农村生活污水处理技术模式与进展

(武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300)

引言

农村环境作为城市生态系统的支持者一直是城市污染的消纳方。近年来我国城市环境不断改善，但农村环境污染问题越来越突出，其中生活污水是农业面源污染主要的来源之一。据统计，我国农村每年产生生活污水超过80亿吨，但大部分地区都没有相应完善的水处理系统[1]。农村生活污水的主要来源有厨房、沐浴、洗涤和冲厕等。其数量、成分、污染物浓度与各地居民的生活习惯、生活水平和用水量有关[2]。水体以氮、磷等营养物质为主，还有大量的细菌、病毒和寄生虫卵[3]。其特点为面广分散、来源多、随机性强、日变化和季变化幅度大、污水成分复杂、防治困难。尤其是农村生活污染源分散，不易集中，加上经济水平相对落后，集中治理存在较大困难，因此，以村级为单位的农村污水治理工程已成为建设社会主义新农村的重要内容[4]。可见，我们要充分重视农村生活污水的处理，在对处理技术及工艺模式进行选择时必须权衡技术的经济性、实用性、可靠性，又必须因地制宜，才能合理利用现有的水处理技术，经济、高效地解决农村的生活污水污染问题。

1 农村生活污水处理现状及存在问题

中国农村生活污水处理尚处于起步阶段，污水处理设施不完善，其建设与运行管理相对滞后，究其原因主要有：认识不到位；缺乏稳定可靠的建设和运转资金；尚无相关的农村生活污水排放标准。目前绝大部分村庄没有完善的排水管渠和污水处理系统，排放途径主要是直接洒向地面、就近排入沟渠 、河道或通过下水道入河等，已造成严重的面源污染。农村生活污水处理中存在的问题主要表现在：(1)不少农户在新建房屋和卫生设施改造中，建设标准过低，绝大部分生活污水不经任何处理，直接排入河道或排出室外空地后任意渗入地下，少部分经“三格式”化粪池简单处理后渗入地下，严重污染附近水体，致使一些河道和水体成了纳污场所[5]；(2)少数铺设污水管道的村镇，一般采用雨污合流的排水体制，缺乏科学、合理的规划，雨量大时混合水体流入沟渠，由于沟渠的排水断面偏小，加之易被垃圾堵塞，致使污水漫流，严重影响周围环境；(3)随着农村水冲厕所的广泛使用，排水量加大但其污水并未经处理直接排出室外灌渠，水体中有机物、氮磷和微生物指标严重超标，对农业灌溉用水污染颇大；(4)目前我国只有小于10%的农村污水进行了收集处理[6]。已进行处理的污水设施在一定范围内或多或少的存在设计规模与实际污水量不匹配、工艺选择不合理、投资和运行费用短缺、缺乏政策和标准支持以及运行管理水平不高等问题。

2 农村生活污水处理模式

我国地域发展不平衡，不同地域间农村居住方式、生活习惯等差别较大，使得污水水质水量存在较大差异。因此污水处理方式不能过于单一，不存在一种污水处理模式适用于所有地区。应根据农村具体现状，因地制宜地采用不同污水处理模式。目前，农村污水主要有集中处理和分散处理两种模式。

2.1 集中处理模式

农村污水集中处理模式，即所有农户产生的污水进行集中收集，统一建设处理设施处理村庄全部污水。主要有以下几种形式[7]:(1)村镇污水集中处理：条件许可的村镇，分散农户集中居住，配套建设小型污水处理厂。充分利用周围的天然废塘、荒地、洼地，优先考虑生态塘处理系统、湿地处理系统等因地制宜的生态处理工艺，减少土地占用，节省投资。(2)借助地势，集中处理：在农户相对集中，地势有一定落差的地区。可通过管网把各户产生的生活污水经格栅井收集汇流，经过无动力地埋式厌氧净化沼气池等相关处理，最后经调节池浇灌附近山林、竹林、经济林，水质可达到国家二级排放标准。(3)接入市政管网统一处理：距离市政污水管网较近(一般5km以内)符合接入城市污水处理厂的乡镇，可将村庄内所有农户污水经管道集中收集后，接入市政污水管网，统一处理。该处理模式具有投资省、施工周期短、见效快、统一管理方便等特点。

