生物法處理農村生活污水工藝研究的進展*

李文偉，薛林貴，莫天錄，李國強，楊蕊琪

(蘭州交通大學化學與生物工程學院，甘肅省極端環境微生物資源與工程重點實驗室, 甘肅　蘭州　730070)

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生物法處理農村生活污水工藝研究的進展*

李文偉，薛林貴，莫天錄，李國強，楊蕊琪

(蘭州交通大學化學與生物工程學院，甘肅省極端環境微生物資源與工程重點實驗室, 甘肅蘭州730070)

當前，農村生活污水是農村水環境污染的主要來源，也是造成湖泊富營養化的原因之一。為確保農村飲水安全和農村居民身體健康，農村生活污水的有效處理及生態環境的綜合治理已刻不容緩。縱觀國內外污水處理的成熟工藝，要使我國污水處理后達到國家一級排放標準，從技術、經濟、效率綜合考慮，采用生物法處理農村生活污水是最理想的選擇。生物法處理污水具有效率高、費用低、能耗低、出水質好、管理簡單等優點。本文主要綜述了目前國內外常用的生活污水處理工藝的工作原理、具體特點以及農村生活污水處理的進展，展望了未來農村生活污水處理工藝的發展前景。

生物法；農村生活污水；處理工藝；進展

1　農村生活污水的研究背景

1.1排放現狀

隨著我國經濟的快速發展和城鎮化進程的不斷加速，農民生活水平逐漸提高，農村排放的生活污水量也大大增加，目前農村每年產生生活污水約8×109噸，而污水處理率還不足10%[1]，給農村生態環境保護造成巨大壓力，同時，由于部分污染企業從城市到鄉村的轉移，對農村生態環境造成了極大的污染。我國絕大多數農村都缺乏可用的污水處理設備和可行的污水處理工藝，污水基本都是直接排入水體，對水體造成極其嚴重的污染，也影響到水生生物的生長，其隨著食物鏈的延伸進而影響人類的健康。現在農村的許多小河流已經不可直接飲用，農村水體環境惡化已經成為我國環境亟待解決的社會問題[2]。最近幾年的農村調查監測表明有大部分水源的化學需氧量(COD)、氨氮含量(NH3-N)、總磷(TP)、大腸桿菌、表面活性劑、重金屬離子等指標均存在不同程度的超標[3]。農村水體環境的污染不僅造成農田土壤肥力下降，農作物減產，還威脅到農村飲用水安全和糧食生產安全。因此，為了改善農村的生態環境和保障居民身體健康，必須加強進一步加強生活污水的處理和農村生態環境的保護[4]。

1.2排放特點

農村生活污水和城市生活污水不同，有其獨特的特點，主要表現在以下幾個方面：

(1)污水總量巨大、水量增加快。我國農村人口占總人口的56%，農村生活污水的排放量非常巨大。并且，隨著農民生活水平的提高，人們的生活方式也在不同程度地城鎮化(如抽水馬桶和洗衣機的使用和普及)，農村生活污水的排放量越來越大[5]。

(2)水質不穩定，水量波動大。不同時段的農村污水水質差別很大，一般含有病毒、細菌、寄生蟲卵等病原體[6]，但是可生化性好，也含有少量的化學污染物。農村生活污水排放不連續，水量變化比較明顯。

(3)面廣且排放分散。由于農村面廣且一般沒有固定的排污口，生活污水排放分散，且隨機排放，同時缺乏排水收集系統，收集難度很大。

1.3處理技術

污水處理的方法大體可分為物理法、化學法和生物法。物理法和化學法對污水的處理效率相對較低，處理費用高，管理復雜，甚至會造成對環境的二次污染，所以得不到很好的應用和推廣。而生物法處理污水則花費低，耗能低，同時處理效率高，出水質好，管理簡單，不會對環境產生二次污染，是目前最具潛力的方法。生物法通常是利用各種微生物的新陳代謝及種群間的相互作用而使污水得到凈化的過程。農村生活污水富含有機物，化學污染物相對較低，特別適合于微生物的生長和作用，采用生物法對農村生活污水進行處理將越來越受到人們的青睞。

