杭嘉湖农村污水处理设施运行效果调查

叶芳芳，袁子琦，徐颖峰，康颖

(1.浙江工商大学，浙江 杭州 310012；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江省生态环境监测中心，浙江 杭州 310012)

杭嘉湖地区位于太湖流域南部，面积约15 023 km2，总人口1 036.26万人，其中，农村人口占62%，年排放生活污水达8 000万t[1-3]。第一次全国污染普查结果显示，面源污染对太湖的总氮贡献率达77%，总磷(TP)贡献率达66%[4]。而农村污水又是面源污染氮磷的主要贡献者，总氮、TP贡献率分别为30%和70%[5-6]。为保护太湖流域水环境，杭嘉湖地区积极建设农村污水处理设施，至2018年治理行政村覆盖率达90%以上[7]，但由于其数量庞大、点位分散，部分设施长期缺乏有效运行、维护及监管[8-9]。为此，以杭嘉湖农村生活污水处理设施为调查对象，研究其运行情况，为规范化杭嘉湖地区污水处理设施的运行和监管提供基本数据及管理依据。

1 材料与方法

1.1 调查范围

区域范围。杭嘉湖地区13个区县，包括杭州本级(江干区和西湖区)、临安区、余杭区、湖州本级(南浔区和吴兴区)、德清县、长兴县、安吉县、嘉兴本级(秀洲区和南湖区)、嘉善县、海宁市、海盐县、平湖市、桐乡市。

工艺范围。根据杭嘉湖地区农村污水处理设施主要工艺占比，选取典型工艺5个：厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷(A2/O)工艺、厌氧-好氧(A/O)工艺、膜生物反应器(MBR)工艺、厌氧生物工艺、人工湿地工艺。

监测时间。2018年11月至2019年10月，监测频次为每月1次。

1.2 采样方法

在杭嘉湖地区随机抽取80座农村污水处理终端设施。在设施的进水位置和出水位置分别采集水样，采集样品数量不少于3个，混合后测定均值。为避免地表径流影响，取样期间避开中雨及以上降雨期。取样过程中进出水处于不断流动的动态过程中，样品混合后用1 L的白色塑料封口瓶密封保存，12 h内进行检测分析。

1.3 测样方法及排放标准

采集水样于4 ℃环境保存，检测项目为化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和TP。COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)测定，NH3-N采用水杨酸分光光度法测定(HJ 536—2009)，TP采用钼酸铵分光光度法测定(GB 11893—1989)。

排放标准执行《浙江省农村生活污水处理地点水污染物排放标准》(DB 33/973—2015)规定的污染物排放限值[10]，位于重要水系源头、重要湖库集水区等水环境功能重要地区和水环境容量较小平原河网地区的新建设施执行一级标准，其他地区执行二级标准。

1.4 数据处理

监测数据处理统计，置信区间为95%，计算达标率和去除率，数据图绘制采用Origin 2018软件。达标率季节变异系数用以下公式计算：

C=σ/μ。

式中：C为达标率季节变异系数，无量纲；σ为四季达标率标准差；μ为四季达标率均值。

2 结果与分析

2.1 处理概况

据数据统计结果，2018年11月至2019年10月杭嘉湖地区农村污水产生总量达8 323万t。其中：湖州本级最高，达1 397万t；余杭区、嘉兴本级处第二和第三，分别为903万t和811万t；杭州本级因农村区域范围较小，农村污水产生量最少，仅为34万t。

杭嘉湖地区已进行处理的农村污水总量达6 573万t，处理率达79.0%。其中：长兴县农村污水处理率最高，达100%；其后是海宁市与临安区，处理率分别为98.0%与97.0%；嘉兴地区处理率普遍较低，尤以平湖市为最低，仅为29.0%，而桐乡市、嘉善县、海盐县和嘉兴本级处理率也均未超过60.0%。

海宁市虽处理率较高，但设施运行效果不佳，达标率最低，仅为58.0%；桐乡市和嘉善县稍好，达标率也仅有73.0%和76.0%；其余10个区县达标率均高于90.0%。

综上，杭州和湖州各地区的农村污水处理率及达标率总体较高，但嘉兴各地区(平湖市、海宁市、桐乡市、嘉善县、海盐区、嘉兴本级)农村污水处理率及达标率均明显低于杭州地区和湖州地区，急需进行系统提升改造(图1)。

图1 杭嘉湖地区农村污水处理的状况

通过对杭嘉湖地区农村污水处理设施调查发现，A2/O工艺、A/O工艺、厌氧生物工艺、人工湿地工艺及MBR工艺是杭嘉湖地区农村污水处理设施采用的主要工艺。其中：A2/O工艺以规模灵活、功能齐全等特点[11]，使用率最高，占总处理设施的58.1%；A/O工艺通过与化学除磷/电解除磷等工艺联用[12]，具有操作简单、性能稳定、处理效果好等优点，在农村污水治理中也被广泛应用，使用率达17.1%；厌氧生物工艺及人工湿地工艺两种无动力工艺能耗低、易管理[13]，适用于低排放标准地区，使用率达18.2%；MBR工艺是一种结合膜处理与生物处理的新型工艺，占地面积小，处理效率高，出水能达《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A以上[14]，近几年开始在农村污水处理中被推广应用，但由于该工艺投资成本高、维护难度大[15]，在杭嘉湖地区使用比例较低，仅为0.8%。综上，A2/O工艺、A/O工艺是杭嘉湖地区农村污水处理中最主要的两种工艺(图2)。

