贵州省农村生活污水收集及处理技术模式研究

王永涛 梁 俐 雷 薇 黄 维

（贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002）

贵州省地处我国西南山区，特殊的喀斯特地理环境引发生态脆弱性，其中水资源分布不均和工程性缺水问题突出。区域的发展、人口的增长、工业的进步使得水资源和水环境破坏程度较大，水体污染严重，水土流失加快，生态退化凸显，水生态问题已成为贵州省经济社会发展的“短板”。随着贵州省加速发展、加快转型、推动跨越的经济社会发展进程，推动水生态文明建设成为贵州省发展的关键。建设贵州省水生态文明，必须以落实水利项目为基础。围绕“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，落实最严格的水资源管理制度和水污染防治计划［1］。

开展贵州省农村生活污水收集与处理技术模式研究，是顺应国家政策和贵州省发展的要求，用科学合理的手段，解决农村水环境恶化问题，改善农村生产生活环境，提升农民的环保意识，从而提高农村水利管理水平。利用乡镇污水处理厂建设项目，探索污水资源的再利用价值和途径，进而促进水生态文明建设，达到和谐社会发展的目的［2］。

1 农村污水处理原则

根据村的地理位置、人口规模、组成、地形、排水特点、排水要求和承受能力等因素，按照城乡统筹、因地制宜、资源利用、经济适用等原则综合考虑适宜的污水处理技术。此外，在考虑农村污水处理方式时，还应考虑到以下方面：①结合当地地理、气候、水文等条件，并需同时注意节省占地面积，特别是不占用良田，不对居民的日常生活造成影响；②农村缺乏污水处理专业人员，所选择的工艺应运行、管理维护方便，不需要太高的操作水平和太繁琐的操作步骤，尽量选择以农村地区居民薄弱的技术和管理能力就能进行操作、维护的设备工艺；③处理工艺运行稳定，能够使污水稳定排放且出水能够达标，实现循环利用，能用于浇花、灌溉等；④农村经济实力薄弱，污水处理应充分考虑成本低、一次性投资和建设成本相对较少，并在镇、乡、村现有财力范围内进行；⑤运行成本低，不使用或少使用化学药剂，能耗低或不使用能耗工艺，设备运行成本消耗必须与农村居民经济水平相适应［3-5］。

2 农村生活污水处理技术模式

农村地域发展不平衡，不同地区之间存在较大差异。农村生产方式和生活习惯长期存在差异，使废水处理方法难以规范化。与此同时，由于经济差异，污水的性质和污染物也有所不同，农村地区收集和处理废水的方法也各不相同。例如，如果是工业生产废水（如印染、制革、造纸）产生污染，则应考虑采用高负荷的污水处理方式，如生物膜法、活性污泥法等；如果因养殖业生产、人们排泄产生的粪便污染，则应考虑采用将排泄物转化为肥料的污水处理方式，如沼气池法、土地处理法等；如果是有机物含量低的盥洗、厨房排水产生的污染，则应考虑低负荷、低耗能的稳定塘法、湿地法等［6-8］。

2.1 分户处理模式

根据农村生活污水用水量变化比较大、污水中有机物浓度波动范围广、化学需氧量和氨氮浓度高等特点，利用庭院式一体化污水处理设备进行处理。通过在村民房前屋后闲置地安装庭院式一体化污水处理设备，将收集的生活污水进行过滤，通过设备上方种植的花草根系对污水进行净化，形成“庭院式一体化设备+人工湿地”工艺，对农村生活污水进行治理。

2.2 分散处理模式

农民生活污水按不同地区收集，宜将规模稍大的村庄或邻近村庄合并，各地区污水分开处理。农村污水采用中小型污水处理设备或自然处理。该模式一般有人工湿地、稳定塘、土壤渗透等适合农村地区的污水处理技术。

这一模式的特点是设计灵活、结构简单、易于管理和有保障的水质量。而且污水处理设施通常不需要专门管理，电力设备的维修也比较容易，可由当地村民操作。

2.3 集中处理模式

卫生设施收集所有农村家庭的污水，统一建造一个设施处理村里的所有污水。卫生设施采取自然处理、传统生物处理等形式。这一模式的特点是土地面积小、抗冲击、操作安全和有水可用。

