可持续发展的分散式农村生活污水治理技术

吕锡武

随着我国城市污水处理率的大幅度提高，农村生活污染对水污染的贡献愈加突出，以太湖流域为例，农村生活污染排放量占所有排放源排放量的比例，化学需氧量占23%，氨氮占38%，总氮占40%，总磷占38%。加快农村生活污水治理，对改善水环境质量十分必要和紧迫。

与城镇污水处理技术相比，农村生活污水排放分散，处理率低，严重缺乏技术储备;同时，由于小型分散、缺乏专业管理人员，农村生活污水处理工艺不能简单套用城镇污水处理厂规模化、专业化的工艺流程，必须操作简单、易维护，且具备稳定、高效的特点。

针对农村生活污水处理，国际上主要有生物处理技术和生态处理技术。生物处理技术以日本的净化槽为代表，是一种大型污水处理厂工艺小型集约化的应用技术，用于我国农村，存在建设及运行成本高、管理复杂的问题，且一般不具备除磷功能，不适宜推广应用：单一的生态处理技术主要在澳大利亚、北美等土地资源丰富、环境容量大的地区应用，由于占地较大，处理效果受季节影响明显，也不适合在我国农村推广使用。

农村生活污水治理的有利条件是：污水无有毒有害物质，且富含氮磷，如果把农村生活污水治理融入到农业之中，则农村生活污水中的氮磷可变废为宝，成为农业种植所需的宝贵肥料资源，农村丰富的生态容量和农田种植业也完全具备消纳生活污水氮磷的强大能力。从该立场出发的农村生活污水治理策略应该是：摈弃城市规模化、专业化的污水处理技术，以源于三农、融入三农、服务于三农的理念，瞄准“因地制宜、高技术、低投资与运行成本、易维护、资源化利用氮磷”的目标，构建可持续发展的我国农村污水治理新模式。

东南大学在国家“十二五”水专项和省部级专项经费的支持下，经过多年的持续研究和开发，形成了可持续发展的农村生活污水生物生态组合处理成套技术：厌氧一缺氧生物濾池一跌水充氧接触氧化装置一水生蔬菜滤床和浸润度可控型人工湿地组合工艺。通过对生物方法和生态工程的优化组合，实现了农村生活污水处理过程中的节能减排与高效除磷脱氮目标，具有节能、节地、资源回收以及低投资和运行费用、易维护等特点，实现了氮磷的资源化利用和污水回用的可持续发展目标。

可持续发展的农村生活污水治理的理念与工艺创新体现在：处理技术采用生物生态组合，生物单元与生态单元相融合——生物单元去除有机物，生态单元作为污染净化型农业实现氮磷去除和资源化利用。与常规技术相比，由于生物单元只去除有机物，不专门设计除磷脱氮功能，大幅度简化了生物单元，既降低了建设成本，又使得运行管理简单：前置大深径比厌氧反应器可实现有机物的高效去除，降低后续好氧段有机负荷和需氧量：在生态单元，筛选氮磷吸收能力强、生物量大的空心菜、莴苣、水芹等经济性作物替代芦苇、香蒲等传统湿地植物，在实现污水中氮磷资源化利用的同时，产生可观的经济效益，推广应用前景广阔。

一、生物单元

多级串联大深径比高效厌氧反应器

常温厌氧处理低浓度污水虽然可行，但水力停留时间较长，往往难以满足实际要求。因此，需要提高低浓度污水常温厌氧处理效率。生物生态组合体系中，厌氧段需要高效降解有机物，以降低好氧段有机负荷和需氧量，为后续好氧段实现低耗能提供保障。从反应器流态看，推流厌氧反应器比完全混合反应器具有更高的处理效率。多级串联大深径比高效厌氧反应器很好解决了这一难题：以水动力学和反应器构造原理为基础，增加厌氧反应器的有效水深，形成“大深度，小内径”的特征构型，在其内部形成整体升流或降流的推流流态;而多级串联使水力停留时间更趋推流，保证厌氧反应的高效进行。反应器内填充无纺布或弹性填料，生物附着比表面积大，可有效提高厌氧反应效率。在相同容积负荷的情况下，较大的深径比也缩减了反应器的占地面积。

高适应性农村生活污水处理的低能耗高效率好氧处理单元

组合工艺中好氧段以氨氮无机化和有机物去除为主要功能。常规小型污水生物脱氮工艺中，曝气动力消耗一般占动力消耗的80%，是传统生物处理的主要耗能单元。采用水车驱动生物转盘、阶式跌水、往复式跌水、拔风等自然充氧形式，改变了传统生物处理曝气方式，还具有易维护的特点。

跌水曝气充氧装置利用提升污水高度获得势能，多级跌落，形成水幕、水滴自然充氧。可包含多种不同构型的充氧装置，以适应不同地形不同水质变化的需求。该装置有梯式和垂直交错跌水两种类型。垂直交错跌水充氧生物接触氧化池多级垂直交错分布，利用挡板使污水往复跌落，占地较梯式可节省50%以上，且由于占地集中，外围可建房屋保温，可适应寒冷的北方地区。水车驱动生物转盘利用水流跌落的动能带动水车转动，实现污水跌落、溅水分散充氧和转盘盘面复氧的三重充氧作用，处理效果好，适用于较高浓度的生活污水。

