中国农村生活污水处理技术研究进展

2022-02-25王园园刘增进

科技和产业 2022年1期

王园园，刘增进

(华北水利水电大学水利学院，郑州 450000)

当前，环境污染状况日益严重，已成为亟待解决的热点问题。伴随着城乡二元制被打破，更多资源开始向农村地区流动，污染也呈现出从城市向农村迅速扩散的趋势[1-2]。近年来，中国农村地区生活污水排放量逐年递增，但大部分仍采取的是粗狂排放的模式，缺乏有效治理或治理水平不高。当前的污染状况严峻，而治理基础薄弱，在处理技术缺乏、群众意愿不高和国家政策倾斜等现状下，未能有效处理的生活污水排放对生态环境产生了严重的影响[3-4]。农村地区的环境污染主要体现在沟塘水体污染、人居环境恶化和生态遭到破坏等方面[5-6]。

根据《2019年中国城乡建设统计年鉴》公布的数据：农村地区生活污水整体治理水平不高，全国进行污水处理的乡有3 156个，得到治理的乡仅占33.3%，总体处理能力仅有80.11×104m3。农村生活污水治理与城市情况不同，农村地区的处理技术、排放标准、管理水平等尚无明确的标准，针对不同的环境，笼统地采用某一种污水处理模式并不科学。因此，通过综述农村污水处理技术的研究动态，探索农村生活污水处理技术及处理模式，有助于促进农村污水治理事业的发展，推动区域水体环境的整治和改善。

本文以农村污水处理技术的研究状况及相应的处理效果、出水标准、适宜条件为基础，探索污水处理技术与农村的适用性和匹配模式，综合考虑地区环境因素的影响，以期得到因地适宜的农村污水处理技术。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文的数据来源于中国知网(CNKI)近20年来关于农村生活污水处理技术的相关文献，共计185篇，分别选取了进出水质、污染物去除率以及达到的出水标准，进行了归纳分类与统计学分析。专利信息来源于中国专利信息网有关农村生活污水处理专利的研究情况，统计了历年专利申请公开信息、专利区域统计信息、专利技术布局信息等。

1.2 数据处理

采用Meta分析方法，对近年来农村生活污水处理技术研究和专利公开情况进行了综合分析；采用SPSS进行数据分析，采用Origin进行绘图。

2 中国农村生活污水处理技术研究进展

2.1 国内外常用农村污水处理技术

目前国内外应用的农村生活污水处理技术众多，种类繁杂，按照工艺单元可分为生物处理技术、生态处理技术和组合处理技术。生物处理技术主要利用各类微生物在厌氧或好氧条件下进行的代谢活动和生物化学反应来分解吸收污水中的有机物、氮和磷，达到处理污水的效果[7]。该技术常用的方法有生物滤池法、厌氧-好氧法(A/O)法、序批式活性污泥(SBR)法和生物转盘等方法。生态处理技术是利用土壤-植物-微生物复合系统共同作用的原理，通过过滤、吸收和分解作用使污水得到净化，常用的生态处理技术有人工湿地、土壤渗滤系统、稳定塘等[8-9]。组合处理技术是在单级工艺无法满足处理要求时，采用的多种工艺结合的处理技术[10]，其组合类型分为生物+生物、生物+生态、生态+生态的组合，可发挥各工艺优势，提高出水水质。

根据国内外农村生活污水处理的实际应用情况来看，采用的主要是厌氧沼气池技术、土地渗滤技术、人工湿地技术、稳定塘技术、生物滤池以及生物+生态组合工艺6类。不同处理技术的应用范围及优缺点见表1[11-22]。

表1 农村生活污水主要处理技术

2.2 中国农村生活污水处理技术研究现状

2.2.1 农村生活污水处理技术分类

通过文献调研，收集了2000—2020年共计185篇有关农村生活污水处理技术研究的文献。分析可知，生物+生态组合工艺是中国农村生活污水处理的主要研究方向，其中人工湿地和生物滤池技术在中国农村生活污水处理实践中发挥了重要的作用(图1、图2)。

图1 农村生活污水处理技术

图2 生物处理技术类别

在近20年的农村生活污水处理技术研究中，生物处理、生态处理和组合处理技术的占比分别为22%、36%和42%。生物处理技术主要采用生物滤池、MBR和净化槽，占比分别为33%、18%和17%。生态处理技术主要采用人工湿地和土壤渗滤系统，其次采用的是稳定塘(图3)，应用占比分别为37%、28%和18%。组合工艺主要采用以生物处理与生态处理相结合的方式，共有52项研究采用了生物+生态组合方式，占全部组合工艺的66.7%。统计了农村生活污水处理的各类技术，人工湿地共出现了53次。土壤渗滤出现了33次，由此可见，农村生活污水处理技术的研究更加倾向于具有低成本、易管理并能够充分发挥农村土地优势的技术。

