農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研究進(jìn)展

胡小波，駱輝，荊肇乾，章澤宇

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

近年來，在農(nóng)村經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，村民生活水平提高的同時，不斷增加的還有污水的排放量，農(nóng)村污水的肆意排放已經(jīng)成為農(nóng)村水環(huán)境污染的重要來源[1]，農(nóng)村污水已經(jīng)嚴(yán)重破壞著地表水環(huán)境，如果不加以重視將會對土壤環(huán)境甚至地下水環(huán)境都將造成影響[2]，而水環(huán)境的污染將會造成嚴(yán)重的公共和環(huán)境[3-4]、健康風(fēng)險[3]。因此，因地制宜地探究適合于農(nóng)村污水處理的單一或組合式生態(tài)技術(shù)顯得尤為重要。

本文以農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀為背景，綜合分析各典型工藝對氨氮、TN、有機物及TP等污染物的去除效果，并探討了影響各工藝處理效果的因素，總結(jié)了目前最前沿的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)并展望其未來主要發(fā)展方向。以期為我國農(nóng)村生活污水治理相關(guān)研究及實際工程提供經(jīng)驗。

1 農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀及問題

1.1 農(nóng)村生活污水的來源及特點

我國農(nóng)村生活污水存在水量較小、排放分散、水質(zhì)不穩(wěn)定、收集點較多等特點[5]，其根據(jù)來源可分為黑水和灰水兩種[6]，黑水的來源是廁所污水，通常包括尿液、糞便和沖洗水；灰水則是指黑水以外的生活污水，來源是廚房污水和生活洗浴污水[7]。此兩類水的化學(xué)組分以及在農(nóng)村污水量的占比見表1。

對表1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)生活污水中大部分的氮、磷都是來自于黑水，分別占86%和80%，而灰水則相對較低，但是灰水的產(chǎn)生量則比較高，占到了生活污水的62%。

表1 生活污水中污染物來源及組成[8]Table 1 Source and composition of pollutants in domestic sewage

1.2 農(nóng)村生活污水處理模式

相較于城市而言，農(nóng)村的住戶較為分散[9]，污水排放面較廣，因此城市的集中式污水處理模式在農(nóng)村生活污水治理中很難實現(xiàn)，根據(jù)污水收集方式的不同，我國農(nóng)村生活污水的處理模式大致可分為三種：相對集中式污水處理模式、分散式污水處理模式、納管污水處理模式。各污水處理模式概況及使用條件見表2。

表2 污水處理模式概況及使用條件[9-10]Table 2 Overview of sewage treatment mode and use conditions

1.3 污水收集系統(tǒng)存在問題

目前我國農(nóng)村生活污水處理過程中普遍存在“兩難一低”[11]的問題。由于農(nóng)村住戶居住分散，生活污水面源較廣，污水收集節(jié)點較多，所以對農(nóng)村生活污水實施收集較為困難；另一方面由于農(nóng)村生活污水水量水質(zhì)的波動較大，污水處理較為困難；同時，由于處理工藝和處理模式的選擇不適當(dāng)，再加上農(nóng)村污水管網(wǎng)較為落后，好多都是通過現(xiàn)有的明渠暗溝收集，很難做到雨污水分開，從而導(dǎo)致污水處理效率較低。

1.4 污水處理技術(shù)存在問題

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的適用條件較為局限。由于我國幅員遼闊，農(nóng)村人口、生活習(xí)性、經(jīng)濟(jì)社會等條件相差較大，單一的污水處理技術(shù)或者模式很難適應(yīng)各方面的條件[9]，因此，就需要因地制宜，根據(jù)各個地方的地理條件和經(jīng)濟(jì)狀況，選取合適的技術(shù)和模式。

然而，在農(nóng)村污水處理設(shè)計中，一些地方由于資金原因，使用工藝過于簡易[12]，或者設(shè)計貪大求新導(dǎo)致成本高、運維難，超出了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)承受的能力和管理水平[13]，從而導(dǎo)致設(shè)備建成后沒辦法正常的運行或者處理效果較差，出水水質(zhì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，反而成為新的污染源[11]。楊曉英等[12]對蘇南農(nóng)村生活污水治理的調(diào)研分析中，選取了7個常年運行的微動力農(nóng)村生活污水處理裝置進(jìn)行了5次跟蹤監(jiān)測，出水達(dá)標(biāo)率(以一級B為標(biāo)準(zhǔn))僅為30.8%。