2.2 分散处理模式

污水分散处理为源于单独的住户、组屋和独立的社区以及污水产生点和附近的部分社区产生的污水进行收集、处理和排放或回用的处理模式[8]。由于大部分农村地区村庄布局分散、规模较小、生活污水水质和水量波动性大、地形条件复杂、排水管网很不健全、污染物控制、收集困难、先进的污水治理技术难以应用、经济力量薄弱以及缺乏污水处理专业人员等。针对城市污水处理市场化和集中处理的工艺不符合农村污水处理的现状[9,10]，因此，选择农村生活污染处理技术要充分考虑农村经济基础、地理位置和农民管理水平现状，采取因地制宜、投资低、运行费用低、维护管理简便的分散式污水处理模式[11,12]。主要有以下几种形式[7]:(l)独立治污，资源回收：适用于农户相对分散，地势比较复杂的区域、收集系统达不到的分散农户以及饭馆，酒店以及规模化畜禽水产养殖业污水处理。该处理系统是每户门前地下装一个生活污水地埋式无动力厌氧处理装置，此装置工艺流程简单、不耗能、全部埋于地下，无需专人管理，处理出水可以用于庄稼和花卉苗木的灌溉。对于排放出水要求高的区域和风景旅游区宾馆、饭店的生活污水处理，可采用污水经厌氧沼气净化和微动力曝气设施或动力式膜生物反应器(MBR)或者利用厌氧好氧技术，达标排放。规模化养殖场污水处理可采用厌氧一好氧结合人工湿地等工艺，实现污水农田回用或达标排放。(2)改造结合，生态处理：在农户相对集中，地势平坦平原地区，可利用化粪池或改建三格式化粪池，粪池出水和其他生活污水汇集经过强化沟和沉淀池，出水流经生态滤池(生态湿地)，最后直接排放或回用，水质可达国家污水二级排放标准。

总之，两种模式比较而言，集中污水处理模式具有占地面积小、抗冲击能力强、便于管理、出水水质好等优点，缺点是连续管线长，埋深大，管网投资高。因此，选用该模式要有完善的管网收集系统，适用于农村布局相对集中、人口较多、规模较大、经济条件较好的平原地区单村或联村污水处理；分散污水处理模式的优点是灵活、施工简单、管线短、埋深浅，缺点是建站多，管理不方便，建站投资大，适用于布局分散、规模较小、地形条件复杂、污水不易集中收集的地区[13]。2010年环保部发布《农村生活污染防治政策》，指出农村生活污染防治的技术路线是在源头削减、污染控制和资源化利用的基础上，遵循分散处理为主、分散处理和集中处理相结合的原则。因此农村污水处理应根据当地的自然、经济和社会条件等具体情况，因地制宜地采用集中和分散或两者相结合的污水处理模式，做到既节省投资又便于管理。

3 国内外分散式生活污水处理技术进展

我国农村生活污水的特点恰恰是以分散式为主，但对分散式生活污水的研究较少[14]。大部分农村环境远离排水管网和大型污水处理厂，就地处理分散型点源污水治理是必然选择。因此要处理好农村生活污水，必须加强对分散式生活污水的处理工艺研究。

3.1 国外分散式处理现状

3.1.1 美国高效藻类塘处理技术

1972年，美国国会颁布了全国第一个完整的清洁水法以响应公众对严重而蔓延的水污染日益强烈的担忧。1987年，国会通过了清洁水法的修正案，并增补了非点源污染的控制大纲。该修正案促使人们重视小社区的生活污水问题。实践证明在恰当的操作和管理下，分散处理系统在环境和经济上是可接受的且技术上是可行的。从此，分散处理系统作为一种永久性的选择来处理和再生利用生活污水，从而保护环境。尤其是就地处理系统，如果计划、设计、安装、操作和维护得当，更被视为极其重要的污水处理手段。

20世纪50年代末，美国加州大学伯克利分校的Oswald和Gotaas在稳定塘的基础上提出并发展了高效藻类塘。其充分利用菌藻共生关系，对污染物进行处理。正因其最大限度地利用了藻类产生的氧气，塘内的一级降解动力学常数值比较大,故称之为高效藻类塘[15]。其较传统的稳定塘优点是：停留时间短，占地面积小；建设容易，维护简便，基建投资少，运行费用低；有机物、氮、磷营养物质以及病原体去除效率高；若高效藻类塘后接的是高等水生生物塘，则其中的水生生物不但可以除藻，降低出水的悬浮物质，并能进一步去除水中的氮磷，同时收割的高等水生植物可以作为优良的饲料和肥料。但存在的缺点是：受温度、气候等环境因素影响明显，气温过高或较低时，藻类的生长受到抑制从而影响处理效果；水体特性、腐殖质、藻类和非生物性的悬浮物影响藻类对光的吸收，影响处理效果。

