生物法处理农村生活污水工艺研究的进展*

李文伟，薛林贵，莫天录，李国强，杨蕊琪

(兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃省极端环境微生物资源与工程重点实验室, 甘肃　兰州　730070)



生物法处理农村生活污水工艺研究的进展*

李文伟，薛林贵，莫天录，李国强，杨蕊琪

(兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃省极端环境微生物资源与工程重点实验室, 甘肃兰州730070)

当前，农村生活污水是农村水环境污染的主要来源，也是造成湖泊富营养化的原因之一。为确保农村饮水安全和农村居民身体健康，农村生活污水的有效处理及生态环境的综合治理已刻不容缓。纵观国内外污水处理的成熟工艺，要使我国污水处理后达到国家一级排放标准，从技术、经济、效率综合考虑，采用生物法处理农村生活污水是最理想的选择。生物法处理污水具有效率高、费用低、能耗低、出水质好、管理简单等优点。本文主要综述了目前国内外常用的生活污水处理工艺的工作原理、具体特点以及农村生活污水处理的进展，展望了未来农村生活污水处理工艺的发展前景。

生物法；农村生活污水；处理工艺；进展

1　农村生活污水的研究背景

1.1排放现状

随着我国经济的快速发展和城镇化进程的不断加速，农民生活水平逐渐提高，农村排放的生活污水量也大大增加，目前农村每年产生生活污水约8×109吨，而污水处理率还不足10%[1]，给农村生态环境保护造成巨大压力，同时，由于部分污染企业从城市到乡村的转移，对农村生态环境造成了极大的污染。我国绝大多数农村都缺乏可用的污水处理设备和可行的污水处理工艺，污水基本都是直接排入水体，对水体造成极其严重的污染，也影响到水生生物的生长，其随着食物链的延伸进而影响人类的健康。现在农村的许多小河流已经不可直接饮用，农村水体环境恶化已经成为我国环境亟待解决的社会问题[2]。最近几年的农村调查监测表明有大部分水源的化学需氧量(COD)、氨氮含量(NH3-N)、总磷(TP)、大肠杆菌、表面活性剂、重金属离子等指标均存在不同程度的超标[3]。农村水体环境的污染不仅造成农田土壤肥力下降，农作物减产，还威胁到农村饮用水安全和粮食生产安全。因此，为了改善农村的生态环境和保障居民身体健康，必须加强进一步加强生活污水的处理和农村生态环境的保护[4]。

1.2排放特点

农村生活污水和城市生活污水不同，有其独特的特点，主要表现在以下几个方面：

(1)污水总量巨大、水量增加快。我国农村人口占总人口的56%，农村生活污水的排放量非常巨大。并且，随着农民生活水平的提高，人们的生活方式也在不同程度地城镇化(如抽水马桶和洗衣机的使用和普及)，农村生活污水的排放量越来越大[5]。

(2)水质不稳定，水量波动大。不同时段的农村污水水质差别很大，一般含有病毒、细菌、寄生虫卵等病原体[6]，但是可生化性好，也含有少量的化学污染物。农村生活污水排放不连续，水量变化比较明显。

(3)面广且排放分散。由于农村面广且一般没有固定的排污口，生活污水排放分散，且随机排放，同时缺乏排水收集系统，收集难度很大。

1.3处理技术

污水处理的方法大体可分为物理法、化学法和生物法。物理法和化学法对污水的处理效率相对较低，处理费用高，管理复杂，甚至会造成对环境的二次污染，所以得不到很好的应用和推广。而生物法处理污水则花费低，耗能低，同时处理效率高，出水质好，管理简单，不会对环境产生二次污染，是目前最具潜力的方法。生物法通常是利用各种微生物的新陈代谢及种群间的相互作用而使污水得到净化的过程。农村生活污水富含有机物，化学污染物相对较低，特别适合于微生物的生长和作用，采用生物法对农村生活污水进行处理将越来越受到人们的青睐。

2　生物法处理生活污水的工艺及其特点

2.1好氧法

2.1.1活性污泥法

2.1.1.1传统的活性污泥法(CAS法)

20世纪初诞生了活性污泥工艺[7]，它的机理是由鼓风机向污水中通入空气(曝气)，一定时间后，使生长有大量微生物群的絮花状泥粒(活性污泥)均匀分散并悬浮于反应器(曝气池)中，并与污水完全接触，在生物酶和溶解氧的作用下，污水中有机物就被微生物所利用，得以降解。在这个过程中微生物得到了良好的生长、繁殖，又有大量新的微生物补充进来，维持反应器中所需的工作主体—活性污泥，同时污水也得到了净化处理。