2 農(nóng)村生活污水適用技術(shù)選擇

農(nóng)村生活污水處理工藝主要包括生物處理技術(shù)、生態(tài)處理技術(shù)及生物生態(tài)組合技術(shù)[14]。

2.1 生物處理技術(shù)

生物處理技術(shù)對農(nóng)村生活污水的凈化主要依賴于微生物的新陳代謝，該技術(shù)用地面積少，產(chǎn)生的污泥少，而且沖擊負(fù)荷能力較強，對水質(zhì)水量波動較大的農(nóng)村污水具有較好的處理效果[15]。

2.1.1 凈化槽 凈化槽作為一體化污水處理設(shè)備，因其占地小、安裝靈活方便等優(yōu)點在農(nóng)村生活污水處理中得到廣泛使用[16]。

膜式凈化槽將生物處理技術(shù)和膜分離技術(shù)組合，增加了深度處理單元，提高了出水水質(zhì)[17]。干鋼等[18]通過對膜式凈化槽試驗分析，選取活性污泥和膜分離組合工藝，在出水穩(wěn)定時系統(tǒng)平均對BOD5、COD、NH3-N、TP的去除率可達(dá)到84.46%，83.64%，97.94%，94.13%，且出水均能達(dá)到城鎮(zhèn)一級A 標(biāo)準(zhǔn)。

王昶等[19]進(jìn)一步對凈化槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，研發(fā)出針對于農(nóng)村分散式處理模式的一體化凈化槽，使該凈化槽具有更小的占地面積，安裝更加靈活方便，更適用于地形復(fù)雜、住戶分散的農(nóng)村環(huán)境。目前一體化凈化槽已經(jīng)在全國各地廣泛應(yīng)用，且出水指標(biāo)均能達(dá)到城鎮(zhèn)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

常邦等[20]在傳統(tǒng)凈化槽的基礎(chǔ)上，增加鐵碳微電解填料，做成一體化污水處理裝置。裝置中的鐵碳填料主要用來彌補傳統(tǒng)凈化槽除磷的不足，試驗結(jié)果顯示系統(tǒng)對磷的去除率高達(dá)90%，其除磷過程是通過電化學(xué)作用、化學(xué)氧化作用、沉淀作用和共沉淀作用[21]，主要反應(yīng)機理為：

電化學(xué)反應(yīng)：

陽極(Fe)：Fe-2e-→Fe2+

陰極(C)：O2+2H2O+4e-→4OH-

化學(xué)氧化反應(yīng)： 2Fe2++O2→2Fe3+

4Fe(OH)2+O2+2H2O →4Fe(OH)3↓

3Fe(OH)2+Fe(PO3)2+O2→

2FePO4+2Fe(OH)3

沉淀反應(yīng)：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓

Fe3++3OH-→Fe(OH)3↓

共沉淀反應(yīng)：

4FePO4+Fe(OH)3+Fe(OH)2→

Fe6(PO4)4(OH)5↓

2.1.2 A/O工藝 A/O工藝即好氧單元和厭氧單元的組合工藝，能夠較好地去除污水中的污染物。吳杰等[22]通過對分段進(jìn)水多段A/O工藝進(jìn)行改造升級，在各個處理單元中加入生物膜填料，且將第一段改成好氧單元，無需外回流，反硝化作用時直接消耗自身碳源，進(jìn)一步提高有機物的去除效率，通過小試試驗系統(tǒng)對CODCr、NH3-N、TN的去除率達(dá)到92.8%，98.5%，82.2%。

但單一的A/O工藝并不能滿足除磷的要求，因此在實際應(yīng)用中通常增加人工濕地做深度處理單元。古騰等[23]在曝氣生物濾池與人工濕地組合工藝研究中，前置厭氧池與曝氣生物濾池初步對污水中污染物進(jìn)行降解，后置人工濕地進(jìn)一步對污水中氮磷等污染物進(jìn)行深度處理，試驗中該裝置的平均COD、TN、氨氮和TP的去除率達(dá)到90.05%，67.65%，95.29%，91.42%。

