村镇生活污水处理适宜技术分析

王兴科，万红友，孟冬花，曹欠欠

0 引言

第六次全国人口普查结果显示我国农村人口约有6.7亿，村镇人口共计约9亿，村镇地区涵盖了全国2/3的人口。村镇地区生活污水排放量在全国生活污水排放中占据着相当大的比重。据统计，截至2010年全国城市污水处理率已达75%，并有望在2011年底达到80%。与此同时，村镇污水对环境的影响日益彰显，国家污水治理工作的重心开始逐步向村镇地区转移。村镇地区污水主要为生活污水，研究适宜于村镇地区生活污水治理的技术，成为我国目前污水治理的紧迫任务。

1 我国村镇污水处理现状

由于国家城乡发展的不平衡性，以及城市污水量大、成分复杂而且便于收集等特点，城市污水治理走在前列。村镇污水由于其产量小、产源分散、水量水质波动大［1］，且在管理、资金以及工艺设计等方面存在的种种问题［2］，治理存在较大的难度。建设部在2005年对全国具有代表性的9个省份部分村庄进行了调查，结果显示:96%的村庄没有排水沟渠和污水处理系统。国内村镇生活污水治理示范工程在京津、江浙等经济较为发达地区以及重要的水源保护地如滇池、太湖率先开展，但是工程推广面临着各种困难;中西部地区也在积极探索适宜的村镇污水治理工艺［3］，但部分经济落后地区尚缺乏村镇污水治理的条件。随着人民生活水平的提高，用水量的增大，村镇地区生活污水排放量也在不断增大。我国目前每年农村污水量超过8×109t［4］，其中东南、西南地区污水量偏大。据调查，截至2008年4月份，广东省农村生活污水处理设施共有274处，仅占全省自然村总数的0.19%，总处理规模不到4× 104t［5］。村镇生活污水的直接排放对流域内水环境质量造成了很大的影响［6］，严重威胁着农村地区的人居环境和居民的饮水安全。

2 村镇污水治理存在问题

(1)收集问题:村镇地区人口密度相对偏小，镇与镇、村与镇、村与村之间往往比较分散，管网的铺设费用很高，加之丘陵山区地带地形复杂，污水收集存在较大的难度。

(2)技术问题:目前国家的污水工程处理设施建设标准最小规模为1×104m3/d，大部分的村镇污水量达不到此规模，村镇生活污水处理在工艺设置上缺乏设计参数。我国地区间差异巨大，工艺在不同的水质、水量、气候、地形以及不同的管理运行条件下也会出现复杂的问题，如北方地区人工湿地的越冬问题［7］，快速渗滤系统的堵塞问题［8］。

(3)资金问题:由于村镇财政以及居民收入有限，地方政府很难负担污水处理设施的建设以及运行管理费用。在城市生活污水及工业废水治理任务紧迫的情况下，国家及省市财政也较难顾及村镇污水治理领域。

(4)管理问题:现有村镇污水处理设施管理维护人员普遍缺乏专业素养，而且村镇污水缺乏有效的管理机制。

村镇污水治理应重点参考当地的经济发展水平以及当地在区域水污染中所占据的权重。在经济技术条件有限的前提下，村镇污水治理可先在经济相对发达和水源地、近河流域、人口密集以及环境自净能力薄弱的地方开展。结合国家城乡一体化的发展要求，应统筹考虑村镇污水治理设施规划、建设和管理，做到重点突出、递次推进;因地制宜、优化设计。

3 村镇污水治理技术

3.1 化粪池技术

化粪池技术兴起于19世纪欧洲，现广泛应用于城市和农村的污水排放系统。目前重庆市约有1.5万座化粪池，广州市约有3万座。截止2006年底，江苏省农村有超过400万农户在卫生改厕中采用化粪池工艺［9］。化粪池构造简单、造价低廉、管理方便，可以截留和沉淀污水中的大颗粒杂质，对污泥具有一定的厌氧处理效果。但是化粪池(尤其是砖混结构化粪池)容易渗漏，进而污染地下水源。其产生的厌氧气体与空气混合存在爆炸隐患。清掏不及时会影响其运行功效。目前多个城市在其发展规划中要求取缔化粪池，但是对排水系统尚不完善的村镇地区，化粪池仍可作为一项过渡性技术措施或初级处理手段。目前在新的工艺设置中，化粪池多与其他工艺串联使用，形成新型组合工艺。范建伟等针对南方农村生活污水在化粪池后设计了潜流人工湿地系统，出水COD、BOD、SS、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别达到了94%、96%、95%、79.1%、62.1%和79.1%［10］。陈建芬介绍了江苏省玉环县海山乡大岙村沼气式化粪池改造工程，该工程在沼气化粪池后添加了WSHA厌氧反应器，出水各项指标均能达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级标准［11］。化粪池技术本身也在不断地优化:材质上由砖混、钢混结构发展成为玻璃钢、PVC塑料板材等;结构上也有各种新形式的化粪池出现，如在传统化粪池基础上添加泛水装置和生物填料等以构造改良型化粪池、集成式生物化粪池和生态节能型化粪池等。