采用活性污泥法处理污水的优点：BOD去除率大于95%，处理费用较低。缺点：停留时间长，设备庞大，投资大，厂区面积大，这便增加了管理难度。

2.1.1.2生物吸附氧化法(AB法)

20个世纪70年代，德国亚琛工业大学的B.Bohnke教授[8]提出一种新型的超高负荷活性污泥法—生物吸附氧化法，即AB法。该工艺无需设初沉池，主要原理就是充分利用微生物种群的特性，利用负荷相差大的A段和B段，设置单独的回流系统。根据微生物生长和繁殖规律，分别为其适应的菌群创造适宜的环境，使不同的种群得到良好的增殖，以提高处理污水的效能[9]。

AB工艺的优点为A段负荷高，抗冲击负荷能力强，适用于处理水质水量变化较大的污水，沉降性能良好，基本不产生污泥膨胀现象，且具有很强的稳定性。同时也有一些缺点：A段产泥量大，且含水率高，不易脱水，而且不具有深度脱氮除磷功能，出水水质不能满足排放高标准。

2.1.1.3A2/O法

20世纪70年代，美国的Barnard[10]开发出一项可以同步脱氮除磷的处理工艺，称为A2/O工艺。A2/O工艺是在传统活性污泥工艺的基础上结合生物硝化反硝化及生物除磷，对生活污水进行深度处理。该工艺在厌氧-缺氧-好氧[11]的交替运行条件下，不易发生污泥膨胀。该工艺的去除率为BOD为90%～95%，SS为90%～95%，TP为90%左右，TN为70%以上。为了更好适应不同水质的污水处理，现已开发出各种改良A2/O,如，预缺氧A2/O，倒置型A2/O，后置反硝化A2/O，UCT工艺等[12-13]。

A2/O工艺的优点是出水水质较好，没有污泥膨胀现象，污泥中含磷浓度高，肥效好；运行费用较低，构造简单、总水力停留时间短且易于控制运行[14]。但也存在着有待解决的问题，首先是脱氮效果难以再进一步的提高[15]，不易达到国家污水处理排放一级A标准，其次是系统除磷效果不易提高，污泥增长有一定的限度[16]。

2.1.1.4序批式活性污泥法(SBR法)

SBR又名间歇曝气[17]，是一种在时间和空间上按序排列，间接进行的无污泥回流系统。其主要部分为反应池，污水经该反应池后逐步完成反应、沉淀、排水及排除剩余污泥等过程，极大的简化了处理过程。

SBR的优点是工艺流程简单，处理设备少，基建费用低，运转灵活，便于维护和管理；处理效果良好，出水可靠，有良好的脱氮除磷效果。此外，它能有效控制污泥膨胀，对水质水量变化的适应性强。但同时，它也有着自己的局限性，它的水头损失比较大，还不能做到连续出水，对于建筑物容积的要求很高，需要有足够的接受能力。因此，这种工艺并不适合用于大型污水处理厂。

2.1.1.5氧化沟

1954年荷兰卫生工程研究所的帕斯维尔(A·Pasveer)博士[18]首次成功设计了氧化沟污水处理工艺，在国内外发展很快。氧化沟也是传统活性污泥法的变型，其曝气池是封闭的，是一种首尾相连的循环流曝气沟渠，有环型、DE型、VR型、A型、T型和PI型等。

氧化沟工艺流程简单，投资和运行费用低，对水质、水量变化的适应能力很强，抗冲击负荷能力强，处理效果稳定，产污泥率低，且产生的剩余污泥很稳定，不需要再进行硝化处理[16]。但氧化沟法还有许多问题需要解决：如硝化和反硝化如何同时优化其参数；曝气设备的性能和改进；流态的深入研究；污泥沉积问题；强化氧化沟生物除磷等[19]。

2.1.1.6Biolak工艺

1972年德国设计了一种具有同时脱氮除磷功能的多级活性污泥工艺—百乐克(Biolak)。其曝气池和传统工艺不同，是一个完全混合型曝气池。整个池体依次为厌氧区，曝气区，沉淀区和后曝气区。通过对悬链式曝气装置的控制，形成好氧、兼性厌氧和厌氧的生物环境，有效降解BOD和COD。此外，百乐克工艺还能在池中形成多重兼性厌氧区和好氧区，有效促进脱氮除磷作用。

