農(nóng)村生活污水治理設計及分析

趙永志 高 嚴 何文麗 趙 金 趙 東 王彥芳 楊 恒 左子賢

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，農(nóng)村生活水平普遍提高，農(nóng)村生活用水量劇增，污水排放量也呈現(xiàn)逐年增加趨勢。由于現(xiàn)階段農(nóng)村地區(qū)污水處理設施尚不完善，大量生活污水未經(jīng)妥善處理便直接排放。長此以往周邊水體富營養(yǎng)化，產(chǎn)生水體黑臭的問題[1-2]，進而可能導致灌溉水源短缺[3]。因此農(nóng)村生活污水處理是建設新農(nóng)村過程中一個亟待解決的問題[4]。

本文結合農(nóng)村生活污水處理工程實例，在針對項目設計處理方案的基礎上，對農(nóng)村生活污水處理中存在的普遍性問題進行了總結和分析。

1 項目簡介

1.1 區(qū)域概況

本文的工程案例位于河北省某地區(qū)，區(qū)域內(nèi)共有三條河流水渠，其中一條位于東北側，其余兩條位于西南側。本次工程收納和處理的生活污水來自不同村莊，各個村莊總面積共計約2.46 km2，居住村民3 000余戶，常住人口約10 000人。

所有村莊均采用集中供水方式，大部分住戶使用水沖式廁所，因此生活污水產(chǎn)生量相對較大。項目所覆蓋的村莊位置相對分散，其中最北部的村莊人口較少，同時距離其他村莊最近直線距離約2.5 km。各村莊的相對位置分布如圖1所示。

圖1 村莊位置分布示意圖

1.2 排污特點

經(jīng)過調(diào)研分析，項目涉及村莊的生活污水主要排污去向為入河入渠或者排入臨近的坑塘洼地，少部分住戶則采取院內(nèi)潑灑的方式自行消納。

污水排放方式大致可分為分散排污和自建管網(wǎng)集中排污。分散排污指生活污水不經(jīng)收集，村民以戶為單位自行排放。通常情況下，分散排污口僅對應一戶或幾戶居民的生活污水。自建管網(wǎng)集中排污指村民自發(fā)修建管網(wǎng)，收集村內(nèi)局部區(qū)域產(chǎn)生的生活污水。由于缺乏污水處理設施，自建管網(wǎng)收集的污水均未經(jīng)處理直接排入附近河流水渠或者坑塘。

2 污水處理設計原則

2.1 現(xiàn)狀分析

村內(nèi)道路布局較為凌亂，且各處寬窄不一，使得管道敷設難度增加。雖然村內(nèi)存在部分自建管網(wǎng)，但是均采用雨污合流的形式，且設計并不嚴謹，缺乏合理性，導致該工程使用現(xiàn)有管道的可能性較小。村莊內(nèi)部的房屋排布并不緊密，排污口分布散亂無序。

各個村莊并不是緊密相鄰，彼此存在一定的間隔，因此所有村莊的污水集中處理會增加管網(wǎng)建設成本。同時各個村莊情況存在差異，因此需要針對每個村莊的具體情況確定各區(qū)治理方案。

2.2 分策治理

農(nóng)村地區(qū)不同于城鎮(zhèn)地區(qū)，存在管網(wǎng)基礎薄弱、房屋道路布局缺乏嚴謹性、整體排污量偏低、污水處理廠站選址困難等問題。因此需要考慮不同區(qū)域的具體情況，在保證技術可行性和經(jīng)濟合理性的基礎上，采取針對性的分策治理方案方能實現(xiàn)農(nóng)村生活污水的有效治理。

2.2.1 系統(tǒng)治理

對于以分散排污方式為主的村莊，由于排污口分布散亂無規(guī)律，且嚴重缺乏管網(wǎng)基礎，宜采用系統(tǒng)治理的策略，即在村內(nèi)新建排污管網(wǎng)收集生活污水，然后污水進入處理設施，經(jīng)處理達標后排放。

2.2.2 末端治理

對于現(xiàn)有排污管網(wǎng)情況相對較好、能夠滿足排污需求的村莊，視情況采取末端治理策略，即為避免全面新建管網(wǎng)造成浪費，在改造和完善現(xiàn)有管網(wǎng)的基礎上，盡可能利用現(xiàn)有的集中排污口進行污水收集，然后污水進入處理設施，經(jīng)處理達標后排放。

