分散式农村污水一体化处理技术研究进展

白科，陈小洁，孙卫宁，韩盼，周凯乐

开发与应用

分散式农村污水一体化处理技术研究进展

白科，陈小洁，孙卫宁，韩盼，周凯乐

（西安工程大学环境与化学工程学院， 陕西 西安 710048）

农村污水治理是当前农村环境问题的重难点之一，农村污水因氮磷浓度高，较分散而难以集中处理等特点备受关注。近年来我国在分散式农村污水一体化处理技术研究和工程应用方面进展迅速，通过一体化活性污泥工艺、一体化生物膜工艺、一体化MBR工艺、一体化耦合工艺等对分散式农村污水进行有效治理。通过对比目前我国分散式农村污水的各种一体化处理技术的优缺点，对当前一体化技术脱氮除磷效果低，所产生的污泥的处理与处置等问题进行分析，在此基础上提出物化法强化一体化技术脱氮除磷，利用农村污水产生的污泥制备液态肥等是我国分散式农村污水一体化处理技术领域的发展方向之一。

一体化；农村污水；水处理

据统计，我国乡村居民约为5亿人，每年产生约6.6亿m³污水，仅有20 %的行政村具有污水处理设施[1-2]。大量农村污水由于居住分散，污水收集系统落后，难以采用集中式污水处理系统进行污水处理[3]等原因直接排放，不仅会造成农村地区水体氮，磷富营养化，甚至产生黑臭水体[4]。农村污水治理是当前农村环境问题的重点和难点。

目前，关于分散式农村污水处理技术的研究较多[5-7]，主要有以稳定塘、人工湿地为核心的生态处理技术，以活性污泥法、生物膜法为核心的生物处理技术[8-10]。生态处理技术抗冲击负荷能力强，具有一定的生态景观效果。但其对污染物去除效果略低，且占地面积较大，建设施工周期较长，在处理过程中易受季节，气候等因素影响。生物处理技术脱氮除磷效果好，但对工艺管理水平要求严格，操作难度大，运维成本高，故不适宜分散式农村污水的处理。而一体化技术是将生物处理技术进行优化[11-13]，使其适应农村污水较为分散的特点，是分散式农村污水处理领域的研究热点之一，具有良好的发展前景和优势。

本文通过文献分析，对比几种分散式农村污水一体化处理技术的优缺点，结合分散式农村污水的特点探究一体化技术的发展方向，为相关工艺研究和技术开发提供参考。

1 分散式农村污水的来源、特征与危害

由于农村居民的生活习惯和生产方式的特殊性，污水水质水量与城镇污水相比具有明显的区域特征。中国农村污水的主要来源是厕所水、生活洗涤水、禽畜养殖水、厨房用水等[14-15]。其中主要污染物有氮磷、有机物、悬浮物（SS），此外还含有细菌、病毒、寄生虫卵、阴离子表面活性剂等。可生化性好，基本不含重金属和有毒有害物质[16-17]。

农村污水排放量波动大。日排放高峰在早、中、晚三个时间段。其他时段排放量和污染物浓度较低，日变化系数较大，一般在3.5～6之间波动[18]。用水量和排水量与季节、气候等因素也有关。夏季用水量增多，降水量较大，污染物浓度降低；冬季用水量和排水量相对减少，污染物浓度增加[19]。

农村布局分散，80%农村地区污水收集和处理设施落后[2]，分散式农村污水直接排放或者经过简单处理后排放至河流、池塘、将导致水体生态环境氮、磷富营养化，甚至造成水体发黑，散发臭味；若污水渗入地下，则会破坏土壤生态环境，造成土壤板结，间接造成农牧业经济损失。

2 一体化处理技术研究现状

一体化污水处理技术是将污水三级处理系统进行优化设计，集为一体，以满足不同规模，不同水质的分散式污水处理技术[20]。一体化污水处理技术的高度集成，运行方便等优势非常符合我国农村地区布局分散的特点。

美国从19世纪中叶就开始了使用化粪池等技术对分散式污水治理的研究[21]。20世纪70年代，日本和欧美一些国家开始使用分散式污水处理系统对农村污水进行处理[22]。其中日本的合并净化槽技术因具有污水就地处理，就地回用和排放等诸多优势，得到了广泛使用，从2009年至2016年，日本的净化槽普及人口增加了117万[23]。成为分散式农村污水一体化处理技术的代表。

