农村生活污水处理技术及其应用进展

朱国荣，陈林华，蔡 飞，张小芳

（1.诚邦生态环境股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310000）

引言

随着十六届五中全会“建设美丽乡村”目标的确定，乡村振兴战略随之逐步实施开展。但农村经济发展迅速、农民生活水平显著提高的同时，也出现了环境建设与经济发展不同步的问题[1]，其中水污染问题尤为严重。主要因为农村生活污水比例受生活条件状况、生活习惯等因素影响而不同，来源广泛，成分复杂[2-3]，当其无序排放时，易导致沟渠、河塘等地的水质发黑变臭，蚊虫滋生，造成饮用水源不同程度的污染以及水体的富营养化，威胁农村居住环境以及居民身体健康[4]。因此，农村生活污水的处理是改善农村生态环境的关键问题，自2019 年7 月起，各省市地区为响应国家印发的《关于推进农村生活污水治理的指导意见》的相关规定[5-6]，陆续开展有关农村生活污水的治理工作，根据“因地制宜”的标准，综合农村经济状况、人口分布和地理位置等情况，选择最合适的处理技术和工艺获得最佳的处理效果。本文对现有的各类农村生活污水处理技术进行总结，以期为实际应用提供参考。

1 农村生活污水来源及特点

农村居民的生活污水排放方式存在诸多差异，部分生活污水会排入村落周边的明沟或暗渠，部分则就近排入溪、河及湖泊[7]，还有农户会将粪便等收集作为肥料，直接泼洒，使其自然蒸发或渗入土壤。总体来看，村镇分布密度不均导致了农村的生活污水的排放变得极为分散[8]。此外，由于农村地区缺乏垃圾收集处理设施，垃圾随意堆放，使得农村生活污水除了居民的家庭活动用水外，还混有垃圾堆放产生的污水和高浊度的雨水径流等[9]，使得最终汇集的污水水质成分复杂。

2 农村生活污水类型

2.1 洗涤污水

洗涤废水主要是厨房和浴室洗涤时产生的污水，也称灰水[10]。生活洗涤污水中含有较多的化学成分，例如洗衣粉中常含有荧光剂。洗涤污水的磷含量较高、排放量较大，80%左右的生活污水均为洗涤污水，是导致农村水体富营养化的重要原因之一。此外，洗涤污水来源分散，排放时间规律，排放量较大，使得农村生活污水在处理时较为困难。

2.2 厕所污水

厕所污水包括粪便和冲洗厕所产生的污水，也称黑水[11]。厕所污水也具有排放分散、较难集中的特点，并且由于多数农村生活污水直接排放或仅经化粪池简单处理后排放，厕所污水污水处理程度低，水中含有大量的氮元素、营养盐及细菌，对周边水土状况具有较大影响。

2.3 畜牧养殖污水

畜牧养殖时清洗养殖场形成的废水，主要由畜禽尿液、饲料残渣、残余粪便、冲洗水等构成，畜牧养殖污水的水质水量变化大，悬浮物多、有机物浓度高、氨氮浓度高、致病菌并有恶臭，属于高浓度、高氨氮、高悬浮物、处理难度大的“三高”废水[12]。有研究表明[13]，我国目前农村畜禽养殖规模仍继续增加，养殖总量以每年8%的趋势增长，对环境造成的危害将会越来越大，另外，污水中抗生素的残留问题也逐渐成为养殖场污水处理的重点。

因此可知，农村生活污水的排放时间较为规律，水中含有高浓度的氮磷元素，具有较好的可生化性，且重金属及有毒有害物质含量不高，主要成分总结如表1 所示。

表1 农村生活污水主要组分

3 农村生活污水处理技术

3.1 生态处理技术

3.1.1 稳定塘

稳定塘是一种较为常见的农村污水处理方式，将污水通入人工建造或自然形成的池塘，污水在塘内停留时，塘内菌藻利用污水中的污染物进行生长代谢，将水中的氮素等污染元素去除。稳定池可以充分利用农村地形，施工简单、投资少，具有美化景观的作用，但主要适用于土地资源较广的农村地区[14]，可以实现节能经济和污水资源化处理的目的。黄翔峰等[15]的研究发现，稳定塘技术在处理生活污水时，对于COD、氨氮、TN 和TP 的平均去除率分别为97.02%、84.33%、80.18%和77.34%，并且可达到中水回用的目的。