2.2.3 納管入廠

對于距離市政污水處理管網(wǎng)較近、具備接入市政管網(wǎng)條件的村莊，主要采取完善排污管道使生活污水進入當?shù)匚鬯畯S處理的策略，不再新建處理設施。

2.2.4 集中分散有機結合

對于村內(nèi)大部分房屋聚集于一片區(qū)域，但是偶有個別住戶的房屋離主體村落較遠的情況，采取集中和分散處理措施相結合的策略，即對主體村落住戶排放的污水采用集中處理的方式，提高處理效率；對于單個住戶排放的污水采用分散式處理設施，避免新建管網(wǎng)成本過高。

3 工程設計

3.1 出水水質要求

根據(jù)要求，出水水質必須達到河北省《農(nóng)村生活污水排放標準》(DB 13/2171—2015)中一級A標準的要求，同時滿足農(nóng)林灌溉標準和城市雜用水水質標準，可用于農(nóng)林灌溉系統(tǒng)或滿足其他回用要求(如沖廁、道路清掃、消防、綠化及建筑施工雜用水)。

3.2 工藝技術

按照處理原理不同，農(nóng)村生活污水處理技術主要包括物化處理技術、生物處理技術和生態(tài)處理技術。

物化處理技術包括沉淀、吸附、過濾、高級氧化等，一般用于前端預處理，以保證后續(xù)主體處理單元的效率，或者用于后端深化處理，以提高出水水質。物化處理的主要特點是快速高效，可控性更強。

生物處理技術包括生物轉盤法(RBC)、生物接觸氧化法(BCO)、A2O、氧化塘、膜生物反應器(MBR)、移動床生物膜反應器(MBBR)等多種技術形式，是凈化污水的主要功能單元。生物處理的核心是通過組合不同微生物代謝過程(包括厭氧、缺氧和好氧)實現(xiàn)污染物去除的目的。

生態(tài)處理技術包括人工濕地、氧化塘、人工土地快速滲濾系統(tǒng)、生態(tài)濾池等，一般也作為凈化污水的主體單元。生態(tài)處理技術與生物處理技術的相似之處在于兩者都主要依靠動植物或者微生物完成污染物的去除，不同之處在于生態(tài)處理技術更注重以自然環(huán)境中的要素為基礎進行優(yōu)化設計使其滿足污水處理需求。通常生態(tài)處理技術投資運行成本和運維技術難度較低，而生物處理技術往往處理效率更強。

3.3 工藝技術選擇依據(jù)

在農(nóng)村生活污水處理的實際工程中，常常根據(jù)各項技術的優(yōu)缺點將其組合形成不同的工藝，以期實現(xiàn)更高的處理效能。本工程在工藝技術的選擇方面綜合考慮以下因素：1)首先應選擇成熟度高、運行效果穩(wěn)定可靠的工藝技術以應對水質水量的波動，保證出水水質達標。2)農(nóng)村運維人力稀缺，因此盡量選擇運維簡單便捷的工藝技術。3)因地制宜，根據(jù)具體村莊排污特征和場地條件選擇能夠保障出水水質的處理工藝。4)一體化處理設備盡量選擇可移動式，以配合農(nóng)村發(fā)展建設實現(xiàn)處理設備重復利用。

3.4 工程方案

3.4.1 區(qū)域1方案

區(qū)域1位于最北部，距離其他村莊較遠，在本工程中屬于獨體村，且并不具備將生活污水輸送至市政管網(wǎng)的條件。同時該區(qū)域排污管網(wǎng)基礎薄弱，少量的自建管道不能滿足排污需求，因此采用系統(tǒng)治理的策略，通過新建排污管網(wǎng)收集生活污水并輸送至污水處理設施。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，該區(qū)域東北角有大面積的洼地坑塘?？紤]場地條件和建設運行成本，決定因地制宜對洼地坑塘進行改造，修建具備生活污水處理功能的人工濕地。

人工濕地是一種生物生態(tài)組合技術，根據(jù)地形地質條件模擬天然濕地的結構與功能，人工濕地可滿足污水處理的要求。它對水中污染物的去除過程包括生物降解、化學作用及物理作用等，各種過程相互作用有助于提高有機質、氮磷等污染物的去除效果[5]。人工濕地相對于其他處理技術具有處理效果良好和運行成本低廉的優(yōu)點，但是對于場地要求相對較高，對季節(jié)變化較為敏感[6-8]。

