农村生活污水处理技术的研究进展

胡小波，骆辉，荆肇乾，章泽宇

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

近年来，在农村经济飞速发展，村民生活水平提高的同时，不断增加的还有污水的排放量，农村污水的肆意排放已经成为农村水环境污染的重要来源[1]，农村污水已经严重破坏着地表水环境，如果不加以重视将会对土壤环境甚至地下水环境都将造成影响[2]，而水环境的污染将会造成严重的公共和环境[3-4]、健康风险[3]。因此，因地制宜地探究适合于农村污水处理的单一或组合式生态技术显得尤为重要。

本文以农村生活污水处理现状为背景，综合分析各典型工艺对氨氮、TN、有机物及TP等污染物的去除效果，并探讨了影响各工艺处理效果的因素，总结了目前最前沿的农村生活污水处理技术并展望其未来主要发展方向。以期为我国农村生活污水治理相关研究及实际工程提供经验。

1 农村生活污水处理现状及问题

1.1 农村生活污水的来源及特点

我国农村生活污水存在水量较小、排放分散、水质不稳定、收集点较多等特点[5]，其根据来源可分为黑水和灰水两种[6]，黑水的来源是厕所污水，通常包括尿液、粪便和冲洗水；灰水则是指黑水以外的生活污水，来源是厨房污水和生活洗浴污水[7]。此两类水的化学组分以及在农村污水量的占比见表1。

对表1进行分析可以发现生活污水中大部分的氮、磷都是来自于黑水，分别占86%和80%，而灰水则相对较低，但是灰水的产生量则比较高，占到了生活污水的62%。

表1 生活污水中污染物来源及组成[8]Table 1 Source and composition of pollutants in domestic sewage

1.2 农村生活污水处理模式

相较于城市而言，农村的住户较为分散[9]，污水排放面较广，因此城市的集中式污水处理模式在农村生活污水治理中很难实现，根据污水收集方式的不同，我国农村生活污水的处理模式大致可分为三种：相对集中式污水处理模式、分散式污水处理模式、纳管污水处理模式。各污水处理模式概况及使用条件见表2。

表2 污水处理模式概况及使用条件[9-10]Table 2 Overview of sewage treatment mode and use conditions

1.3 污水收集系统存在问题

目前我国农村生活污水处理过程中普遍存在“两难一低”[11]的问题。由于农村住户居住分散，生活污水面源较广，污水收集节点较多，所以对农村生活污水实施收集较为困难；另一方面由于农村生活污水水量水质的波动较大，污水处理较为困难；同时，由于处理工艺和处理模式的选择不适当，再加上农村污水管网较为落后，好多都是通过现有的明渠暗沟收集，很难做到雨污水分开，从而导致污水处理效率较低。

1.4 污水处理技术存在问题

农村生活污水处理技术的适用条件较为局限。由于我国幅员辽阔，农村人口、生活习性、经济社会等条件相差较大，单一的污水处理技术或者模式很难适应各方面的条件[9]，因此，就需要因地制宜，根据各个地方的地理条件和经济状况，选取合适的技术和模式。

然而，在农村污水处理设计中，一些地方由于资金原因，使用工艺过于简易[12]，或者设计贪大求新导致成本高、运维难，超出了农村经济承受的能力和管理水平[13]，从而导致设备建成后没办法正常的运行或者处理效果较差，出水水质达不到标准，反而成为新的污染源[11]。杨晓英等[12]对苏南农村生活污水治理的调研分析中，选取了7个常年运行的微动力农村生活污水处理装置进行了5次跟踪监测，出水达标率(以一级B为标准)仅为30.8%。

2 农村生活污水适用技术选择

农村生活污水处理工艺主要包括生物处理技术、生态处理技术及生物生态组合技术[14]。

2.1 生物处理技术

生物处理技术对农村生活污水的净化主要依赖于微生物的新陈代谢，该技术用地面积少，产生的污泥少，而且冲击负荷能力较强，对水质水量波动较大的农村污水具有较好的处理效果[15]。