由于使用的设备很多，而且操作复杂，需要专门设计中央废水处理厂，以便于对基础设施、设备等进行中央管理和维护。目前需要专业人员管理污水处理厂。为了确保操作的稳定性和水质监测质量，通常需要同时建立能够监测主要污染物的实验室。

该模式适用于布局较密集、规模较大、相应污水收集管网较完善、条件较好的村庄。此类农村经济水平较高，农村企业或旅游业发达，或处于水源保护区内。

2.4 接入市政管网统一处理模式

农村所有农民的废水都集中通过污水管道收集，这些管道与附近的城市污水系统连接在一起。村里的污水通过城市污水处理厂进行统一处理。这种模式只需要污水处理系统（在某些情况下还需要改良的抽水站），因此，该模式具有投资低、建设周转时间短、效率高、综合管理方便的特点，适用于城市污水处理系统附近（不超过5 km）符合垃圾收集要求的村庄的污水处理。而且这一模式在城市废水处理厂统一运行，无须增加与废水处理设施有关的行政和业务费用。

对比分析上述4种处理模式如表1所示，不同的村庄可以结合地区实际来选择适宜的处理模式。

3 农村生活污水出路控制

农村污水处理工程并非出水水质标准越高越好，而应与当地用水需求结合起来，“够用”就好。目前，我国还没有专门针对农村污水处理的排放标准，而且由于我国农村具体情况千差万别，农村污水处理设施出水的用途不同，排放标准也不一致。农村污水处理设施出水水质应根据其出水去向选择适宜标准，若效仿城镇污水处理厂采取统一的排放标准，对于一些经济基础薄弱的农村而言建造成本和运行成本太高，容易给地方政府和居民带来过大的压力，进而出现污水处理设施“建不起”或者“建得起，用不起”等现象。

位于国家控制的流域或者环境保护热点地区的农村，应严格规定排放标准。例如，在封闭和半封闭水域，可以提高对税收、脱氮除磷的要求；而在农业灌溉和绿化的开阔水域或污水中，可以适当降低氮磷等指标，从而简化工艺、节约投资，降低运行成本，便于管理。

农村污水处理出水出路主要有排放水体、再生利用两方面。由于缺乏农村污水排放标准及回用标准，宜根据其具体出路有关现行标准以及各个地区对排水水质的具体要求来选择出水标准。根据当地污水处理后的实际出路选择相应的处理标准，进而选择适宜的处理工艺技术进行农村污水的处理工作，体现“够用”的原则，即处理后出水满足在相应用途下的标准，不盲目追求高标准，增加污水处理工程的建设和运行成本。

农业生产特点决定了其需要大量的水资源进行灌溉，尤其是对于北方缺水地区，农田灌溉质量直接决定了粮食的产量和质量。而由于水资源短缺和水污染使得北方缺水地区大量农田得不到有效灌溉，污水作为一种非常规水资源，其处理后进行回用蕴含着巨大的潜力。

4 贵州省农村生活污水处理现状

通过资料收集与调研的方法，分别对贵州省的农村基本情况、生活污水排放特征、组成、排放方式、污水治理情况以及存在问题进行了梳理与统计。结果表明，贵州省农村人口较多，占全省总人口的58.0%。农村生活污水量较大，农村人口最少的贵阳市的农村生活污水达到12.67万m3/d；全省范围内约有13.24%的行政村生活污水进行了集中处理或部分集中处理（指本村地域内有污水处理设施进行污水集中处理，或者虽然没有污水处理设施，但是对污水实行统一集中收集，由其他单位处理），污水处理程度相对较低。另外，通过对近5年的农村环境综合整治项目资料的归纳汇总得到，贵州省共实施了1 632项农村环境整治项目，其中有992项都涉及污水处理设施建设，总投资共计16.49亿元，覆盖村的平均污水处理率在67.8%以上。而且这些生活污水处理项目以人工湿地和一体化污水处理技术为主。

表1 处理模式对比

通过对贵州省农村生活污水处理模式和常见农村生活污水处理技术的全面调查显示，贵州省农村生活污水多采用集中处理模式，常用的技术有人工湿地技术和一体化污水处理设备。其中人工湿地多采用潜流式，一体化污水处理多采用MBR和AO设备。