图3 生态处理技术类别

2.2.2 污染指标去除效果分析

通过对185项研究中的COD、氨氮、TN和TP去除率进行统计学分析，发现在185项研究中，COD、氨氮、TN、TP分别提供了151、138、117、107个数据，考核率分别为81.6%、74.6%、63%、57.8%。由此可见，农村生活污水处理技术研究中，更加倾向于考核有机物和氨氮的去除效果，研究中常将COD去除效果作为衡量工艺处理能力的标准。

从图4中可以看出，现有的研究中：COD的去除率普遍大于70%，处理率主要集中在80%～90%，相对频率达到了35%，有50%以上的设施COD去除率达到了80.22%，75%以上的设施COD去除率达到了71%，约有20%的设施COD去除率能够达到90%以上，整体去除水平很高；氨氮的去除率优于其他指标，超过80%的占比较大，相对频率达到了69.5%，有50%以上的设施氨氮去除率达到了82%，75%以上的设施氨氮去除率为68.5%，30%的设施对氨氮去除率可以达到90%以上；TN的去除效果较弱，50%以上的设施处理效果仅为67.4%，75%的设施处理效果能够达到56%，仅有10%的设施对TN的去除效果能够达到90%以上；而TP的去除效果比TN要好，但不如COD和氨氮，50%以上的设施处理效果可达到79.1%以上，75%的设施处理效果可达到61.5%，约有19.7%的设施TP去除率能够达到90%以上。

图4 污染指标去除率累积曲线

从上述的分析中可以看出，现有的农村污水处理技术对TN的去除效果明显比COD、氨氮、TP差，去除TN较为困难。因此，如何提升TN的去除效果是目前污水处理技术需要攻克的重点问题和难点问题，也是提高出水水质、控制排放标准的关键。

2.2.3 出水指标达标效果分析

185项研究中共有147项给定了具体出水水质或确定了出水标准，采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)对所述文献的出水水质进行分类，出水水质达到的标准占比如图5所示。从图中可以看出，各类指标中，COD的出水达标率最好，其次是TN、氨氮和TP。这些研究中的出水水质表现良好，大部分出水都能达到一级A或一级B标准，这可能与大部分研究是改进工艺有关。结合前述结论，TN在较低去除率下，出水水质达到一级A的比例却很高，这可能是研究中的进水含氮量较小的原因导致。从图中可以看出，现有的技术条件下农村污水处理的水质想要稳定达到一级A的出水标准还具有一定的难度，仍需要继续进行探索和改进。

图5 出水水质标准占比

2.3 农村污水处理技术专利申请公开情况

专利申请趋势侧面反映了专利技术的发展历程，从其申请量变化中可以了解各阶段技术创新情况。从图6中可以看出，中国有关农村污水处理技术的专利申请及公开量呈现逐年递增的趋势，从2006年开始，截至目前申请已公开专利696件，并在2019年达到了申请量的阶段性顶峰，该年专利申请量157件。图7反映了中国各省份专利公开数量，体现了各地区农村生活污水处理技术创新工作的进展状况[23]。从图中可以看出江苏、浙江、广东一带是中国农村生活污水处理专利研发的重要地区,这与江浙地区较早的农村环境连片整治工作有关，该地区的污水治理工作处于中国农村的领先地位，其在建设和改造环境的过程中已展开了较多的探索[24-25]。

图6 专利总体趋势

图7 专利区域统计

通过对专利技术布局进行统计分析，有助于了解当前专利检索领域的技术分布状况，从而找到专利技术申请热点与空白点，帮助我们了解目前农村生活污水处理的重点研发方向以及研究薄弱点。从专利技术布局(图8)来看，中国农村生活污水处理领域内的专利申请主要集中于C02F9/14、C02F3/30上，而关于C02F3/34和C02F9/08的申请量较少。根据IPC国际专利分类规则，C02F9/14表示至少有一个生物处理步骤，C02F3/30表示厌氧和好氧工艺，C02F3/34表示以利用微生物为特征，C02F9/08表示至少有一个物理处理步骤。由此可知，中国农村生活污水处理的专利创新点主要集中在生物处理方向上，这与农村的污水处理技术主要采用人工湿地和土壤渗滤的观点是一致的。城镇污水处理厂在采用活性污泥法、膜法等方法的同时还会采用物理沉降、吸附、化学处理等物理化学方法，但该方法在农村地区明显不适用。

图8 专利技术布局分析

当前农村污水处理专利中对氨氮去除的重视程度要高于总氮,但现有的研究表明提升TN的去除效果是需要攻克的重点问题和难点问题[23]。由于农村地区的特殊情况(存在氮、磷等营养物质回用灌溉)，对于生活污水中氮、磷的去除应结合出水的用途分别处理。在实现保护处理污水、整治乡村环境的同时，尽可能地实现营养物质的资源化利用。