前，“生物＋生態(tài)”組合模式在我國農(nóng)村地區(qū)研究和應(yīng)用較多，生物處理為前端工藝，該工藝能夠去除有機物和部分營養(yǎng)物質(zhì)、克服生態(tài)工藝易堵塞的問題、降低水力負荷；生態(tài)處理為后端工藝，該工藝能夠很好地解決脫氮除磷工藝復(fù)雜、建造費用高的問題[28]。

謝晴[29]等采用了“A2/O 生物前處理—人工濕地”工藝處理成都平原地區(qū)一處農(nóng)村社區(qū)的生活污水，結(jié)果表明：污水中SS、CODCr、BOD5、NH3-N、TP 的去除率分別能達 到95%、86%、94%、79%、90%；此工藝是典型的生物—生態(tài)組合處理技術(shù)，日常運行維護簡便、運行費用較低。袁紅丹[30]研究了生物濾池—人工濕地組合工藝處理上海市郊區(qū)的農(nóng)村生活污水，結(jié)果表明：處理效果好，建造成本和運行費用低，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護是該工藝的主要優(yōu)點?？梢?，生物—生態(tài)組合工藝處理農(nóng)村生活污水效果較好、管理維護簡便、建造成本和運行費用低，適合應(yīng)用于經(jīng)濟條件較好的近郊農(nóng)村社區(qū)生活污水分散式處理。

根據(jù)適用于處理農(nóng)村分散式生活污水的技術(shù)要求，對上述4種處理工藝進行評價，結(jié)果如表2 所示。

表2 典型工藝處理農(nóng)村分散式生活污水適用性對比

由表2 可以看出，生物-生態(tài)組合處理工藝更適合處理農(nóng)村分散式生活污水。

結(jié)語

目前，單一的生物或生態(tài)處理工藝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)村分散式生活污水的處理，但是都存在自身的局限性。膜生物反應(yīng)器的處理效果較好、抗沖擊負荷能力強且能適應(yīng)水質(zhì)水量的波動，但是膜的污染和較高的能耗會讓運行費用增加，且對維護人員的專業(yè)要求也較高。土地滲濾系統(tǒng)的抗沖擊負荷強、受到環(huán)境氣候的影響較小，且運行費用較低、維護方便，但是該系統(tǒng)易堵塞、處理負荷低、脫氮效果較差。人工濕地的運行管理方便、建設(shè)投資及運行費用低、脫氮除磷的效果好，但是該技術(shù)進水負荷承載力差、處理效果受季節(jié)影響較大。

劉云國[28]等認為目前的某種生物或生態(tài)處理技術(shù)不能在我國農(nóng)村地區(qū)推廣。李發(fā)站[31]認為生物-生態(tài)組合處理工藝相比單一的生物或生態(tài)處理工藝具有較大的優(yōu)勢，值得深入研究和應(yīng)用?？梢?，生物-生態(tài)組合處理工藝可以實現(xiàn)單一工藝的優(yōu)劣互補，形成一套較為適用的污水處理流程。

因此，比較適用的農(nóng)村分散式生活污水處理工藝應(yīng)該具備：建設(shè)投資省，運行費用低；操作簡單，維護方便；具有較強的抗沖擊負荷能力；運行穩(wěn)定，能夠適應(yīng)較大水質(zhì)水量波動以及環(huán)境氣候改變；處理效果好，出水水質(zhì)符合國家和地方現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)定。