高寒地区城乡污水处理技术研究进展

杨程嵛 倪千涵 马 涛 刘 敏

（四川大学建筑与环境学院 四川成都 610065）

引言

高寒地区一般指高海拔、高纬度、气候寒冷的地区，我国的高寒地区主要包括西藏自治区全部和青海省、新疆自治区、甘肃省、四川省、云南省的部分地区。这些地区长冬无夏，气候寒冷干燥，气压偏低，空气稀薄，但日照丰富，太阳辐射强烈，气候垂直变化明显[1]。因而，高寒地区由于自然环境恶劣、地区经济基础差、技术力量薄弱等原因，许多乡镇还没有建成生活污水处理设施。

据住房和城乡建设部发布的《2021 年城乡建设统计年鉴》，截至2021 年，我国县城已建成污水处理厂1765 座，污水处理能力3979 万m3/d，污水处理率96.11%。但对生活污水进行处理的建制镇为12961 个，仅占全国建制镇总数的67.96%。因此，我国县城和建制镇虽生活污水处理设施数量及处理规模逐年增加，但包含高寒地区在内的很多地方的生活污水处理设施及处理技术依然欠缺。

由于高寒地区往往也是环境敏感区，生态环境承载力较弱，如果将未经处理的生活污水直接排放，会对水资源和水环境造成较大威胁。因此，亟需加大高寒地区生活污水处理力度，研发和推广适用于高寒地区特点的城乡污水处理技术。

1 高寒地区城乡污水主要排放特点

高寒地区的城乡生活污水主要来源于餐厨、洗衣、洗浴等日常活动，但污水成分与其他地区相比存在一定差异。数据显示，高寒地区的农村卫生厕所普及率和无害化卫生厕所普及率均低于全国平均水平[2]，生活污水中黑水的比例低于内陆地区。实地调研也发现，高寒地区除政府部门、酒店和企事业单位以外，许多乡镇和农村地区仍较多使用旱厕。总体来说，高寒地区的城乡生活污水主要存在以下3 个特点。

1.1 污水水温较低

高寒地区的生活污水水温较内陆地区偏低，特别是冬季，水温基本处于低温状态（3～6℃）。如，海拔3290m 的西藏昌都污水处理厂采用活性污泥法处理生活污水，处理规模达到6000m3/d，通常出水水质可达标排放，但在冬季运行期间污水最低水温降至3℃左右，低温对活性污泥的吸附和沉降性能、微生物数量和活性等造成不利影响，导致氨氮、总氮等部分指标超标[3]。

1.2 污水排放量小

由于地理位置特殊，高寒地区常年处于低温、氧气相对稀薄、日照多、辐射强烈且冻土不化的状态[4]，常住人口较少且居住分散，污水间歇排放的特征明显，昼夜流量差异较大。总体来看，高寒地区污水的产生量和排放量都较小，某些时候甚至会出现断流的现象，但在节假日、农忙时节、旅游旺季等，高寒地区的流动人口增幅较大，污水产生量和排放量都会明显增加。田丰等[5]研究显示，川西北牧区生活污水排放量为10～20L/（人·d）；旅游景区和旅游沿线农村旅游旺季为60～80 L/（人·d），淡季减少至50 L/(人·d）以下。

1.3 水质存在差异且波动较大

一方面，高寒地区居民饮食习惯和生活方式与其他地区存在一定区别，他们的食物主要是牛、羊等肉类以及牛奶、酸奶等乳制品，与平原地区相比，蔬菜和水果的摄入量较低[6]，这样的饮食习惯使得高寒地区的生活污水水质与其他地区存在较大差别。同时，一些高寒地区的城区仍采用雨、污合流排水制，且污水管老化严重，地下水不断渗入，造成污染物浓度偏低。另一方面，高寒地区污水昼夜流量以及夏冬用水量变化明显，导致污水水质波动较大。研究显示，某高寒地区的生活污水处理厂进水NH3-N 在20～70mg/L,进水C/N 比范围在3～10[7]。