国内于20世纪80年代才开展分散式污水处理技术的研究和实践［24］，起步较晚。针对分散式农村污水的水质水量特征，目前已开发出多种较为成熟的处理技术，包括一体化处理技术，人工湿地技术，稳定塘技术等。其中一体化技术具有低能耗，结构紧凑，处理效果好等优势［25］，在国内应用广泛。当前我国分散式农村污水一体化处理技术主要可分为活性污泥工艺，生物膜工艺，一体化MBR工艺以及一体化耦合工艺。

2.1 活性污泥工艺

2.1.1 一体化A2/O工艺

活性污泥法中A2/O工艺较为成熟［26］。近年来，A2/O工艺在分散式农村污水一体化处理技术中应用越来越多。

肖炘圻［27］等研究用一体化A2/O工艺处理喀斯特地区农村污水，在运行稳定时，对NH3-N、TN、TP、COD的平均去除率分别为88.4%、80.2%、72.8%、78.4%，出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级A标准。该技术通过对反应器改进，将常规A2/O工艺需要单独设置的厌氧区，缺氧区，好氧区进行整合，大大缩小了占地面积，提高了氧的利用率和处理效率。

考虑到农村地区的经济条件，张吉库［28］等用气提泵代替A2/O工艺中所需的回流泵来处理农村污水。通过试验分析，在外回流比为70%、内回流比为200%、HRT为12 h、SRT为15 d、DO为

2.0 mg·L-1的工况下，系统对COD、NH3-N、TP去除率分别为89.9%、87.7%、94.1%。各项指标均符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级A标准。

对一体化A2/O工艺的反应器和设备进行优化和改良，提高了分散式农村污水的处理效率。但A2/O工艺固有的泥龄矛盾限制着其脱氮除磷效果的提升，且对于该技术后续产生的污泥的处理与处置等问题研究较少，有待进一步探索。

2.1.2 一体化SBR工艺

序批式活性污泥（SBR）工艺对系统自动化控制要求较高，因此多用于度假区、旅游景点等区域的分散式污水处理[29-30]。

为适应农村污水的特点，彭杰[31]等采用地埋式一体化SBR工艺处理分散式农村污水，日处理量为80 m3·d-1，该系统对SS去除率可达90.0%以上，对NH3-N去除效果可达80.0%以上，经过投加PAC除磷，出水指标满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级B标准，处理成本为0.95元·m-3。

易亚杰[32]等在河南省某农村生活污水处理工程设计中采用“水解酸化+SBR”一体化技术。日处理量为100 m3·d-1，水解酸化进一步提高了污水的可生化性和碳氮比，污水经主体生化阶段后进行“砂滤+紫外消毒”深度处理，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A标准, 处理成本为0.42元·m-3。

一体化SBR工艺能有效抑制污泥膨胀问题的发生，并且处理效果稳定。但其采用间歇运行的方式，控制过程较为复杂，稍有故障便会影响其处理效果；加药除磷也使得处理成本提高。因此在处理分散式农村污水领域尚且不是最佳选择，还需进一步改良。

2.2 生物膜工艺

2.2.1 生物接触氧化

生物接触氧化法是以生物膜法为主，同时具有活性污泥特点的生物处理方法[33]。日本的净化槽技术便是以“厌氧+生物接触氧化”为原理[34]。常邦[35]合成了一种新型微电解填料用于净化槽，利用反应器中铁碳填料的电化学作用、化学氧化作用、沉淀和共沉淀作用强化除磷，试验结果表明系统对磷的去除率高达90.0%。在系统HRT为4 d，混合液回流比为200%时，稳定运行120 d，出水指标可达到（GB 18918—2002）《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级B标准。

田双超[36]用“接触氧化+吸附法”处理农村污水，分别考察了小陶粒，大陶粒，悬浮填料，海绵填料，火山岩等五种填料的挂膜效果。结果显示火山岩填料效果较佳，仅需17 d完成挂膜，对COD、NH3-N的去除率分别为96.0%和70.0%。当HRT为10 h，回流比为100%时，TP的去除率达到最高，但出水浓度仍难以达到一级B标准，用自制的污泥基生物炭进行吸附法强化除磷，出水TP质量浓度低于0.5 mg·L-1。出水COD、NH3-N、TN、TP、SS浓度均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A标准。