熊仁等[24]采用厭氧+跌水曝氣+人工濕地組合工藝，將傳統(tǒng)的鼓風(fēng)曝氣替換為跌水曝氣方式，并與人工濕地結(jié)合起來，使裝置的運行能耗降低，且COD、TN和TP等各項出水指標(biāo)均達(dá)到城鎮(zhèn)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 生物濾池 曝氣生物濾池(BAF)是對傳統(tǒng)濾池的改進(jìn)，具有高有機負(fù)荷、基建費用低、處理效果明顯等優(yōu)點[25]。黃曉鳴等[26]將沸石作為BAF填料，不僅增強了生物的可再生性，而且加強了生物脫氮的效果。其通過建立沸石曝氣生物濾池(ZBAF)小試試驗，實驗中COD、NH3-N和TN均達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)，且對氨氮的去除中沸石起主導(dǎo)作用。

吳亞慧等[27]將MBR工藝與BAF相結(jié)合，開發(fā)出了一種生物膜復(fù)合濾池，以陶粒作為膜載體進(jìn)行過濾。實驗中COD、NH3-N處理效率均能達(dá)到90%以上，TN和TP等各項出水指標(biāo)也均能達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)，在加入PAC后除磷，TP能達(dá)到一級A 標(biāo)準(zhǔn)。

李嘉樹等[28]根據(jù)農(nóng)村生活污水水量水質(zhì)特征，研究出一種一體化膨脹床復(fù)合生物濾池工藝，該工藝由降流式——升流式——降流式膨脹床生物濾池三段串聯(lián)在一起。第一段作為預(yù)處理單元和反硝化濾池，第二段則作為硝化池，第三段膨脹床具有化學(xué)除磷和深度脫氮的功能(采用三氯化鐵為絮凝劑后置除磷)。結(jié)合前、后置反硝化的特點，具有能耗低、運行維護(hù)簡單和不易堵塞等優(yōu)點。實驗結(jié)果顯示該工藝平均對COD、NH3-N、TN和TP的去除率能夠達(dá)到90.2%，92.2%，68.2%，90%，各項指標(biāo)基本上能夠達(dá)到一級A 標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 生態(tài)處理技術(shù)

生態(tài)處理技術(shù)是利用微生物、土壤、動植物之間產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)、生物學(xué)的作用對農(nóng)村污水中的污染物進(jìn)行降解的污水處理技術(shù)[29]，不同生物處理技術(shù)，該技術(shù)投資和管運護(hù)費用較低，生態(tài)景觀效果好[15]。

2.2.1 人工濕地 人工濕地處理農(nóng)村污水，具有處理效果好、投資建造費用低、運管護(hù)方便等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)單一的人工濕地卻存在著占地面積大、脫氮效果相對較差、受季節(jié)影響較大等缺點[30]。

水平潛流人工濕地(VF)一般有利于反硝化，但是氨氮硝化能力一般；而垂直流人工濕地(HF)能夠高效的去除氨氮，但是缺乏良好的好氧厭氧環(huán)境，使反硝化效果受限[31]。因此不同類型人工濕地的組合使用，優(yōu)勢互補，能大大提高處理效果，特別是脫氮效果尤為明顯。Rivas等[32]在墨西哥將HF和VF串聯(lián)，通過組合流的回流運行，取得較好的出水水質(zhì)，其中COD、SS、總氮、BOD5的去除率分別達(dá)到91%～93%，93%～97%，56%～88%，94%～98%。

潮汐流人工濕地(TFCW)作為一種具有供氧機制的新型人工濕地，是通過周期性淹沒-排水將空氣中的氧氣傳入基質(zhì)中，彌補了植物根系放養(yǎng)不足的缺陷，從而使氨氮和總氮達(dá)到良好的去除效果[33]。張玲玲等[34]通過對其研究發(fā)現(xiàn)，TFCW傳氧能力的顯著增加，使其在宏觀上處于好氧環(huán)境，進(jìn)水的碳源優(yōu)先被氧化進(jìn)而反硝化作用被削弱，導(dǎo)致TN的去除率低于70%。張玲玲等在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，將潮汐流與垂直潛流人工濕地相結(jié)合，研究設(shè)計出折板式潮汐潛流人工濕地，成功的營造出缺氧-好氧交替的環(huán)境，實驗中，COD、氨氮和總氮出水指標(biāo)均達(dá)到城鎮(zhèn)一級A標(biāo)準(zhǔn)，而TP也達(dá)到城鎮(zhèn)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 蚯蚓生態(tài)濾池 蚯蚓生態(tài)濾池是通過蚯蚓、濾料和微生物共同作用，對污水進(jìn)行處理的同時還能進(jìn)行污泥處理的新型生態(tài)處理技術(shù)[35]。因其建造運管護(hù)費用低、占地面積小、處理效果好等優(yōu)點，尤其能對污泥同步進(jìn)行處理，減少后期污泥處置費用，近年來，在農(nóng)村生活污水處理中應(yīng)用廣泛。

