農(nóng)村生活污水處理經(jīng)濟(jì)適用技術(shù)探討

李列飛，潘旭東，汪 嘯

（1.浙江雙良商達(dá)環(huán)保有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州天創(chuàng)環(huán)境科技股份有限公司，浙江 杭州 310000）

從21世紀(jì)開始，人們就越來(lái)越重視水污染治理。在我國(guó)發(fā)展過(guò)程中，首先要解決的問(wèn)題是城市污水處理，需提高污水的處理率，并制定更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。在過(guò)去的十幾年，除國(guó)家統(tǒng)一制定的工業(yè)廢水、市政污水排放標(biāo)準(zhǔn)外，各地也相繼出臺(tái)了更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。在城市污水治理中，標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)創(chuàng)新和推廣使城市污水治理水平有了較大提高。然而，與城市污水處理取得的顯著成績(jī)不同的是，從2000年到2015年，農(nóng)村污水處理基本處于停滯狀態(tài)，很多地區(qū)基本沒(méi)有新的農(nóng)村污水處理設(shè)施，與城市污水處理效果相比差異明顯。中國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2016年公布的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)農(nóng)村生活污水處理率只有22%，相對(duì)于93.44%的城市污水處理水平，還有待進(jìn)一步改善。

由于我國(guó)地域遼闊，不同地區(qū)的生產(chǎn)、生活習(xí)慣有很大差異，所以產(chǎn)生的污水量及水質(zhì)特性也具有很大的不確定性，而農(nóng)村地區(qū)的變化幅度要大于城市，這主要是因?yàn)殡m然城市居住人口多，但居民生活用水主要集中在早、中、晚三個(gè)時(shí)段，這一段時(shí)間內(nèi)排水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)均可在相對(duì)穩(wěn)定的條件下運(yùn)行，而農(nóng)村生活污水則除早中晚固定時(shí)段有污水排放外，其余時(shí)間的污水排放量也不會(huì)太小。本文介紹的農(nóng)村生活污水，主要是指農(nóng)民生活用水、清潔用水、廚余用水、洗碗水、洗浴廢水、沖廁污水等，這些廢水基本不含重金屬，生物毒性小，且有很強(qiáng)的生化能力，比較適宜采用生物法和生態(tài)法進(jìn)行處理[1]。

1 農(nóng)村環(huán)境污染的現(xiàn)狀

與城市相比，農(nóng)村污染治理基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)相對(duì)薄弱，受到的重視程度也不高，因些，農(nóng)村環(huán)境污染治理已成為當(dāng)前污染治理工作的重點(diǎn)之一。以下分析造成我國(guó)農(nóng)村水污染的主要原因。

1.1 殺蟲劑及肥料的不合理使用

我國(guó)是世界上使用化肥最多的國(guó)家，但化肥的利用率較低。在某些地區(qū)，化肥的使用量甚至為農(nóng)作物可吸收量的數(shù)倍。氮、磷、鉀等肥料的過(guò)量施用，使氮、磷、鉀等元素進(jìn)入水體，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化，使地下水受到硝酸鹽的污染[2]。

1.2 工業(yè)污染排放

大量高污染、高耗能的企業(yè)進(jìn)入農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)，但由于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的環(huán)保意識(shí)較低，對(duì)環(huán)境的重視程度低，且管理監(jiān)督不力，造成農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水污染嚴(yán)重，對(duì)區(qū)域的發(fā)展和人們的身體健康產(chǎn)生不利的影響。

1.3 畜禽飼養(yǎng)與環(huán)境污染

在我國(guó)家畜養(yǎng)殖業(yè)高速發(fā)展的今天，由于家畜糞便、尿中生成的氮、磷含量急劇上升，農(nóng)田所承載的氮、磷濃度隨著一定時(shí)期的增長(zhǎng)而日益上升，這是形成農(nóng)村水域富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的另一個(gè)重要因素，并且已經(jīng)形成中國(guó)農(nóng)村水面源污染的主要源頭之一。