生物接触氧化技术除磷效果欠佳，填料是生物接触氧化法的关键，填料种类影响挂膜效果，同时还影响氧传递速率。通过填料改良和物理方法强化提升其运行效能，但同时也增加了处理成本。

2.2.2 生物滤池

生物滤池利用在滤料上附着的微生物的新陈代谢作用来降解污水中的污染物[37]。根据其构造不同可分为曝气生物滤池( BAF)、膨胀床生物滤池等。

曝气生物滤池是对传统滤池的改进，能在同一反应器内同时进行生化反应及固液分离。具有高有机负荷、处理效果明显等优点。黄晓鸣[38]等研究使用沸石作为曝气生物滤池填料，试验结果表明使用沸石填料增强了生物的可再生性，同时强化了生物脱氮的效果。试验中COD、NH3-N和TN均达到（GB18918—2002）《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准。

李嘉树[39]研究了一体化“膨胀床+曝气生物滤池+膨胀床”技术处理农村污水，并探究了最佳运行条件。结果表明，反硝化效果与滤料层厚度成正比，滤料层越厚水力停留时间越长，反硝化效果越好。当进水温度为23～25 ℃、水力负荷为4 m3/（m2·h）、硝化液回流比为150%、气水比为3∶1、同时在曝气生物滤池出水处投加60 mg·L-1的铁盐，该系统对COD、NH3-N、TN、TP、SS的去除率分别可达90.2%、92.2%、68.2%、90.0%、98.6%。各项指标基本上达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A标准。

生物滤池能有效去除大部分污染物，但也存在除磷效果差的问题，需要配置加药设备和频繁的人工维护，因此不适合作为分散式农村污水处理的单一工艺。

2.2.3 生物转盘

生物转盘工艺的工作原理时利用盘片转动，带动附着在盘片上的生物膜与空气和污水交替接触，通过水的自然跌落给生物膜连续充氧，通过微生物膜的吸附和氧化分解作用对污染物进行降解[40]。

韦真周[41]等研究用一体化生物转盘技术处理小城镇生活污水，系统运行稳定后对COD、SS、NH3-N、TP的去除率分别高达86.0%、95.0%、85.0%、78.0%，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）中一级A标准。运行费用为0.79元·m-3。该技术能耗低、产泥少、无二次污染，环境与经济效益较好。

汪滨[42]等对一体化生物转盘技术进行了改良，将一体化生物转盘分为“厌氧+生物转盘”两个单元。厌氧段强化除磷，生物转盘段强化脱氮和有机物的去除，在生物转盘之后先经一体化高效沉淀设备强化泥水分离，再经人工湿地进行深度处理。乡镇生活污水经过改良型一体化生物转盘技术处理及高效沉淀后，COD、NH3-N和TP的去除率分别可达71.3%，52.0%，80.0%以上。再经深度处理后出水指标均可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级A标准。

张尊举[43]等优化了一体化生物转盘技术的盘体结构。使用生物滤池填料填充生物转盘，使其形成较大的生物附着面以提高污水处理效果。对实际生活污水的处理试验表明填料生物转盘对污水中COD、BOD5、SS、NH3-N的去除效率均超过87.0%，且运行稳定，出水水质满足河北省《农村生活污水排放标准》（DB13/2171—2015）一级B标准。高洪贵[44]等也做了相近研究，使用3D立体结构生物转盘一体化技术处理农村污水，出水COD为38.1 mg·L-1，NH3-N为2.7 mg·L-1，总氮为12.8 mg·L-1，总磷为0.34 mg·L-1，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。

生物转盘的盘片性能决定了其运行效果，增大盘片面积，改良盘体结构或附加深度处理都能改善其处理效果，但会造成了占地面积增大，盘体过重的问题，间接增加了运行成本。

2.3 一体化MBR技术

膜生物反应器（MBR）工艺是膜分离技术和生物处理技术的有机结合，是一种新兴污水处理工艺[45]。该工艺处理性能稳定，抗冲击能力强。在我国应用较为广泛。

常园园[46]等研发了一种新型模块化MBR工艺，该工艺采用一种抽屉式膜, 大大简化了维护管理工作，且运行效果良好，对污水的COD、BOD5、NH3-N、TP、SS等污染物均有较好去除效果，出水水质均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。谢晴[47]等使用一体化“A2/O-MBR”技术处理四川省生活污水，该技术采用自动化控制、超声波清洗等方式来确保系统的平稳运行。出水指标全部满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。于玉彬[48]等用一体化“SP+MBR”工艺处理农村污水。结果表明该工艺对COD、NH3-N、TP去除率分别可达92.0%、96.0%和91.0%。

