農村生活污水生態綜合治理技術現狀與研究進展

趙以國，張靖雨，汪邦穩，龍昶宇，張 衛，張世杰，趙黎明

（1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 合肥 230088；2.水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

農業面源污染是水體富營養化的主要原因，其貢獻率大大超過城市、工業的點源污染。與城市不同，農村污水排放日變化系數大[1]，農忙時水量大、農閑時水量小；大多不含重金屬或有毒有害物質，有機物含量高、可生化性較強；農村污水管網布設不健全，難以運行管理復雜技術工藝。此外不同區域污水排放特征差異很大，遠高于城市之間的差異水平。安徽省淮北平原區農村數量多、土地利用率較低，COD與TP 濃度波動性較大[2]。目前各地農村環境綜合整治和美麗鄉村建設已大力開展，但局部地區不考慮地域特征實際，存在形象工程、面子工程，設施處理效果不佳，造成資源浪費。因此系統總結國內外農村生活污水處理經驗，對比不同處理模式的優缺點，積極探索符合當地區域實際的生態綜合治理技術與方法變得尤為迫切。

1 農村生活污水處理技術研究進展

農村生活污水處理技術分類見圖1。自然與生態相結合的NEWS 處理工藝由化糞池-厭氧生物濾池-上下流人工濕地組成，在韓國公州市、忠清南道已經得到了較多的推廣應用[3]。我國關于農村生活污水研究上世紀80年代開始起步，目前常見的方法主要包括厭氧發酵-接觸氧化法、人工濕地、膜生物反應器（MBR）、穩定塘等。

圖1 農村生活污水處理技術分類

1.1 常見處理技術

厭氧發酵-接觸氧化將厭氧水解技術用為活性污泥的前處理，對COD，NH4+-N，TP 具有較好的去除效果，耐沖擊負荷、污泥量少、反硝化作用強，適用于日處理能力100 000 m3以下的中小型污水處理設施，但需機械曝氣充氧，能耗及經濟費用較高。人工濕地DO 濃度較低，生物作用以兼性細菌和厭氧菌分解為主[4-5]，適合處理污染物濃度低特別是含氮量低的生活污水，但單一運行局限性大，且應用過程易受氣候溫度、基質堵塞問題影響。MBR 工藝將活性污泥法與膜分離技術相結合，以膜組件取代二沉池，在生物反應器中保持高活性污泥濃度，實現了水力停留時間與污泥停留時間完全分離，減少占地和污泥量。但TP 的去除主要依靠前端投加藥劑化學除磷，且成本高、管理繁瑣，膜易發生堵塞或污染。穩定塘利用設置防滲層后的天然池塘中的微生物降解、吸附作用達到凈化水質目的，處理后出水可直接用于農田灌溉，但同時存在效果不穩定、水力停留時間長、有氣味等缺點。

本文結合各項工藝的特點和處理成本，通過查閱大量研究經驗，梳理了幾種常見的農村生活污水處理工藝的實際應用效果，見表1。由表1 可知，實際應用中MBR 工藝平均去除率能達到90%以上，但能耗高，膜易發生堵塞、維護成本高等缺點使推廣具有局限性。而人工濕地、氧化塘及生物濾池等生態型處理技術的去除效果從10%～90%不等，波動性較大，與溫度、水生生物季節性變化、基質填料選擇等因素有直接關系。橫向對比來看，不同類型處理技術均對TN，NH4+-N 及COD 去除效果較好，但由于人工濕地、氧化塘等有限的溶解氧和碳源缺乏，TP去除率普遍較低，單依靠某種工藝往往需對尾水投放藥劑以滿足排放標準要求。因此往往需要因地制宜選擇不同生物組合、生態組合或生物生態組合等多種模式以提高處理效率，切實解決“建得起、用不起”、處理設施曬太陽的困難局面。

表1 幾種常見的農村生活污水處理技術比較

1.2 生物生態組合處理技術

生物生態組合技術中前段生物處理主要負責去除有機物和部分營養物，可以克服生態工藝易堵塞的問題，后段生態處理進一步對污水脫氮除磷，解決生物處理技術復雜和建造費用高的難題，從而提高出水水質，保證系統運行的穩定性。目前人工濕地、穩定塘等生態處理技術和其他生物處理技術的組合被越來越多地應用在農村生活污水的處理上。