2　生物法處理生活污水的工藝及其特點

2.1好氧法

2.1.1活性污泥法

2.1.1.1傳統的活性污泥法(CAS法)

20世紀初誕生了活性污泥工藝[7]，它的機理是由鼓風機向污水中通入空氣(曝氣)，一定時間后，使生長有大量微生物群的絮花狀泥粒(活性污泥)均勻分散并懸浮于反應器(曝氣池)中，并與污水完全接觸，在生物酶和溶解氧的作用下，污水中有機物就被微生物所利用，得以降解。在這個過程中微生物得到了良好的生長、繁殖，又有大量新的微生物補充進來，維持反應器中所需的工作主體—活性污泥，同時污水也得到了凈化處理。

采用活性污泥法處理污水的優點：BOD去除率大于95%，處理費用較低。缺點：停留時間長，設備龐大，投資大，廠區面積大，這便增加了管理難度。

2.1.1.2生物吸附氧化法(AB法)

20個世紀70年代，德國亞琛工業大學的B.Bohnke教授[8]提出一種新型的超高負荷活性污泥法—生物吸附氧化法，即AB法。該工藝無需設初沉池，主要原理就是充分利用微生物種群的特性，利用負荷相差大的A段和B段，設置單獨的回流系統。根據微生物生長和繁殖規律，分別為其適應的菌群創造適宜的環境，使不同的種群得到良好的增殖，以提高處理污水的效能[9]。

AB工藝的優點為A段負荷高，抗沖擊負荷能力強，適用于處理水質水量變化較大的污水，沉降性能良好，基本不產生污泥膨脹現象，且具有很強的穩定性。同時也有一些缺點：A段產泥量大，且含水率高，不易脫水，而且不具有深度脫氮除磷功能，出水水質不能滿足排放高標準。

2.1.1.3A2/O法

20世紀70年代，美國的Barnard[10]開發出一項可以同步脫氮除磷的處理工藝，稱為A2/O工藝。A2/O工藝是在傳統活性污泥工藝的基礎上結合生物硝化反硝化及生物除磷，對生活污水進行深度處理。該工藝在厭氧-缺氧-好氧[11]的交替運行條件下，不易發生污泥膨脹。該工藝的去除率為BOD為90%～95%，SS為90%～95%，TP為90%左右，TN為70%以上。為了更好適應不同水質的污水處理，現已開發出各種改良A2/O,如，預缺氧A2/O，倒置型A2/O，后置反硝化A2/O，UCT工藝等[12-13]。

A2/O工藝的優點是出水水質較好，沒有污泥膨脹現象，污泥中含磷濃度高，肥效好；運行費用較低，構造簡單、總水力停留時間短且易于控制運行[14]。但也存在著有待解決的問題，首先是脫氮效果難以再進一步的提高[15]，不易達到國家污水處理排放一級A標準，其次是系統除磷效果不易提高，污泥增長有一定的限度[16]。

2.1.1.4序批式活性污泥法(SBR法)

SBR又名間歇曝氣[17]，是一種在時間和空間上按序排列，間接進行的無污泥回流系統。其主要部分為反應池，污水經該反應池后逐步完成反應、沉淀、排水及排除剩余污泥等過程，極大的簡化了處理過程。

SBR的優點是工藝流程簡單，處理設備少，基建費用低，運轉靈活，便于維護和管理；處理效果良好，出水可靠，有良好的脫氮除磷效果。此外，它能有效控制污泥膨脹，對水質水量變化的適應性強。但同時，它也有著自己的局限性，它的水頭損失比較大，還不能做到連續出水，對于建筑物容積的要求很高，需要有足夠的接受能力。因此，這種工藝并不適合用于大型污水處理廠。

