农村生活污水生态强化处理技术研究进展

万喜萍，谭益民，周跃云，黄卓艺，戴烁婷，谭晓波#

1.湖南工业大学 城市与环境学院，湖南株洲 412007；2.城市水安全排放及资源化湖南省重点实验室，湖南株洲 412007

近年来，随着我国农村地区生活水平的提高和大范围的水冲厕所改造，农村污水排放量呈现快速上升的趋势。住房和城乡建设部公布的数据显示，我国农村污水排放量从2016年的279.0亿m3增至2020年的337.1亿m3。然 而由于农村缺少相配套的废水收集与处理设施，将大量仅经化粪池处理后的污水直接就近排放，严重污染了农村水体环境。据统计，2017年农村生活污水化学需氧量排放总量（499.62万t）已超过城镇生活污水排放总量（483.82万t）。我国不同村落之间的聚集程度、经济水平、自然条件等差异性显著，因此不同农村地区的污水处理模式和技术适用性存在显著的差异[1]。总结分析了土地渗滤处理技术、氧化塘技术、人工湿地技术及其组合技术等农村生活污水生态处理技术，并对比分析了技术的适用性和特征特性，以期为我国农村污水处理提供技术借鉴。

1 农村生活污水生态强化处理技术研究进展

1.1 农村生活污水初级处理技术

1.1.1 农村生活污水源分离技术农村生活污水一般包括2种类型：一类是以厕所粪污为主体的黑水（包含褐水和黄水），另一类是包括淋浴、洗衣、厨房用水等污染较轻的灰水。生活污水的主要污染物主要集中在黑水中。从生活污水的构成来看，尽管尿液和粪便的总体积仅占2%，但COD、N和P指标的贡献分别占59%、97%和90%；相比之下，灰水的总体积虽然占据98%，但贡献比例分别仅占41%、3%和10%。由于我国大部分农村地区的黑水与灰水混杂在一起，给污水的后续处理和资源化回用带来不利影响。当灰水与黑水混合后，导致后续化粪池水力停留时间不足，并引入了浮油、表面活性剂等物质，稳定化和无害化处理效果差；同时由于灰水的稀释，粪污难以实现资源化利用。因此从源头将黄水、褐水和灰水进行分类收集，可有效减少污水排放量，同时收集的高浓度粪污易于进行资源化利用。目前，开发的污水源分离技术主要包括真空源分离技术、粪/尿源分离技术等。真空源分离技术通过在管道内形成负压环境，分别将灰水和黑水分别收集到储存罐。由于真空便器冲水量仅为0.6～1.0 L，是传统水冲便器的1/10，收集的粪污含水率低，易于进行资源化利用；收集的灰水简单处理后直接排放。天津市宁河区实施了农村生活污水分类收集和资源化示范工程（合计4 200户），该项目应用负压源分离技术从源头上分离黑水（粪便污水）和灰水（生活杂排水），污水从负压收集中心分别排入黑水、灰水处理设备分质处理。

1.1.2 化粪池初级处理技术化粪池是农村生活污水最基本的处理设施，对农村区域环境保护起着重要作用。化粪池通过池内兼性和厌氧微生物将生活污水中的有机物分解成CH4、CO2和小分子有机物等，同时对病原微生物进行有效杀灭。目前，应用最广泛的化粪池主要包括三格式化粪池、双瓮式化粪池等。但化粪池对污水中有机物只起到部分降解作用，同时对去除氮磷的效果甚微，因此出水中仍含有较高浓度的有机物、氮磷及悬浮物，其直接排放对环境产生较为严重的污染。同时，化粪池处理效果受温度影响大，较适宜于气候温暖、年平均气温高于10℃的农村地区。近年来，随着我国农村厕所的改造升级，新型改良化粪池得到了广泛应用。另外，针对北方低温环境条件，具有保温功能（或深埋）的化粪池也得到了应用，解决了低温运行的难题。

