中國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究進(jìn)展

王園園，劉增進(jìn)

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450000)

當(dāng)前，環(huán)境污染狀況日益嚴(yán)重，已成為亟待解決的熱點(diǎn)問題。伴隨著城鄉(xiāng)二元制被打破，更多資源開始向農(nóng)村地區(qū)流動(dòng)，污染也呈現(xiàn)出從城市向農(nóng)村迅速擴(kuò)散的趨勢(shì)[1-2]。近年來，中國(guó)農(nóng)村地區(qū)生活污水排放量逐年遞增，但大部分仍采取的是粗狂排放的模式，缺乏有效治理或治理水平不高。當(dāng)前的污染狀況嚴(yán)峻，而治理基礎(chǔ)薄弱，在處理技術(shù)缺乏、群眾意愿不高和國(guó)家政策傾斜等現(xiàn)狀下，未能有效處理的生活污水排放對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響[3-4]。農(nóng)村地區(qū)的環(huán)境污染主要體現(xiàn)在溝塘水體污染、人居環(huán)境惡化和生態(tài)遭到破壞等方面[5-6]。

根據(jù)《2019年中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的數(shù)據(jù)：農(nóng)村地區(qū)生活污水整體治理水平不高，全國(guó)進(jìn)行污水處理的鄉(xiāng)有3 156個(gè)，得到治理的鄉(xiāng)僅占33.3%，總體處理能力僅有80.11×104m3。農(nóng)村生活污水治理與城市情況不同，農(nóng)村地區(qū)的處理技術(shù)、排放標(biāo)準(zhǔn)、管理水平等尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同的環(huán)境，籠統(tǒng)地采用某一種污水處理模式并不科學(xué)。因此，通過綜述農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)，探索農(nóng)村生活污水處理技術(shù)及處理模式，有助于促進(jìn)農(nóng)村污水治理事業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)區(qū)域水體環(huán)境的整治和改善。

本文以農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究狀況及相應(yīng)的處理效果、出水標(biāo)準(zhǔn)、適宜條件為基礎(chǔ)，探索污水處理技術(shù)與農(nóng)村的適用性和匹配模式，綜合考慮地區(qū)環(huán)境因素的影響，以期得到因地適宜的農(nóng)村污水處理技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)近20年來關(guān)于農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)，共計(jì)185篇，分別選取了進(jìn)出水質(zhì)、污染物去除率以及達(dá)到的出水標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了歸納分類與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。專利信息來源于中國(guó)專利信息網(wǎng)有關(guān)農(nóng)村生活污水處理專利的研究情況，統(tǒng)計(jì)了歷年專利申請(qǐng)公開信息、專利區(qū)域統(tǒng)計(jì)信息、專利技術(shù)布局信息等。

1.2 數(shù)據(jù)處理

采用Meta分析方法，對(duì)近年來農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究和專利公開情況進(jìn)行了綜合分析；采用SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin進(jìn)行繪圖。

2 中國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 國(guó)內(nèi)外常用農(nóng)村污水處理技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)眾多，種類繁雜，按照工藝單元可分為生物處理技術(shù)、生態(tài)處理技術(shù)和組合處理技術(shù)。生物處理技術(shù)主要利用各類微生物在厭氧或好氧條件下進(jìn)行的代謝活動(dòng)和生物化學(xué)反應(yīng)來分解吸收污水中的有機(jī)物、氮和磷，達(dá)到處理污水的效果[7]。該技術(shù)常用的方法有生物濾池法、厭氧-好氧法(A/O)法、序批式活性污泥(SBR)法和生物轉(zhuǎn)盤等方法。生態(tài)處理技術(shù)是利用土壤-植物-微生物復(fù)合系統(tǒng)共同作用的原理，通過過濾、吸收和分解作用使污水得到凈化，常用的生態(tài)處理技術(shù)有人工濕地、土壤滲濾系統(tǒng)、穩(wěn)定塘等[8-9]。組合處理技術(shù)是在單級(jí)工藝無法滿足處理要求時(shí)，采用的多種工藝結(jié)合的處理技術(shù)[10]，其組合類型分為生物+生物、生物+生態(tài)、生態(tài)+生態(tài)的組合，可發(fā)揮各工藝優(yōu)勢(shì)，提高出水水質(zhì)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外農(nóng)村生活污水處理的實(shí)際應(yīng)用情況來看，采用的主要是厭氧沼氣池技術(shù)、土地滲濾技術(shù)、人工濕地技術(shù)、穩(wěn)定塘技術(shù)、生物濾池以及生物+生態(tài)組合工藝6類。不同處理技術(shù)的應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)見表1[11-22]。

表1 農(nóng)村生活污水主要處理技術(shù)

2.2 中國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.2.1 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)分類