傳統(tǒng)蚯蚓生態(tài)濾池脫氮能力較差，主要原因為水力停留時間較短，反硝化反應(yīng)受到抑制[37]。而復(fù)合塔式生物濾池能夠?qū)崿F(xiàn)“缺氧-好氧-厭氧”的多次交替反應(yīng)，為微生物硝化-反硝化作用創(chuàng)造良好的條件，提高了脫氮效果[38]。楊沫等[39]以生物陶粒為主要填料，添加蚯蚓與植物等構(gòu)建復(fù)合塔式生態(tài)濾池進(jìn)行試驗，對其系統(tǒng)中氮素的形態(tài)轉(zhuǎn)變進(jìn)一步研究。研究發(fā)現(xiàn)氮的去除主要是通過植物的吸收、植物根系和基質(zhì)的截留、氨的揮發(fā)和微生物的氨化、硝化、反硝化作用[37]。主要反應(yīng)機理為：

RCOOH+CO2+NH3

反硝化反應(yīng)：

實驗結(jié)果表明，平均TN和硝態(tài)氮的去除率分別達(dá)到80.11%和98.52%，且出水水質(zhì)都能達(dá)到城鎮(zhèn)一級標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 生物生態(tài)組合技術(shù)

生物生態(tài)組合技術(shù)即將生物處理技術(shù)和生態(tài)處理技術(shù)組合起來，前置生物處理利用微生物能夠?qū)⒂袡C物和部分營養(yǎng)物質(zhì)有效去除，后部分生態(tài)處理則是進(jìn)一步的脫磷除氮，優(yōu)勢互補，進(jìn)一步提高出水水質(zhì)，保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定[40]。生物生態(tài)組合技術(shù)有一定的局限性，需要對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件和土地資源等條件進(jìn)行綜合考慮[14，40]。

因為人工濕地的眾多優(yōu)點使其在實際工程中應(yīng)用最普遍，因此生物生態(tài)組合技術(shù)主要分為生物+人工濕地組合技術(shù)和生物+其他生態(tài)組合技術(shù)[14]。適用于對氮磷的去除有較高要求的地方，但是受到經(jīng)濟(jì)、土地面積等條件的限制。

2.3.2 生物+其他生態(tài)組合技術(shù) 人工浮床和其他生物生態(tài)組合在農(nóng)村生活污水中也有較高的應(yīng)用。張增勝等[43]在崇明島農(nóng)村生活污水治理實際應(yīng)用中將生物凈化槽與強化生態(tài)浮床組合，取得了較好的效果。該組合還具有占地面積小、建設(shè)費用低、管理維護(hù)方便等優(yōu)點，但是生態(tài)浮床的植物生長狀況直接影響了其脫氮除磷效果，系統(tǒng)受季節(jié)影響較大。

羅偉等[44]針對分散式污水處理系統(tǒng)的就地處理和回用特性，將生物滴濾與土壤滲濾組合研究出一種沸石層滴濾——多介質(zhì)土壤層的二級處理系統(tǒng)，摻雜鐵屑的沸石作為生物滴濾基質(zhì)能夠較好的去除污水中的氨氮、懸浮物和部分有機物且其中鐵屑層提高了系統(tǒng)的除磷能力。后端多介質(zhì)土壤層系統(tǒng)則對污水進(jìn)行深度凈化。在進(jìn)水負(fù)荷穩(wěn)定在 920 L/(m2·d)條件下，系統(tǒng)中平均對COD、氨氮、TN和TP的去除率可達(dá)到95.5%，86.9%，63.8%，94%，且除TN外均達(dá)到城鎮(zhèn)一級A標(biāo)準(zhǔn)，TN達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)。

3 新時期農(nóng)村生活污水處理技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 重視氮磷去除與資源化利用

