我國農(nóng)村污水治理技術(shù)與發(fā)展模式展望

張瑋，劉瑋，熊峰，申靜，劉意，張海東，周月明

(1.重慶工商大學(xué) 國家智能制造服務(wù)國際科技合作基地，重慶 400067；2.重慶工商大學(xué) 廢油資源化技術(shù)與 裝備教育部工程研究中心，重慶 400067；3.重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067；4.重慶市九龍坡區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 400050；5.重慶南向泰斯環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，重慶 400060)

近年來鄉(xiāng)村生活方式及生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變帶來的環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)峻。其中，水污染問題是農(nóng)村環(huán)境污染的重中之重。農(nóng)村居民生產(chǎn)生活過程中產(chǎn)生的污水未經(jīng)處理或處理不當(dāng)排入地表水系統(tǒng)，部分經(jīng)滲濾進(jìn)入地下水系統(tǒng)，導(dǎo)致了農(nóng)村飲用水危機(jī)，加劇了淡水資源危機(jī)。據(jù)報(bào)告，2010年中國農(nóng)村地區(qū)有超過1億人飲用被污染的水，88%的中國患者和33%的死亡與不良飲用水有關(guān)。

近20年，我國農(nóng)村污水處理率逐年上升，2006年處理率為1%，2014年達(dá)到近10%，2016年為22%，截至2020年，農(nóng)村污水處理率達(dá)到36%，但總體來說仍較低。為此，本文對我國近20年農(nóng)村污水水質(zhì)水量的地域變化特征、處理技術(shù)的發(fā)展歷程、政策法規(guī)的完善機(jī)制、運(yùn)行與管理模式的建立過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，旨在為提高農(nóng)村污水的處理效率和覆蓋范圍提供理論依據(jù)及技術(shù)指導(dǎo)。

1 農(nóng)村水污染現(xiàn)狀

1.1 農(nóng)村污水定義

農(nóng)村污水是指農(nóng)村地區(qū)居民在生活和生產(chǎn)過程中形成的污水。其中，農(nóng)村生活污水是指居民生活過程中廁所、洗浴、洗衣和廚房等污水。農(nóng)村生產(chǎn)污水是指水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、畜禽養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)等產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢水[1]。

1.2 農(nóng)村水污染現(xiàn)狀

農(nóng)村水污染形勢嚴(yán)峻，國家治理農(nóng)村污水腳步從未停歇。我國農(nóng)村污水治理發(fā)展歷程見圖1。

圖1 我國農(nóng)村污水治理發(fā)展歷程

2 農(nóng)村污水的分類及其特點(diǎn)

2.1 生活污水

農(nóng)村生活污水N、P濃度高于一般城鎮(zhèn)污水。COD的差異隨養(yǎng)殖家禽而改變，TN整體分布較均勻，TP隨四季變化[4]。

我國南方水資源發(fā)達(dá)，西南地區(qū)村落多為分散性村落，生活污水以直排為主，96%的村莊無排水溝渠和污水處理系統(tǒng)，污水順道路溝渠排入附近水體，嚴(yán)重污染地表水和地下水。南方地區(qū)生活污水特點(diǎn)：①量小且分散，排放系數(shù)低，收集率低；②成分復(fù)雜，可生化性強(qiáng)；③間歇排放；④不含重金屬及有毒有害物質(zhì)，含較多真菌、細(xì)菌等微生物[5-6]。

北方水資源少，村落聚集，冬季溫度低，生活污水除具有南方污水特點(diǎn)外，處理過程中的微生物活性易受到抑制，處理困難[7]。

2.2 養(yǎng)殖業(yè)污水

2.2.2 畜禽養(yǎng)殖污水 畜禽養(yǎng)殖場污水主要由畜禽尿液、糞便、飼料殘?jiān)蜎_洗水等組成。此類廢水特征：①有機(jī)物濃度高、懸浮物(SS)多、色度深，常伴有重金屬、殘留的獸藥以及各種人畜共患病原體等污染物；②排水量大且集中，水力沖擊負(fù)荷強(qiáng)；③水解、酸化快，沉淀性能好[10]。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品加工廢水

2.3.1 水果加工廢水 水果加工廢水主要來源于水果去皮、沖洗、破碎、榨汁等工序，以及罐裝工序的洗瓶、滅菌和地面沖洗等環(huán)節(jié)?；旌蠌U水COD在 6 000 mg/L 以上，SS在4 000 mg/L以上，具有水質(zhì)水量變化大、富含糖類等特點(diǎn)。污水可生化性好，易于生物降解[11]。