2.1.1.5氧化溝

1954年荷蘭衛生工程研究所的帕斯維爾(A·Pasveer)博士[18]首次成功設計了氧化溝污水處理工藝，在國內外發展很快。氧化溝也是傳統活性污泥法的變型，其曝氣池是封閉的，是一種首尾相連的循環流曝氣溝渠，有環型、DE型、VR型、A型、T型和PI型等。

氧化溝工藝流程簡單，投資和運行費用低，對水質、水量變化的適應能力很強，抗沖擊負荷能力強，處理效果穩定，產污泥率低，且產生的剩余污泥很穩定，不需要再進行硝化處理[16]。但氧化溝法還有許多問題需要解決：如硝化和反硝化如何同時優化其參數；曝氣設備的性能和改進；流態的深入研究；污泥沉積問題；強化氧化溝生物除磷等[19]。

2.1.1.6Biolak工藝

1972年德國設計了一種具有同時脫氮除磷功能的多級活性污泥工藝—百樂克(Biolak)。其曝氣池和傳統工藝不同，是一個完全混合型曝氣池。整個池體依次為厭氧區，曝氣區，沉淀區和后曝氣區。通過對懸鏈式曝氣裝置的控制，形成好氧、兼性厭氧和厭氧的生物環境，有效降解BOD和COD。此外，百樂克工藝還能在池中形成多重兼性厭氧區和好氧區，有效促進脫氮除磷作用。

百樂克工藝特點：①工藝設計簡潔、高效，剩余污泥量少，污泥沒有臭味。②投資低。③氧氣傳遞效率高，出水非常干凈。④易于控制，維修率低，可靠耐用，且維修簡單。因此，最近幾年百樂克工藝在國內得到迅速發展和應用[20]，其主要應用于東南沿海的中小污水處理廠。

2.1.2生物膜法

膜生物反應器(membranebioreactor，MBR)主要由池體、鼓風曝氣系統、膜組件、泵、管道、閥門及儀表組成，污水中的有機物通過生物反應器內微生物的降解起到凈化水質的目的，而膜組件的作用是將大分子有機物、細菌，還有活性污泥截留在反應器內，以確保出水水質達到要求，同時為了加速反應的進行，還應保持反應器內有較高的污泥濃度。

膜生物反應器的優點：①對污染物的去除效率高[21](對固體懸浮物(SS)的去除率大于99%；濁度的去除率大于90%，COD的平均去除率大于94%，BOD的平均去除率大于96%，氨氮的去除率平均大于98%)。②具有較大的靈活性和實用性，非常易于實現自動控制，沒有污泥膨脹現象。③污泥負荷非常低，剩余污泥的產生量很少。④出水水質好，占地面積少，設備集中，模塊化，升級改造的潛力大。但自身膜組件費用較高，制約著它的推廣。

2.2厭氧處理系統

厭氧生物濾池內部裝有填料，利用填料充當微生物的載體，厭氧微生物附著在這種載體之上。當污水通過載體的時候，厭氧微生物的生長代謝會起到生物降解作用，有機物最終被分解形成沼氣。濾池在使用過程中有了很多改進和變型，但是主要工序依然是進水、沉淀池、厭氧消化池、厭氧生物濾池、拔風管、氧化溝、出水、排水等階段。

濾池的優點有節能，易于建造、出水水質好，污泥產生量少和運行方便，適合于小批量生活污水的處理。缺點就是運行不太穩定，濾床容易堵塞，而且處理效率比較低。

2.3自然處理系統

2.3.1人工濕地

人工濕地污水處理工藝是20世紀70-80年代發展起來的一種模擬自然濕地生態系統的污水處理系統。人們把石砂、土壤、煤渣等材料充當介質，然后按一定的比例配制成基質，并選擇性地植入植物[22]，利用微生物、基質及植物群落的物理、化學和生物的相互作用來進行污水的生態處理，其凈化污水機理過程比較復雜。