百乐克工艺特点：①工艺设计简洁、高效，剩余污泥量少，污泥没有臭味。②投资低。③氧气传递效率高，出水非常干净。④易于控制，维修率低，可靠耐用，且维修简单。因此，最近几年百乐克工艺在国内得到迅速发展和应用[20]，其主要应用于东南沿海的中小污水处理厂。

2.1.2生物膜法

膜生物反应器(membranebioreactor，MBR)主要由池体、鼓风曝气系统、膜组件、泵、管道、阀门及仪表组成，污水中的有机物通过生物反应器内微生物的降解起到净化水质的目的，而膜组件的作用是将大分子有机物、细菌，还有活性污泥截留在反应器内，以确保出水水质达到要求，同时为了加速反应的进行，还应保持反应器内有较高的污泥浓度。

膜生物反应器的优点：①对污染物的去除效率高[21](对固体悬浮物(SS)的去除率大于99%；浊度的去除率大于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具有较大的灵活性和实用性，非常易于实现自动控制，没有污泥膨胀现象。③污泥负荷非常低，剩余污泥的产生量很少。④出水水质好，占地面积少，设备集中，模块化，升级改造的潜力大。但自身膜组件费用较高，制约着它的推广。

2.2厌氧处理系统

厌氧生物滤池内部装有填料，利用填料充当微生物的载体，厌氧微生物附着在这种载体之上。当污水通过载体的时候，厌氧微生物的生长代谢会起到生物降解作用，有机物最终被分解形成沼气。滤池在使用过程中有了很多改进和变型，但是主要工序依然是进水、沉淀池、厌氧消化池、厌氧生物滤池、拔风管、氧化沟、出水、排水等阶段。

滤池的优点有节能，易于建造、出水水质好，污泥产生量少和运行方便，适合于小批量生活污水的处理。缺点就是运行不太稳定，滤床容易堵塞，而且处理效率比较低。

2.3自然处理系统

2.3.1人工湿地

人工湿地污水处理工艺是20世纪70-80年代发展起来的一种模拟自然湿地生态系统的污水处理系统。人们把石砂、土壤、煤渣等材料充当介质，然后按一定的比例配制成基质，并选择性地植入植物[22]，利用微生物、基质及植物群落的物理、化学和生物的相互作用来进行污水的生态处理，其净化污水机理过程比较复杂。

人工湿地具有出水水质好，氮、磷去除率高，投资低，运行维护和管理方便，动力消耗少等优点，但其占地面积比较大，而且气候因素的变化也限制了湿地的发展。

2.3.2稳定塘系统

稳定塘是经人工适当改造的一种具有净化污水能力的自然池塘[4]。其净化过程主要依靠自然水体的自净过程。通常是人为的将土地进行修整，比如设围堤，池塘底部铺一层防渗层。依靠塘内存活着的细菌、真菌、原生动物、藻类和水生植物的代谢活动共同协作来降解水中污染物。

该系统具有投资低、耗能少、操作维护方便等优点；缺点为占地面积大，处理效果受季节、光照、温度等因素的影响大，处理效果不够稳定，很容易散发臭气，滋生蚊蝇[23]。

2.3.3土地处理工艺

2.3.3.1人工快渗污水处理工艺

人工快渗污水处理工艺是在快速渗滤工艺的基础上研发出来的一种新型工艺。该工艺在快渗池内人工填充一定的天然介质，并掺入一定量的特殊填料，采用干湿交替的运行方式，在保证较高的水力负荷的同时，又能满足污水处理的目的[22]。

人工快渗工艺操作简单、运行方便、能耗低、建设投资费用低。然而目前它主要应用于南方气温较高的部分地区，必须加强完善该系统在低温条件下的运行研究，才能在全国范围内推广和应用。

2.3.3.2土壤地下渗滤工艺

20世纪70年代日本开发出一种浅层土壤处理工艺，称为土壤地下渗滤系统。后来以德国和美国为首的一些发达国家也都在大力推行这种处理工艺。其原理是将污水接入到具有一定渗透和扩散性能的土层中，利用土壤毛细管浸润扩散作用，使污水向周围土壤扩散和渗透，污染物通过土壤和植物组成的生态系统来降解和净化。

地下渗滤工艺的优点首先是它不影响地面景观、投资低、运行管理简单；其次它出水水质好、污水可回收利用、氮磷去除能力强[22]，同时也存在着结构单一、土壤孔隙易堵塞、脱氮效果差、运行不稳定等问题。

