農(nóng)村生活污水生態(tài)強(qiáng)化處理技術(shù)研究進(jìn)展

萬喜萍，譚益民，周躍云，黃卓藝，戴爍婷，譚曉波#

1.湖南工業(yè)大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，湖南株洲 412007；2.城市水安全排放及資源化湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412007

近年來，隨著我國農(nóng)村地區(qū)生活水平的提高和大范圍的水沖廁所改造，農(nóng)村污水排放量呈現(xiàn)快速上升的趨勢。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公布的數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)村污水排放量從2016年的279.0億m3增至2020年的337.1億m3。然 而由于農(nóng)村缺少相配套的廢水收集與處理設(shè)施，將大量僅經(jīng)化糞池處理后的污水直接就近排放，嚴(yán)重污染了農(nóng)村水體環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年農(nóng)村生活污水化學(xué)需氧量排放總量（499.62萬t）已超過城鎮(zhèn)生活污水排放總量（483.82萬t）。我國不同村落之間的聚集程度、經(jīng)濟(jì)水平、自然條件等差異性顯著，因此不同農(nóng)村地區(qū)的污水處理模式和技術(shù)適用性存在顯著的差異[1]。總結(jié)分析了土地滲濾處理技術(shù)、氧化塘技術(shù)、人工濕地技術(shù)及其組合技術(shù)等農(nóng)村生活污水生態(tài)處理技術(shù)，并對比分析了技術(shù)的適用性和特征特性，以期為我國農(nóng)村污水處理提供技術(shù)借鑒。

1 農(nóng)村生活污水生態(tài)強(qiáng)化處理技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 農(nóng)村生活污水初級處理技術(shù)

1.1.1 農(nóng)村生活污水源分離技術(shù)農(nóng)村生活污水一般包括2種類型：一類是以廁所糞污為主體的黑水（包含褐水和黃水），另一類是包括淋浴、洗衣、廚房用水等污染較輕的灰水。生活污水的主要污染物主要集中在黑水中。從生活污水的構(gòu)成來看，盡管尿液和糞便的總體積僅占2%，但COD、N和P指標(biāo)的貢獻(xiàn)分別占59%、97%和90%；相比之下，灰水的總體積雖然占據(jù)98%，但貢獻(xiàn)比例分別僅占41%、3%和10%。由于我國大部分農(nóng)村地區(qū)的黑水與灰水混雜在一起，給污水的后續(xù)處理和資源化回用帶來不利影響。當(dāng)灰水與黑水混合后，導(dǎo)致后續(xù)化糞池水力停留時(shí)間不足，并引入了浮油、表面活性劑等物質(zhì)，穩(wěn)定化和無害化處理效果差；同時(shí)由于灰水的稀釋，糞污難以實(shí)現(xiàn)資源化利用。因此從源頭將黃水、褐水和灰水進(jìn)行分類收集，可有效減少污水排放量，同時(shí)收集的高濃度糞污易于進(jìn)行資源化利用。目前，開發(fā)的污水源分離技術(shù)主要包括真空源分離技術(shù)、糞/尿源分離技術(shù)等。真空源分離技術(shù)通過在管道內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境，分別將灰水和黑水分別收集到儲存罐。由于真空便器沖水量僅為0.6～1.0 L，是傳統(tǒng)水沖便器的1/10，收集的糞污含水率低，易于進(jìn)行資源化利用；收集的灰水簡單處理后直接排放。天津市寧河區(qū)實(shí)施了農(nóng)村生活污水分類收集和資源化示范工程（合計(jì)4 200戶），該項(xiàng)目應(yīng)用負(fù)壓源分離技術(shù)從源頭上分離黑水（糞便污水）和灰水（生活雜排水），污水從負(fù)壓收集中心分別排入黑水、灰水處理設(shè)備分質(zhì)處理。

1.1.2 化糞池初級處理技術(shù)化糞池是農(nóng)村生活污水最基本的處理設(shè)施，對農(nóng)村區(qū)域環(huán)境保護(hù)起著重要作用。化糞池通過池內(nèi)兼性和厭氧微生物將生活污水中的有機(jī)物分解成CH4、CO2和小分子有機(jī)物等，同時(shí)對病原微生物進(jìn)行有效殺滅。目前，應(yīng)用最廣泛的化糞池主要包括三格式化糞池、雙甕式化糞池等。但化糞池對污水中有機(jī)物只起到部分降解作用，同時(shí)對去除氮磷的效果甚微，因此出水中仍含有較高濃度的有機(jī)物、氮磷及懸浮物，其直接排放對環(huán)境產(chǎn)生較為嚴(yán)重的污染。同時(shí)，化糞池處理效果受溫度影響大，較適宜于氣候溫暖、年平均氣溫高于10℃的農(nóng)村地區(qū)。近年來，隨著我國農(nóng)村廁所的改造升級，新型改良化糞池得到了廣泛應(yīng)用。另外，針對北方低溫環(huán)境條件，具有保溫功能（或深埋）的化糞池也得到了應(yīng)用，解決了低溫運(yùn)行的難題。