2.1.1 净化槽 净化槽作为一体化污水处理设备，因其占地小、安装灵活方便等优点在农村生活污水处理中得到广泛使用[16]。

膜式净化槽将生物处理技术和膜分离技术组合，增加了深度处理单元，提高了出水水质[17]。干钢等[18]通过对膜式净化槽试验分析，选取活性污泥和膜分离组合工艺，在出水稳定时系统平均对BOD5、COD、NH3-N、TP的去除率可达到84.46%，83.64%，97.94%，94.13%，且出水均能达到城镇一级A 标准。

王昶等[19]进一步对净化槽结构进行整合，研发出针对于农村分散式处理模式的一体化净化槽，使该净化槽具有更小的占地面积，安装更加灵活方便，更适用于地形复杂、住户分散的农村环境。目前一体化净化槽已经在全国各地广泛应用，且出水指标均能达到城镇一级B标准。

常邦等[20]在传统净化槽的基础上，增加铁碳微电解填料，做成一体化污水处理装置。装置中的铁碳填料主要用来弥补传统净化槽除磷的不足，试验结果显示系统对磷的去除率高达90%，其除磷过程是通过电化学作用、化学氧化作用、沉淀作用和共沉淀作用[21]，主要反应机理为：

电化学反应：

阳极(Fe)：Fe-2e-→Fe2+

阴极(C)：O2+2H2O+4e-→4OH-

化学氧化反应： 2Fe2++O2→2Fe3+

4Fe(OH)2+O2+2H2O →4Fe(OH)3↓

3Fe(OH)2+Fe(PO3)2+O2→

2FePO4+2Fe(OH)3

沉淀反应：

Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓

Fe3++3OH-→Fe(OH)3↓

共沉淀反应：

4FePO4+Fe(OH)3+Fe(OH)2→

Fe6(PO4)4(OH)5↓

2.1.2 A/O工艺 A/O工艺即好氧单元和厌氧单元的组合工艺，能够较好地去除污水中的污染物。吴杰等[22]通过对分段进水多段A/O工艺进行改造升级，在各个处理单元中加入生物膜填料，且将第一段改成好氧单元，无需外回流，反硝化作用时直接消耗自身碳源，进一步提高有机物的去除效率，通过小试试验系统对CODCr、NH3-N、TN的去除率达到92.8%，98.5%，82.2%。

但单一的A/O工艺并不能满足除磷的要求，因此在实际应用中通常增加人工湿地做深度处理单元。古腾等[23]在曝气生物滤池与人工湿地组合工艺研究中，前置厌氧池与曝气生物滤池初步对污水中污染物进行降解，后置人工湿地进一步对污水中氮磷等污染物进行深度处理，试验中该装置的平均COD、TN、氨氮和TP的去除率达到90.05%，67.65%，95.29%，91.42%。

熊仁等[24]采用厌氧+跌水曝气+人工湿地组合工艺，将传统的鼓风曝气替换为跌水曝气方式，并与人工湿地结合起来，使装置的运行能耗降低，且COD、TN和TP等各项出水指标均达到城镇一级A标准。

2.1.3 生物滤池 曝气生物滤池(BAF)是对传统滤池的改进，具有高有机负荷、基建费用低、处理效果明显等优点[25]。黄晓鸣等[26]将沸石作为BAF填料，不仅增强了生物的可再生性，而且加强了生物脱氮的效果。其通过建立沸石曝气生物滤池(ZBAF)小试试验，实验中COD、NH3-N和TN均达到一级标准，且对氨氮的去除中沸石起主导作用。

吴亚慧等[27]将MBR工艺与BAF相结合，开发出了一种生物膜复合滤池，以陶粒作为膜载体进行过滤。实验中COD、NH3-N处理效率均能达到90%以上，TN和TP等各项出水指标也均能达到一级B标准，在加入PAC后除磷，TP能达到一级A 标准。

李嘉树等[28]根据农村生活污水水量水质特征，研究出一种一体化膨胀床复合生物滤池工艺，该工艺由降流式——升流式——降流式膨胀床生物滤池三段串联在一起。第一段作为预处理单元和反硝化滤池，第二段则作为硝化池，第三段膨胀床具有化学除磷和深度脱氮的功能(采用三氯化铁为絮凝剂后置除磷)。结合前、后置反硝化的特点，具有能耗低、运行维护简单和不易堵塞等优点。实验结果显示该工艺平均对COD、NH3-N、TN和TP的去除率能够达到90.2%，92.2%，68.2%，90%，各项指标基本上能够达到一级A 标准。