1.4 農(nóng)村生活污水及污染現(xiàn)狀

農(nóng)村生活污水的主要類型有廚余污水、日常生活沖洗污水和沖洗廁所污水。農(nóng)村生活污水系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)∶污染范圍分散、水體類型復(fù)雜及水量波動(dòng)大。盡管當(dāng)前我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理率已達(dá)到相當(dāng)高的水平，但是農(nóng)村生活污水處理的比例依然很低。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提升和廣大農(nóng)村居民生活水平的不斷提高，農(nóng)村居民人均生活污水排放呈逐年上升趨勢(shì)，現(xiàn)已成為影響湖泊等水體富營(yíng)養(yǎng)化面源污染的重要因素[3]。目前，我國(guó)城鎮(zhèn)每年污水排放約200億立方米，且每年都在增長(zhǎng)，但仍有許多農(nóng)村缺少污水收集網(wǎng)絡(luò)和污水處理設(shè)施。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2020年，浙江省城鎮(zhèn)人均綜合用水量為408 L/d左右，全省城鎮(zhèn)每年污水產(chǎn)生總量達(dá)到45億立方米。

平原區(qū)的污水排放量大于山區(qū)，遠(yuǎn)離市區(qū)的村莊因沒(méi)有與市政管網(wǎng)相連，排放量較大，如污水不經(jīng)處理直接排放，將對(duì)環(huán)境造成較大的影響。在農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行生活污水處理仍有很多困難需要克服。鄉(xiāng)村生活污水分布范圍較廣，不容易收集。同時(shí)生活污水排水量小、各個(gè)區(qū)域之間的污水指數(shù)差異大、組成較為復(fù)雜且波動(dòng)大。一些傳統(tǒng)的水處理工藝由于投入資金大、操作維護(hù)存在技術(shù)難點(diǎn)，已不適合農(nóng)村生活污水的處理。此外，不同地區(qū)的自然條件不同，對(duì)水處理工藝的選擇也有較大影響。

2 農(nóng)村生活污水治理存在的問(wèn)題

我國(guó)農(nóng)村地形復(fù)雜，分布零散，加大了污水收集處理的難度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，農(nóng)村生活污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較為滯后，普遍未鋪設(shè)排水管路，此外，農(nóng)村生活污水在運(yùn)送過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生泄漏、滲漏等問(wèn)題，造成了對(duì)排放設(shè)施附近的土地和水域產(chǎn)生污染。近幾年來(lái)，我國(guó)大部分農(nóng)村地方政府都出臺(tái)了關(guān)于適用于農(nóng)村生活污水污染標(biāo)準(zhǔn)的處理工藝、規(guī)范等，是帶有指導(dǎo)性的文件。但目前農(nóng)村生活污水的排放，由于水質(zhì)、水量的波動(dòng)較大，造成農(nóng)村生活污水的污染管理規(guī)模和實(shí)際污染濃度均不合理。一些農(nóng)村地區(qū)由于沒(méi)有對(duì)當(dāng)?shù)厮|(zhì)進(jìn)行研究分析，就規(guī)劃并修建農(nóng)村生活污水處理設(shè)施，因而造成農(nóng)村生活污水處理設(shè)備的數(shù)量無(wú)法滿足污水量大、水質(zhì)不合格的情況，使處理后的出水水質(zhì)不理想。由于農(nóng)村地域遼闊，在地理地形、氣候環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等方面存在較大的地域差異，污水處理技術(shù)的選擇也多種多樣，所以因地制宜地選用農(nóng)村生活污水處理工藝就顯得尤為重要。而對(duì)于農(nóng)村生活污水的管理、工藝技術(shù)的選用應(yīng)當(dāng)以達(dá)到地方排放標(biāo)準(zhǔn)，并符合地方生活用水需求為前提條件。因此，如何對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行管理，一直是困擾農(nóng)村污染管理的重大問(wèn)題，此外，其資金來(lái)源也是一個(gè)難題，也是制約其發(fā)展的重要問(wèn)題。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村生活污水整體處理水平較低，大量的農(nóng)村生活污水直接排放到相鄰河道水體，污染了河流、湖泊，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)下降[4]。