1.2 化粪池出水生态强化处理技术

由于化粪池出水仍含有较高浓度有机物、氮磷等污染物质，仍对环境产生严重污染。据统计，我国农村生活污水经化粪池处理后，每年排放的化学需氧量达到499.62万t、总氮44.65万t和总磷3.69万t，是我国农村水体环境恶化的主要原因之一。因此，需要对化粪池出水进行进一步的强化处理。目前，国内常用的生态强化处理技术主要包括土地渗滤、人工湿地、氧化塘及生态组合处理工艺等[3]。

1.2.1 土地渗滤处理技术土壤渗滤处理技术是将污水投配到具有一定构造、良好渗透性能的土壤中的，在毛管浸润和土壤渗滤的作用下，利用土壤—微生物—表层植物协同去除有机物、氮磷等污染物质。由于土壤渗滤系统主要利用原土的自然净化能力，投资与运行成本低，管理简单便捷，在国内外农村地区得到了广泛应用。国内外研究人员对不同土地渗滤系统处理化粪池出水进行了对比研究。Luo等[2]研究了多介质土地渗滤系统对化粪池出水的处理效果，在水力投配负荷440～920 L/(m2·d)的条件下，CODCr、NH4+-N、TN和TP的去除效率分别在90.3%、85.1%、58.9%和92.0%以 上。Koottatep等[3]开 发 了基于太阳能的上流式化粪池与慢速土地渗滤系统耦合工艺，COD、TKN 和TP的去除率分别可达到92%、95% 和88%。但土地渗滤系统通常面临堵塞、地下水及土壤二次污染等问题，其中填料的堵塞问题是影响其运行的关键。统计数据表明约有70%的土地处理系统面临经常性地开挖修整、更换填料甚至运行瘫痪等问题。林克明[4]以土壤、粗砂、高分子亲水材料等构建了一种防堵塞的新型多介质填料渗滤处理系统，出水水质可达到一级A标准，有效提高了渗透性能和防堵塞能力。

1.2.2 人工湿地处理技术人工湿地处理技术是指采用土壤、砂石或人工填料构建成填料床，同时搭配不同类型水生植物，通过填料吸附、植物吸收和附着微生物降解协同作用实现污染物的高效去除。人工湿地处理技术具有建造和运行费用低、易于维护管理等优点[5]。近年来，我国在农村生活污水人工湿地技术方面开展了大量的理论和工程实践研究，包括新型填料及配比、植物配置、微生物群落特征、运行工况参数等。范建伟等[6]研究利用潜流人工湿地处理化粪池尾水，CODCr、TN和TP的去除效率分别可达94%、62.1%和79.1%。蒙语桦[7]对比分析了湖南省农村地区4座典型人工湿地（处理规模40～1 000 m3/d）对化粪池出水的处理效率，人工湿地系统对污水中CODCr、NH4+-N和TN去除率分别为75.30%～87.70%、61.60%～86.17%和44.19%～82.71%，TP的去除率在80%以上。Qadiri等[8]对比水平潜流人工湿地中不同植物配比（芦苇、鸢尾、人马草）对化粪池出水净化的影响，研究发现芦苇人工湿地表现出更好的废水净化能力，SS、COD、TN和TP的去除负荷分别 达 到3.6±1.2、10±1.3、2.6±0.4和1.3±0.2 g/(m2·d)。但人工湿地在实际运行的过程中也面临诸多问题，比如其处理效果受气候影响较大，在冬季低温条件下处理效果差。另外，人工湿地在投入使用一段时间后，填料间隙会出现不同程度的堵塞，缩短其运行寿命[9]。由于在人工湿地系统中生物和水力的复杂性，常导致其设计运行参数出现偏差，使得许多农村地区的人工湿地成为新的污染源 。因此，需要对我国不同农村区域的人工湿地运行长期监测和评估，为其大范围推广应用提供更加合理的参数。