由于农村生活污水的组成成分差异较大，水质波动难以预测，不同类型的水体变化过程中都会产生不同的优势菌，因此稳定塘还可以利用原位水生动植物，提升净水作用。但是，传统稳定塘易受到环境变化的影响，维护不当时易于导致臭味和污染物堆积，需要通过外加控制曝气条件来提升处理效果，近年来，已经开发出基于原始稳定塘技术的几种新工艺，将该技术结合新型污水处理设施协同使用。

3.1.2 人工湿地技术

目前利用湿地生态系统来处理污水逐渐成为了一种新型的生态水处理技术。人工湿地将合适的填料置于处理区域内，由上至下填充填料层、微生物和水生植物[16]。填料层可就地取材，利用卵石、砂土等材料初步过滤污水；微生物可以分解污水中的有机物，去除水中氮素；水生植物作为最为重要的一个环节，其根系释放的氧气可以供给微生物生长繁殖，部分特性植物的根系还能转化水中的有毒有害物质[17]。因此，人工湿地采用物理沉降、化学处理结合生物作用的手段可以获得较好的污水处理效果。

人工湿地主要分为表流型、垂直潜流型和水平潜流型三种，目前在农村地区生活污水处理较常采用的是水平或垂直的潜流型人工湿地[18]。在潜流型人工湿地中，污水流入到填料床后渗入植物根区，水中的污染物通过土过滤、吸附、自身的沉淀、微生物降解和植物吸收等作用得以去除，人工湿地对农村生活污水中含量较高的COD、悬浮物、动植物油、细菌、总氮、总磷均有较好的去除效果[19]，此外，经由人工污水处理后的污水可回用于绿化和洒水。

由此可见，与传统的污水处理方式相比，人工湿地处理技术不会涉及到过多的机械设备不仅操作简便、应用成本较低，其对资源的消耗也相对较少，从而提高了经济效益。有研究表明，人工湿地在处理生活污水具有较强的稳定性，是一种适合农村生活污水的有效处理方式。但是，利用人工湿地进行污水处理工作时，需要综合考虑处理地区的实际情况，选择合适的绿植品种[20]，应用过程中还要确保人工湿地进水工作和充氧工作的有效性，以此来保障绿植的存活率，维持人工湿地的处理效果。

3.1.3 土地处理技术

在农村生活污水常见的生物处理技术中，可以利用土壤、植物、微生物三者之间的相互作用与物质循环[21]，通过过滤截留、吸附和生物降解的协同作用使污水实现资源化利用，改善污水水质[22]。

李蘅等[23]研究了不同渗滤介质组成的人工土柱对生活污水的处理能力，结果表明河砂+斜发沸石+方解石的组合对COD、氨氮都有较高去除率，将该组合用于桂林某地200 人村庄的农村生活污水处理实际工程，出水悬浮物为4 mg/L～10 mg/L，COD 为10 mg/L～30 mg/L，总磷为0.24 mg/L～0.57 mg/L，氨氮为0.062 mg/L～0.080 mg/L，水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A 标准。马文洁等[24]利用煤渣、河砂、粉煤灰与钢渣作为填料，模拟地下渗滤系统，研究不同水力负荷条件下对农村生活污水中主要污染组分的处理效果。结果表明，经过负荷比例调节，该人工土地系统对总磷、氨氮和COD 去除的最佳效果分别为90.06%、89.32%和91.51%。

稳定塘、人工湿地、土地处理等生态处理手段通过微生物的自身作用对污染物进行吸收降解，但易于受到实际环境的影响，出水水质不稳定，因此随着水处理技术的不断发展，一体化污水处理系统逐渐普及，目前小型一体化集成装置处理技术以生物滤池、序批式活性污泥反应器（SBR）工艺和膜生物反应器（MBR）为主，凭借其简单的结构和便捷的操作成为了目前农村生活污水处理研究的热点。

