遼河源農村生活污水治理方法與技術研究

張天祥，劉春雨

(吉林省環境科學研究院，吉林 長春 130012)

1 引言

隨著我國經濟的迅速發展，農村經濟發展水平也在加速，促使農民生活水平也得到很大提高和改善。由于農村居民生活水平的提高，農村需水量增加的同時農村生活污水無序排放更加嚴重，導致農村人居環境遭到破壞，當前農村生活污水治理水平低下，不利于滿足提升農村人居環境質量和扎實推進美麗宜居鄉村建設的需要[1]。本文利用“十二五”國家重大水污染控制與治理科技重大專項-遼河源頭區水污染綜合治理技術及示范研究課題中相關內容，從遼河源農村生活污水的特點和處理方法入手，給出了治理遼河源農村生活污水的有效途徑。

2 農村生活污水排放特點

農村面源是指農村地區在農業生產和居民生活過程中產生的，未經合理處理的污染對水體、土壤和空氣及農產品造成的污染[2]。

一是依據農村經濟條件和生活環境的不同，生活用水量也有所不同。根據項目實施過程中收集遼河源的農村生活污水排放狀況可知，不同季節排水水量差異較大，人均約20～180 L/d 不等[3]。項目研究過程中調查了遼河源農村生活污水的排放特點，其農村生活污水由灰水(廚浴排水、洗衣用水)和黑水(糞便、尿液及其沖廁水)組成，以單戶為主。早、中、晚用餐高峰污水產生及排放量是平時的2～3倍，日變化系統為3.5～5.0之間，污水排放是呈現面廣且分散、波動大的特點；在寒冷的季節，基本無淋浴、水沖廁所排水，只有灰水排放，排放形式不處理直接排放。

二是農村生活污水與城市廢水水質差別也較大，農村的生活污水具有可生化性好、有機質的含量較高、有毒物質的含量低等特點。根據農村生活污水排污特點，其中有機污染物含量低于城市污水，主要污染物為COD、氮、磷，水質相對穩定，通過分析項目所在地遼河源農村生活污水一般水質為：NH3-N 15～35mg/L，COD 150～350mg/L，BOD 60～200mg/L，TP1～4mg/L。經調查可知，農村人均污水排放量少于城市居民，經濟欠發達的地區，人均污水排放量越少。

總之，遼河源地區農村污水的特點與其他農村地區排放特點相同，均排放較分散、無固定的污水排放口，一般為明溝排水，由于缺少排水設施，雨水和污水沿道路邊溝或路面隨意排放和流淌。各種未經處理的污廢水從農戶家庭直接排入貫穿農村地區的小河溝或溝渠，對水體或農業灌溉會產生不利影響，導致農村生態環境進一步惡化[4]。

3 農村生活污水處理模式

結合吉林省農村環境連片整治工作中對吉林省農村環境調查及治理區域的村屯布局、地域特點、污水收集難易程度，同時對項目研究所在區域的氣候條件等因素的綜合考慮，確定了以下三種情況的生活污水處理技術模式。

3.1 分散式處理模式

如果治理區域范圍內村屯分布較為分散、人口密度相對較小、地形條件復雜，是污水不易收集的相對獨立的居民院落，宜采用無動力的庭院式小型濕地、污水凈化池和小型污水凈化槽等分散式處理技術和方法。

3.2 相對集中式處理模式

如果治理區域范圍內村莊相對密集、人口規劃相對較大、經濟條件較好，有村鎮企業或旅游業發達的連片村莊，宜采用集中式處理技術和方法，其中位于飲用水水源地保護區、自然保護區、風景名勝區等環境敏感的連片村屯，必須按照相對應功能區水環境相關要求及排放標準處理達標后才允許排放。

3.3 統一處理模式

將近郊鄉鎮污水通過現有城鎮市政的污水處理設施進行收集，經由新建管道并入市政污水管網，統一將其收集至臨近污水處理廠。該種模式適用于離市政污水管網距離較近且距離不超過5 km，符合接入市政要求的地形的鄉鎮方可采用[5]。