3.1.2 澳大利亚“FILTER”污水处理系统

澳大利亚科学家和工业组织的专家近几年提出一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”，称之为“FILTER”（非尔脱）高效、持续性污水灌溉新技术[16]，其目的主要是利用污水进行灌溉，通过灌溉土地处理后，再用地下暗管将其汇集和排出。该系统一方面可以满足作物对水分和养分的要求，同时降低污水中的氮、磷等元素的含量,使之达到污水排放标准。“FILTER”系统对生活污水的处理效果好，其运行费用低，特别适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区，或是以种植牧草为主的地区。该系统实质上是以土地处理系统为基础，结合污水灌溉农作物。但由于暗管排水系统造价较高，处理方法受作物生长季节的限制，且在地下水位较高的地区应用有局限性。

3.1.3 日本的污水处理装置

日本是世界上少有的几个分散污水治理最发达的国家之一。其农村污水处理协会设计了JARUS模式的15种不同型号污水处理装置。可以分为两大类：一类采用生物膜法，污水通过塑料制成的滤层，上面附有微生物。通过生物膜后可使污水中的生物耗氧量下降到20 mg/L以下，悬浮固体物下降到50 mg/L以下，总氮含量在20 mg/L以下。另一类是采用浮游生物法,通过漂浮在污水中的微生物氧化作用，可使BOD 下降到 10 mg/L～20 mg/L，SS下降到 15mg/L～50 mg/L，COD下降到15 mg/L以下，TN下降到10mg/L～15mg/L以下，TP下降到1mg/L～3mg/L以下。该装置主要采用物理、化学与生物措施相结合处理过程，取得了很好效果。

3.1.4 韩国人工湿地处理系统

韩国农村的居民分散居住，兴建集中处理的污水系统造价太高，小型和简易的污水处理系统适合在农村应用。因此，研究出了一种湿地污水处理系统，使污水中的污染物质经湿地过滤后或被土壤吸收，或被微生物转变成无害物。这种方法需要的能源少，维护的成本低。韩国试验研究的湿地污水处理系统，实质上也是一种土地－植物系统，至今己广泛用于欧洲、北美、澳大利亚和新西兰等。湿地上多种植芦苇、香蒲和灯心草等，对病原体的去除效果好。但其缺点是需要大量土地，并要解决土壤和水中的充分供氧问题及受气温和植物生长季节的影响等。一般来说，利用湿地处理后的污水灌溉水稻，可取得更好的净化效果。

3.2 国内分散式处理现状

我国从上个世纪80年代开始开展生活污水分散处理技术的开发和研制工作，目前国内对农村生活污水处理技术主要包括生物处理技术包括以厌氧生物处理技术和好氧生物处理技术、生态处理技术和生物－生态组合处理技术。

3.2.1 厌氧发酵为核心的处理技术

污水中的大部分有机物经厌氧发酵可去除部分污染物质，常用的有：生活污水净化沼气池、地埋式无动力生活污水处理装置和厌氧折流板滤池等。其中最通用、节俭、能够体现环境效益与社会效益相结合的生活污水处理方式是厌氧沼气池。其投资分散、易于建造、不专门占用土地、运行不耗能和具有较好的社会效益等特点，是现今适合我国国情的一条分散处理中小城镇居民生活污水的有效途径[17]。埋地式生活污水净化装置是1996年度国家环保局最佳实用技术A类产品，该装置采用A/O法污水处理工艺，以独到的配水和通气系统，具有投资省、效果好的特点。刘操等对厌氧折流板滤池处理农村生活污水进行了研究，结果表明，在常温下可采用消化污泥作为接种污泥，经过87d的运行，CODCr去除率达到65%左右，完成启动。上流室中的上升流速控制在0.116～0.434 m/h，能培养出沉淀性能和活性良好的絮状污泥。因此，常温下启动厌氧折流板滤池处理农村生活污水是完全可行的，并取得了良好的污水处理效果[18]。

3.2.2 好氧生物处理技术

包括氧化沟、SBBR(序批式生物膜反应器)、MBBR(好氧移动床生物膜反应器)等。其中氧化沟相当于一系列串联的完全混合反应器，其投资省，节能性能好，污泥处理费用低，流程简单，抗冲击负荷，运行维护容易，但占地面积大，受气候等因素影响大。SBBR最早由WILDERER于1992年提出[19]。王雷等[20]研究4种填料的SBBR的生物膜长势优劣情况为碳素纤维填料＞组合填料＞海绵填料＞立体网状填料，表明碳素纤维填料及组合填料在受到进水负荷冲击后，能相对较快适应环境，且填料上的微生物活性较高，较适合运用于我国农村生活污水的处理。MBBR是国家农业部在上世纪80年代初从意大利引进的专用于农村水污染治理的一种高效污水处理技术，张亮等[21]对其处理效果研究表明：该工艺处理效率高、能耗低、出水水质稳定、耐冲击负荷能力强、结构紧凑、体积小、不需要污泥回流、不发生堵塞、不需要反冲洗、维护管理相当简单，可适用于农村生活污水的处理。