2 影响高寒地区城乡污水处理的主要因素

2.1 低温

目前，大多数生活污水采用生物法处理，其温度不但是影响微生物活性、种类和种群数量的关键因素，而且会对污水的处理效率产生较大影响。当水体温度低于10℃时，微生物的活性明显下降，生长将受到抑制，代谢外源污染物的能力降低，生物量也可能随之降低。Beal CD 等[8]研究发现反硝化细菌的最适温度范围为25～35℃，当温度低于15℃时反硝化速率将快速下降。硝化细菌的最适生长温度在25～30℃，当温度在10℃以下时，硝化细菌就会进入休眠状态，影响脱氮效果，使得污水处理厂难以达到脱氮要求。当水体温度低于4℃时，传统的生活污水处理工艺几乎失去了其原有的处理效果。

对于很多以活性污泥法为生物处理单元的污水处理厂来说，较低的温度还会引起污泥膨胀问题。在水温较低且污泥负荷较高的情况下，微生物活性降低，有机物不能及时代谢，使得胞外聚集大量的多糖物质，而高粘性的多糖使得表面附着物大量增加，容易造成污泥粘性膨胀。高春娣等[9]发现，采用传统硝化反硝化工艺并将运行温度降至14±1℃后容易诱发丝状菌污泥膨胀，在低温条件下污泥膨胀的发生会引起丝状菌群丰度的升高以及脱氮菌群、除磷菌群丰度的下降，影响污水处理效果。

2.2 低压低氧

高寒地区的年平均含氧量仅相当于同纬度其他地区的60%。受海拔升高的影响，高寒地区污水处理设施中的氧转移效率下降，污水中的溶解氧浓度降低，影响好氧微生物的活性，导致污水处理设施运行效果不佳。虽然可以通过增加污水处理中好氧工艺单元的曝气量来提升供氧量，但这样一方面会降低污水的水温，另一方面还会增加污水处理厂的运行成本。

通常情况下，大多数好氧菌在低溶解氧情况下难以正常生长。丝状菌虽然属于好氧菌，但与其他好氧菌相比，丝状菌争夺溶解氧的能力更强，在低氧条件下也可以正常地生长。研究表明，低氧状态下污泥中的浮游球衣菌和硫细菌等丝状菌会大量繁殖，从而引起污泥膨胀[9]。

2.3 低进水浓度

受生活用水习惯的影响，特别是为防止冬季供水管道结冰，高寒地区普遍存在“长流水”（自来水或自备水源长流）现象，这些长流水进入污水管网不仅增加了污水处理量，还大大降低了污水浓度[5]。较低的进水浓度使得污水处理设施生化段的营养物质严重不足，影响活性污泥、生物膜等微生物的正常生长与繁殖，造成污水处理设施的脱氮除磷效果下降。此外，反硝化菌与除磷菌都需要利用有机碳源，而较低的进水浓度使得可被微生物利用的有机碳源减少，反硝化菌与除磷菌对碳源的竞争更加激烈，往往导致出水总氮和总磷无法达标。

2.4 高紫外线强度

受紫外线辐照的抑制，高寒地区污水处理系统中的微生物多样性平均水平显著低于非高原污水厂。较低的微生物多样性导致污水处理设施中的污染物去除效果不佳，出水难以达标排放。宗永臣[10]探究了不同紫外线照射时间对A²/O 工艺去除污染物效果的影响，结果表明不同紫外线照射工况下，污染物去除率存在着显著差异，并且紫外线照射对NH3-N 去除具有抑制作用。高紫外线环境是抑制微生物群落多样性和丰度的关键因素，降低紫外线照射，将有利于提升污水处理效能。

3 高寒地区城乡污水处理技术

常用的城乡生活污水处理技术包括生物处理技术和生态处理技术2 类。其中，生物处理技术主要有脱氮除磷活性污泥法（A²/O）、氧化沟法、生物接触氧化法等；生态处理技术主要有土地渗滤、人工湿地等。这些处理技术在高寒地区均有应用，但技术特点和适用性存在较大差别。

3.1 脱氮除磷活性污泥法（A2/O）

A²/O 是一种传统的活性污泥法，具有厌氧、缺氧和好氧3 个反应池，可同时去除氮、磷和有机污染物，被广泛应用于城镇生活污水处理中，在高寒地区的污水处理厂中也有较多应用。宗永臣[10]统计了西藏地区10 座污水处理厂的主要信息，其中有7 座污水厂采用了A²/O 工艺。甘肃省雁儿湾污水处理厂[11]，采用A²/O 工艺，污水处理规模为26 万m³/d，污水来源包括80%生活污水和20%周边工业废水。在冬季，该污水处理厂的NH3-N 去除率达到了95%，TP 去除率达到了98%，TN 去除率为75%，COD 去除率为85%，出水均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A 标准。张斌等[12]在四川省某县污水处理厂（海拔4000m 左右）利用改良型A²/O 工艺处理高寒地区污水，处理规模2000 m³/d，COD 去除率为86%，NH3-N 去除率为94%，TN 去除率为75%，出水水质指标达到一级A标准。在冬季进水平均水温为5～8℃时，同样具有较好的处理效果。