2.4一体化污水处理装置技术

一体化污水处理装置迄今已有30多年的研究历史[23]。一体化污水处理装置技术是采用一体化装置将污水预处理、二级处理和深度处理这些多个功能不同的单元[24]有机的结合在一个设备之中而形成的中小型污水处理组合体，是国内外污水处理技术发展的一种趋势。

一体化污水处理设备具有处理效果好、构筑物少，基建投资小、结构紧凑，占地面积小、污水回用效率较高、管理方便等优点，可以有效处理分散式污水，具有广阔的应用前景。

3　农村生活污水处理工艺研究的进展

我国农村污水处理由于资金匮乏和缺少后期技术人员。所以只能用一些投资小，管理简单的处理方法，如A2/O法、序批式活性污泥法、Biolak工艺、厌氧生物滤池、人工湿地、稳定塘系统、人工快渗污水处理工艺等。

随着全国范围内新农村建设进程的全面启动和城市化水平的提高，农村现已成为我国环境治理的新阵地。国家非常重视农村生活污水处理技术的研究工作。很多研究人员经过不断地尝试取得了可喜的成果。孙楠等[25]提出凹凸棒土—稳定塘模式处理严寒地区农村生活污水，有效解决了严寒地区农村生活污水处理面临的低效率、高能耗、排水不达标这些问题。陈伟等[26]研发一套抽屉式膜技术处理系统，该技术灵活、出水水质好、工艺简洁、能耗低、二次污染少、运营管理有保证。裘知等[27]针对农村生活污水的特点，设计叠层生态滤床，并将其应用于浙西山区农村生活污水的处理，出水检测表明：COD、氨氮、总氮、总磷含量均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。谭学军等[28]对复合厌氧反应器进行改进，使之结合了厌氧活性污泥法和生物膜法两种技术的优点，不仅处理效果好、能耗少，而且运行费用低、操作管理方便，能满足农村的实际情况和技术需要。范争涛等[29]针对我国农村生活污水分散、集中收集处理的可行性差的特点，提出车载移动式一体化污水处理装备的设想，将装备模块化组装于机动车上，在村里设污水收集池，定期将装备运至村口集水池处就地处理回用。装备利用率高，相对投资大幅降低，对于我国农村分散的污水处理具有其适应性和可推广前景。毛宇峰等[30]利用柳树高效的生物修复作用，又考虑农村污水处理经济高效、简便易行的原则，设计了由沉淀/厌氧、柳树/土壤两个处理单元构成的一种适用于处理农村分散型生活污水的生态净化系统。陈鸣等[31]充分发挥人工湿地基建投资低、处理效果好的优势，并利用生态温室解决人工湿地系统冬季处理效果差等关键问题，设计了接触氧化池与温室型人工湿地联合处理农村生活污水。张金卫等[32]提出了一种简易模式，由化粪池沉淀、厌氧消化、简易过滤器净化及还田利于组成，有效解决了建造成本高、运行维护难度大、难以在农村地区推广普及等问题。徐洁晴等[33]根据农村生活污水污染的成因和主要组成成分，设计了农村生活污水净化景观潜流池，并指出了适宜于潜流池生长的水生植物。张冰等[34]设计了省却复杂出水装置的一体化空气提升序批式活性污泥反应器(SBR)，用于处理低C/N农村生活污水的中试，考察了不同曝气强度、曝气时间以及沉淀时间对反应器净化效果的影响，并考察了反应器的抗冲击负荷。

4　展　望

随着农村生活污水在农村环境污染源的比重增加，我国农村生活污水无害化、资源化的处理技术和管理模式在全国大范围推广应用，已经势在必行[35]。

在今后的工作中，各级研究部门应遵循“高效率、低能耗、低成本”的原则，在已有的基础上，凝练技术成果、聚焦工艺类型[36]，根据各地自然、经济和技术条件，结合污水排放的实际情况，采用多元化、符合当地实际情况的处理模式与措施，尤其注重运行稳定、维护管理方便，就当地技术和管理力量能够满足正常运行需要的处理工艺，同时，还应兼顾农村污水污泥的处置问题，避免产生二次污染。此外，还应就农村生活污水就地处理及管理办法等制定相关文件，使农村生活污水处理能有序开展、健康运行，以达到农村生态环境的全面改善，促进社会和谐、经济的全面发展[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

国家自然科学基金项目(No：31260135)；教育部长江学者和创新团队发展计划项目(No：IRT0966)。

李文伟(1990-),硕士研究生。

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

X703

A

1001-9677(2016)07-0005-04