通過文獻(xiàn)調(diào)研，收集了2000—2020年共計(jì)185篇有關(guān)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究的文獻(xiàn)。分析可知，生物+生態(tài)組合工藝是中國(guó)農(nóng)村生活污水處理的主要研究方向，其中人工濕地和生物濾池技術(shù)在中國(guó)農(nóng)村生活污水處理實(shí)踐中發(fā)揮了重要的作用(圖1、圖2)。

圖1 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)

圖2 生物處理技術(shù)類別

在近20年的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究中，生物處理、生態(tài)處理和組合處理技術(shù)的占比分別為22%、36%和42%。生物處理技術(shù)主要采用生物濾池、MBR和凈化槽，占比分別為33%、18%和17%。生態(tài)處理技術(shù)主要采用人工濕地和土壤滲濾系統(tǒng)，其次采用的是穩(wěn)定塘(圖3)，應(yīng)用占比分別為37%、28%和18%。組合工藝主要采用以生物處理與生態(tài)處理相結(jié)合的方式，共有52項(xiàng)研究采用了生物+生態(tài)組合方式，占全部組合工藝的66.7%。統(tǒng)計(jì)了農(nóng)村生活污水處理的各類技術(shù)，人工濕地共出現(xiàn)了53次。土壤滲濾出現(xiàn)了33次，由此可見，農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研究更加傾向于具有低成本、易管理并能夠充分發(fā)揮農(nóng)村土地優(yōu)勢(shì)的技術(shù)。

圖3 生態(tài)處理技術(shù)類別

2.2.2 污染指標(biāo)去除效果分析

通過對(duì)185項(xiàng)研究中的COD、氨氮、TN和TP去除率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在185項(xiàng)研究中，COD、氨氮、TN、TP分別提供了151、138、117、107個(gè)數(shù)據(jù)，考核率分別為81.6%、74.6%、63%、57.8%。由此可見，農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究中，更加傾向于考核有機(jī)物和氨氮的去除效果，研究中常將COD去除效果作為衡量工藝處理能力的標(biāo)準(zhǔn)。

從圖4中可以看出，現(xiàn)有的研究中：COD的去除率普遍大于70%，處理率主要集中在80%～90%，相對(duì)頻率達(dá)到了35%，有50%以上的設(shè)施COD去除率達(dá)到了80.22%，75%以上的設(shè)施COD去除率達(dá)到了71%，約有20%的設(shè)施COD去除率能夠達(dá)到90%以上，整體去除水平很高；氨氮的去除率優(yōu)于其他指標(biāo)，超過80%的占比較大，相對(duì)頻率達(dá)到了69.5%，有50%以上的設(shè)施氨氮去除率達(dá)到了82%，75%以上的設(shè)施氨氮去除率為68.5%，30%的設(shè)施對(duì)氨氮去除率可以達(dá)到90%以上；TN的去除效果較弱，50%以上的設(shè)施處理效果僅為67.4%，75%的設(shè)施處理效果能夠達(dá)到56%，僅有10%的設(shè)施對(duì)TN的去除效果能夠達(dá)到90%以上；而TP的去除效果比TN要好，但不如COD和氨氮，50%以上的設(shè)施處理效果可達(dá)到79.1%以上，75%的設(shè)施處理效果可達(dá)到61.5%，約有19.7%的設(shè)施TP去除率能夠達(dá)到90%以上。

圖4 污染指標(biāo)去除率累積曲線

從上述的分析中可以看出，現(xiàn)有的農(nóng)村污水處理技術(shù)對(duì)TN的去除效果明顯比COD、氨氮、TP差，去除TN較為困難。因此，如何提升TN的去除效果是目前污水處理技術(shù)需要攻克的重點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題，也是提高出水水質(zhì)、控制排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

2.2.3 出水指標(biāo)達(dá)標(biāo)效果分析

185項(xiàng)研究中共有147項(xiàng)給定了具體出水水質(zhì)或確定了出水標(biāo)準(zhǔn)，采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)對(duì)所述文獻(xiàn)的出水水質(zhì)進(jìn)行分類，出水水質(zhì)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)占比如圖5所示。從圖中可以看出，各類指標(biāo)中，COD的出水達(dá)標(biāo)率最好，其次是TN、氨氮和TP。這些研究中的出水水質(zhì)表現(xiàn)良好，大部分出水都能達(dá)到一級(jí)A或一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，這可能與大部分研究是改進(jìn)工藝有關(guān)。結(jié)合前述結(jié)論，TN在較低去除率下，出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A的比例卻很高，這可能是研究中的進(jìn)水含氮量較小的原因?qū)е隆膱D中可以看出，現(xiàn)有的技術(shù)條件下農(nóng)村污水處理的水質(zhì)想要穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A的出水標(biāo)準(zhǔn)還具有一定的難度，仍需要繼續(xù)進(jìn)行探索和改進(jìn)。

