川西北高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水治理適宜技術(shù)研究

田豐 肖杰 王春 楊長軍 張珅 高東東 何鵬

（四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，四川 成都 610064）

1 引言

近年來，四川省大力推進(jìn)農(nóng)村生活污水收集與治理工作，印發(fā)了《四川省農(nóng)村生活污水治理三年推進(jìn)方案》，方案明確要求到2021 年年底，全省行政村生活污水有效治理率目標(biāo)為60%［1-2］。四川省生態(tài)環(huán)境廳例行新聞發(fā)布會上公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2021 年7 月，全省共有17 541 個行政村生活污水得到有效治理，治理率達(dá)到61.7%，已提前完成既定目標(biāo)。但川西北高寒高海拔地區(qū)因氣候條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口分布等影響，農(nóng)村生活污水有效治理率還不足40%，與全省平均水平仍有一定差距，已建污水處理設(shè)施不同程度地存在污水收集率低、進(jìn)水濃度低和設(shè)施運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。此前，對高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水治理技術(shù)研究甚少，常規(guī)污水處理技術(shù)難以在該地區(qū)適應(yīng)。因此，亟須探索出適合高寒高海拔地區(qū)的污水處理技術(shù)，以解決川西北高原地區(qū)農(nóng)村生活污水環(huán)境污染問題［3-4］。

2 高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水治理現(xiàn)狀

2.1 高寒高海拔地區(qū)主要特點(diǎn)

一是自然條件惡劣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后。四川省高寒高海拔地區(qū)平均海拔在2 400 m 以上，冬季氣溫在-15～5 ℃之間，凍土層厚度0.6～1.5 m。所有縣均為剛脫貧的國家級貧困縣和鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)幫扶縣，財(cái)政收入緊張，農(nóng)民人均可支配收入僅為全省平均水平的80%。二是農(nóng)村人口總數(shù)小、聚居度相對偏低。區(qū)域現(xiàn)有2 065 個行政村、4 757 個自然村，21.6 萬戶、89.8 萬常住人口，地廣人稀，人口密度僅為7.4 人/km2，村莊規(guī)模普遍較小，居住較分散。三是污水排放量小、污染物濃度低。牧區(qū)生活污水排放量10～20 L/（人·d），半農(nóng)半牧區(qū)20～50 L/（人·d），河谷農(nóng)區(qū)40～50 L/（人·d），旅游景區(qū)和旅游沿線農(nóng)村旅游旺季60～80 L/（人·d），淡季減少至50 L/（人·d）以下。冬季農(nóng)戶多采用“長流水”（為防止高寒高海拔地區(qū)冬季管道凍結(jié)，農(nóng)戶家用自來水保持常流狀態(tài)）方式防凍，導(dǎo)致污水處理設(shè)施進(jìn)水濃度低，后續(xù)生化段污泥營養(yǎng)物質(zhì)嚴(yán)重不足，難以保障設(shè)備正常運(yùn)行。四是農(nóng)村生活污水治理尚處于起步階段。截至2021 年10 月，高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水有效治理的行政村占比不足40%。已建的污水處理設(shè)施中，約80%設(shè)施采用有動力的生化處理或組合工藝，其中以A/O，A2/O，MBR 等工藝居多；20%為無動力的厭氧工藝，主要采用“厭氧+土地處理”“三格式化糞池+資源化利用”等工藝。

2.2 污水治理存在的主要問題

一是部分已建設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過高。以四川省DB 51/2626—2019《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施日期為界限，2020 年前建成的農(nóng)村污水處理設(shè)施中，25%參照執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A，B 標(biāo)準(zhǔn)，6%參照執(zhí)行GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)。二是選用的工藝技術(shù)種類繁多且偏復(fù)雜。區(qū)域內(nèi) 采 用A2/O、A/O、MBR、MBBR、CASS、SBR、PASG（地埋式綜合生化處理工藝）、生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化法等多達(dá)9 種工藝；半數(shù)縣市選用工藝在4 種以上，繁雜的處理工藝增加了日常運(yùn)維難度。三是已建設(shè)施運(yùn)行負(fù)荷率低、正常運(yùn)行率低。已建設(shè)施總設(shè)計(jì)處理規(guī)模約10 000 m3/d，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率不足50%。受處理工藝適用性差、建設(shè)質(zhì)量參差不齊、運(yùn)維資金和技術(shù)人員保障不足等因素制約，部分污水處理設(shè)施無法穩(wěn)定正常運(yùn)行。