2.3.2 蔬菜加工廢水 蔬菜加工廢水來源于腌制、漂洗、冷卻和沖洗工序的綜合廢水，具有高鹽、高N、P和高有機(jī)物濃度的特點(diǎn)。蔬菜加工廢水的COD濃度在5 000～50 000 mg/L，生化需氧量(BOD5)在3 000～30 000 mg/L，SS在1 000～5 000 mg/L，TN在500～2 000 mg/L，TP在50～150 mg/L，DO含量低，易散發(fā)臭味[12]。

3 農(nóng)村污水處理技術(shù)

農(nóng)村污水特征與收集方式與城鎮(zhèn)污水有較大差異，處理農(nóng)村污水不僅要考慮土地資源利用和經(jīng)濟(jì)效益，還要因地制宜的設(shè)計(jì)污水處理技術(shù)。我國農(nóng)村污水處理技術(shù)主要分為三類：生物處理技術(shù)、生態(tài)處理技術(shù)、生物+生態(tài)組合處理技術(shù)，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 我國農(nóng)村常用污水處理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of common rural sewage treatment technologies in China

3.1 生物處理技術(shù)

厭氧生物處理技術(shù)是通過厭氧或兼氧微生物對可溶性和顆粒型物質(zhì)進(jìn)行降解，產(chǎn)生甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)等物質(zhì)。水平流式三格化糞池是第一代厭氧反應(yīng)器，出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，也是農(nóng)村最早實(shí)行的生物處理技術(shù)，利用沉降和厭氧發(fā)酵原理去除水中的懸浮性有機(jī)污染物，目前，我國有關(guān)化糞池的技術(shù)革新，主要集中于對水流狀態(tài)和填料性能的改進(jìn)。

污水的好氧生物處理技術(shù)至今已有100年的歷史[14]，該技術(shù)是利用好氧微生物通過自身的新陳代謝將污水中的污染物降解為二氧化碳(CO2)和水(H2O)[15]。

面對農(nóng)村污水水質(zhì)復(fù)雜的特殊性，單一的生物處理技術(shù)難以滿足對多種污染物的去除，且部分工藝直接在農(nóng)村使用很難正常運(yùn)行。因此，農(nóng)村污水生物處理技術(shù)逐漸從單一技術(shù)演變?yōu)榻M合生物處理技術(shù)。

3.2 生態(tài)處理技術(shù)

我國生態(tài)處理技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)70年代，在20世紀(jì)末廣泛應(yīng)用于農(nóng)村污水處理。

人工濕地是對與沼澤類似的地面進(jìn)行改造，將污水和污泥按一定比例投配到人工濕地上，利用根系發(fā)達(dá)的水生植物創(chuàng)造厭氧、兼氧、好氧的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各類微生物對污染物的降解作用，凈化水質(zhì)[15]。

穩(wěn)定塘是通過向人工挖掘的池塘中添加菌藻，利用水生植物、菌藻系統(tǒng)、微生物作用共同降解水中的污染物。穩(wěn)定塘中的微生物利用藻類光合作用產(chǎn)生的氧進(jìn)行同化作用，凈化水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力農(nóng)村污水的凈化過程[16]。

土地處理技術(shù)是通過管道設(shè)備將污水投配到天然土壤或復(fù)合土壤層中，通過沉淀、過濾、吸附和生物降解作用去除污染物。目前應(yīng)用較多的有地表漫流生態(tài)處理系統(tǒng)、多介質(zhì)土壤地下滲濾系統(tǒng)等。

3.3 生物+生態(tài)組合處理工藝

該法生物處理單元利用好氧或厭氧微生物去除污水中的有機(jī)污染物和含N、P污染物，生態(tài)處理單元通過植物和菌藻等進(jìn)一步去除污染物[15]。由于我國農(nóng)村污水分布特點(diǎn)以及缺乏長期運(yùn)行管理，生物+生態(tài)組合工藝將農(nóng)村污水與農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合，更符合農(nóng)村污水處理因地制宜、資源化利用的原則，也是當(dāng)前我國農(nóng)村污水治理的重要技術(shù)[17]。

4 農(nóng)村污水集中處理工程實(shí)例

集中式污水處理系統(tǒng)通常建在遠(yuǎn)離城市污水處理廠的人口密集區(qū)村莊，集中處理效果穩(wěn)定，且節(jié)省土地資源和經(jīng)濟(jì)成本[18]。

張猛[19]采用以“初沉池+A2/O+斜管沉淀+石英砂過濾+紫外消毒”為主體的處理工藝對青島市張家樓鎮(zhèn)某農(nóng)村區(qū)域生活污水進(jìn)行處理。處理工藝流程見圖2，工程設(shè)計(jì)污水處理量500 m3/d，經(jīng)處理后出水CODCr、BOD5、SS平均去除率可達(dá)87%，97%，93%，滿足(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 污水處理工藝流程圖Fig.2 Sewage treatment process flow chart