1.2.3 氧化塘技术氧化塘也称生物塘、稳定塘，按照处理塘中溶解氧水平分为好氧塘、厌氧塘、兼性氧化塘、生物塘等类型，其中好氧塘在国内外农村污水处理应用最广泛[10]。在好氧塘中，有机物、氮磷等污染物质去除主要通过藻类与细菌之间的协同作用。氧化塘技术具有结构简单、建设与运行费用低、可形成生态景观等优势，但存在占地面积大、易散发臭味、受气候条件影响大等缺陷。氧化塘处理效率受到光照、温度、停留时间、有机负荷等因素的影响。孙楠等[11]研究了凹凸棒土作为载体填料的氧化塘对严寒地区农村污水的处理效果，结果表明：在兼性塘和好氧塘水力停留时间为4 d和36 h的条件下，COD、TN和TP的平均去除率分别为91.5%、87.7%和84.1%。但氧化塘由于难以控制藻类生长，常导致出水悬浮物超标。相比之下，生物塘可以较好地控制藻类过度生长，可获得更好的出水水质和环境生态效益。郑志伟等[12]利用生态沟渠预处理与生物塘联用技术处理山区农村生活污水，结果表明：在水力停留时间约为4 d的条件下，流经该系统的生活污水黑臭消失，浊度下降，出水DO饱和度达到65%以上，进水SS、COD、NH4+-N、TN、TP平均去除效率分别达到84.9%、80.5%、70.1%、49.6%、44.9%。为了进一步增强氧化塘处理效果，张巍等[13]设计了前置强化塘、自然塘和后置调节塘等组合塘技术，实际工程（处理流量2 000m3/d，面积30 000 m2）运行结果表明，COD平均去除率为85%，NH4+-N平均去除率为90.6%，运行费用仅为0.08元/m3污水，显著提高了当地地表水环境质量。

1.2.4 生态组合处理工艺由于单一的生态处理技术对环境条件、气候、水质波动等抵抗能力较弱，同时生态处理系统在运行过程中不能精确调控，难以保持长期稳定运行，因此在实际应用中更多地采用多级生态组合工艺。闫龙等[14]开发了由组合生化池、植物碎石过滤床、多功能接触氧化塘、沉水涵养塘4个部分组成的工艺，应用于乐平市农村生活污水处理（设计水量102 m3/d），工程运行结果表明系统对COD、NH4+-N、TP、SS的平均去除率分别达到81.45%、94.38%、80.44%、94.89%，运行费用为0.54元/m3。有学者研究了蚯蚓生态滤池和人工湿地的组合工艺对太湖地区农村污水的处理效果，结果表明：组合工艺受季节温度变化影响小，温度较低的冬季处理效果依然良好，对COD、TN和TP的去除率达到88%～92%、81%～91%和94%～97%。王晓云等[15]研究了曝气氧化塘—表面流/潜流人工湿地—植草沟组合工艺对台湾省台东县农村污水的处理效率（设计处理污水量5 000 m3/d），2008—2018年的统计数据表明：组合工艺对BOD5、TN和TP的平均去除率分别为（61.55±16.71）%、（67.88±13.89）%和（71.31±12.31）%。张佳琳等[16]研究开发了厌氧—人工湿地—氧化塘组合工艺，用于华南农村污水连片处理（设计规模160～400 m3/d），其出水水质可达一级B标准。诸多研究及实际工程运行结果表明：生态组合处理工艺可获得更为稳定的处理效果，是我国农村污水处理技术发展的主要方向。

2 结束语

当前，我国农村地区的污水处理效率逐年提高，但在发展中仍存在系列问题，如运行与管理资金无保障、缺少专业的运维管理人员，常导致污水处理设施不能正常运行，反而成为集中性的污染源。因此，操作管理简单、运行费用低的处理模式及技术是农村污水处理技术的首选。结合美丽乡村、乡村环境综合整治等我国未来农村环境保护的主要方向，工艺简单、与环境融合的污水生态处理技术将是我国乡村污水治理技术的发展趋势。