針對(duì)我國(guó)農(nóng)村地區(qū)分散式生活污染的自然特性，要從資源開發(fā)利用與經(jīng)濟(jì)效益兩方面出發(fā)，采用“厭氧、缺氧+跌水曝氣、生物接觸氧化+人工濕地”的工藝途徑。前者主要用來(lái)降解有機(jī)化合物，后者則以生態(tài)單元為主，加強(qiáng)對(duì)尾水中氮、磷的去除與資源化。通過(guò)生物體連接生態(tài)單元，可充分發(fā)揮地形與稻田灌溉的優(yōu)勢(shì)，把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)功能結(jié)合起來(lái)，體現(xiàn)資源化、經(jīng)濟(jì)、高效的原則，為有效治理農(nóng)村生活污水提供一種新的模式。

3 農(nóng)村污水處理技術(shù)的發(fā)展及經(jīng)濟(jì)適用技術(shù)

3.1 農(nóng)村污水治理技術(shù)的發(fā)展

在廣大農(nóng)村，受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平的制約，廢水單向處理工藝比較符合經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行和管理，具備處理農(nóng)村生活污水的優(yōu)勢(shì)。一般情況下處理過(guò)程無(wú)毒、無(wú)污染，氮和磷的各項(xiàng)指標(biāo)可方便控制，便于有針對(duì)性地處理。

3.2 農(nóng)村污水治理的經(jīng)濟(jì)適用技術(shù)

3.2.1 新型穩(wěn)定塘技術(shù)

穩(wěn)定塘污水處理工藝投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、操作維修方便、不需污水處理，更適用于農(nóng)村污水處理。在常規(guī)的穩(wěn)定塘處理工藝中，存在水力停留時(shí)間長(zhǎng)、占用空間大、易發(fā)臭等缺點(diǎn)。因此，要在穩(wěn)定塘處理工藝中不斷開發(fā)新品種，如高效藻類塘、水生植物和養(yǎng)殖水體、高效復(fù)合厭氧、超深臭水體等，已開發(fā)出多種新型池塘，包括高效藻類塘、超深水體厭氧生物池、超深池、生物濾池等。High Rate Algae Pond（HRAP）是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Oswald博士發(fā)明的一項(xiàng)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的穩(wěn)定塘技術(shù)。改良的池塘由于菌藻共生關(guān)系，池塘生態(tài)系統(tǒng)較傳統(tǒng)生態(tài)塘更為豐富，藻類在生長(zhǎng)過(guò)程中可吸收水中的氮、磷，同時(shí)進(jìn)行光合作用產(chǎn)氧，從而促進(jìn)系統(tǒng)中的硝化作用；有效的藻類池還具有塘深、停留時(shí)間短、占地少等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在高效的海藻塘已在美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、南非、印度、新加坡等國(guó)得到了試用[5]。重慶市三峽庫(kù)區(qū)某鎮(zhèn)，利用折流板曝氣法生物濾池與穩(wěn)定塘相結(jié)合的方式，對(duì)生活污水進(jìn)行強(qiáng)處理，使之適應(yīng)水質(zhì)波動(dòng)，經(jīng)運(yùn)行后的水質(zhì)可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-002）中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 FILTER污水土地處理系統(tǒng)

FILTER污水土地處理系統(tǒng)，是一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的污水土壤處理系統(tǒng)，它通過(guò)使用富氮的污水對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，使污水達(dá)到地方排放標(biāo)準(zhǔn)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。FILTER系統(tǒng)在澳洲新南威爾士州格林菲斯郡開展了試驗(yàn)，結(jié)果表明，F(xiàn)ILTER系統(tǒng)既能保證本地的污水處理能力，又能明顯地減少生活污水中的氮磷，同時(shí)也能有效地彌補(bǔ)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與維護(hù)的成本。例如，山西省大同市陽(yáng)高縣，灌溉季節(jié)未進(jìn)行處理的生活廢水和工業(yè)廢水經(jīng)管道直接流入農(nóng)田灌溉，給農(nóng)灌帶來(lái)污染。將FILTER污水土地處理系統(tǒng)應(yīng)用于生活廢水、工業(yè)廢水的處理，結(jié)果表明，該出水量符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類要求，符合當(dāng)?shù)貧夂蚣巴寥罈l件，取得了預(yù)期的效果。