5 贵州省常用农村生活污水处理技术

近年来，随着小城镇建设速度的加快，数百户农村家庭聚集起来。调查统计结果显示，目前贵州省农村生活污水多采用管网收集集中处理模式，同时，基于贵州省人口聚集形式及地形的独特性，人工湿地和一体化设计污水处理设备是贵州省应用最广泛的农村生活污水处理技术。

5.1 人工湿地

5.1.1 概述。人工湿地是人类设计或改造的一种半液体污水处理系统，主要由土壤基质、水生植物和微生物组成。由于人工湿地具有有机物去除效果好、氮磷去除能力强、运转管护管理方便、工程基建和运转费用低以及负荷变化适应能力较强等优点，适用于技术管理水平低、处理规模小的乡村［9］。

5.1.2 类型和结构。人工湿地按照其内部的水位状态可以分为表面流湿地和潜流湿地，其中，潜流湿地又可以按水流方向分为水平潜流湿地和垂直潜流湿地。

表面流人工湿地，是指水面在人工湿地填料表面以下，水流从池体进水端水平流向出水端的人工湿地。表面流湿地处理系统的优点是投资及运行费用低，建造、运行和维护简单，但占地面积大，冬季表面流湿地地面易结冰，夏季易繁殖蚊虫且有臭味。

水平潜流人工湿地，是指水位于人造湿地填充的表层之下，从盆地末端流向填充的孔隙平面上的人工湿地。

垂直潜流人工湿地分为两类：单方向的人工湿地和复合垂直流动的人工湿地。单方向的人工湿地通常使用间歇水流系统，而混合的人工湿地则使用连续不断的水流系统。这些人工湿地在贵州省被广泛用于污水处理。

组合式人工湿地，是指由多个同类型或不同类型的人工湿地池体组合构成的湿地处理系统。

双层人工湿地法，主要由进水配水调节池、双层人工湿地（上层人工湿地、下层人工湿地）和集水池三部分组成。配水调节池内设有预曝气系统，上层湿地采用土壤结合新型陶粒与煤渣复合填料，下层湿地采用砾石与火山岩复合填料。夏季运行上层人工湿地，利用填料和植物的复合作用去除水中的污染物，达到水体净化效果；冬季运行下层潜流系统，结合生物技术，采用吸附作用及高效工程菌剂共同作用去除水中污染物，同时上层湿地载体以及植物保温作用能够有效提高冬季低温期净化效果，使整个系统能全年稳定运行。

5.1.3 基质材料与植被选择。人工湿地系统多采用碎石、沙子、矿渣等基质材料作为填料。对于养分不足或孔隙过大不利于植物稳定生长的基质，应在基质上覆盖15～25 cm厚的土壤，作为利于植物生长的基质。

不同类型的基质对湿地的影响不同。中性基质对生物处理的影响不大，但矿渣等偏碱性基质则在某种程度上影响微生物和植物的生长，因此，应用时需要采取一定的预处理方法，如充分浸泡。

基质对污水中的磷、重金属离子的净化作用最大，含钙、铁、铝等的填料对离子交换非常有用。污水中的磷、重金属与钙、镁等相互作用形成沉淀；铁、铝等离子通过离子交换等方式将污水中的磷、重金属吸附于基质上。

确定基质材料种类之后，还应确定基质粒径，以调整湿地的水力传导率和孔隙率。目前，人工湿地的基质一般倾向于粒径较大的介质，因为其具有较大的空隙和良好的水力传导率，有利于避免出现湿地阻塞问题。

另外，人工湿地多选择成活率高、抗污和去污能力强、具有一定观赏性和经济价值的水生植物，常见的有香蒲、芦苇和灯芯草等。不同种类的水生植物适宜生长的水深不同，在潜流型湿地中一般选用香蒲、芦苇，因为其较深的根系可扩大污水处理范围。