3.2.3 生态处理技术

常用的有人工湿地系统、稳定塘系统、蚯蚓生态滤池和土地渗滤处理系统等。人工湿地处理系统运行简单，处理效果良好，不仅能去除有机物，而且能脱氮除磷和去除重金属，该方法在北京、深圳和天津等地均有应用实例，效果良好，在土地资源条件许可的条件下是一种可行的污水处理方法。稳定塘系统是一种土地经过人工适当的修整，设围堤和防渗层的池塘，主要依靠自然生物净化功能使污水得到净化的污水生物处理技术。它可充分利用地形，节省基建投资；运行维护费低，系统基本不耗能；无需污泥处理；可实现污水资源化。但稳定塘占地面积大，受气候的影响较大，在气候适宜、土地利用许可且污水量不大的农村可以考虑采用该技术。蚯蚓生态滤池，又称蚯蚓生物滤池，是利用蚯蚓具有提高土壤透水性能和促进有机物质分解转化的生态学功能而设计的一种生物、生态相结合技术[22]，其工程造价和运行费用低，除污效能高，占地面积小，剩余污泥量少，可实现污水、污泥的同步处理，减少后续污泥的处置处理相关费用等，通过蚯蚓的运动疏通和吞食增殖微生物，还解决了传统生物滤池所遇到的堵塞问题[23]。地下渗滤系统通常由化粪池和土壤渗滤装置构成，除了物理截留、物化吸附、化学沉淀、生物降解、动植物等作用，也存在一些土壤生态处理系统中的特殊机制，如光催化、光降解、植物吸取等。其具有氮、磷去除能力强，处理出水水质好，可回用，基建及运行成本低，运行管理简单、维护容易、不产生剩余污泥且对进水负荷的变化适应性强等优点外，还对各种病原体具有很好的降解作用，适用于新兴农村地区的生活污水处理，因而成为人们所关注和广泛使用的农村污水处理工艺。张建等在滇池周边进行地下渗滤处理农村生活污水的中试，处理规模为30～40 m3/d，可处理200余户村民产生的生活污水，运行效果良好，水力负荷为8 cm/d时，系统对COD、NH4+-N、TP和 TN的去除率分别达到 80%、90%、95%和80%以上，出水水质优于建设部颁发的生活杂用水水质标准[24,25]。

3.2.4 生物－生态组合处理技术

单独的生物处理技术或生态处理技术都各自有一定的缺点。生物处理技术的缺点主要是：好氧处理时，需曝气充氧等，能耗高；厌氧处理时，N、P去除效果较差；建设、运行成本较高；工艺运行管理较复杂。生态处理技术的缺点主要是：需要占用较大面积的土地；脱氮除磷性能不稳定；处理效率受环境气候等影响；易堵塞，影响处理系统的性能。鉴于以上两种技术的缺点，将生态技术与生物技术结合起来，“生物+生态”组合处理技术是一种适用于农村污水处理的新型技术工艺组合，其特点有：生物方法与生态工程有机结合；节省占地面积、建造成本和运行费用；稳定的除磷脱氮效果，出水水质稳定；多种工艺变形及其组合[26]。目前在江苏省有示范工程的生物-生态处理技术有：厌氧池－人工湿地组合工艺、厌氧池－自流充氧接触氧化渠－人工湿地组合工艺、厌氧－跌水充氧接触氧化－人工湿地组合工艺、厌氧池－脉冲滤池－人工湿地组合工艺、厌氧滤池－氧化塘－生态渠组合工艺、厌氧池－梯式生态滤池组合工艺、塔式蚯蚓生态滤池工艺等，并均取得了较好的处理效果[27]。总之，应该充分结合当地条件和处理要求灵活的组合生物-生态污水处理技术尽量使污水处理技术实现低能耗，优质化，资源化。