4 遼河源農村生活污水處理方法與工藝

通過資料查閱，適用于分散式農村生活污水處理技術主要有人工濕地、地下滲濾、沼氣池、凈化槽、化糞池和接觸氧化處理工藝[6]。項目組根據遼河源當地生活污水的水質情況研制農村戶用一體化生活污水處理裝置，并通過對折流式、管道式等厭氧反應器結構類型的比選，確定污水處理裝置反應器的結構類型和處理設施科學合理的組合形式，并通過實驗確定科學適宜的水力停留時間，同時對設施內填料種類、添裝位置等參數進行比選，確定采用填料的種類以及添裝位置。項目組在實施過程中對簡易農村生活污水處理一體化設備進行了設計與實驗，最終得出實驗結論。

4.1 遼河源農村生活污水處理一體化設備設計

項目組結合折流式與管道式兩種反應器的特點完成設計簡易小型污水處理裝置。整個裝置包括三段反應。

第一段為反應過濾段：采用石英砂的顆粒，以及活性炭為吸附材料，對出水水質進行吸附作用，填料需選擇質量輕，強度好，抗氧化腐蝕性強，不帶來新的毒害的物質。預計COD處理效率在約9%～10%。

第二段為生物接觸氧化反應段：在反應容器內設置懸浮式填料，通過對污水進行持續充氧，使反應器體內污水處于流動狀態，以保證污水與污水中的填料充分接觸，避免存在污水與填料接觸不均的缺陷。另外，在第二段反應器底部放置蜂窩狀火山巖填料，以實現生物附著與掛膜，提高廢水凈化能力。蜂窩狀填料孔徑須根據廢水水質(BOD、懸浮物等的濃度)、BOD負荷、充氧條件等因素進行選擇。在一般情況下，BOD濃度為100～300 mg/L，孔徑可選用32 mm；BOD濃度為50～100 mg/L，可選用15～20 mm；如在50 mg/L以下，可選用10～15 mm孔徑的填料。整體處理效率預計在15%～20%。

第三段為厭氧反應段：通過投加含有各種厭氧微生物的接種物，同時盡量避免粗大物質與惰性物質進入第三段反應器中。對過稠的接種物，可用水稀釋、過篩、沉淀，去除粗大物質及沉于底部的砂、石、土等無機物質，經處理后的接種物揮發分應大于60%。第三段反應出水沿水管進入中部集水系統后經過管隙流出。簡易農村生活污水處理一體化設備設計見圖1。

圖1 簡易農村生活污水處理一體化設備設計示意

4.2 小型一體化設備實驗方案

遼河源頭區農村生活污水處理工藝主要由幾部分組成：盛裝容器，既污水沉淀裝置，用于分離油脂固體及水；氣浮裝置，用于除去水質中輕質油與懸浮態物質；反應容器既小型一體化厭氧反應器，用于進一步去除污水中部分營養物質及大部分COD；處理后的水體排入生態溝渠，作為三級處理。反應容器結合折流式厭氧反應器與管道式厭氧反應器的特點，具備停留時間長，反應效果好的特點，內部三段處理包括濾料過濾段，兼性生物菌反應段及厭氧反應段三個過程，整體水利停留時間為8 h。

4.2.1 設備調試

開啟氣浮設備空壓機，將空壓機輸出氣壓調節至0.45～0.55 MPa范圍內；啟動回流閥門，根據流量計的顯示將回流量控制在空氣處理量的30%～50%，觀察流量計中無明顯氣泡，轉開截止閥。設備在試運行時，投加適量的絮凝劑，觀察絮凝效果并進行適量調節。將所收集的農村生活污水通過過濾，除去粒徑較大的雜質，將濾后的污水停留靜置30 min，通入氣浮裝置進行預處理。隨著時間的增加，氣浮裝置對水體中污染物的去除呈現穩定的趨勢，其中對COD和總磷的去除率可在20%以上，氨氮的去除效果維持在10%左右。由于農村生活污水所含油脂類(特別是植物油輕質油，乳化油)及洗滌劑液成分較多，因此，在前期預處理階段氣浮過程中表現出較高的去除效率。氣浮裝置預處理實驗效果見圖2。

圖2 氣浮裝置預處理實驗效果示意圖

4.2.2 參數比選

(1)過濾填料比選小試試驗。溫度控制在9～11 ℃；選取粒徑分別為0.5～1 mm，4.3～8 mm，8～16 mm的石英砂及2～4 mm的活性炭與陶粒，用水和冰醋酸進行清洗，減少誤差。通過實驗得出，過濾及吸附效果與粒徑大小呈正相關的趨勢，但在實際條件下，農村生活污水中雜質成分復雜，含有油脂類及粘性物質，粒徑小的填料已發生栓塞，影響過濾效果的同時對設備的維護帶來諸多不便，因此，綜合分析混合填料較為理想。