人工濕地具有出水水質好，氮、磷去除率高，投資低，運行維護和管理方便，動力消耗少等優點，但其占地面積比較大，而且氣候因素的變化也限制了濕地的發展。

2.3.2穩定塘系統

穩定塘是經人工適當改造的一種具有凈化污水能力的自然池塘[4]。其凈化過程主要依靠自然水體的自凈過程。通常是人為的將土地進行修整，比如設圍堤，池塘底部鋪一層防滲層。依靠塘內存活著的細菌、真菌、原生動物、藻類和水生植物的代謝活動共同協作來降解水中污染物。

該系統具有投資低、耗能少、操作維護方便等優點；缺點為占地面積大，處理效果受季節、光照、溫度等因素的影響大，處理效果不夠穩定，很容易散發臭氣，滋生蚊蠅[23]。

2.3.3土地處理工藝

2.3.3.1人工快滲污水處理工藝

人工快滲污水處理工藝是在快速滲濾工藝的基礎上研發出來的一種新型工藝。該工藝在快滲池內人工填充一定的天然介質，并摻入一定量的特殊填料，采用干濕交替的運行方式，在保證較高的水力負荷的同時，又能滿足污水處理的目的[22]。

人工快滲工藝操作簡單、運行方便、能耗低、建設投資費用低。然而目前它主要應用于南方氣溫較高的部分地區，必須加強完善該系統在低溫條件下的運行研究，才能在全國范圍內推廣和應用。

2.3.3.2土壤地下滲濾工藝

20世紀70年代日本開發出一種淺層土壤處理工藝，稱為土壤地下滲濾系統。后來以德國和美國為首的一些發達國家也都在大力推行這種處理工藝。其原理是將污水接入到具有一定滲透和擴散性能的土層中，利用土壤毛細管浸潤擴散作用，使污水向周圍土壤擴散和滲透，污染物通過土壤和植物組成的生態系統來降解和凈化。

地下滲濾工藝的優點首先是它不影響地面景觀、投資低、運行管理簡單；其次它出水水質好、污水可回收利用、氮磷去除能力強[22]，同時也存在著結構單一、土壤孔隙易堵塞、脫氮效果差、運行不穩定等問題。

2.4一體化污水處理裝置技術

一體化污水處理裝置迄今已有30多年的研究歷史[23]。一體化污水處理裝置技術是采用一體化裝置將污水預處理、二級處理和深度處理這些多個功能不同的單元[24]有機的結合在一個設備之中而形成的中小型污水處理組合體，是國內外污水處理技術發展的一種趨勢。

一體化污水處理設備具有處理效果好、構筑物少，基建投資小、結構緊湊，占地面積小、污水回用效率較高、管理方便等優點，可以有效處理分散式污水，具有廣闊的應用前景。

3　農村生活污水處理工藝研究的進展

我國農村污水處理由于資金匱乏和缺少后期技術人員。所以只能用一些投資小，管理簡單的處理方法，如A2/O法、序批式活性污泥法、Biolak工藝、厭氧生物濾池、人工濕地、穩定塘系統、人工快滲污水處理工藝等。