5.1.4 适用范围。人工湿地污水处理技术既可作为主要处理工艺对农村污水进行分散式处理，又可作为农村集中污水处理厂的深度处理技术。

5.1.5 常用工艺。一是厌氧池（或化粪池）—跌水充氧接触氧化池—人工湿地。该工艺适用于居住相对集中的村庄、库寮集和现有的河塘，特别是地形落差较大或脱氮除磷要求较高的村庄，处理规模不得超过150 t/d，厌氧池亦可为化粪池。工艺流程如图1所示，这一工艺由3个处理单元组成，即厌氧池、跌水充氧接触氧化池和人工湿地。其中，厌氧池水力停留时间为12～30h，跌水充氧一般应有5级以上跌落，水力停留时间不宜少于2h，每级跌水高度为0.5～1.2 m，人工湿地设计水力负荷为0.24～0.39 m3/（m2·d）。采用这一工艺，在常温下，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级标准；在低温季节，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准。

二是厌氧池—滴滤池（垂直流滤器）一人工湿地。该工艺适用于居住浓度高、降解条件较好的村庄，特别是地形落差大或脱氮除磷要求高的村庄，处理规模不应小于10 t/d。工艺流程如图2所示，该工艺由厌氧池、滴滤塔和潜流人工湿地3个处理单元组成。污水通过厌氧池降低有机物浓度后，由泵提升至滴滤塔，与滤料上的微生物充分接触，进一步降解有机物，同时污水可以被自然氧化。过滤后的水部分回流脱氮，提高氮的去除率。其余的水流经人工湿地或生态净化池处理，以去除氮和磷。在此过程中，水泵和生物滤池的配水可以自动控制，地形差的村庄可以利用自然地形落差进行滴灌，减少或不提升水泵。其中，厌氧池水力停留时间为24～48 h，滴滤池水力负荷为3.00～7.00 m3／（m2·d），布水周期为20 min，人工湿地设计水力负荷0.30～0.70 m3/（m2·d）。采用这一工艺，在常温下，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准；在低温季节，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准。

图1 厌氧池—跌水充氧接触氧化池—人工湿地组合工艺流程

图2 厌氧池—滴滤池（垂直流滤器）一人工湿地组合工艺流程

三是厌氧池—人工湿地。该工艺适用于经济条件一般和氮磷去除有一定要求的村庄。工艺流程如图3所示，厌氧池—人工湿地技术是以原住户化粪池为一级厌氧池，通过二级厌氧池消化沉淀污水中的有机污染物。通过人工湿地进行过滤、吸附、植物吸收和生物降解来去除污染物。厌氧池—接触氧化—人工湿地技术是对厌氧池—人工湿地技术的改进，在厌氧池后增加接触氧化工艺，提高了有机物去除率。厌氧池可利用现有的三式化粪池和净化沼气池进行改造。工艺简单，无能耗，维护管理方便。其中，一级厌氧池（厌氧活性污泥）水力停留时间约为30 h，二级厌氧池（厌氧挂膜）水力停留时间约为20 h，化粪池水力停留时间约为24 h，接触氧化渠水力停留时间为3 h，人工湿地水力停留时间≥16 h，水力负荷为0.40～0.60 m3／（m2·d）。该工艺在去除氮和氨方面的能力有限，出水水质可达到市政污水处理厂的二级污染物排放标准。经改良的厌氧湿地技术改善了人工湿地的氨清除情况，因为其水质优于市政污水处理厂的二级污染物排放标准。

图3 厌氧池—人工湿地技术工艺流程

四是厌氧池—生态塘—人工湿地。该工艺适用于那些有天然池塘或浅沟的村庄，其处理量不应超过200 t/d。工艺流程如图4所示，生活污水通过过滤网和厌氧过滤网，切断大部分有机物，并在厌氧发酵的影响下分解成固定沉积物。水从池塘流入氧化池，通过自然吸收来补充溶解的氧气，通过氧化来分解水中的有机物。之后通过生态塘系统和人工湿度吸收氮和磷，从而进一步减少有机物的含量。其中，厌氧池停留时间≥48 h，厌氧滤池停留时间≥12 h，氧化塘水深1.0 m左右，停留时间≥18 h，生态渠停留时间≥24 h。采用这一工艺，常温下出水水质可达到《城市污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，低温季节出水水质可达到《城市污水处理厂污染物排放标准》二级标准。