2.2 生态处理技术

生态处理技术是利用微生物、土壤、动植物之间产生的一系列物理、化学、生物学的作用对农村污水中的污染物进行降解的污水处理技术[29]，不同生物处理技术，该技术投资和管运护费用较低，生态景观效果好[15]。

2.2.1 人工湿地 人工湿地处理农村污水，具有处理效果好、投资建造费用低、运管护方便等优点，但是传统单一的人工湿地却存在着占地面积大、脱氮效果相对较差、受季节影响较大等缺点[30]。

水平潜流人工湿地(VF)一般有利于反硝化，但是氨氮硝化能力一般；而垂直流人工湿地(HF)能够高效的去除氨氮，但是缺乏良好的好氧厌氧环境，使反硝化效果受限[31]。因此不同类型人工湿地的组合使用，优势互补，能大大提高处理效果，特别是脱氮效果尤为明显。Rivas等[32]在墨西哥将HF和VF串联，通过组合流的回流运行，取得较好的出水水质，其中COD、SS、总氮、BOD5的去除率分别达到91%～93%，93%～97%，56%～88%，94%～98%。

潮汐流人工湿地(TFCW)作为一种具有供氧机制的新型人工湿地，是通过周期性淹没-排水将空气中的氧气传入基质中，弥补了植物根系放养不足的缺陷，从而使氨氮和总氮达到良好的去除效果[33]。张玲玲等[34]通过对其研究发现，TFCW传氧能力的显著增加，使其在宏观上处于好氧环境，进水的碳源优先被氧化进而反硝化作用被削弱，导致TN的去除率低于70%。张玲玲等在此发现的基础上，将潮汐流与垂直潜流人工湿地相结合，研究设计出折板式潮汐潜流人工湿地，成功的营造出缺氧-好氧交替的环境，实验中，COD、氨氮和总氮出水指标均达到城镇一级A标准，而TP也达到城镇一级B标准。

2.2.2 蚯蚓生态滤池 蚯蚓生态滤池是通过蚯蚓、滤料和微生物共同作用，对污水进行处理的同时还能进行污泥处理的新型生态处理技术[35]。因其建造运管护费用低、占地面积小、处理效果好等优点，尤其能对污泥同步进行处理，减少后期污泥处置费用，近年来，在农村生活污水处理中应用广泛。

传统蚯蚓生态滤池脱氮能力较差，主要原因为水力停留时间较短，反硝化反应受到抑制[37]。而复合塔式生物滤池能够实现“缺氧-好氧-厌氧”的多次交替反应，为微生物硝化-反硝化作用创造良好的条件，提高了脱氮效果[38]。杨沫等[39]以生物陶粒为主要填料，添加蚯蚓与植物等构建复合塔式生态滤池进行试验，对其系统中氮素的形态转变进一步研究。研究发现氮的去除主要是通过植物的吸收、植物根系和基质的截留、氨的挥发和微生物的氨化、硝化、反硝化作用[37]。主要反应机理为：

RCOOH+CO2+NH3

反硝化反应：

实验结果表明，平均TN和硝态氮的去除率分别达到80.11%和98.52%，且出水水质都能达到城镇一级标准。

2.3 生物生态组合技术

生物生态组合技术即将生物处理技术和生态处理技术组合起来，前置生物处理利用微生物能够将有机物和部分营养物质有效去除，后部分生态处理则是进一步的脱磷除氮，优势互补，进一步提高出水水质，保证出水水质的稳定[40]。生物生态组合技术有一定的局限性，需要对当地的经济条件和土地资源等条件进行综合考虑[14，40]。

因为人工湿地的众多优点使其在实际工程中应用最普遍，因此生物生态组合技术主要分为生物+人工湿地组合技术和生物+其他生态组合技术[14]。适用于对氮磷的去除有较高要求的地方，但是受到经济、土地面积等条件的限制。