隨著全國范圍內新農村建設進程的全面啟動和城市化水平的提高，農村現已成為我國環境治理的新陣地。國家非常重視農村生活污水處理技術的研究工作。很多研究人員經過不斷地嘗試取得了可喜的成果。孫楠等[25]提出凹凸棒土—穩定塘模式處理嚴寒地區農村生活污水，有效解決了嚴寒地區農村生活污水處理面臨的低效率、高能耗、排水不達標這些問題。陳偉等[26]研發一套抽屜式膜技術處理系統，該技術靈活、出水水質好、工藝簡潔、能耗低、二次污染少、運營管理有保證。裘知等[27]針對農村生活污水的特點，設計疊層生態濾床，并將其應用于浙西山區農村生活污水的處理，出水檢測表明：COD、氨氮、總氮、總磷含量均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準。譚學軍等[28]對復合厭氧反應器進行改進，使之結合了厭氧活性污泥法和生物膜法兩種技術的優點，不僅處理效果好、能耗少，而且運行費用低、操作管理方便，能滿足農村的實際情況和技術需要。范爭濤等[29]針對我國農村生活污水分散、集中收集處理的可行性差的特點，提出車載移動式一體化污水處理裝備的設想，將裝備模塊化組裝于機動車上，在村里設污水收集池，定期將裝備運至村口集水池處就地處理回用。裝備利用率高，相對投資大幅降低，對于我國農村分散的污水處理具有其適應性和可推廣前景。毛宇峰等[30]利用柳樹高效的生物修復作用，又考慮農村污水處理經濟高效、簡便易行的原則，設計了由沉淀/厭氧、柳樹/土壤兩個處理單元構成的一種適用于處理農村分散型生活污水的生態凈化系統。陳鳴等[31]充分發揮人工濕地基建投資低、處理效果好的優勢，并利用生態溫室解決人工濕地系統冬季處理效果差等關鍵問題，設計了接觸氧化池與溫室型人工濕地聯合處理農村生活污水。張金衛等[32]提出了一種簡易模式，由化糞池沉淀、厭氧消化、簡易過濾器凈化及還田利于組成，有效解決了建造成本高、運行維護難度大、難以在農村地區推廣普及等問題。徐潔晴等[33]根據農村生活污水污染的成因和主要組成成分，設計了農村生活污水凈化景觀潛流池，并指出了適宜于潛流池生長的水生植物。張冰等[34]設計了省卻復雜出水裝置的一體化空氣提升序批式活性污泥反應器(SBR)，用于處理低C/N農村生活污水的中試，考察了不同曝氣強度、曝氣時間以及沉淀時間對反應器凈化效果的影響，并考察了反應器的抗沖擊負荷。

4　展　望

隨著農村生活污水在農村環境污染源的比重增加，我國農村生活污水無害化、資源化的處理技術和管理模式在全國大范圍推廣應用，已經勢在必行[35]。

在今后的工作中，各級研究部門應遵循“高效率、低能耗、低成本”的原則，在已有的基礎上，凝練技術成果、聚焦工藝類型[36]，根據各地自然、經濟和技術條件，結合污水排放的實際情況，采用多元化、符合當地實際情況的處理模式與措施，尤其注重運行穩定、維護管理方便，就當地技術和管理力量能夠滿足正常運行需要的處理工藝，同時，還應兼顧農村污水污泥的處置問題，避免產生二次污染。此外，還應就農村生活污水就地處理及管理辦法等制定相關文件，使農村生活污水處理能有序開展、健康運行，以達到農村生態環境的全面改善，促進社會和諧、經濟的全面發展[35]。

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Research Progress on the Technological Study of Domestic Sewage Treatment in Rural Area by Biological Method*

LIWen-wei，XUELin-gui，MOTian-lu，LIGuo-qiang，YANGRui-qi

(School of Chemical and Biological Engineering, Lanzhou Jiaotong University,Key Laboratory of Extreme Environmental Microbial Resources and Engineering in Gansu Province, Gansu Lanzhou 730070, China)

At present, the domestic sewage discharge is the important source of water pollution in rural area, and it is an important factor in lake eutrophication. In order to ensure rural drinking water safety and rural residents in good health, effective treatment of rural domestic sewage and the ecological environment comprehensive treatment are imperative. Throughout the mature technology of the wastewater treatment at home and abroad to reach level of wastewater discharge standard, from point view of the technology, economy, efficiency, comprehensive consideration, rural domestic sewage can be treated by biological method which is the most ideal choice. Biological wastewater treatment has many advantages which are high efficiency, low cost, low energy consumption good water quality, simple management, etc. The current works, characteristics and application of common sewage treatment process at home and abroad were described, and the development prospects of rural sewage treatment process in the next years were discussed.

biological; rural life sewage; treatment process

國家自然科學基金項目(No：31260135)；教育部長江學者和創新團隊發展計劃項目(No：IRT0966)。

李文偉(1990-),碩士研究生。

薛林貴(1964-)，男，博士，教授，主要從事微生物生理、微生物工程方面的研究工作。

X703

A

1001-9677(2016)07-0005-04