(2)生物填料。掛式填料：溫度控制在17 ℃，相對濕度保持在20%，選取掛式填料進行試驗，停留時間為8 h。實驗過程中，前期時段由于厭氧裝置內部活性菌群較強，因此表現出較高的去除效率。隨著時間的增加，填料內部生物菌群活性的降低，COD、氨氮和總磷等污染物指標基本維持在30%～40%的去除率。

(3)懸浮式填料。溫度控制在17 ℃，相對濕度保持在19%，選取懸浮式填料進行試驗，停留時間為8 h。實驗過程中，COD、氨氮和總磷等污染物指標基本維持在40%左右的去除率。中期COD指標略有波動，是由于農村生活污水中油脂成分發生了變化，懸浮填料出現堵塞等情況，后期經過及時調整和處理，處理率基本維持在40%左右。

(4)混合填料。溫度控制在18 ℃，相對濕度保持在20%，選取混合填料進行試驗，停留時間為8 h。前期COD、總磷處理較低，原因是由于生活污水中洗滌成分和油脂成分均有所降低。總體上，混合填料在污染物處理上相對穩定，后期處理率達到30%～40%左右。

4.2.3 試驗結論

農村生活污水處理小型微動力設備，通過氣浮裝置的預處理，實現部分污染物，特別是浮游、輕油油脂成分的降低，在氣浮過程中，適量投加絮凝藥劑，使之聚集移除。二段進水通過厭氧裝置過濾、好氧、厭氧等過程，投加兼性好氧型微生物，并附著于填料上。通過對比試驗看出，掛式、懸浮式填料均對污染物有一定的處理效果，混合填料處理過程相對穩定。為保證處理效果的優化，將在尾水部分建設小型生態溝渠，以期達到更好的處理效果。

5 農村生活污水處理方法選擇

依據項目組研究結果，適合遼河源區域內的農村生污水處理方法選擇。

(1)分散處理模式。結合遼河源頭區農村特點，經濟欠發達，農戶排放污水量少，各個村屯布局分散、人口密度較小、地形條件復雜、污水不易收集等具體特點，建議采用無動力的庭院式小型濕地、生態支溝、小型污水凈化槽等分散處理技術。

(2)相對集中處理模式。村屯相對密集，人口規模相對較大，經濟條件較好連片村屯，宜采用集中處理技術，其中位于飲用水水源地保護區楊木水庫環境敏感區，必須按照功能區水環境相關要求及排放標準處理達標后方可排放。簡易農村生活污水處理裝置要廣泛用于環境相對敏感區域的農戶、小型飯店及辦公場所等。人工濕地或生態攔截溝渠與濕地植物協同凈化作用處理技術可應用于湖庫入水處。

6 結語

改善農村人居環境，建設美麗宜居鄉村，是黨的“十九大”報告首次提出的實施鄉村振興戰略的一項重要任務，事關全面建成小康社會，事關廣大農民根本福祉，事關農村社會文明和諧[7]。目前我國對于農村污水治理的研究，已經取得相當豐碩的成果[8]。總體來看，農村地區環保意識欠缺、經濟能力有限，因而無法得到足夠的物質保障和技術支持，無法進行村屯污水收集與治理系統的相關建設。因此，我國農村地區的生活污水和垃圾還沒有達到預期的治理效果，環境污染仍然對農民的生產生活存在著嚴重的威脅。在改變農民傳統的生活習慣，提高環保意識的同時，還要高度重視對生活污水和垃圾地有效處理，在實踐中找到解決辦法，提高治理水平[9]。農村生活污水問題不解決，農村居住環境會持續惡化，同時也會對周圍環境產生不利影響。為營造宜居的農村人居環境，遼河源農村生活污水治理研究應從以下三個問題加強研究：一是加強適合農村生活污水治理技術與方法選擇的研究；二是加快農村生活污水治理標準和政策制定的研究；三是推進多元化相結合治理主體進入農村生活污水治理領域的研究，從而為推進美麗鄉村建設和鄉村振興戰略打下良好的基礎。