3 高寒高海拔地區(qū)主要適用治理技術(shù)

針對高寒高海拔地區(qū)自然條件惡劣、地廣人稀、污水量小、環(huán)保設(shè)施建設(shè)相對滯后、地方財(cái)力薄弱等現(xiàn)狀，因地制宜探索低成本、易維護(hù)、高效率、抗沖擊的治理技術(shù)，成為該地區(qū)農(nóng)村生活污水治理的必然選擇。經(jīng)廣泛調(diào)研、深入研究和專家咨詢，推薦四川省高寒高海拔地區(qū)主要適用技術(shù)包括厭氧生物膜法、接觸氧化法、移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）、生物濾池、人工濕地等5 種，見表1。

表1 四川省高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水主要適用技術(shù)

4 推薦組合工藝

高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水應(yīng)堅(jiān)持“分散處理、資源化利用為主”的治理思路，嚴(yán)格控制建設(shè)集中處理設(shè)施數(shù)量，將黃河流域、水源保護(hù)區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)、城鄉(xiāng)接合部、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府所在地、中心村等“六類村”作為治理類村莊，可采取集中收集處理利用模式，出水達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求，其他規(guī)模較小和管控類村莊應(yīng)結(jié)合農(nóng)村衛(wèi)生廁所改造工程，以資源化利用為主，并加強(qiáng)生活污水排放利用管控。下面介紹幾種適宜高寒高海拔地區(qū)的組合工藝。

4.1 資源化利用處理工藝

4.1.1 衛(wèi)生旱廁＋灰水收集＋資源化利用

高寒高海拔地區(qū)推薦使用的無害化衛(wèi)生旱廁，主要有糞尿分集式廁所和雙坑交替式廁所2 類。該工藝將糞污通過短期發(fā)酵、自然降解的方式進(jìn)行無害化處理，經(jīng)堆漚腐熟成農(nóng)家肥，就地就近農(nóng)用。衛(wèi)生旱廁在日常維護(hù)中需做好防雨、防水措施，嚴(yán)禁生活污水排入，并及時清理貯尿桶和貯糞池。

4.1.2 三格/四格式化糞池＋資源化利用

該工藝是利用沉淀和厭氧微生物發(fā)酵原理的污水初級處理設(shè)施，通過厭氧生物分解作用去除部分有機(jī)污染物，通過沉淀作用去除大部分懸浮物。處理后的糞污可資源化利用，也可排入土壤滲濾系統(tǒng)或人工濕地等進(jìn)行生態(tài)處理?；S池日常管理維護(hù)簡便，主要包括水量控制、防漏、防臭、清理格柵雜物、清理池渣等工作。注意在清渣或取糞水時，在池邊嚴(yán)禁明火，以防池內(nèi)糞便發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣遇火爆炸。

4.2 達(dá)標(biāo)排放處理工藝

4.2.1 預(yù)處理＋人工濕地

該工藝將黑水排入化糞池進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過一定的停留時間后，化糞池第三格上清液和灰水一起自流進(jìn)入人工濕地，在土壤—植物—微生物的協(xié)同作用下進(jìn)一步凈化，經(jīng)處理達(dá)標(biāo)后出水外排或資源化利用。工藝流程見圖1。

