杭嘉湖農村污水處理設施運行效果調查

葉芳芳，袁子琦，徐穎峰，康穎

(1.浙江工商大學，浙江 杭州 310012；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江省生態環境監測中心，浙江 杭州 310012)

杭嘉湖地區位于太湖流域南部，面積約15 023 km2，總人口1 036.26萬人，其中，農村人口占62%，年排放生活污水達8 000萬t[1-3]。第一次全國污染普查結果顯示，面源污染對太湖的總氮貢獻率達77%，總磷(TP)貢獻率達66%[4]。而農村污水又是面源污染氮磷的主要貢獻者，總氮、TP貢獻率分別為30%和70%[5-6]。為保護太湖流域水環境，杭嘉湖地區積極建設農村污水處理設施，至2018年治理行政村覆蓋率達90%以上[7]，但由于其數量龐大、點位分散，部分設施長期缺乏有效運行、維護及監管[8-9]。為此，以杭嘉湖農村生活污水處理設施為調查對象，研究其運行情況，為規范化杭嘉湖地區污水處理設施的運行和監管提供基本數據及管理依據。

1 材料與方法

1.1 調查范圍

區域范圍。杭嘉湖地區13個區縣，包括杭州本級(江干區和西湖區)、臨安區、余杭區、湖州本級(南潯區和吳興區)、德清縣、長興縣、安吉縣、嘉興本級(秀洲區和南湖區)、嘉善縣、海寧市、海鹽縣、平湖市、桐鄉市。

工藝范圍。根據杭嘉湖地區農村污水處理設施主要工藝占比，選取典型工藝5個：厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷(A2/O)工藝、厭氧-好氧(A/O)工藝、膜生物反應器(MBR)工藝、厭氧生物工藝、人工濕地工藝。

監測時間。2018年11月至2019年10月，監測頻次為每月1次。

1.2 采樣方法

在杭嘉湖地區隨機抽取80座農村污水處理終端設施。在設施的進水位置和出水位置分別采集水樣，采集樣品數量不少于3個，混合后測定均值。為避免地表徑流影響，取樣期間避開中雨及以上降雨期。取樣過程中進出水處于不斷流動的動態過程中，樣品混合后用1 L的白色塑料封口瓶密封保存，12 h內進行檢測分析。

1.3 測樣方法及排放標準

采集水樣于4 ℃環境保存，檢測項目為化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和TP。COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)測定，NH3-N采用水楊酸分光光度法測定(HJ 536—2009)，TP采用鉬酸銨分光光度法測定(GB 11893—1989)。

排放標準執行《浙江省農村生活污水處理地點水污染物排放標準》(DB 33/973—2015)規定的污染物排放限值[10]，位于重要水系源頭、重要湖庫集水區等水環境功能重要地區和水環境容量較小平原河網地區的新建設施執行一級標準，其他地區執行二級標準。

1.4 數據處理

監測數據處理統計，置信區間為95%，計算達標率和去除率，數據圖繪制采用Origin 2018軟件。達標率季節變異系數用以下公式計算：

C=σ/μ。

式中：C為達標率季節變異系數，無量綱；σ為四季達標率標準差；μ為四季達標率均值。

2 結果與分析

2.1 處理概況

據數據統計結果，2018年11月至2019年10月杭嘉湖地區農村污水產生總量達8 323萬t。其中：湖州本級最高，達1 397萬t；余杭區、嘉興本級處第二和第三，分別為903萬t和811萬t；杭州本級因農村區域范圍較小，農村污水產生量最少，僅為34萬t。

杭嘉湖地區已進行處理的農村污水總量達6 573萬t，處理率達79.0%。其中：長興縣農村污水處理率最高，達100%；其后是海寧市與臨安區，處理率分別為98.0%與97.0%；嘉興地區處理率普遍較低，尤以平湖市為最低，僅為29.0%，而桐鄉市、嘉善縣、海鹽縣和嘉興本級處理率也均未超過60.0%。

海寧市雖處理率較高，但設施運行效果不佳，達標率最低，僅為58.0%；桐鄉市和嘉善縣稍好，達標率也僅有73.0%和76.0%；其余10個區縣達標率均高于90.0%。

綜上，杭州和湖州各地區的農村污水處理率及達標率總體較高，但嘉興各地區(平湖市、海寧市、桐鄉市、嘉善縣、海鹽區、嘉興本級)農村污水處理率及達標率均明顯低于杭州地區和湖州地區，急需進行系統提升改造(圖1)。

圖1 杭嘉湖地區農村污水處理的狀況

通過對杭嘉湖地區農村污水處理設施調查發現，A2/O工藝、A/O工藝、厭氧生物工藝、人工濕地工藝及MBR工藝是杭嘉湖地區農村污水處理設施采用的主要工藝。其中：A2/O工藝以規模靈活、功能齊全等特點[11]，使用率最高，占總處理設施的58.1%；A/O工藝通過與化學除磷/電解除磷等工藝聯用[12]，具有操作簡單、性能穩定、處理效果好等優點，在農村污水治理中也被廣泛應用，使用率達17.1%；厭氧生物工藝及人工濕地工藝兩種無動力工藝能耗低、易管理[13]，適用于低排放標準地區，使用率達18.2%；MBR工藝是一種結合膜處理與生物處理的新型工藝，占地面積小，處理效率高，出水能達《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A以上[14]，近幾年開始在農村污水處理中被推廣應用，但由于該工藝投資成本高、維護難度大[15]，在杭嘉湖地區使用比例較低，僅為0.8%。綜上，A2/O工藝、A/O工藝是杭嘉湖地區農村污水處理中最主要的兩種工藝(圖2)。