脉冲多层复合滤料生物滤池：自然跌落通风充氧，水力负荷高，占地面积小，可应用于水量稍大的农村生活污水处理。

反硝化除臭技术

目前污水厂除臭方法主要有：对已逸出到大气中的臭气进行收集去除的被动的除臭方法，代表技术有生物滤池过滤、植物提取液除臭、活性炭吸附、高能离子除臭、化学除臭和活性氧除臭等：以及通过投药提高污水中氧化还原电位，避免含氮及含硫化合物产生的主动除臭法。以上方法均需额外的动力设施和化学药剂，运行费用昂贵，管理难度大，基本不可能在农村地区推广。创新型的反硝化除臭技术是利用已有的跌水充氧生物接触氧化池产生的硝化液和剩余溶氧回流至缺氧池，利用硝酸盐氧化并稀释进水中的还原性致臭物质，简单高效，成本低廉，解决了污水处理设施可能存在的臭味问题。

二、生态单元

生态单元紧密结合农村种植业。主要表现为两方面：用经济作物替代传统湿地植物并优化湿地构型：构建污染净化型农业，实现氮磷资源化利用的同时获得经济效益。通过采用水生蔬菜型过滤床、水位及浸润度可控型潜流人工湿地技术，有效提高人工湿地的处理效率和经济效益。种植的水生蔬菜和花卉产生经济价值，可调动农民参与污水处理设施管理的积极性。同时还因地制宜地研发了梯式生态砾石处理技术、阶式多功能强化生态净化塘处理技术，以及多种构型的生态混凝土护坡的生态沟渠沿程降解等技术，可适应不同地区农村需求。

无土栽培与人工湿地集成优化技术

水生蔬菜人工湿地技术开创性地融合了人工湿地技术和无土栽培技术，以生物单元处理后的尾水作为人工湿地内水生蔬菜的“营养液”，在人工湿地内培植空心菜、水芹、豆瓣菜、番茄、生菜等根系发达、生长速率快的蔬菜。同时，通过拦截颗粒性污染物和水质净化作用，对后续浸润度可控人工湿地起保护作用。

水位及浸润度可控型潜流人工湿地技术是利用出水堰（阀）的优化设计，实现对潜流人工湿地内水位和浸润度的控制。一方面引导人工湿地内水生蔬菜根系纵向的充分发展，另一方面强化大气复氧能力，改善滤床及基质的氧环境。在北方寒冷地区应用时，也可以搭建暖棚，保证人工湿地冬季的正常运行。

蚯蚓强化湿地生态功能技术是在人工湿地中引入水蚯蚓，利用水蚯蚓的“松土”作用改善内部的水力传导以及溶解氧的传输，提高湿地生物多样性，显著提高湿地去除污染物的能力。实践表明，该技术比传统人工湿地提高氮磷去除率30%，并消除人工湿地堵塞现象。

污染物沿程多阶净化技术

充分利用水网丰富，沟塘密集的农村地域特征，建设具有良好生态效益的生态塘、生态沟，实现污染物从收集到排放，从“沟渠”到“塘库”到“湿地”的多级沿程净化低成本生态处理系统。主要技术包括生态沟渠沿程降解、阶式多功能强化生态塘库、梯式生态砾石等处理技术。其中，生态沟渠沿程拦截技术采用生态混凝土护坡，重建植物群落，结合沉水植物，恢复水体的生物多样性，利用生物、生态作用实现水质的净化：阶式多功能强化生态净化塘处理技术依靠塘中的藻、菌共生原理来充分调动水体的自净能力，达到去除氮磷。深度净化污水处理尾水、改善水体景观的目的：梯式生态砾石处理技术是针对丘陵地区农村的地形特征而开发的生物生态高集约化技术，其将生物单元和生态单元合并，最大化节约了占地。

三、生物生态组合工艺流程

典型的生物生态组合工艺流程如下：进水-高效厌氧-缺氧反硝化-多级跌水接触氧化-经济型植物人工湿地-出水;冬季由于厌氧效果不能保证，可在接触氧化出水处增加回流措施至缺氧池，通过反硝化脱臭技术消除水的异味。

四、结语

我国国土面积广大，农村生活污水治理受农业结构、经济状况、人员素质、地形地貌、气候条件等多方面条件约束，单一的污水处理工艺即使再好，也无法适应复杂农村条件下的污水处理需求，难以包打天下。可持续发展的农村污水治理技术应包含多种单元技术的可选组合技术系统，具有高适用性、针对性。这就需要将多种农村生活污水处理单元创新技术进行系统集成和优化组合，形成具有节能、节地、高效、低维护、景观化、园林化、氮磷资源化特征的多種可选工艺流程，形成高适应性、可持续发展的农村生活污水处理生物生态组合成套技术体系，以满足我国幅员辽阔的农村地区生活污水治理的不同需求。