杭嘉湖地区农村污水处理设施处理规模主要集中在<30 t·d-1，占设施总数的88.3%，单个设施的服务人口<400人，>100 t·d-1规模设施仅占1.5%。由此可见，杭嘉湖地区农村污水治理以小规模分散式处理为主，可有效降低农村污水治理管网建设的工程量，但设施数量过多，也极大地增加了分散式农污处理设施的运行、维护管理难度。

对杭嘉湖地区农村污水处理设施进水水质监测数据进行统计(图3)，生活污水中COD、NH3-N、TP平均浓度分别为196、41.6和4.62 mg·L-1。污水浓度分布呈现地区差异，杭州本级农村污水中COD和NH3-N浓度明显高于其他区域，分别达250～400和40.0～70.0 mg·L-1；湖州本级、嘉兴本级农村污水中COD为150～250 mg·L-1，NH3-N为10.0～50.0 mg·L-1；其他区县略低于湖州本级和嘉兴本级。TP浓度整体波动大，杭州本级浓度相对较高，其他区县则无显著性差异。此外，从不同季节监测结果发现，杭嘉湖农村污水水质随季节的波动差异不显著。

2.2 设施运行现状

2.2.1 工艺

不同工艺污水处理设施的运行效果及稳定性差异显著。图4显示，A2/O工艺、A/O工艺、MBR工艺和人工湿地工艺总达标率相近，在94.3%～96.7%。但各工艺达到不同标准的比例差异显著，A2/O工艺和A/O工艺一级达标率较高，分别达到51.0%和47.7%，而MBR工艺仅有37.1%的设施达到一级标准，人工湿地工艺的一级达标率最低，仅为6.9%。此外，厌氧生物工艺总达标率显著低于其他工艺，仅为53.3%，其中二级达标率为45.8%，一级达标率为7.5%，处理能力在各工艺中最差。

图4 不同农村污水处理工艺污染物去除率差异

从单污染物因素分析，MBR工艺对于COD、NH3-N、TP的去除率最佳，分别为80.0%、70.0%、71.0%，但由于MBR工艺高负荷、高效率的特性，其往往应用于管网较为完善、进水浓度较高的区域，且MBR膜组件和化学除磷加药系统需要经常维护，出水水质并不稳定，因此，MBR工艺由于除磷效果不稳定，导致整体一级达标率相对较低。A/O与A2/O工艺对于COD、NH3-N、TP的去除率仅次于MBR工艺，但由于A2/O工艺和A/O工艺达标率均受到TP去除低的限制，导致这两种工艺总达标率及一级达标率差异不显著。

人工湿地工艺对COD、NH3-N、TP的去除效果最差，去除率均未超过30.0%。厌氧生物工艺对COD、NH3-N及TP的处理效果也不佳，去除率仅为30.0%～40.0%。但调查中发现，人工湿地设施的进水污水浓度往往较低，因此，其出水达标率反而高于厌氧生物工艺，这可能与管网健康度有关。在管网设施较为落后的地区偏向于采用人工湿地工艺等运行、维护要求低的处理工艺。

综上所述，目前在农村广泛使用的工艺均有一定的缺陷，其中MBR、A2/O和A/O工艺相对效果较好，但必须辅以有效的运行和维护，特别是要重视除磷工艺的入场管护；厌氧生物工艺及人工湿地工艺对于污染物的去除效果不佳，不适用于高排放要求和高进水浓度区域。

2.2.2 规模

选取使用频率最高的A2/O工艺，研究处理规模对于污水处理效果及稳定性的影响。图5显示，小规模(<10 t·d-1)、大规模(>100 t·d-1)处理设施污染物的去除率显著高于中间规模。其中：小规模处理设施对COD、NH3-N、TP的去除率最高，分别达78.0%、79.0%和81.0%，大规模设施的去除率分别为81.0%、66.0%和62.0%。小规模处理设施主要用于小规模集散地，一般为数十户家庭集中处理废水，废水来源中没有集中餐饮、公厕、小作坊等污水，进水水质浓度相对较低，易处理；而大规模处理设施由于场站规模较大，运行和维护人员管理较为集中，处理效果较好。

图5 不同处理规模设施污染物去除率的差异

2.2.3 季节

在2018年11月至2019年12月期间，本研究对杭嘉湖地区污水处理设施进行连续监测，考察其达标率与季节影响的关系。图6显示，A/O工艺与A2/O工艺季节变异系数分别为3.6%和5.7%，表明该两种工艺受季节变化影响不显著；MBR工艺和人工湿地工艺运行效果较稳定，受季节影响较小，变异系数分别为11.0%和11.2%；厌氧生物工艺运行效果受季节影响最大，变异系数为20.7%。5种工艺达标率季节变化趋势一致，夏季达标率最高，冬季显著下降，与已有报道一致[16-18]。由于夏季水温升高，硝化细菌活性增加，从而提高了NH3-N去除率，达标率上升。综上所述，A/O工艺、A2/O工艺、MBR工艺和人工湿地工艺总达标率相近，但A/O工艺运行效果最稳定。

图6 农村污水处理工艺达标率的季节变化

3 小结

杭嘉湖地区农村污水整体处理率达79.0%，污水处理设施出水平均达标率为86.0%(地方标准二级)。

杭嘉湖地区农村生活污水处理设施规模主要集中在<30 t·d-1，占比88.3%；处理工艺以A2/O工艺为主，占比58.1%。

污染物去除性能最优的是MBR工艺，去除性能最差的是人工湿地工艺，受季节影响波动最大的是厌氧生物工艺，最稳定的是A/O工艺。