圖3 農(nóng)村污水處理一體化設(shè)備流程圖Fig.3 Flow chart of integrated rural sewage treatment equipment

5 農(nóng)村污水分散處理工程實(shí)例

污水分散處理是在住宅分散、地形復(fù)雜、人口稀少的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，對單戶或幾戶污水進(jìn)行處理。分散式污水處理是解決我國農(nóng)村污水問題的重要方向，可以彌補(bǔ)集中式污水處理不能完全覆蓋的缺陷[21]。

5.1 生活污水

我國農(nóng)村生活污水常用處理技術(shù)包括：化糞池、沼氣池、人工濕地、生態(tài)塘系統(tǒng)、土地處理系統(tǒng)等[22]。Singh等[23]設(shè)計(jì)了一種新型化糞池(圖4)應(yīng)用于江蘇某農(nóng)村的生活污水處理。與傳統(tǒng)的化糞池相比，新型化糞池不僅改變了污水在化糞池內(nèi)的流向，加強(qiáng)厭氧消化作用，而且在化糞池內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)奶盍蠈?，提高了其清除污染物的能力。改善后的新型化糞池COD去除率為76%～84%，BOD去除率為80%～92%，出水可用作農(nóng)田灌溉。

圖4 三格化糞池Fig.4 Three-compartment septic tank

在四川某農(nóng)村，Wang等[24]通過生態(tài)溝渠處理生活污水，具體工藝流程見圖5。該農(nóng)村每天產(chǎn)生30～150 m3的污水，包括0.86～4.31 kg的N和0.05～0.23 kg的P。污水經(jīng)過生態(tài)溝渠處理后，TN的平均去除率和去除效率分別為47.97%和 3.19 g/(m2·d)。TP平均去除率和去除效率分別為49.79%和0.28 g/(m2·d)。該生態(tài)溝渠處理系統(tǒng)，適用于地形和氣候特征相似的農(nóng)村地區(qū)。

圖5 生態(tài)溝渠工藝圖Fig.5 Ecological ditch process flow chart

圖6 組合型生態(tài)浮床裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of combined ecological floating bed

5.2 養(yǎng)殖污水

我國農(nóng)村多采用厭氧-好氧生物膜法、厭氧-生態(tài)修復(fù)等技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水。

Chen等[26]在傳統(tǒng)MBR前連接一個(gè)缺氧池，缺氧池里加入柔性纖維束，MBR中加入懸浮海綿生物載體，構(gòu)成缺氧生物濾池-移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(AF-MBMBR)(圖7)。采用AF-MBMBR處理養(yǎng)殖廢水過程中，總有機(jī)碳(TOC)的去除率在92.8%～96.2%，脫氮途徑主要是短程硝化-反硝化，TN的去除率達(dá)到了93.2%。

圖7 AF-MBMBR示意圖Fig.7 Schematic diagram of AF-MBMBR

圖8 養(yǎng)殖廢水生態(tài)治理技術(shù)工藝流程Fig.8 Technological process of ecological treatment of aquaculture sewage

5.3 農(nóng)產(chǎn)品加工廢水

5.3.1 水果加工廢水 李鑫華等[28]采用活性污泥法對某廠的甘蔗制糖加工污水進(jìn)行處理(圖9)。設(shè)計(jì)水處理量為14 000 m3/d，經(jīng)4個(gè)月的調(diào)試運(yùn)行，出水CODCr、BOD5、SS最大去除率為78%，65%，72%，排水符合(GB 5084—92)(旱作)，可回用至甘蔗園進(jìn)行灌溉。

李素敏[29]采用絮凝氣浮+水解酸化+CASS組合工藝對湖南某食品廠柑橘罐頭加工廢水進(jìn)行處理(圖10)。廢水設(shè)計(jì)水量為3 300 m3/d，出水CODCr、BOD5、SS最大去除率分別為94%，97%，91%，處理效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)達(dá)到 (GB 8978—l996)一級標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 污水處理工藝流程Fig.9 Sewage treatment process flow chart