图4 厌氧池—生态塘—人工湿地技术工艺流程

5.1.6 应用情况。目前，人工湿地污水处理技术在贵州省广泛应用。调查发现，自2013年以来，贵州省农村环境治理项目中有163个项目共建设人工湿地389座，且多为分散式污水处理。

5.2 一体化污水处置设备

5.2.1 概述。一体化污水处理设备是将预处理、生化、沉淀、消毒和污泥回流等多种功能不同的单元有机组合成一个基于生化反应的污水处理组件［10］。与大型的污水处理厂相比，一体化污水处理设备具有不可替代的优势：①土地面积越来越少，大型污水处理厂占用的土地越来越多，而一体化污水处理装置体积小、操作灵活，有些设备也可以埋在地下，而不占用地面；②一体化污水处理设备投资少，操作管理方便，无需对操作人员进行专门培训，只需对设备进行及时维护保养，运行成本也很低；③污水处理厂回收废水的系统通常比较复杂，难以管理，而应用一体化污水处理设备不需要安装大规模的系统，而且比大型传统的污水处理系统应用效果更好；④在人口密集的地区，建造污水处理系统是不切实际的，但可以采用一体化污水处理设备，大大降低了建立城市污水处理系统的压力。

5.2.2 类型和结构。一是一体化氧化沟。一体化氧化沟是指集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体，无须建造单独二沉池的氧化沟。一体化氧化沟除一般氧化沟所具有的优点外，还有以下独特的优点：①工艺流程短，构筑物和设备少，不设初沉池、调节池和单独的二沉池；②造价低，建造快，设备事故率低，运行管理工作量少；③污泥自动回流，投资少、能耗低、占地少、管理简便；④固液分离效果比一般二次沉淀池高，使系统在较大的流量浓度范围内稳定运行。其缺点是成绩效果不同程度上受沟内水流态的影响；排泥浓度低，相应的泥区构筑物增大；同时满足曝气和沉淀工矿较困难。一体化氧化沟的设计要点如下：①进水位置应保证污水能够与污泥充分混合，避免造成短路现象；②一体化氧化沟沉淀的根本能力是进水方式和上升流速；③转刷功率大会导致对水的剪力增大，不利于活性污泥形成大颗粒絮体。

二是一体化膜生物反应器（MBR）。其是结合膜分离技术和生物处理工艺而开发的新型污水处理装置，具有处理效果好、能耗低、结构紧凑、剩余污泥少及易于自动管理等优点，但也存在膜污染等问题。目前，MBR技术已广泛应用于我国很多大型污水处理厂，在20 m3/d以下的小型污水处理工程中应用较少。目前，MBR技术在贵州省农村生活污水处理中应用较为广泛。其中，缺氧—好氧膜生物反应器（A/O-MBR）具有良好的脱氮能力，广泛应用于分散聚居区回用水处理。

三是一体化A/O或A2/O设备。其是污水处理最常用的工艺，具有出水水质好、耐冲击能力强、运行成本低、管理容易等优点。一体化A/O设备的外形多为筒式或套筒式。筒式设备的各功能区是上下分层布置的，污水以升流方式依次流经厌氧区、好氧区和沉淀区；套筒式设备各功能区水平布置，内筒一般为厌氧区，中筒为好氧区，外筒为沉淀区，污水由内向外依次流经厌氧区、好氧区和沉淀区。设备的设计要点是同心圆结构，分为4个部分：厌氧区—缺氧区—好氧区—沉淀区，厌氧区的水力停留时间为1.2 h，缺氧区的水力停留时间为2.2 h，好氧区的停留时间为6.5 h，沉淀区的水力停留时间为6.5 h。

5.2.3 适用范围。综合废水处理设备不仅适用于难以通过城市下水道系统进入的边缘和新的城市地区，而且适用于经济欠发达的农村和小城市地区。

6 结语

本文对贵州省农村污水处理现状进行了调查汇总，结果表明全省范围内约有13.24%的行政村生活污水进行了集中处理或部分集中处理，污水处理程度相对较低。此外，本文还对贵州省农村生活污水处理模式和常用农村生活污水处理技术进行了调查总结。经调查统计，贵州省农村生活污水多采用集中处理模式，常用的技术有人工湿地技术和一体化污水处置设备。其中人工湿地多采用潜流式，一体化污水处理多采用MBR和AO设备。