圖1 “預(yù)處理＋人工濕地”組合工藝流程

人工濕地面積可按有機(jī)負(fù)荷、水力負(fù)荷或停留時間等條件來確定，垂直潛流人工濕地、水平潛流人工濕地和表面流人工濕地的水力負(fù)荷分別為每日每噸污水不低于2，3，10 m3，水力停留時間分別為2～4 d，3～5 d，5～8 d；基質(zhì)宜就近取材，結(jié)合材料機(jī)械強(qiáng)度、比表面積、孔隙率等參數(shù)進(jìn)行級配；水生植物應(yīng)優(yōu)先選擇根系發(fā)達(dá)、成活率高、耐污能力強(qiáng)、水質(zhì)凈化效果好、抗凍及抗病蟲害能力強(qiáng)、容易管理的本土植物，可選擇蘆葦、香蒲、菖蒲、水芹、杉葉藻、燈心草等耐寒性植物。人工濕地應(yīng)在底部和側(cè)面進(jìn)行防滲處理，防滲層可采用黏土層、聚乙烯薄膜及其他建筑防水材料。人工濕地應(yīng)注意冬季保溫，宜采取分層布水，冬季降水位運(yùn)行。日常管理運(yùn)行中需注意適時調(diào)節(jié)水位，避免出現(xiàn)短流現(xiàn)象；密切關(guān)注植物生長情況，適時缺苗補(bǔ)種、雜草清除、收割以及控制病蟲害；采取措施確保植物生長平穩(wěn)過冬；采取定期清淤、局部更換基質(zhì)等方式防止堵塞。

4.2.2 預(yù)處理＋厭氧生物膜法/生物濾池（＋人工濕地）

該工藝將生活污水經(jīng)化糞池預(yù)處理后送至厭氧池；厭氧池內(nèi)設(shè)有掛膜生物填料或?yàn)V料強(qiáng)化厭氧處理效果；對進(jìn)水濃度低且水質(zhì)排放要求不高的地區(qū)，經(jīng)過厭氧強(qiáng)化處理后可直接排放。對水質(zhì)排放要求高的地區(qū)，經(jīng)厭氧處理后的出水可進(jìn)入人工濕地，進(jìn)一步削減污染物。工藝流程見圖2。

圖2 “預(yù)處理＋厭氧生物膜/生物濾池法（＋人工濕地）”組合工藝流程

厭氧生物處理水力停留時間宜為2～5 d，填料或?yàn)V料的選擇宜為生物膜易附著的，同時填料或?yàn)V料應(yīng)具備比表面積大、通水阻力小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗老化、使用壽命長等特性。厭氧池在建設(shè)期應(yīng)做好防滲、防漏措施；并對厭氧池進(jìn)行封頂處理，且頂部留有排氣口和人孔，必要時可增加除臭裝置。運(yùn)維期應(yīng)定期排放與處置池底污泥，定期檢查厭氧池的進(jìn)、出水口和排氣口，及時處置沼氣，有條件的地區(qū)可考慮沼氣收集與利用。

4.2.3 預(yù)處理＋生物接觸氧化（+人工濕地）

該工藝通過格柵、調(diào)節(jié)池等去除污水中的漂浮物和懸浮物，在厭氧池中降解大分子有機(jī)物并進(jìn)行氨化反應(yīng)，再進(jìn)入生物接觸氧化池，在好氧條件下進(jìn)一步去除有機(jī)物，自養(yǎng)菌的硝化作用將氨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，通過回流在缺氧條件下實(shí)現(xiàn)總氮脫除，好氧池出水進(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離，尾水可直接排放，或經(jīng)人工濕地進(jìn)一步深度處理后排放或資源化利用。工藝流程見圖3。