2.3.2 生物+其他生态组合技术 人工浮床和其他生物生态组合在农村生活污水中也有较高的应用。张增胜等[43]在崇明岛农村生活污水治理实际应用中将生物净化槽与强化生态浮床组合，取得了较好的效果。该组合还具有占地面积小、建设费用低、管理维护方便等优点，但是生态浮床的植物生长状况直接影响了其脱氮除磷效果，系统受季节影响较大。

罗伟等[44]针对分散式污水处理系统的就地处理和回用特性，将生物滴滤与土壤渗滤组合研究出一种沸石层滴滤——多介质土壤层的二级处理系统，掺杂铁屑的沸石作为生物滴滤基质能够较好的去除污水中的氨氮、悬浮物和部分有机物且其中铁屑层提高了系统的除磷能力。后端多介质土壤层系统则对污水进行深度净化。在进水负荷稳定在 920 L/(m2·d)条件下，系统中平均对COD、氨氮、TN和TP的去除率可达到95.5%，86.9%，63.8%，94%，且除TN外均达到城镇一级A标准，TN达到一级B标准。

3 新时期农村生活污水处理技术发展趋势

3.1 重视氮磷去除与资源化利用

氮磷去除技术的应用目前已经逐步趋向成熟，余浩等[47]将水解池、滴滤池、人工湿地三段组合治理农村污水时，在滴滤池中逐层铺放了陶粒、珍珠岩矿渣和石膏等基质，对COD、TN、TP的去除率均达到90%以上。但是不同于自然水体，农业灌溉中氮磷则是不可或缺的肥料，如何将氮磷充分的资源化利用将是农村生活污水处理技术发展的一大趋势，吴义福等[48]在采用“A2O+人工湿地”处理农村生活污水的研究中，将水生蔬菜替换传统人工湿地的景观水生植物，提高了污水中氮磷的资源化利用，在污水处理的同时还能给农村带来一部分经济收入。该系统将污水达标排放的同时，获得了更好的经济收入，而且在一定程度上缓解了人工湿地堵塞的风险。

目前，氮磷的资源化利用基本依赖于人工湿地，因此提高湿地植物对污水中氮磷处理的贡献率或者研发出湿地外多种氮磷资源化利用方式亦将是未来农污技术的发展趋势。

3.2 生物生态组合技术应用更加广泛

随着农村污水排放标准的规范化、地域化和严格化，单一的污水处理工艺很难达到标准要求，有效联合运用多个污水处理工艺将是农村污水处理技术的发展方向，而生物生态组合技术因其良好的处理效果和优异的经济效益得到广泛的应用。徐志荣等[49]对浙江省67个县386座农村污水处理设施进行调查研究，研究发现生物生态组合技术占比达到了76.8%。张亚平等[50]抽取调研了江苏省太湖流域内22个区县210套农村污水处理设施，结果显示生物+生态法、生物膜法、生态法、活性污泥法和MBR法分别占比为37.16%，30.12%，9.17%，17.85%和5.7%，据调研表明生物生态组合技术因其出水稳定且景观较好等优点成为太湖流域农污主要处理方式。

生物生态组合技术虽有众多优点，但是也存在占地面积大、易受环境影响等缺点，在广泛应用的同时还需不断探究开发出低占地面积、更高效的生物生态组合技术。

4 结论

我国有着广袤的地域，且地域差异较大，因此我们在选择污水模式和工艺时，要实事求是，结合各地方地理位置、经济、文化等条件，切实把握各个工艺的技术特点和适用范围，因地制宜，选取最适宜的污水处理模式和工艺。生物处理技术用地面积少，产生的污泥少，而且冲击负荷能力较强，对水质水量波动较大的农村污水具有较好的处理效果，但是单一的生物处理工艺造价较高，对设备的运营管理要求较高，且氮磷的去除能力一般。生态处理技术投资和管运护费用较低，生态景观效果好，出水效果好，但是存在占地面积大、易受季节虫害影响等缺点。生物生态组合工艺能充分发挥生物、生态处理技术的优势，能进一步提升出水水质，适用于出水水质要求高且对氮磷有较高要求的情况，但也存在占地面积较大、易受环境影响等缺点。

农村污水技术的发展需从农村污水“收集难，处理难，处理效率低”现状问题出发，切实把握现阶段污水处理技术存在的问题，以构建水资源循环系统为目标，不断探索研究出切合农村环境的生活污水处理技术。