A²/O 对污染物的去除效率较高，适用于大规模的污水处理以及对出水水质要求较高的地区，但其占地面积较大，对运行维护的水平要求较高。

3.2 氧化沟法

氧化沟法是活性污泥法的一种变型，其主要特点是污水与活性污泥在反应池中完全混合，并通过曝气、推流等设备在曝气渠道中进行连续循环，从而达到污染物去除目的。相比A²/O 工艺，氧化沟法具有工艺流程简单、水力停留时间长、剩余污泥量少、管理较为简便等优势。李雪[13]对西部高原地区某污水处理厂的氧化沟工艺进行了升级改造，该污水厂所在地区年平均气温3.0 ℃，全年水温在6～18 ℃之间。通过运行优化，出水平均COD、NH3-N、TN浓度分别为21.77mg/L、0.54mg/L、12.96mg/L，能够稳定达标。郭耀杰[14]采用氧化沟装置处理新疆农垦地区的生活污水，在最优运行参数HRT 为10 h、进水C/N 为9、曝气量为2L/min 的条件下，氧化沟工艺的COD、NH3-N、TP 去除率分别达到90%、96%、76%。处于高寒高原地区的甘肃省和平污水处理厂[11]，采用氧化沟工艺，处理规模为11 万m³/d，其污水由98%的生活污水和2%的工业废水组成。在冬季，该污水处理厂对NH3-N 和TP 的去除效果可维持在较高水准，去除率分别达到92%和95%，TN 去除率为72%。但该污水处理厂COD去除率在冬季下降，只有53%。

氧化沟法结构和设备简单、管理方便、投资较省，但其占地面积较大，比较适用于污染物浓度相对较高、处理规模较大的污水处理。

3.3 生物接触氧化法

生物接触氧化法属于生物膜法中的一种，通常在曝气池中放置填料以便微生物附着生长，通过生物膜的吸附、分解等作用实现污染物的去除。相比传统活性污泥法，生物接触氧化法具有污泥浓度高、耐冲击负荷强等特点。赵智超等[15]采用生物接触氧化法处理低温生活污水，在温度为7～12℃的条件下，通过调节气水比、水力停留时间等参数，该工艺对COD、NH3-N、TN 的去除率分别为90.6%、87.8%、75.4%。胡奇等[16]采用生物接触氧化-温室结构潜流人工湿地工艺处理高寒地区生活污水，结果表明该工艺对冬季生活污水中的污染物有较好的去除效果，出水COD、NH3-N、TP 的平均浓度分别为24.49mg/L、10.79mg/L、2.31mg/L。

生物接触氧化法生物稳定性较好，占地面积小，对水质、水量波动有较强的适应性，但其对磷的处理效果较差，比较适用于小规模污水处理，通常与人工湿地、稳定塘等工艺组合使用。

3.4 生物强化处理技术

生物强化处理技术是通过筛选培育高效微生物并将其加入污水处理设施，来改善和丰富微生物种群，从而提高对目标污染物的去除效果。筛选培育耐冷性微生物并将其作为强化菌种，是解决高寒地区冬季污水温度低、污染物去除效率不高的措施之一。Head MA等[17]向寒冷地区的污水处理厂生化池中投加短污泥龄的硝化细菌，探究温度变化对工艺去除效能的影响,结果发现在水温为10℃时，通过持续向池内投加短污泥龄的硝化细菌，可以实现NH3-N 的完全去除，但停止投加后，硝化作用迅速消失。