3.2 一体化集成设备处理技术

3.2.1 厌氧生物处理技术

厌氧生物处理技术于1860 年被研发，在无氧条件下，体系中的厌氧微生物通过代谢活动将污水中的大分子有机物转化为甲烷、二氧化碳和水[25]，将污水中的有机物转化为能源性的甲烷气体，该技术凭借处理效能高，剩余污泥量少、可实现污水能源化回收等独特优势而备受青睐，目前被广泛应用于农村生活污水处理系统[26]。厌氧生物处理技术实现污水能源化回收的一种可持续发展型污水处理技术。

3.2.1.1 厌氧滤池（AF）

厌氧滤池利用天然或人工填料作为微生物生长的载体，依据进水方式分为上流式厌氧滤池和下流式厌氧滤池[27]，污水流经填料区的过程中被附着其上的微生物利用后，最终转化为甲烷和二氧化碳。该反应器可以过滤生活污水中的悬浮物，防止污泥流失，并且启动周期短、运行成本低，适合与生态处理技术组合处理农村生活污水。

凌霄等[28]利用厌氧生物滤池+生态浮床的无动力地埋式组合工艺对处理南方某地农村生活污水，设计规模为60 m3/d，水力停留时间为52 h，该组合工艺对进水COD、氨氮、总磷的平均去除率分别达到81.0%、80.9%和81.9%，系统的出水水质稳定，浊度显著降低；徐兴愿等[29]以回收塑料作为厌氧滤池填料，组合人工湿地工艺处理生活污水，对于COD、氨氮的去除率可以分别稳定84.99%和69.31%。王永谦等[30]设计的“厌氧消化-缺氧-好氧-人工湿地”可在中低温环境下稳定运行，处理农村生活污水的水力停留时间为72 h，在实验周期的65 d 内，工艺出水COD均低于39.3 mg/L。

3.2.1.2 膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）

膨胀颗粒污泥床反应器是目前最新一代的厌氧生物技术[31]，包括布水区、反应区、分离区、集气室及循环区，污水通过布水区分配到反应器底部，经由反应区与污泥充分接触，将污水中的有机物转化为能源性沼气，通过三相分离器在分离区实现气、液、固分离，其中气体经由集气室收集，污泥回落至污泥床，出水经由沉淀区收集部分回流至进水，部分排出至后续反应器。

李伟等[32]利用EGSB 反应器构建氧化和还原双重环境，降解生活污水中有机物，同时去除部分氮磷污染物，对于COD的去除效果可达94%。李清雪等[33]利用“EGSB+生态单元”的组合工艺，在室温下，对于COD 约为325.3 mg/L 左右的污水可以获得较好的处理效果。

根据现有厌氧生物技术的对比（如表2），可见该技术在工业废水处理方面具有独特的优势，而根据水质特征选择适宜的工况优化反应器是保证工艺高效的基础，同时厌氧反应器在针对农村生活污水进行处理时，时常需要与生态处理技术相组合，协同提升工艺的整体处理效能。

表2 厌氧生物处理技术对比分析[34-37]

对于农村生活污水而言，如何能快速将污水中有机物转化为能源性气体（甲烷等），如何能尝试保留水体中的氮、磷元素并将其回用为水肥，如何在环境温度下进一步的拓展厌氧生物反应器的使用空间，如何优化菌群结构等问题都是是未来厌氧生物技术的重要研究和发展方向。

3.2.2 序批式活性污泥反应器（SBR）

序批式活性污泥（SBR）反应器将污水通过反复曝气、反应沉淀和静止排水的流程，使得氮元素等污染物得以去除[38]。张冰等[39]利用一体化空气提升SBR反应器处理低碳氮负荷的农村生活污水，调节曝气质量浓度为3 mg/L，调节曝气+沉淀为“3 h+1.5 h”的运行模式，反应器出水COD、氨氮、总氮和总磷等指标均满足GB 18918—2002 二级标准。薛晨楠[40]利用微米级四氧化三铁磁粉优化活性污泥的水处理效果，在解决传统SBR 反应器中污泥絮体结构松散、沉降速率低等问题的同时，对于COD、氨氮、总氮和总磷的去除率分别高达95.30%、91.48%、70.83%和92.80%。