1.2 化糞池出水生態(tài)強(qiáng)化處理技術(shù)

由于化糞池出水仍含有較高濃度有機(jī)物、氮磷等污染物質(zhì)，仍對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)村生活污水經(jīng)化糞池處理后，每年排放的化學(xué)需氧量達(dá)到499.62萬t、總氮44.65萬t和總磷3.69萬t，是我國農(nóng)村水體環(huán)境惡化的主要原因之一。因此，需要對化糞池出水進(jìn)行進(jìn)一步的強(qiáng)化處理。目前，國內(nèi)常用的生態(tài)強(qiáng)化處理技術(shù)主要包括土地滲濾、人工濕地、氧化塘及生態(tài)組合處理工藝等[3]。

1.2.1 土地滲濾處理技術(shù)土壤滲濾處理技術(shù)是將污水投配到具有一定構(gòu)造、良好滲透性能的土壤中的，在毛管浸潤和土壤滲濾的作用下，利用土壤—微生物—表層植物協(xié)同去除有機(jī)物、氮磷等污染物質(zhì)。由于土壤滲濾系統(tǒng)主要利用原土的自然凈化能力，投資與運(yùn)行成本低，管理簡單便捷，在國內(nèi)外農(nóng)村地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外研究人員對不同土地滲濾系統(tǒng)處理化糞池出水進(jìn)行了對比研究。Luo等[2]研究了多介質(zhì)土地滲濾系統(tǒng)對化糞池出水的處理效果，在水力投配負(fù)荷440～920 L/(m2·d)的條件下，CODCr、NH4+-N、TN和TP的去除效率分別在90.3%、85.1%、58.9%和92.0%以 上。Koottatep等[3]開 發(fā) 了基于太陽能的上流式化糞池與慢速土地滲濾系統(tǒng)耦合工藝，COD、TKN 和TP的去除率分別可達(dá)到92%、95% 和88%。但土地滲濾系統(tǒng)通常面臨堵塞、地下水及土壤二次污染等問題，其中填料的堵塞問題是影響其運(yùn)行的關(guān)鍵。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明約有70%的土地處理系統(tǒng)面臨經(jīng)常性地開挖修整、更換填料甚至運(yùn)行癱瘓等問題。林克明[4]以土壤、粗砂、高分子親水材料等構(gòu)建了一種防堵塞的新型多介質(zhì)填料滲濾處理系統(tǒng)，出水水質(zhì)可達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，有效提高了滲透性能和防堵塞能力。

1.2.2 人工濕地處理技術(shù)人工濕地處理技術(shù)是指采用土壤、砂石或人工填料構(gòu)建成填料床，同時(shí)搭配不同類型水生植物，通過填料吸附、植物吸收和附著微生物降解協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)污染物的高效去除。人工濕地處理技術(shù)具有建造和運(yùn)行費(fèi)用低、易于維護(hù)管理等優(yōu)點(diǎn)[5]。近年來，我國在農(nóng)村生活污水人工濕地技術(shù)方面開展了大量的理論和工程實(shí)踐研究，包括新型填料及配比、植物配置、微生物群落特征、運(yùn)行工況參數(shù)等。范建偉等[6]研究利用潛流人工濕地處理化糞池尾水，CODCr、TN和TP的去除效率分別可達(dá)94%、62.1%和79.1%。蒙語樺[7]對比分析了湖南省農(nóng)村地區(qū)4座典型人工濕地（處理規(guī)模40～1 000 m3/d）對化糞池出水的處理效率，人工濕地系統(tǒng)對污水中CODCr、NH4+-N和TN去除率分別為75.30%～87.70%、61.60%～86.17%和44.19%～82.71%，TP的去除率在80%以上。Qadiri等[8]對比水平潛流人工濕地中不同植物配比（蘆葦、鳶尾、人馬草）對化糞池出水凈化的影響，研究發(fā)現(xiàn)蘆葦人工濕地表現(xiàn)出更好的廢水凈化能力，SS、COD、TN和TP的去除負(fù)荷分別 達(dá) 到3.6±1.2、10±1.3、2.6±0.4和1.3±0.2 g/(m2·d)。但人工濕地在實(shí)際運(yùn)行的過程中也面臨諸多問題，比如其處理效果受氣候影響較大，在冬季低溫條件下處理效果差。另外，人工濕地在投入使用一段時(shí)間后，填料間隙會(huì)出現(xiàn)不同程度的堵塞，縮短其運(yùn)行壽命[9]。由于在人工濕地系統(tǒng)中生物和水力的復(fù)雜性，常導(dǎo)致其設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)偏差，使得許多農(nóng)村地區(qū)的人工濕地成為新的污染源 。因此，需要對我國不同農(nóng)村區(qū)域的人工濕地運(yùn)行長期監(jiān)測和評估，為其大范圍推廣應(yīng)用提供更加合理的參數(shù)。