圖3 “預(yù)處理＋生物接觸氧化（+人工濕地）”組合工藝流程

生物接觸氧化處理系統(tǒng)主要去除有機(jī)物時，按BOD5表面有機(jī)負(fù)荷確定池體體積，填料填充率50%～80%，水力停留時間3～6 h，通常選擇4 h 為宜，同時應(yīng)滿足水力負(fù)荷要求。系統(tǒng)需去除有機(jī)物和脫氮時，應(yīng)在生物接觸氧化池前設(shè)置缺氧池，BOD5表面有機(jī)負(fù)荷，好氧池、缺氧池填料填充率50%～80%，水力停留時間分別為4～12 h，1～3 h，出水回流比100%～300%；除磷時需單獨(dú)增加除磷工藝。當(dāng)采用多級接觸氧化工藝時，第一級生物接觸氧化池的水力停留時間應(yīng)占總水力停留時間的55%～65%，處理效果穩(wěn)定高效。在運(yùn)行過程中，需注意填料載體上生物膜生長與脫落情況，并通過適當(dāng)?shù)臍饬空{(diào)節(jié)防止生物膜的整體大規(guī)模脫落。確保無曝氣死角，調(diào)整曝氣頭位置，保證均勻曝氣。定期察看有無填料結(jié)塊堵塞現(xiàn)象發(fā)生并予以及時疏通。

4.2.4 預(yù)處理＋MBBR（+人工濕地）

該工藝兼具傳統(tǒng)流化床和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點(diǎn)，在高寒高海拔地區(qū)應(yīng)用具有較大優(yōu)勢。農(nóng)村生活污水流經(jīng)格柵截留了大部分漂浮物后，與回流污泥共同進(jìn)入MBBR 生化池，MBBR 生化池內(nèi)一般包括厭氧池、缺氧池、好氧池。厭氧池主要功能是降解有機(jī)物、提高污水的可生化性，同時釋放磷以及對部分有機(jī)物進(jìn)行氨化；缺氧池主要功能是脫氮、水解和降解部分有機(jī)物；好氧池主要功能是好氧池內(nèi)投加的懸浮填料表面附著生長生物膜，促進(jìn)有機(jī)物去除、硝化反應(yīng)和磷的吸收，好氧池出水進(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離后排放。工藝流程見圖4。

圖4 “預(yù)處理＋MBBR（+人工濕地）”組合工藝流程

MBBR 處理系統(tǒng)主要去除有機(jī)物時，按BOD5表面有機(jī)負(fù)荷確定池體體積，填料填充率20%～50%，水力停留時間2～6 h。系統(tǒng)需去除有機(jī)物和脫氮時，應(yīng)在生物接觸氧化池前設(shè)置缺氧池，BOD5表面有機(jī)負(fù)荷，好氧池、缺氧池填料填充率20%～50%，水力停留時間分別為3～12 h，0.5～3 h，出水回流比100%～300%；池內(nèi)水平流速不應(yīng)大于30 m/h。在實(shí)際工程中，為避免填料堆積現(xiàn)象，需改進(jìn)曝氣管路的布置、反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和水力特性。單個反應(yīng)器的長深比宜為0.5 左右，且長度不大于3 m，有利于填料完全移動；反應(yīng)器出水需設(shè)置活動?xùn)虐澹ㄆ谶M(jìn)行人工清理，也可設(shè)置空氣反吹裝置，以防止堵塞和填料流失。上述組合工藝特點(diǎn)見表2。

表2 四川省高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水組合工藝特點(diǎn)

5 已有問題設(shè)施工藝改造

5.1 工藝常見問題

5.1.1 MBR 工藝常見問題

川西北高寒高海拔地區(qū)采用MBR 工藝的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行率偏低。經(jīng)分析，在技術(shù)層面主要存在以下問題：（1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過高，采用MBR法與多種工藝組合使用，造成處理工藝偏復(fù)雜，運(yùn)維管理困難。（2）部分設(shè)施進(jìn)水濃度過低，碳源不足導(dǎo)致MBR 生化池內(nèi)活性污泥濃度較低，在個別時段進(jìn)水濃度偏高時設(shè)施不具備抗沖擊能力。（3）預(yù)處理段不完善，如缺乏膜格柵，進(jìn)水中的雜物易造成膜組件損壞。（4）MBR 膜組件未定期清洗，造成膜表面污染嚴(yán)重，影響處理效果和產(chǎn)水效率。