由于SBR 工艺占地面积小、运行方式简便并且具有较高的脱氮除磷效率，适用于经济条件好但水资源、土地紧缺的农村地区。但由于SBR 排水时的设备易于产生浮渣，需要专人定期维护，运维费用较高[41]，因此在经济落后的农村地区难于推广使用。

3.2.3 生物膜反应器（MBR）

MBR（膜生物反应器）改进了传统生物处理中的二沉池，改用膜进行泥水分离，可以保持较高的污泥浓度，可以使反应器内的微生物大幅度增殖[42]，在提升泥水分离效率的同时保证了反应器的生物降解的稳定性。MBR 技术主要由生物降解和膜分离两部分组成，前者去除溶解有机物与无机成分[43]，后者去除悬浮物，运行过程中反应器的耐冲击负荷能力较强，出水水质较好，可以实现中水回用，是我国目前较为常用的处理农村生活污水的工艺流程之一[44]。工艺流程如图1。

图1 一体化MBR 工艺图[45]

郭浩等[46]采用间歇运行的MBR 反应器处理COD 浓度为72 mg/L～297 mg/L、氨氮质量浓度为4.55 mg/L～33.78 mg/L 的农村生活污水，实验期间反应器对于COD、氨氮的平均去除率可以分别维持在93.1%、93.8%左右，且出水COD 稳定在50 mg/L 以下。裴亮等[47]利用一体式MBR 反应器处理农村生活污水，尽管进水COD 波动较大，但通过反应器处理后出水COD 可以保持在30 mg/L 左右，此外，反应器对污水的氨氮、BOD5、浊度也具有一定的去除效果。Ding等也发现了膜生物反应器的优势，采用一体化立式MBR 反应器处理生活废水，COD 和氨氮的去除率分别可达95%和99%。由此可见，MBR 反应器处理进水波动较大的农村生活污水时，工艺对污水中COD 和氨氮去除率较高且出水稳定。

目前，针对MBR 单独使用时由于缺少厌氧环境导致反硝化阶段受限等问题，也可以利用其他工艺与MBR 反应器组合的方式使其发挥各自的优势，实现良好出水效果的同时保证工艺的稳定性。

3.2.3.1 MBR 结合A/O 工艺

将MBR 反应器与A/O 工艺相结合，不仅可以解决单独使用MBR 反应器时反硝化阶段受限的问题，还可以解决单独使用A/P 工艺处理低浓度污水硝化菌较少的问题。黄正文等[48]利用MBR+A/O 工艺处理农村生活污水，系统运行期间氨氮去除率可以保持在91.29%，出水质量浓度低于1.58 mg/L。郑航宇等[49]将A/O 工艺与MBR 反应器结合后，作为强化生物吸附池处理农村生活污水，对氨氮和总氮的去除率均高于70%。

3.2.3.2 MBR 结合人工湿地工艺

人工湿地与MBR 的结合有助于进一步提高对于水中氮磷元素的去除率。蒋岚岚[50]利用“MBR+人工湿地”工艺处理江苏省某农村的生活污水并获得较好的处理效果，对氨氮、总氮和总磷的去除效果分别可以达到85.8%、64.7%和89.3%。北京平谷区某村利用该组合工艺系统长期运行处理生活废水，获得稳定高效的处理效果，对氮氮、总磷的去除分别达到99.4%和70.7%。

综上所述，MBR 工艺因其较强的耐冲击负荷能力与较好的出水效果，已经被逐渐应用于农村生活污水的处理，并根据地区的地理条件选择不同的组合工艺优化处理效果。但是，MBR 工艺也存在一定的问题，膜常规的使用运行会产生较高的维护费用，在管理方面的技术需求也在一定程度上限制其在农村地区的使用，如何使其得以普遍推广，是亟待解决的问题。

4 展望

目前，农村生活污水处理技术的基础研究已经取得了一定的成效，上述技术手段在国内外均已有诸多成功案例，因此结合我国分散式生活污水的排放现状，因地制宜，选择合适的处理技术获得最佳处理效果是妥善处置废水的目标。在未来的工程应用中，应继续优化流程，取长补短，开发出普适性广、经济适用、维护简单的污水处理装置，还要针对区域特征、季节以及施工条件确定不同的实施方案，全面推进农村生活污水的治理。