圖5 出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)占比

2.3 農(nóng)村污水處理技術(shù)專利申請(qǐng)公開情況

專利申請(qǐng)趨勢(shì)側(cè)面反映了專利技術(shù)的發(fā)展歷程，從其申請(qǐng)量變化中可以了解各階段技術(shù)創(chuàng)新情況。從圖6中可以看出，中國(guó)有關(guān)農(nóng)村污水處理技術(shù)的專利申請(qǐng)及公開量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，從2006年開始，截至目前申請(qǐng)已公開專利696件，并在2019年達(dá)到了申請(qǐng)量的階段性頂峰，該年專利申請(qǐng)量157件。圖7反映了中國(guó)各省份專利公開數(shù)量，體現(xiàn)了各地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)創(chuàng)新工作的進(jìn)展?fàn)顩r[23]。從圖中可以看出江蘇、浙江、廣東一帶是中國(guó)農(nóng)村生活污水處理專利研發(fā)的重要地區(qū),這與江浙地區(qū)較早的農(nóng)村環(huán)境連片整治工作有關(guān)，該地區(qū)的污水治理工作處于中國(guó)農(nóng)村的領(lǐng)先地位，其在建設(shè)和改造環(huán)境的過程中已展開了較多的探索[24-25]。

圖6 專利總體趨勢(shì)

圖7 專利區(qū)域統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)專利技術(shù)布局進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有助于了解當(dāng)前專利檢索領(lǐng)域的技術(shù)分布狀況，從而找到專利技術(shù)申請(qǐng)熱點(diǎn)與空白點(diǎn)，幫助我們了解目前農(nóng)村生活污水處理的重點(diǎn)研發(fā)方向以及研究薄弱點(diǎn)。從專利技術(shù)布局(圖8)來看，中國(guó)農(nóng)村生活污水處理領(lǐng)域內(nèi)的專利申請(qǐng)主要集中于C02F9/14、C02F3/30上，而關(guān)于C02F3/34和C02F9/08的申請(qǐng)量較少。根據(jù)IPC國(guó)際專利分類規(guī)則，C02F9/14表示至少有一個(gè)生物處理步驟，C02F3/30表示厭氧和好氧工藝，C02F3/34表示以利用微生物為特征，C02F9/08表示至少有一個(gè)物理處理步驟。由此可知，中國(guó)農(nóng)村生活污水處理的專利創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在生物處理方向上，這與農(nóng)村的污水處理技術(shù)主要采用人工濕地和土壤滲濾的觀點(diǎn)是一致的。城鎮(zhèn)污水處理廠在采用活性污泥法、膜法等方法的同時(shí)還會(huì)采用物理沉降、吸附、化學(xué)處理等物理化學(xué)方法，但該方法在農(nóng)村地區(qū)明顯不適用。

圖8 專利技術(shù)布局分析

當(dāng)前農(nóng)村污水處理專利中對(duì)氨氮去除的重視程度要高于總氮,但現(xiàn)有的研究表明提升TN的去除效果是需要攻克的重點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題[23]。由于農(nóng)村地區(qū)的特殊情況(存在氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回用灌溉)，對(duì)于生活污水中氮、磷的去除應(yīng)結(jié)合出水的用途分別處理。在實(shí)現(xiàn)保護(hù)處理污水、整治鄉(xiāng)村環(huán)境的同時(shí)，盡可能地實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的資源化利用。

3 結(jié)論與建議

1)中國(guó)農(nóng)村地區(qū)應(yīng)采取因地制宜、低成本、易管理且能夠充分發(fā)揮農(nóng)村土地優(yōu)勢(shì)的生活污水處理技術(shù)，重點(diǎn)可考慮人工濕地和生物濾池技術(shù)，目前生物+生態(tài)組合工藝是中國(guó)農(nóng)村生活污水處理的主要研究方向。

2)現(xiàn)有農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究中，重點(diǎn)關(guān)注有機(jī)物和氨氮的去除效果，忽略了總氮去除率低的問題，因此如何提升TN的去除效果是目前污水處理技術(shù)需要攻克的重點(diǎn)問題和難點(diǎn)問題，也是提高出水水質(zhì)、控制排放標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

3)中國(guó)農(nóng)村生活污水處理專利創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在人工濕地和土壤滲濾等生物處理方向上。但考慮到農(nóng)村地區(qū)存在氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)回用灌溉的情況，應(yīng)結(jié)合出水的用途對(duì)生活污水中氮、磷的去除分別處理，在實(shí)現(xiàn)處理污水的同時(shí)，盡可能地實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的資源化利用。