氮磷去除技術(shù)的應(yīng)用目前已經(jīng)逐步趨向成熟，余浩等[47]將水解池、滴濾池、人工濕地三段組合治理農(nóng)村污水時，在滴濾池中逐層鋪放了陶粒、珍珠巖礦渣和石膏等基質(zhì)，對COD、TN、TP的去除率均達(dá)到90%以上。但是不同于自然水體，農(nóng)業(yè)灌溉中氮磷則是不可或缺的肥料，如何將氮磷充分的資源化利用將是農(nóng)村生活污水處理技術(shù)發(fā)展的一大趨勢，吳義福等[48]在采用“A2O+人工濕地”處理農(nóng)村生活污水的研究中，將水生蔬菜替換傳統(tǒng)人工濕地的景觀水生植物，提高了污水中氮磷的資源化利用，在污水處理的同時還能給農(nóng)村帶來一部分經(jīng)濟(jì)收入。該系統(tǒng)將污水達(dá)標(biāo)排放的同時，獲得了更好的經(jīng)濟(jì)收入，而且在一定程度上緩解了人工濕地堵塞的風(fēng)險。

目前，氮磷的資源化利用基本依賴于人工濕地，因此提高濕地植物對污水中氮磷處理的貢獻(xiàn)率或者研發(fā)出濕地外多種氮磷資源化利用方式亦將是未來農(nóng)污技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3.2 生物生態(tài)組合技術(shù)應(yīng)用更加廣泛

隨著農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化、地域化和嚴(yán)格化，單一的污水處理工藝很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，有效聯(lián)合運用多個污水處理工藝將是農(nóng)村污水處理技術(shù)的發(fā)展方向，而生物生態(tài)組合技術(shù)因其良好的處理效果和優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)效益得到廣泛的應(yīng)用。徐志榮等[49]對浙江省67個縣386座農(nóng)村污水處理設(shè)施進(jìn)行調(diào)查研究，研究發(fā)現(xiàn)生物生態(tài)組合技術(shù)占比達(dá)到了76.8%。張亞平等[50]抽取調(diào)研了江蘇省太湖流域內(nèi)22個區(qū)縣210套農(nóng)村污水處理設(shè)施，結(jié)果顯示生物+生態(tài)法、生物膜法、生態(tài)法、活性污泥法和MBR法分別占比為37.16%，30.12%，9.17%，17.85%和5.7%，據(jù)調(diào)研表明生物生態(tài)組合技術(shù)因其出水穩(wěn)定且景觀較好等優(yōu)點成為太湖流域農(nóng)污主要處理方式。

生物生態(tài)組合技術(shù)雖有眾多優(yōu)點，但是也存在占地面積大、易受環(huán)境影響等缺點，在廣泛應(yīng)用的同時還需不斷探究開發(fā)出低占地面積、更高效的生物生態(tài)組合技術(shù)。

4 結(jié)論

我國有著廣袤的地域，且地域差異較大，因此我們在選擇污水模式和工藝時，要實事求是，結(jié)合各地方地理位置、經(jīng)濟(jì)、文化等條件，切實把握各個工藝的技術(shù)特點和適用范圍，因地制宜，選取最適宜的污水處理模式和工藝。生物處理技術(shù)用地面積少，產(chǎn)生的污泥少，而且沖擊負(fù)荷能力較強，對水質(zhì)水量波動較大的農(nóng)村污水具有較好的處理效果，但是單一的生物處理工藝造價較高，對設(shè)備的運營管理要求較高，且氮磷的去除能力一般。生態(tài)處理技術(shù)投資和管運護(hù)費用較低，生態(tài)景觀效果好，出水效果好，但是存在占地面積大、易受季節(jié)蟲害影響等缺點。生物生態(tài)組合工藝能充分發(fā)揮生物、生態(tài)處理技術(shù)的優(yōu)勢，能進(jìn)一步提升出水水質(zhì)，適用于出水水質(zhì)要求高且對氮磷有較高要求的情況，但也存在占地面積較大、易受環(huán)境影響等缺點。

農(nóng)村污水技術(shù)的發(fā)展需從農(nóng)村污水“收集難，處理難，處理效率低”現(xiàn)狀問題出發(fā)，切實把握現(xiàn)階段污水處理技術(shù)存在的問題，以構(gòu)建水資源循環(huán)系統(tǒng)為目標(biāo)，不斷探索研究出切合農(nóng)村環(huán)境的生活污水處理技術(shù)。