人工濕地主要分為潛流濕地和表面流濕地兩大類。相對而言，前者的處理效果更為穩(wěn)定可靠[7]，且對季節(jié)變化的適應性更強，因此本工程采用潛流濕地工藝，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 人工濕地工藝流程示意圖

生活污水經(jīng)過格柵后在沉砂池沉淀泥沙，進入調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水量和水質，然后進入濕地去除污染物，最后經(jīng)過二次沉淀、過濾消毒達標排放。

人工濕地地面部分覆蓋植被，一方面能夠吸收水中的氮磷等污染物供自身生長，同時為微生物的生存代謝提供棲息場所，微生物可以實現(xiàn)污染物的降解吸收。濕地內(nèi)部依次分設缺氧區(qū)域和好氧區(qū)域，并設置回流。通過完整的循環(huán)去除污染物，并保證濕地系統(tǒng)內(nèi)的微生物豐度，確保生化反應效率。

由于河北地處北方，冬季寒冷，因此本工程采取一系列措施保障濕地冬季正常運行，包括：1)選擇耐寒植物山杉和冰竹等作為濕地主要植被。所選的植物在冬季不宜落葉，既能避免落葉影響水質，又能夠在冬季保持濕地較高的處理性能。2)缺氧段和好氧段覆土0.8 m，深度超過當?shù)貎鐾辽疃?，避免冬季氣溫過低導致微生物代謝活性下降，影響濕地處理效率。3)風機充氧過程向系統(tǒng)內(nèi)帶入熱量，有助于維持系統(tǒng)內(nèi)部的溫度。

區(qū)域1現(xiàn)有常住人口近700人，預計排污量約為65 m3/d，據(jù)此設計處理規(guī)模70 m3/d的人工濕地。

3.4.2 區(qū)域2方案

區(qū)域2緊鄰市政管線(圖1)，經(jīng)調(diào)研確認市政污水處理廠的處理容量能夠接納和處理該區(qū)域產(chǎn)生的生活污水，同時該區(qū)域的管網(wǎng)基礎良好，因此采用末端治理策略，在現(xiàn)有排污管道的基礎上進行改造建設，并將其與市政管線連通，最終生活污水輸送至城區(qū)的市政污水處理廠處理。

3.4.3 區(qū)域3、4方案

區(qū)域3和區(qū)域4距離市政管線較遠，不具備污水送入市政污水處理廠的條件。同時，這兩個區(qū)域均缺乏良好的管網(wǎng)基礎，因此采用系統(tǒng)治理策略，通過新建排污管網(wǎng)和處理設施完成對生活污水的處理。同時由于區(qū)域3和區(qū)域4均不具備建設人工濕地的場地條件，因而采用一體化處理站的方案。

常見工藝各方面性能對比見表1。經(jīng)過系列工藝對比后，本工程采用“A/O+BCO”一體化處理站。

表1 一體化處理站工藝對比

A/O+BCO工藝在傳統(tǒng)A/O法的基礎上耦合生物接觸氧化法，兼具活性污泥法和生物濾池的優(yōu)點，其主要特征是在生物池內(nèi)添加填料作為載體，形成生物膜。BCO從工藝形式上分為直流式和分流式，前者曝氣充氧在同一單元完成，后者則分開進行。

BCO技術的核心是填料載體，目前常見的填料包括陶粒、聚氨酯、天然礦石、聚乙烯等，也可以采用多種不同材料制備的混合填料[9-14]。填料的性質決定了該工藝功能主體——生物膜的效能。生物膜由厭氧菌、兼性菌、好氧菌復合微生物形成的生物群落組成，具有強化有機質降解和脫氮除磷的優(yōu)勢。多種生物群落共存也能夠更好地應對農(nóng)村生活污水水質、水量波動較大的特性，從污水到生物膜內(nèi)部能夠形成氧氣濃度梯度和污染物濃度梯度。隨著氧氣濃度從生物膜表面向內(nèi)部逐步降低，微生物群落依次由好氧菌群向缺氧菌群和厭氧菌群演變，各類菌群相互協(xié)調(diào)但又行使不同的功能。污染物(例如有機質)在生物膜處被降解，污水中的污染物濃度大于生物膜表面，促使發(fā)生污染物由水中向生物膜傳遞的傳質過程，進而使污水逐步得到凈化[15]。