4 技术发展趋势

(1)开展农村生活污水治理立法、可持续管理的组织机制研究，科学制定农村生活污水处理建设规划以及制定农村生活污水处理工程技术规范。

(2)以实现技术创新、指标创新和管理创新为突破点，实现农村分散式生活污水工艺及装备的标准化、设备化、管理物业化。

(3)从农村农业的特点和实际条件出发，实现农村污水治理的生态化，园林景观化，氮磷资源化，大力发展有机农业。

总之，为实现农村污水处理“建得起、用得起、管得好”的目标，促进新农村建设可持续发展，农村污水处理工程规划建设应从农村实际出发，结合当地的自然地理环境和经济发展水平，坚持“低投入、低成本、重回用、易管理”的原则，从规划方案、工艺选择、工程实施、运行管理等各个环节做好统筹规划，使农村水污染防治工作步入良性发展轨道，保护和改善当地的生态环境。

[1] 李清雪，耿 媛，李改翠，等.ABR－好氧组合工艺对农村生活污水处理效果研究[J].给水排水,2010,36(5):135-138.

[2] 谭学军，张惠锋，张 辰.农村生活污水收集与处理技术现状及进展[J].净水技术,2011,30(2):5-9,13.

[3] 唐志坚，储 俊，张 磊，等.农村水环境的生态治理模式与技术探讨[J].污染防治与技术,2008，(21):37-40.

[4] 彭举威，汪诚文，付宏祥，等.分散农村污水处理模式分析[J].环境与可持续发展,2010,(1):28-30.

[5] 陈 琳，刘 杰，纪荣平.农村生活污水处理技术与对策研究[J].污染防治技术.2012:2(25):53-54,74.

[6] 王晓峰，陈鹏飞.社会主义新农村污水处理设施的选择探讨[J].小城镇建设,2009(4):56-58.

[7] 张克强，黄治平，王 风等.我国农村污水处理技术模式与进展[J].中国农学通报,增刊2008,11(24):59-63.

[8] Len P,Zeeman G,Letting G.王晓昌，彭党聪，黄延林.分散式污水处理和再利用:概念、系统和实施[M].北京:化学工业出版社,2004.

[9] 朱亮，张文妍.农村水污染成因及其治理对策研究[J].水资源保护,2002,2:17-19.

[10] 成先雄，严群.农村生活污水土地处理技术[J].四川环境,2005，24(2):39-43.

[11] 董文茂.分散式生活污水处理:为中国农村污水处理提供新思路[J].环境,2007,5:66-69.

[12] 昊文学，郝 阳，张利伟，等.中国农村小型分散式污水处理系统研究[J].中国科技信息,2006,19:56-57.

[13] 张统，王守中，等.村镇污水处理适用技术[M].北京：化学工业出版社，2011:12.

[14] 李育友.国内外农村生活污水处理现状[J].科技与企业，2012,10:162

[15] Gomez,E.,C.Casellas,B.Picot,J.Bontoux.Ammonia elimination processes in stabilization and high-rate algae pond systems[J].WaterScience and Technology.1995,31(12).

[16] 曾令芳，吴小亮.国外污水灌溉新技术[J].节水灌溉,2002,3:34-35.

[17] 郑戈，李景明，刘 耕，等.生活污水净化沼气工程在新农村建设中的作用与发展对策[J].农业工程学报,2006,22(S1):268-270.

[18] 刘操，何 刚，廖日红，等.厌氧折流板滤池处理农村污水研究[J].化学工程与装备，2010(1):168-170.

[19] Irvine R L,Wilderer P A,Flemming H C.Controlled unsteady state processes and technologies:an overview[J].Wat.Sci.Tech.1997,35(1):1-10.

[20] 王雷，席北斗，张列宇.序批式生物膜反应器处理农村生活污水的填料对比研究[J].环境污染与防治，2012，7(34):29-35.

[21] 张亮，王冬梅，滕新君.MBBR工艺在农村水污染治理中的应用[J].中国给水排水，2009，25(16):50-52.

[22] 郝桂玉，黄民生，徐亚同.蚯蚓及其在生态环境保护中的应用[J].环境科学研究，2004，17(3):75-77.

[23] 贾晓竞，毕东苏，周雪飞，等.农村生活污水生态处理技术研究与应用进展[J].安徽农业科学，2011，39(31):19307-19309.

[24] 张建，黄 霞，刘超翔，等.地下渗滤处理村镇生活污水的中试[J].环境科学，2002，23(2):57-61.

[25]ZHANG J，HUANG X ，LIU C ，et al.Nitrogen removal enhanced by inter-mittent operation in a subsurface wastewater infiltration system [J].Eco-logical Engineering,2005,25(4):419-428.

[26]吕锡武.小型分散式农村污水处理的理论与实践[J].水工业市场，2012，9:26-34.

[27]江苏省住房和城乡建设厅.村庄生活污水处理适用技术指南[M].2009.