3.2 净化沼气池技术

我国对污水净化沼气池技术的应用研究起源于20世纪80年代。早期净化沼气池被称为沼气化粪池，是在传统化粪池和农村沼气池的基础上发展起来的(夏邦寿.生活污水净化沼气池技术分析及其后处理技术研究［D］.成都:农业部沼气科学研究所，2007.)。其原理即通过构造厌氧环境以促进厌氧微生物分解代谢污染物从而达到净化污水、收集沼气的目的，再通过兼氧或好氧微生物的呼吸作用进一步降解污染物。净化沼气池的基本结构分为三部分:预处理区、前处理区、后处理区。预处理区为沉淀区，用于截留和沉淀难降解的生活垃圾以及较大的颗粒物等。前处理区功能即是对有机物进行厌氧发酵，杀灭虫卵。该部分为系统的核心部分，体积一般占整个系统的50%以上。夏邦寿等对我国四川、浙江、江苏等地的典型的污水净化沼气池工艺进行了收集整理，结果显示，这些地区的净化沼气池前处理区均以两池结构形式设计为厌氧Ⅰ区和厌氧Ⅱ区，厌氧Ⅱ区内设有填料以利于微生物的附着生长。后处理区一般为兼氧或好氧过滤池，兼氧或好氧微生物附着于滤料表面生长，进一步去除污染物。粪便污水和其他生活污水可以在合流之后进入净化沼气设备，也可以分别进入系统。污水净化沼气池技术可以回收沼气，因而具有一定的经济效益。厌氧污泥可以经堆肥处理作为优质肥料，达标出水可以回用于绿化和灌溉等。其造价也相对低廉，每户只需1 000元左右［12］。目前，污水净化沼气池在四川、江苏、浙江等地都有比较广泛的应用。通过优化设计、正确管理，其出水有望达到GB 8978—1996二级标准［13］，因此该工艺在我国村镇地区具有推广价值。

3.3 人工湿地技术

我国对人工湿地技术的研究开始于20世纪70年代。其是在研究自然湿地的基础上通过工程措施进行人工强化而发展起来的。人工湿地通过湿地植物根系的吸收，基质内微生物的新陈代谢，以及多层过滤等复杂的物理、化学、生化作用以达到净化污水的目的［14］。人工湿地的造价相对低廉，运营管理也较为方便，又可起到美化环境的作用，出水水质可达GB 8978—1996二级排放标准，因此其在村镇污水处理中的应用也有较多研究，特别是在滇池、太湖等流域。但是人工湿地技术有其自身的局限性，主要表现在:处理负荷较低，占地面积大;填料易堵塞［15］;受气候等自然条件的影响较大，如北方冬季干旱寒冷条件下湿地功能下降的问题。可以考虑把村镇污水中黑水部分单独处理以降低湿地进水负荷;针对北方冬季气温低可采取植物覆盖、冰层覆盖、地膜覆盖等方法确保湿地的正常运行［16］;通过人工湿地和其他技术的组合，如在其前构造厌氧池、接触氧化池、滴滤池等以增加其抗负荷冲击能力，在其后增设稳定塘、高效藻类塘、水生植物净化塘、综合生态塘等以优化出水水质;还可以通过优化人工湿地的布水方式，优化湿地植物的选择与种植方式，改进填料，合理曝气［17］等措施以确保人工湿地系统的良好运行。湿地技术属于生态技术的范畴。传统的生态技术如稳定塘、净化塘等存在占地面积大、处理负荷低、效果不稳定、出水水质难达标、易污染地下水等缺点，因此其应用具有很大的局限性。可以考虑将其进行人工强化以后再应用于生活污水的处理，如高级稳定塘系统(AIPS)、将稳定塘系统中厌氧塘更换为厌氧反应器或沼气池等［18］，也可以考虑将自然生态处理系统设置在人工湿地之后，构造生态耦合工艺，既可以进一步净化水质，又可以通过放养鱼类获得经济效益。