1.2.1 A/O-人工濕地組合處理工藝

A/O-人工濕地組合污水處理技術作為一種設計合理、操作簡單、工藝成熟的工藝，已經普遍用于在我國多個地區的農村污水處理工程中。組合工藝前置的生物接觸氧化反應器大大減小了人工濕地的污染負荷與堵塞的可能，同時后置的人工濕地能夠很好彌補生物接觸氧化工藝對氮、磷去除能力的不足。熊仁等[18]采用厭氧+ 跌水曝氣+ 人工濕地組合工藝實現對COD，TN，TP，NH4+-N，SS 這5 個常規指標的平均去除率分別達到74.5%，57.2%，59.5%，59.0%和91.6%，且厭氧反應池對SS 去除貢獻率最大。崔鵬[19]發現低溫8～12 ℃時，A/O+垂直流人工濕地組合工藝對去除COD，NH4+-N，TN 和PO43-的平均貢獻能夠達到88.4%，72.9%，58.7%和75.4%。

1.2.2 膜生物反應器-人工濕地組合處理工藝

MBR 工藝為前置反硝化提供兼氧環境，具有良好的脫氮效果。兼氧MBR 工藝通過污泥中的兼性厭氧菌作用來實現有機物的降解，由于沒有對溶解氧濃度的要求從而降低了能耗。通過適當增加曝氣量保證兼性厭氧菌低溫狀態下活性，兼氧MBR 工藝在北方低溫農村地區長期運行出水各污染指標平均去除率在60%以上[20]。許得雨等[21]構建了以不銹鋼絲網作為膜材料的新型厭氧膜生物器，使COD 去除率穩定在93%以上的同時有效了緩解膜污染問題。張躍峰[22]多年探索形成了多級串聯大深徑比厭氧反應器+ 跌水接觸氧化裝置+ 水生蔬菜濾床和浸潤度可控型人工濕地組合工藝，在內部形成整體推流流態，處理效率和耐沖擊負荷能力更高。該工藝技術應用在宜興市、常州市武進區等農村污水處理項目，節能60%以上，節地60%以上，并能產生22.5 元/m2以上的經濟效益。

1.2.3 其他生物-生態組合處理工藝

其他常見的生物生態組合工藝還包括生態氧化塘、生物濾池與人工濕地的組合等。生物濾池是一種利用生物膜附著生長的硝化菌、異氧菌等的代謝活動在自然通風條件下將污染物去除的生物處理形式。由于濾池內難以形成好、缺氧的交替環境，常與人工濕地組合后提高TN，TP 去除效率。SAMAL 等[23]從不同水力負荷、蚯蚓密度、有機碳源等多方面總結探討了蚯蚓微生物生態濾池與水生植物濾床組合處理不同生活污水的效果；肖雨涵等[24]分析了多級串聯表面流庫塘-濕地的水質凈化效果及污染物沿程變化規律，發現其對營養鹽凈化作用主要在于前兩級表流濕地，而對TP 的去除效果尚需進一步完善。ARPIT 等[25]認為人工濕地和穩定塘工藝技術中對溶解性有機物的處理作用是通過生物不穩定組分同化和植物衍生的陸地物質浸出共同影響完成的。

2 生態處理技術中植物篩選研究進展

水生植物的恢復與重建在淡水生態系統的穩態轉化中具有重要作用，除本身能吸收同化污染物外，還能提高濕地、河道生態系統的微生物數量，調整其組成類型等。據調查統計，我國水生植物資源豐富，共有61 科、168 屬、741 種[26]。根據生活方式一般分為挺水植物、浮葉植物、沉水植物和漂浮植物以及濕生植物，目前用于濕地、河道修復等生態處理技術的主要有蘆葦、香蒲、菖蒲等挺水植物以及苦草、菹草、金魚藻等沉水植物。

2.1 水生植物的主要功能與作用

水生植物根系具有沁氧功能，剩余未被利用的氧氣由根系直接釋放到外界環境。發達的根系具有較大的表面積，易在根區土壤形成好氧環境，而在距根區較遠的區域形成缺氧和厭氧環境，為微生物的硝化、反硝化作用及其他吸附代謝作用提供適宜的環境，擴大了水質凈化的有效空間。其次，發達根系能夠穿透介質層，提高基質孔隙度，增強透水性能和水力傳導作用，有效避免土壤板結、水力流通不暢等問題，有研究認為[27]，植物的去污效果除了隨根系發達程度遞增外，還隨著水力負荷減小逐漸升高。另外，相較于植物吸收，微生物的反硝化脫氮是氮素脫除的主要途徑[28]，根系細胞在生長過程中向周圍環境釋放的大量無機離子、糖類和有機酸等分泌物，為微生物代謝提供了多種易降解的有機碳源，而充足的有機碳源是保證反硝化過程順利進行的前提。