圖10 污水處理工藝流程Fig.10 Sewage treatment process flow chart

5.3.2 蔬菜加工廢水 王偉鋒[30]采用蓮池濕地對山東臨沂市八湖鎮(zhèn)某蔬菜脫水企業(yè)的大蒜加工廢水進(jìn)行處理。處理工藝為預(yù)處理(過濾、沉淀、調(diào)節(jié)pH值、厭氧處理、曝氣)和荷塘生態(tài)處理。預(yù)處理對CODCr、BOD5、SS的去除率分別為51%～53%，46%～48%，77%～85%。pH值穩(wěn)定在6.1～7.4之間。荷塘系統(tǒng)對水中CODCr、BOD5、SS的去除率分別超過97%，98%，80%。預(yù)處理后的廢水在蓮花池停留7 d后可達(dá)到 (GB 8978—1996)Ⅱ類。另外，大蒜加工廢水經(jīng)預(yù)處理后適量灌溉荷塘，可使蓮藕產(chǎn)量提高8.3%。

重慶市涪陵區(qū)地處三峽庫區(qū)腹地，是我國著名的榨菜之鄉(xiāng)。李家祥等[31]以涪陵區(qū)年產(chǎn)精品榨菜5 000 t的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)為例，采用調(diào)節(jié)池+初沉池+接觸厭氧池+CASS池組合工藝(圖11)對其生產(chǎn)廢水進(jìn)行治理。該企業(yè)在生產(chǎn)過程中排放最大廢水量為200 m3/d，經(jīng)組合工藝處理后出水穩(wěn)定。

圖11 組合工藝流程Fig.11 Process flow chart

5.3.3 肉類加工廢水 目前，肉類加工廢水普遍采用水解酸化-好氧組合工藝進(jìn)行處理。

圖12 污水處理工藝流程Fig.12 Sewage treatment process flow chart

圖13 工藝流程Fig.13 Process flow chart

6 展望

近年來，我國農(nóng)村污水處理發(fā)展迅速，已經(jīng)取得相當(dāng)豐碩的成果，但處理率仍較低，已成為制約農(nóng)村環(huán)境改善的重要因素。農(nóng)村污水處理作為我國打造美麗村莊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需從以下幾方面提升我國農(nóng)村污水處理水平：

(1)因地制宜，根據(jù)區(qū)域適用性和經(jīng)濟(jì)合理性選擇污水處理技術(shù)模式。

目前，我國農(nóng)村污水處理沒有實(shí)現(xiàn)“一水一議”。多個(gè)地方選擇同一種技術(shù)，沒有根據(jù)不同地區(qū)實(shí)際需求選用最優(yōu)方案。未來我國農(nóng)村污水處理將會(huì)更加重視因地制宜，對于規(guī)模較大、人口較集中的村莊將會(huì)采用村集中處理；有條件的地方可將靠近城鎮(zhèn)的村莊納入城鎮(zhèn)生活污水處理系統(tǒng)；對于人口密度較分散的村莊將會(huì)采用分散處理模式。

(2)采取多種工藝相結(jié)合的綜合處理技術(shù)。

未來農(nóng)村污水處理將會(huì)更加注重“生物+生態(tài)”相結(jié)合處理，采用如厭氧沼氣池處理技術(shù)、穩(wěn)定塘處理技術(shù)、人工濕地處理技術(shù)、土壤滲濾處理系統(tǒng)、農(nóng)田退水減排技術(shù)、生物膜法處理技術(shù)等“生物+生態(tài)”相結(jié)合的污水處理綜合技術(shù)。

(3)將污水治理與農(nóng)村廁改相結(jié)合。

有效銜接農(nóng)村改廁與生活污水治理，有效減少農(nóng)村生活污染排放、提高水資源利用率和糞污資源化利用率。鼓勵(lì)各地結(jié)合實(shí)際，將廁所糞污、畜禽養(yǎng)殖廢棄物一并處理并資源化利用。

(4)建立有效的污水設(shè)施運(yùn)維機(jī)制。

在污水設(shè)施運(yùn)行初期，政府負(fù)責(zé)相應(yīng)設(shè)施的運(yùn)營與維護(hù)，運(yùn)營一段時(shí)間后，逐步過渡到以第三方為主的污水設(shè)施運(yùn)維模式。專業(yè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)營與管護(hù)，有利于設(shè)施的正常運(yùn)行，便于監(jiān)管。

(5)建立完善有效的考核與監(jiān)督機(jī)制。

將以往“數(shù)字式”的考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙允聦?shí)說話”的考核方式，重點(diǎn)考察農(nóng)村污水處理的實(shí)效。在國家層面、省級層面以及基層政府層面建立農(nóng)村污水處理的監(jiān)督機(jī)制。

通過以上改革措施，推進(jìn)我國農(nóng)村污水治理，走人與自然和諧相處、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境相得益彰的可持續(xù)發(fā)展新路，實(shí)現(xiàn)2035美麗中國和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的要求。