3.4 人工快速渗滤技术

人工快速渗滤技术是在传统的污水土地渗滤技术基础上发展起来的。其通过采用渗透性能更好的天然河砂、陶粒、煤矸石等作为渗滤介质代替天然土层，从而提高了系统的水力负荷［19］。人工快速渗滤技术融合了土地渗滤和人工湿地的思想，通常采用淹水和落干交替运行的方式，使滤料浅层处于厌氧和好氧交替状态，构造出氧化还原环境，从而使系统具有独特的污染物净化功能［20］。作为一种新型技术，其去污机理尚未完全研究清楚。工程运行及相关研究表明:人工快速渗滤系统对COD、BOD、NH3-N、SS均具有非常好的去除效果，但是对TN、TP的去除效果较差。TN的去除率仅为10%～40% (范兴建.人工快速渗滤系统微生物特征及氮素去除机理研究［D］.成都:西南交通大学，2009.)，对TP的去除率也仅在40% ～60%之间［21］。通过改进滤料如使用吸附性能更好的萤石砂、蛭石［22］等，合理设定水力负荷和干湿周期，优化进水方式等措施可以优化运行结果。张建等在滇池流域设计的地下渗滤系统中，采用当地红土壤作为滤料，并在表层滤料中掺入25%的炉渣以增强其通气和透水性能，在底层滤料中掺入20%的昆明淘砂以增强土壤的过水能力。系统对TN和TP的去除率分别达到了85.5%和96.5%［23］。范兴建等采用表层和厌氧层分段进水的方式对人工快速渗滤系统进行了研究，结果表明分段进水可以显著提高系统的反硝化能力，从而提高脱氮能力［24］。人工快速渗滤系统水力负荷可达1～3 m3/d［25］，较传统土地渗滤系统可显著缩小工程占地面积;通过干湿交替运行方式进行自然充氧，无须人工曝气，运行费用相对低廉，一定程度上克服了传统的土地渗滤系统渗滤负荷低、易堵塞、易污染土地的缺点。因此其在村镇生活污水处理领域具有应用前景。

3.5 其他技术

在我国经济技术相对发达、污水量大且便于收集的村镇地区，可以考虑采用集中处理模式，如传统活性污泥法、氧化沟、SBR以及曝气生物滤池、接触氧化、MBR等方法。传统方法处理效果好，缺点就在于基建成本较高、运行管理相对复杂、能耗较高。国外尤其是日本、美国、澳大利亚等在处理村镇污水上面都有值得借鉴的经验。日本的净化槽技术是污水厌氧一体化处理技术，在日本用来处理无法被市政管网收集的分散污水。日本政府积极推广净化槽技术，给予相关政策支持和经济奖励，完善净化槽技术标准及配套法律体系。2004年日本净化槽使用者已达1000万，普及率为8.7%［26］。净化槽处理效果好，出水可实现回用，占地较小，但是其技术管理复杂、价格昂贵，因此目前在我国广大村镇地区推广尚有难度;美国以化粪池和土地渗滤为基础的分散式污水处理系统已经有一百多年的历史，新技术与传统工艺的结合推动着分散式污水处理系统的普及，全美国约有25%的住户采用了分散式污水处理系统［27］;澳大利亚开发出一套“FILTER”污水处理系统，其是通过对农作物进行污水灌溉，并在地下某深度设置暗管收集处理水，该工艺适合在土地资源丰富，可实现轮作休耕的地方使用［28］。

4 技术选择

我国幅员辽阔，地区间差异巨大，污水处理技术亦有其适用特点和局限性，因此技术的选择应统筹考虑各方因素，不仅考虑污水水质、水量、出水用途，还应考虑当地气候、地形、政府财政、人口密度、技术水平等外在因素［29］。技术分类表(表1)在分析常用技术自身特点基础上对其进行了分类，可以作为技术选择时的参考。

表1 技术分类

村镇生活污水治理在我国面源污染的控制工程中占据着举足轻重的地位。选择适合当地村镇生活污水处理的技术，具有非常重要的意义。结合国内村镇地区财政力量普遍比较薄弱、技术管理水平普遍比较低下的现实状况，村镇生活污水处理技术的选择应以投资少、管理简单、出水优为原则。因此化粪池、净化沼气池、人工湿地、人工快速渗滤是相对适宜的技术选择，但是对村镇经济技术实力相对雄厚的地区，不排除选择处理效果更为优良的技术，因地制宜，亦不排除技术分类表中所列举技术以外的可行技术。

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