1.2.3 氧化塘技術(shù)氧化塘也稱生物塘、穩(wěn)定塘，按照處理塘中溶解氧水平分為好氧塘、厭氧塘、兼性氧化塘、生物塘等類型，其中好氧塘在國內(nèi)外農(nóng)村污水處理應(yīng)用最廣泛[10]。在好氧塘中，有機(jī)物、氮磷等污染物質(zhì)去除主要通過藻類與細(xì)菌之間的協(xié)同作用。氧化塘技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)與運(yùn)行費(fèi)用低、可形成生態(tài)景觀等優(yōu)勢，但存在占地面積大、易散發(fā)臭味、受氣候條件影響大等缺陷。氧化塘處理效率受到光照、溫度、停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷等因素的影響。孫楠等[11]研究了凹凸棒土作為載體填料的氧化塘對嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村污水的處理效果，結(jié)果表明：在兼性塘和好氧塘水力停留時(shí)間為4 d和36 h的條件下，COD、TN和TP的平均去除率分別為91.5%、87.7%和84.1%。但氧化塘由于難以控制藻類生長，常導(dǎo)致出水懸浮物超標(biāo)。相比之下，生物塘可以較好地控制藻類過度生長，可獲得更好的出水水質(zhì)和環(huán)境生態(tài)效益。鄭志偉等[12]利用生態(tài)溝渠預(yù)處理與生物塘聯(lián)用技術(shù)處理山區(qū)農(nóng)村生活污水，結(jié)果表明：在水力停留時(shí)間約為4 d的條件下，流經(jīng)該系統(tǒng)的生活污水黑臭消失，濁度下降，出水DO飽和度達(dá)到65%以上，進(jìn)水SS、COD、NH4+-N、TN、TP平均去除效率分別達(dá)到84.9%、80.5%、70.1%、49.6%、44.9%。為了進(jìn)一步增強(qiáng)氧化塘處理效果，張巍等[13]設(shè)計(jì)了前置強(qiáng)化塘、自然塘和后置調(diào)節(jié)塘等組合塘技術(shù)，實(shí)際工程（處理流量2 000m3/d，面積30 000 m2）運(yùn)行結(jié)果表明，COD平均去除率為85%，NH4+-N平均去除率為90.6%，運(yùn)行費(fèi)用僅為0.08元/m3污水，顯著提高了當(dāng)?shù)氐乇硭h(huán)境質(zhì)量。

1.2.4 生態(tài)組合處理工藝由于單一的生態(tài)處理技術(shù)對環(huán)境條件、氣候、水質(zhì)波動(dòng)等抵抗能力較弱，同時(shí)生態(tài)處理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不能精確調(diào)控，難以保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，因此在實(shí)際應(yīng)用中更多地采用多級生態(tài)組合工藝。閆龍等[14]開發(fā)了由組合生化池、植物碎石過濾床、多功能接觸氧化塘、沉水涵養(yǎng)塘4個(gè)部分組成的工藝，應(yīng)用于樂平市農(nóng)村生活污水處理（設(shè)計(jì)水量102 m3/d），工程運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TP、SS的平均去除率分別達(dá)到81.45%、94.38%、80.44%、94.89%，運(yùn)行費(fèi)用為0.54元/m3。有學(xué)者研究了蚯蚓生態(tài)濾池和人工濕地的組合工藝對太湖地區(qū)農(nóng)村污水的處理效果，結(jié)果表明：組合工藝受季節(jié)溫度變化影響小，溫度較低的冬季處理效果依然良好，對COD、TN和TP的去除率達(dá)到88%～92%、81%～91%和94%～97%。王曉云等[15]研究了曝氣氧化塘—表面流/潛流人工濕地—植草溝組合工藝對臺灣省臺東縣農(nóng)村污水的處理效率（設(shè)計(jì)處理污水量5 000 m3/d），2008—2018年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：組合工藝對BOD5、TN和TP的平均去除率分別為（61.55±16.71）%、（67.88±13.89）%和（71.31±12.31）%。張佳琳等[16]研究開發(fā)了厭氧—人工濕地—氧化塘組合工藝，用于華南農(nóng)村污水連片處理（設(shè)計(jì)規(guī)模160～400 m3/d），其出水水質(zhì)可達(dá)一級B標(biāo)準(zhǔn)。諸多研究及實(shí)際工程運(yùn)行結(jié)果表明：生態(tài)組合處理工藝可獲得更為穩(wěn)定的處理效果，是我國農(nóng)村污水處理技術(shù)發(fā)展的主要方向。

2 結(jié)束語

當(dāng)前，我國農(nóng)村地區(qū)的污水處理效率逐年提高，但在發(fā)展中仍存在系列問題，如運(yùn)行與管理資金無保障、缺少專業(yè)的運(yùn)維管理人員，常導(dǎo)致污水處理設(shè)施不能正常運(yùn)行，反而成為集中性的污染源。因此，操作管理簡單、運(yùn)行費(fèi)用低的處理模式及技術(shù)是農(nóng)村污水處理技術(shù)的首選。結(jié)合美麗鄉(xiāng)村、鄉(xiāng)村環(huán)境綜合整治等我國未來農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的主要方向，工藝簡單、與環(huán)境融合的污水生態(tài)處理技術(shù)將是我國鄉(xiāng)村污水治理技術(shù)的發(fā)展趨勢。