5.1.2 A2/O 活性污泥法常見問題

川西北高寒高海拔地區(qū)采用A2/O 工藝的設(shè)施中，部分設(shè)施運(yùn)行效果不佳甚至停運(yùn)，主要存在以下問題：（1）水溫低、大氣壓低，導(dǎo)致處理設(shè)施中的污泥活性低，微生物世代繁衍困難，且進(jìn)水濃度低，導(dǎo)致生化池內(nèi)污泥量少，處理效果不佳。（2）A2/O 活性污泥法工藝流程較長，非專業(yè)人員無法精準(zhǔn)控制內(nèi)外污泥回流量，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)不徹底，影響脫氮效果。（3）部分規(guī)模較小的處理設(shè)施，采用較為復(fù)雜的A2/O 活性污泥法工藝，導(dǎo)致造價高、能耗高，運(yùn)維成本高。

5.2 改造方案

（1）對于處理規(guī)模小于20 m3/d 的污水處理設(shè)施，可將工藝調(diào)整為無動力的厭氧生物膜法工藝，形成“預(yù)處理＋厭氧生物膜/濾池”組合工藝，即向生化池投加高效填料或?yàn)V料培養(yǎng)附著生物膜，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力和處理效果。

（2）對于處理規(guī)模在20 m3/d 及以上的污水處理設(shè)施，調(diào)整為“厭氧＋生物接觸氧化/MBBR（+人工濕地）”組合工藝，即投加高效固定或懸浮填料，以提高微生物濃度，提高處理效果，經(jīng)改造后的出水完全滿足生活污水處理達(dá)標(biāo)排放和資源化利用的需求。

（3）大多數(shù)污水處理技術(shù)均是依靠微生物代謝作用實(shí)現(xiàn)對污染物的去除，高寒高海拔地區(qū)常年氣溫較低、冬季嚴(yán)寒，限制了微生物對污染物的降解能力。同時，低溫條件下易造成管道結(jié)冰堵塞、設(shè)施運(yùn)行故障甚至損壞等現(xiàn)象。因此，應(yīng)對高寒高海拔地區(qū)污水處理設(shè)施及配套管網(wǎng)采取增加埋深、加設(shè)保溫層等手段。對于有條件的地區(qū)，還可采取設(shè)置大棚、鋪蓋秸稈、太陽能輔助等強(qiáng)化保溫措施。

6 結(jié)論

（1）高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水在選擇處理工藝時，應(yīng)充分考慮地形地貌、社會經(jīng)濟(jì)條件、風(fēng)俗習(xí)慣、進(jìn)水濃度、排放標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)維管護(hù)能力等因素，因地制宜地選取適合的污水處理工藝，不宜選擇工藝流程復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)困難的工藝。

（2）根據(jù)高寒高海拔地區(qū)已建、在建污水站實(shí)際情況，結(jié)合農(nóng)村居民居住習(xí)慣、污水收集處理現(xiàn)狀，農(nóng)村生活污水治理方式推薦以下幾種：對于經(jīng)濟(jì)條件較差、農(nóng)戶分布分散且周邊有消納土地的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，可采用“衛(wèi)生旱廁+灰水收集+資源化利用”和“三格/四格化糞池+資源化利用”2 種資源化利用工藝；對于處理規(guī)模小于20 m3/d 的污水處理設(shè)施，可采用“預(yù)處理+厭氧生物膜/濾池”組合工藝；對于處理規(guī)模在20 m3/d 及以上的污水處理設(shè)施，可采用“厭氧+生物接觸氧化/MBBR（+人工濕地）”組合工藝。

（3）為確保冬季運(yùn)行效果，設(shè)備及管網(wǎng)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦?、凍土層深度、地下水水位等選擇保溫措施，可選擇深埋、淺埋、大棚保溫、新型材料和新能源等多種方式組合使用。