2.2 典型挺水植物凈化效果

挺水植物生命周期比藻類、浮水植物長，氮磷儲存穩定，易通過收割去除，并且依靠發達的根系和較強的輸氧能力進一步提高氮磷去除率。選擇適當的挺水植物是構建濕地環境和污水深度處理的關鍵。CRISTINA 等[29]研究了在水平潛流濕地中種植美人蕉、馬蹄蓮等觀賞性開花植物對旅游景區類進水負荷變化較大地區生活污水的處理效果。EZZAHRI 等[30]比較了9 種濕地植物的氮、磷積累量，證實蘆葦具有適應能力強、生長穩定、抗逆性好、去污能力強等特點。國內研究方面，楊林等[31]發現通過收割可以去除整個植株總氮和總磷含量的60%～80%；余雪花等[32]研究發現常見挺水植物對NH4+-N 均有明顯的去除作用，但對NO3--N 不穩定。

2.3 典型沉水植物凈化效果

沉水植物扎根于水底淤泥中，根、莖、葉與水體接觸面積大，對水體中營養物質的吸收充分，同時能在水體中通過光合作用提供氧分環境，在濕地生態、河道修復中獨具優勢。金魚藻、狐尾藻、苦草等多種沉水植物對TP，TN，NH4+-N 的去除率平均達到60%～80%之間[33]，且具有良好的抗負荷、抗寒能力。SU等[34]對長江流域97 個淺水湖泊的取樣發現，低內穩性（金魚藻、穗狀狐尾藻和輪葉黑藻）群落臨界磷濃度較低，且有較快的響應和恢復能力，可作為湖泊生態修復的先鋒物種。MARYAM 等[35]認為沉水植物表面附著細菌如假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)等10 余種菌屬的脫氮作用明顯，其反硝化能力可以在高營養條件下得到極大提高。李琳等[36]認為苦草、黑藻等對氮磷的去除以植增效作用為主，吸收富集作用較低。

2.4 不同類型植物組合凈化效果

過度單一的植物類型凈化能力有限、受季節的影響更明顯以及存在抗逆性和抗蟲性等問題，水質處理效果不穩定。合理的多種生活型水生植物群落比單一水生植物凈化效果更穩定，緩沖能力更強，還能控制藻類生長，降低葉綠素a 密度，提高水體透明度。混合群落中植被相對生長速率和累積生物量顯著高于獨自種植時期。然而，不同的植物選種組合和種植條件對試驗結果影響差異顯著。周玥等[37]研究表明高濃度污水中單種挺水植物對TP 的凈化效果較好而多種植物組合對TN 的凈化效果更好，其原因可能與群落生物量、多種植物組合的選種優化有關。RODRIGUEZ 等[38]發現蘆葦根際氧化條件增強了硝化和氨化過程，而虉草反而增強了反硝化作用和硫酸鹽還原作用，因此認為植物組合可以維持高效去污和低硝酸鹽濃度之間的穩定關系。

3 研究展望

農村地區經濟相對落后，污水收集難度大，缺乏資金和技術人員。應根據實際區域及地形條件合理選擇處理技術。如安徽省內淮北平原區村落分布較為集中、COD 與TP 波動性較大，可采用脫除有機物及抗沖劑負荷能力強的處理工藝；江淮丘陵區應充分利用已有的溝渠塘壩構建多級聯動的組合式生態處理模式，并選擇輪金魚藻、狐尾藻等當地土著種作為主要水生植物；皖南山區坡度較陡、污水季節性顯著，宜采用跌水曝氣氧化+濕地或氧化塘等無動力生態綜合治理模式。

現階段我國農村生活污水處理尚存在許多問題，如農村污水排放標準尚未規范，各地參考尺度不一，實際效果也各有優劣；管網建設薄弱、工藝選擇主觀性和隨意性較大，設備管理和維護能力更加匱乏。因此在污水處理技術提質增效方面還有廣闊的發展空間，例如低溫脅迫條件下的植物抗寒性[39]、合理選擇濕地填料、蚯蚓生態濾池填料種類和配比，提高脫氮除磷能力；目前對濕地中抗生素和抗性基因去除機制的研究還不深入；微生物群落的功能、相互作用機理、抗逆性等方面的研究也亟待優化完善。