3.2.3 膜生物反應(yīng)器技術(shù)

在傳統(tǒng)的生物活性污水工藝中，膜生態(tài)反應(yīng)器主要是利用膜分離技術(shù)，以提高其處理效率。從2003年開始，德國(guó)就已經(jīng)建設(shè)了城市生物分散化基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，在沒(méi)有連接市政管線的偏遠(yuǎn)地區(qū)或農(nóng)村建設(shè)了膜生物反應(yīng)器，利用膜生物反應(yīng)器可以將雨水和污水處理成城市污水。結(jié)果表明，利用膜生物反應(yīng)器不僅可以使污水處理費(fèi)用下降，而且提高了農(nóng)村地區(qū)的土地肥力。膜生物反應(yīng)器技術(shù)如圖1所示。

圖1 膜生物反應(yīng)器技術(shù)

3.2.4 蚯蚓生態(tài)濾池處理系統(tǒng)

蚯蚓生態(tài)濾池處理系統(tǒng)是將蚯蚓這種生物引入傳統(tǒng)生物濾池中，蚯蚓在基質(zhì)中的移動(dòng)可顯著提高基質(zhì)的孔隙率，緩解系統(tǒng)基質(zhì)的阻塞，豐富系統(tǒng)中微生物的數(shù)量和種類，增加生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，促進(jìn)污染物的去除。與常規(guī)生物濾池相比，蚯蚓生態(tài)濾池處理系統(tǒng)的出水量可以達(dá)到B級(jí)，而改進(jìn)后的系統(tǒng)甚至可以達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。沼氣生態(tài)濾池處理系統(tǒng)產(chǎn)泥少、占地少、成本低，投資、操作、維修成本低，同時(shí)所產(chǎn)生的污水可以直接為農(nóng)作物所用，適用于農(nóng)村污水處理。利用三層并聯(lián)的雙塔式蚯蚓型生態(tài)濾池處置農(nóng)村生活污水，試驗(yàn)結(jié)果顯示，夏、冬二季對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP都有較好的消除功效，且出水超過(guò)了《城鎮(zhèn)污水處理廠廢氣排放量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的一類或A類國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中微生物的種類比夏季豐富，從上到下呈遞增規(guī)律。對(duì)農(nóng)村分散式生活污水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，除TN、TP外，均可達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。由此推測(cè)，這可能是由于濾池內(nèi)蚯蚓的移動(dòng)抑制了厭氧環(huán)境的形成，造成了TN去除率不理想。同時(shí)由于蚯蚓生物濾池沒(méi)有厭氧交替的基質(zhì)環(huán)境，因此不利于聚磷菌的生長(zhǎng)。

3.2.5 日本凈化槽技術(shù)

在日本，凈化槽法是利用膜分離與生物聯(lián)合處理的MBR法，處理日本農(nóng)村生活污水，在地方水污染治理中發(fā)揮著重要作用。凈化槽法的運(yùn)行費(fèi)用低，維修方便，適用于處理分散、水質(zhì)和水量波動(dòng)的農(nóng)村生活污水。在此期間，由于以前未明確凈化槽的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，致使非標(biāo)準(zhǔn)型凈化槽排出的水給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的污染，因此，政府明確規(guī)定了凈化池的中間處理工藝條件。近幾年來(lái)，多地引進(jìn)了日本的膜式濾池系統(tǒng)，系統(tǒng)采用活性污水-膜分離法，經(jīng)處理的出水達(dá)到規(guī)定的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，改善了當(dāng)?shù)剞r(nóng)村的水環(huán)境，同時(shí)也帶動(dòng)了周邊地區(qū)的污水處理。但是凈化池技術(shù)的施工成本較高，不適合在經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)應(yīng)用。

3.2.6 人造濕地技術(shù)