MBR工艺因为浓差极化现象很容易造成膜污染，使用化学法进行膜清洗可能造成二次污染，其次膜组件成本投入较高，运维困难，在对污水处理效果要求较高的农村地区较为适用。

2.4 一体化耦合工艺

单一的污水处理技术有时难以达到满意的效果，往往需要多种技术联用，综合各自的优势，组成耦合工艺，提高污水处理效果。

Wang等[49]研究了“A2/O-MBR”一体化技术处理某农村生活污水和雨水，在一年多的运行调试过程中，该系统对COD、BOD5、TN、TP的去除率分别为83.7%、91.6%、69.0%和74.5%，出水水质能达到景观用水回用标准和直接排放标准，该技术实现了将约60%的污水回用，投资和运行成本约0.41美元·m-3。

洪日辉[50]等采用“接触氧化+人工湿地”一体化耦合工艺处理湖北某村庄污水，该系统可根据污染负荷变化灵活调整运行模式，当污染负荷较低时，仅通过人工湿地进行处理，依然能保证处理效果，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准。

付丽霞等[51]设计了“水解酸化+接触氧化+MBR”一体化技术处理农村污水。水解酸化段主要去除有机物，COD去除率保持在30%左右；接触氧化段进行脱氮，对NH3-N去除率保持在70%～80%。经3个月的调试运行，出水中COD、NH3-N、SS和TP等指标满足河北省《农村生活污水排放标准》（DB 13/2171—2015）一级A标准和(GB 18918—2002)《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准。

一体化耦合工艺可实现较为理想的处理效果，但在确保出水水质达标的前提下，应进一步将流程简化，降低投资运行成本和维护管理难度。

3 结束语

随着我国对农村污水治理的不断重视，一体化技术在未来分散式农村污水处理领域将会受到更多关注。目前，有多种一体化处理技术用于分散式农村污水处理，但仍然存在一些问题：1）目前大多研究集中在对一体化技术的反应器进行改良或对其结构进行优化，对于除磷不达标问题多采用投加铁盐的方式来强化，加大了运维难度和成本；2）在分散式农村污水处理领域多以《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)为参考标准，只有少数地区出台了相关标准；3）对于分散式农村污水处理过程产生的剩余污泥的处理与处置并无太多关注。

针对分散式农村污水处理现状及存在的问题，提出以下建议：1）未来国家和地方应加紧出台相应的执行标准。2）加强物理化学处理技术在分散式农村污水处理领域的应用研究，如王磊[52]等研发的缓释除磷药剂值得关注。3）农村污水不含重金属及有毒有害物质，其产生的剩余污泥就地用作制备污泥液态肥的原料，就地资源化利用，将会是一个具有前景的研究方向。

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Research Progress of Distributed Rural Wastewater Integrated Treatment Technology

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（School of Environmental and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi'an Shaanxi 710048, China）

Rural sewage treatment is one of the most difficult points of current rural environmental problems. Rural sewage has attracted much attention due to its high concentration of nitrogen and phosphorus, it is relatively scattered and difficult to concentrate treatment. In recent years, China has made rapid progress in the research and engineering application of decentralized rural sewage integrated treatment technology. Through integrated activated sludge process, integrated biofilm process, integrated MBR process, integrated coupling process, distributed rural sewage is effectively treated. In this article, the advantages and disadvantages of various integrated treatment technologies for decentralized rural sewage in China were compared, and the current integrated technologies for low nitrogen and phosphorus removal and the treatment and disposal of the sludge produced were analyzed. It waspointed out that strengthening the integrated technology of physicochemical method for nitrogen and phosphorus removal and using sludge from rural sewage to prepare liquid fertilizer should be one of the development directions in the field of integrated rural sewage treatment technology in China.

Integrated technology; Rural sewage; Sewage treatment

陕西省科技统筹创新工程计划项目（项目编号：2011KTCL01-12）；西安市科技计划项目（项目编号：20SFSF0012）；西安工程大学研究生创新基金（项目编号：chx2021022）。

2021-10-27

白科（1997-），男，陕西榆林人，西安工程大学环境与化学工程学院2019级在读研究生，研究方向：分散式生活污水脱氮除磷研究。

X799.3

A

1004-0935（2021）12-1813-05