杭嘉湖地區農村污水處理設施處理規模主要集中在<30 t·d-1，占設施總數的88.3%，單個設施的服務人口<400人，>100 t·d-1規模設施僅占1.5%。由此可見，杭嘉湖地區農村污水治理以小規模分散式處理為主，可有效降低農村污水治理管網建設的工程量，但設施數量過多，也極大地增加了分散式農污處理設施的運行、維護管理難度。

對杭嘉湖地區農村污水處理設施進水水質監測數據進行統計(圖3)，生活污水中COD、NH3-N、TP平均濃度分別為196、41.6和4.62 mg·L-1。污水濃度分布呈現地區差異，杭州本級農村污水中COD和NH3-N濃度明顯高于其他區域，分別達250～400和40.0～70.0 mg·L-1；湖州本級、嘉興本級農村污水中COD為150～250 mg·L-1，NH3-N為10.0～50.0 mg·L-1；其他區縣略低于湖州本級和嘉興本級。TP濃度整體波動大，杭州本級濃度相對較高，其他區縣則無顯著性差異。此外，從不同季節監測結果發現，杭嘉湖農村污水水質隨季節的波動差異不顯著。

2.2 設施運行現狀

2.2.1 工藝

不同工藝污水處理設施的運行效果及穩定性差異顯著。圖4顯示，A2/O工藝、A/O工藝、MBR工藝和人工濕地工藝總達標率相近，在94.3%～96.7%。但各工藝達到不同標準的比例差異顯著，A2/O工藝和A/O工藝一級達標率較高，分別達到51.0%和47.7%，而MBR工藝僅有37.1%的設施達到一級標準，人工濕地工藝的一級達標率最低，僅為6.9%。此外，厭氧生物工藝總達標率顯著低于其他工藝，僅為53.3%，其中二級達標率為45.8%，一級達標率為7.5%，處理能力在各工藝中最差。

圖4 不同農村污水處理工藝污染物去除率差異

從單污染物因素分析，MBR工藝對于COD、NH3-N、TP的去除率最佳，分別為80.0%、70.0%、71.0%，但由于MBR工藝高負荷、高效率的特性，其往往應用于管網較為完善、進水濃度較高的區域，且MBR膜組件和化學除磷加藥系統需要經常維護，出水水質并不穩定，因此，MBR工藝由于除磷效果不穩定，導致整體一級達標率相對較低。A/O與A2/O工藝對于COD、NH3-N、TP的去除率僅次于MBR工藝，但由于A2/O工藝和A/O工藝達標率均受到TP去除低的限制，導致這兩種工藝總達標率及一級達標率差異不顯著。

人工濕地工藝對COD、NH3-N、TP的去除效果最差，去除率均未超過30.0%。厭氧生物工藝對COD、NH3-N及TP的處理效果也不佳，去除率僅為30.0%～40.0%。但調查中發現，人工濕地設施的進水污水濃度往往較低，因此，其出水達標率反而高于厭氧生物工藝，這可能與管網健康度有關。在管網設施較為落后的地區偏向于采用人工濕地工藝等運行、維護要求低的處理工藝。

綜上所述，目前在農村廣泛使用的工藝均有一定的缺陷，其中MBR、A2/O和A/O工藝相對效果較好，但必須輔以有效的運行和維護，特別是要重視除磷工藝的入場管護；厭氧生物工藝及人工濕地工藝對于污染物的去除效果不佳，不適用于高排放要求和高進水濃度區域。

2.2.2 規模

選取使用頻率最高的A2/O工藝，研究處理規模對于污水處理效果及穩定性的影響。圖5顯示，小規模(<10 t·d-1)、大規模(>100 t·d-1)處理設施污染物的去除率顯著高于中間規模。其中：小規模處理設施對COD、NH3-N、TP的去除率最高，分別達78.0%、79.0%和81.0%，大規模設施的去除率分別為81.0%、66.0%和62.0%。小規模處理設施主要用于小規模集散地，一般為數十戶家庭集中處理廢水，廢水來源中沒有集中餐飲、公廁、小作坊等污水，進水水質濃度相對較低，易處理；而大規模處理設施由于場站規模較大，運行和維護人員管理較為集中，處理效果較好。

圖5 不同處理規模設施污染物去除率的差異

2.2.3 季節

在2018年11月至2019年12月期間，本研究對杭嘉湖地區污水處理設施進行連續監測，考察其達標率與季節影響的關系。圖6顯示，A/O工藝與A2/O工藝季節變異系數分別為3.6%和5.7%，表明該兩種工藝受季節變化影響不顯著；MBR工藝和人工濕地工藝運行效果較穩定，受季節影響較小，變異系數分別為11.0%和11.2%；厭氧生物工藝運行效果受季節影響最大，變異系數為20.7%。5種工藝達標率季節變化趨勢一致，夏季達標率最高，冬季顯著下降，與已有報道一致[16-18]。由于夏季水溫升高，硝化細菌活性增加，從而提高了NH3-N去除率，達標率上升。綜上所述，A/O工藝、A2/O工藝、MBR工藝和人工濕地工藝總達標率相近，但A/O工藝運行效果最穩定。

圖6 農村污水處理工藝達標率的季節變化

3 小結

杭嘉湖地區農村污水整體處理率達79.0%，污水處理設施出水平均達標率為86.0%(地方標準二級)。

杭嘉湖地區農村生活污水處理設施規模主要集中在<30 t·d-1，占比88.3%；處理工藝以A2/O工藝為主，占比58.1%。

污染物去除性能最優的是MBR工藝，去除性能最差的是人工濕地工藝，受季節影響波動最大的是厭氧生物工藝，最穩定的是A/O工藝。