與傳統(tǒng)的自然濕地不同，人工濕地是由人為模擬的自然濕地生態(tài)系統(tǒng)而建立起來(lái)的，以消除農(nóng)村污水的污染。該方法工藝簡(jiǎn)單、操作效率高、投資少，可對(duì)水體進(jìn)行凈化，提高景觀效果，為植物帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。在國(guó)外，北美的濕地類型多為表面流人工濕地，一般用于高密度地區(qū)的高級(jí)處理。而歐洲的濕地主要類型為潛流式人工濕地，通常用于農(nóng)村污水的二次處理。人造濕地技術(shù)一般具有占用空間大、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、投資成本低的特點(diǎn)，適用于土地價(jià)格低廉、農(nóng)村散居的污水處理。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在處理農(nóng)村生活污水方面做了很多探索。如波蘭，在2003～2017年間，共撥款約100億歐元發(fā)展農(nóng)村污水處理基礎(chǔ)設(shè)施，約占2003年全國(guó)財(cái)政收入的30%，其中一半以上的資金用于擴(kuò)建污水處理網(wǎng)絡(luò)，其余部分用于建設(shè)各污水處理系統(tǒng)。因此，所要繳納的巨額稅費(fèi)使這些地方的生活污水處理量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及中心城區(qū)。而生活污水的無(wú)組織排放，會(huì)帶來(lái)越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染，使農(nóng)村生態(tài)與水體環(huán)境更加富營(yíng)養(yǎng)化，甚至變成黑臭水體。因此，農(nóng)村生活污水需采用經(jīng)濟(jì)適用的工藝方法，常見的人工濕地技術(shù)如圖2所示。

圖2 人工濕地技術(shù)

我國(guó)東南大學(xué)研究生院在“十二五”水專項(xiàng)課題支持下，研究出配套的處理技術(shù)：厭氧-缺氧生物濾池、跌水充氧接觸氧化法、水生植物濾床及浸潤(rùn)控制式人工濕地組合工藝。在優(yōu)化組合生物生態(tài)工藝的同時(shí)，持續(xù)改善各個(gè)單元，尤其是人工濕地單元，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村生活污水的高效脫氮除磷、投入運(yùn)行費(fèi)用低以及對(duì)氮磷資源的有效利用。

人造濕地作為一種污水深度處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理。潮汐流人工濕地是對(duì)潛流人工濕地進(jìn)行改良的一種濕地，由于其強(qiáng)大的富氧能力，逐漸受到人們的重視。潮汐流人工濕地與傳統(tǒng)潛流人工濕地在污水處理上各有優(yōu)勢(shì)，而在冷季時(shí)這兩類人工濕地技術(shù)一般都存在處理能力差的困境，很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.7 改良的A2O工藝

目前，在農(nóng)村生活污水處理中，A2O-MBR是一種應(yīng)用較多的處理工藝，該方法對(duì)有機(jī)物質(zhì)和磷的的去除有明顯的優(yōu)勢(shì)。并對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，其原理是：在缺氧條件下進(jìn)行預(yù)硝化，在好氧條件下脫除有機(jī)含碳物、氧化含氮有機(jī)化合物及氨氮硝化，在AO工藝的好氧段設(shè)置膜組件，替代傳統(tǒng)工藝中的二沉池，從而實(shí)現(xiàn)固液分離。在缺氧段好氧混合物回流，為缺氧段提供混合物。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于我國(guó)農(nóng)村水體污染整治起步較晚，農(nóng)村廢水處理技術(shù)開發(fā)較為滯后，加之廣大農(nóng)村地區(qū)具有地理差異性，研究應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理的最新技術(shù)變得十分緊迫。針對(duì)上述多種污水處理工藝，每個(gè)地區(qū)都須依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩淼匦巍⒆匀画h(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件等進(jìn)行選擇。在選用農(nóng)村生活污水處理工藝時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，如地理環(huán)境、氣候、政府行政財(cái)力、農(nóng)民平均收入、人口密度、技術(shù)條件、管理難度、土地面積、能源成本、管理效益、技術(shù)管理水平、土地用途等，以最低的生產(chǎn)成本，合理緩解農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，以推動(dòng)社會(huì)主義生態(tài)文明管理和社會(huì)主義工程建設(shè)。