生物强化处理技术具有操作简便、针对性强、效果显著的特点，但高效微生物的数量和活性不易控制，通常需要持续投加高效微生物，增加了运行成本。

3.5 土地渗滤技术

土地渗滤技术是将生活污水有计划地排入土地渗滤床，通过拦截、过滤、吸附、生物转化等一系列物化和生物作用，使污染物得到去除。张金旭等[18]通过土地渗滤系统处理高寒地区的生活污水，发现土地渗滤系统对污水中的污染物具有较好的去除效率，出水能够达到城镇污水排放一级A 标准，并确定最佳工艺参数为填料配比1:2，表层土厚度15cm 和水力负荷7cm/d。朱康[6]设计了一套土地渗滤系统并在青海西宁开展了实验研究，发现40d 后系统达到基本成熟，对COD、TP、TN、NH3-N 和SS 的平均去除率达到83.7%、98.5%、82.2%、85.5%和79%以上，出水各指标浓度稳定，且温度对TP 和SS 的去除几乎不产生影响。

土地渗滤技术具有低运行费用、低能耗、投资费用省等特点，适用于原位分散式生活污水处理，特别是污水管网不健全的地区，但其污染负荷低，占地面积较大，不适合集中供水水源防护带、溶岩等地区使用。

3.6 人工湿地

人工湿地是在人工构筑的水池或沟槽内充填一定深度的基质，并种植湿生植物，形成基质-植物-微生物复合系统，污水中的SS、COD、BOD5等污染物主要通过基质和植物的截留吸附以及微生物的代谢降解等作用去除。按照污水流动方式，可分为表面流、水平潜流和垂直潜流人工湿地。当处于高寒、缺氧的气候条件时，人工湿地的植物、基质、微生物和对污染物的处理效率均会受到不同程度影响，导致系统的整体运行效率降低。目前，很多研究致力于改变人工湿地的结构设计、运行操作以及辅助强化措施，以应对高寒地区处理效果下降的问题。周健等[19]在5～10℃的条件下运行周期间歇式的人工湿地系统，探究其脱氮性能，结果显示NH3-N、TN 的去除率分别达到了86%和48%，去除效果提升明显。崔玉波等[20]采用酸化、两段间歇流人工湿地处理生活污水，在低于11℃的温度条件下，COD 的去除基本不受影响，NH3-N 的去除率能达到95%以上。

人工湿地技术具有投资及运行费用低、管理维护简便的特点，但其污染负荷较低，植物受温度影响较大，通过筛选耐寒植物或采取一定的保温措施，可用于处理高寒地区的生活污水。

3.7 一体化污水处理技术

一体化污水处理技术使用将预处理、生化池、二沉池等集成于一体的设备处理生活污水，具有抗冲击负荷能力强、出水水质稳定且可埋于地下的优点。龚文静[21]采用MBBR 一体化设备处理小城镇污水，该设备由缺氧池、好氧池、沉淀池、污泥池、清水池等构成，对进水水温6～12℃的污水进行处理，结果表明该一体化设备的COD去除率为70%左右，NH3-N 去除率为85%，TN与TP 去除率分别为53%和50%。陈昢圳等[22]利用无动力·蒸发式一体化污水处理设备处理内蒙古呼和浩特某农村地区的生活污水，该设备由一、二级消化槽、预备过滤室和蒸发装置组成，在冬季实现稳定运行后，出水水质可达到一级A标准，其中NH3-N、TP、SS 等去除率均达到了90%以上。

一体化污水处理技术适用于小规模生活污水，安装方便且占地面积较小，埋于地下使用时受温度影响较小，但其设备不利于维修，运行成本相对较高。

4 高寒地区生活污水处理技术的比较分析

高寒地区的生活居住条件、人口规模、自然环境等与其他地区差异显著，对于高寒地区城乡生活污水处理，要综合考虑处理规模、管理水平、运行成本、水质特点等因素，选择在经济上适中、技术上可行、地域上适应的污水处理技术。各类处理技术的优缺点和适用性见表1。

表1 高寒地区城乡污水处理技术比较分析

结语

高寒地区因特殊的地理环境、气候条件以及居民居住习惯等因素，其生活污水存在水温低、排放量小、水质和水量波动较大等特点。低温、低压低氧、低进水浓度和高紫外线强度是影响高寒地区城乡生活污水处理的主要因素，特别是低温会对污水生物处理系统的微生物活性造成较大影响，并引起污泥膨胀等问题。

目前，活性污泥法、生物接触氧化法、土地渗滤技术、人工湿地等污水处理技术在高寒地区均有应用，但其适用性和优缺点存在较大区别。在选取高寒地区城乡生活污水处理技术时，要综合考虑处理规模、管理水平、水质特点、排放去向等因素，并注意采取防冻或保温措施。