本工程所采用的一體化處理站具體工藝流程如圖3所示。

圖3 A/O+BCO工藝流程示意圖

如圖3所示，生活污水經(jīng)過格柵、調(diào)節(jié)池預處理去除大顆粒污染物和懸浮物后，依次進入缺氧區(qū)和好氧區(qū)去除有機物和脫氮除磷，最后經(jīng)過二次沉淀、過濾消毒深度處理，確保出水水質達標后排放。為強化除磷效果，在缺氧池輔以化學除磷，保證出水中磷含量穩(wěn)定達標。

區(qū)域3存在若干住戶距離村莊主體較遠，為避免建設成本過高，使用小型分散式污水處理設備對以上住戶產(chǎn)生的生活污水進行處理。分散式污水處理設備主體工藝采用兩級A/O進行污水凈化。

區(qū)域3常住人口約650人，預計排污量為60～65 m3/d，據(jù)此新建處理規(guī)模70 m3/d的一體化污水處理站一座；區(qū)域4常住人口約2 600人，預計排污量為240 m3/d，據(jù)此新建處理規(guī)模250 m3/d的一體化污水處理站一座。

4 農(nóng)村生活污水處理存在的問題

在各項政策的支持推進下，農(nóng)村生活污水的處理已經(jīng)取得了進展，但是目前仍然存在一些問題[16-20]，簡要總結如下：

1)處理體系基礎薄弱。排污管網(wǎng)和污水處理設施較為缺乏。大部分農(nóng)村地區(qū)并沒有排污管網(wǎng)體系，即使存在部分自建管道，但是大多存在設計不合理，且末端缺乏處理設施的問題。

2)污水系統(tǒng)收集困難。隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，一部分村莊規(guī)模擴大，但是住房和道路的建設缺乏整體布局，難以合理設計排污管網(wǎng)，污水收集難度增加，同時處理設施選址困難。

3)水質水量波動性強。農(nóng)村人口流動性較強，經(jīng)濟條件良好的農(nóng)村吸引外來人口，經(jīng)濟條件欠佳的區(qū)域則存在人口流出；同時隨著季節(jié)變化，人們用水習慣和用水量有所調(diào)整。以上兩種情況均會導致農(nóng)村生活污水量水質出現(xiàn)較大波動，增加了處理工藝的設計難度和處理設施的運維難度。

4)整體水量偏小，處理成本高。近年農(nóng)村地區(qū)生活污水量呈現(xiàn)增加趨勢，但是整體排污量依然偏小，增加了單位體積污水的處理成本。

5)污水來源復雜。伴隨著農(nóng)村的發(fā)展，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)出現(xiàn)并崛起。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展一方面帶動了當?shù)剞r(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，一方面也出現(xiàn)部分污水治理不及時、不理想的問題，存在工業(yè)污水與生活污水合并排放的現(xiàn)象；除此之外，養(yǎng)殖廢水等各種廢水混合排放，也增加了生活污水的處理難度。

6)環(huán)保意識薄弱。部分基層群眾和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)缺乏環(huán)保意識，沒有充分認識污水對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的危害性。

5 結論及建議

1)農(nóng)村地區(qū)具有不同于城鎮(zhèn)地區(qū)的顯著特點，因此在農(nóng)村生活污水治理中應避免盲目依賴城市地區(qū)的治理經(jīng)驗，需要根據(jù)農(nóng)村地區(qū)的具體情況因地制宜，兼顧處理效果和經(jīng)濟成本進行分策治理。

2)農(nóng)村生活污水治理工藝和設備的選擇需要在保證出水水質達標的基礎上，同時注重建設成本、運維難度、場地條件等；排污管網(wǎng)的設計需要綜合考慮現(xiàn)有管網(wǎng)條件、房屋道路布局等，合理規(guī)劃排水分區(qū)，在保證污水收集率的基礎上避免成本浪費。

3)針對農(nóng)村生活污水的治理，在方案設計和技術選擇上，應充分考慮當?shù)匕l(fā)展規(guī)劃，提出結合農(nóng)村地區(qū)近遠期發(fā)展的解決途徑。