川西北高寒高海拔地区农村生活污水治理适宜技术研究

田丰 肖杰 王春 杨长军 张珅 高东东 何鹏

（四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610064）

1 引言

近年来，四川省大力推进农村生活污水收集与治理工作，印发了《四川省农村生活污水治理三年推进方案》，方案明确要求到2021 年年底，全省行政村生活污水有效治理率目标为60%［1-2］。四川省生态环境厅例行新闻发布会上公布的数据显示，截至2021 年7 月，全省共有17 541 个行政村生活污水得到有效治理，治理率达到61.7%，已提前完成既定目标。但川西北高寒高海拔地区因气候条件、经济发展和人口分布等影响，农村生活污水有效治理率还不足40%，与全省平均水平仍有一定差距，已建污水处理设施不同程度地存在污水收集率低、进水浓度低和设施运行不稳定等问题。此前，对高寒高海拔地区农村生活污水治理技术研究甚少，常规污水处理技术难以在该地区适应。因此，亟须探索出适合高寒高海拔地区的污水处理技术，以解决川西北高原地区农村生活污水环境污染问题［3-4］。

2 高寒高海拔地区农村生活污水治理现状

2.1 高寒高海拔地区主要特点

一是自然条件恶劣，经济发展相对落后。四川省高寒高海拔地区平均海拔在2 400 m 以上，冬季气温在-15～5 ℃之间，冻土层厚度0.6～1.5 m。所有县均为刚脱贫的国家级贫困县和乡村振兴重点帮扶县，财政收入紧张，农民人均可支配收入仅为全省平均水平的80%。二是农村人口总数小、聚居度相对偏低。区域现有2 065 个行政村、4 757 个自然村，21.6 万户、89.8 万常住人口，地广人稀，人口密度仅为7.4 人/km2，村庄规模普遍较小，居住较分散。三是污水排放量小、污染物浓度低。牧区生活污水排放量10～20 L/（人·d），半农半牧区20～50 L/（人·d），河谷农区40～50 L/（人·d），旅游景区和旅游沿线农村旅游旺季60～80 L/（人·d），淡季减少至50 L/（人·d）以下。冬季农户多采用“长流水”（为防止高寒高海拔地区冬季管道冻结，农户家用自来水保持常流状态）方式防冻，导致污水处理设施进水浓度低，后续生化段污泥营养物质严重不足，难以保障设备正常运行。四是农村生活污水治理尚处于起步阶段。截至2021 年10 月，高寒高海拔地区农村生活污水有效治理的行政村占比不足40%。已建的污水处理设施中，约80%设施采用有动力的生化处理或组合工艺，其中以A/O，A2/O，MBR 等工艺居多；20%为无动力的厌氧工艺，主要采用“厌氧+土地处理”“三格式化粪池+资源化利用”等工艺。

2.2 污水治理存在的主要问题

一是部分已建设施设计标准过高。以四川省DB 51/2626—2019《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》实施日期为界限，2020 年前建成的农村污水处理设施中，25%参照执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A，B 标准，6%参照执行GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准。二是选用的工艺技术种类繁多且偏复杂。区域内 采 用A2/O、A/O、MBR、MBBR、CASS、SBR、PASG（地埋式综合生化处理工艺）、生物转盘、接触氧化法等多达9 种工艺；半数县市选用工艺在4 种以上，繁杂的处理工艺增加了日常运维难度。三是已建设施运行负荷率低、正常运行率低。已建设施总设计处理规模约10 000 m3/d，实际运行负荷率不足50%。受处理工艺适用性差、建设质量参差不齐、运维资金和技术人员保障不足等因素制约，部分污水处理设施无法稳定正常运行。

3 高寒高海拔地区主要适用治理技术

针对高寒高海拔地区自然条件恶劣、地广人稀、污水量小、环保设施建设相对滞后、地方财力薄弱等现状，因地制宜探索低成本、易维护、高效率、抗冲击的治理技术，成为该地区农村生活污水治理的必然选择。经广泛调研、深入研究和专家咨询，推荐四川省高寒高海拔地区主要适用技术包括厌氧生物膜法、接触氧化法、移动床生物膜反应器（MBBR）、生物滤池、人工湿地等5 种，见表1。

表1 四川省高寒高海拔地区农村生活污水主要适用技术

4 推荐组合工艺

高寒高海拔地区农村生活污水应坚持“分散处理、资源化利用为主”的治理思路，严格控制建设集中处理设施数量，将黄河流域、水源保护区、旅游风景区、城乡接合部、乡镇政府所在地、中心村等“六类村”作为治理类村庄，可采取集中收集处理利用模式，出水达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》相关要求，其他规模较小和管控类村庄应结合农村卫生厕所改造工程，以资源化利用为主，并加强生活污水排放利用管控。下面介绍几种适宜高寒高海拔地区的组合工艺。

4.1 资源化利用处理工艺

4.1.1 卫生旱厕＋灰水收集＋资源化利用

高寒高海拔地区推荐使用的无害化卫生旱厕，主要有粪尿分集式厕所和双坑交替式厕所2 类。该工艺将粪污通过短期发酵、自然降解的方式进行无害化处理，经堆沤腐熟成农家肥，就地就近农用。卫生旱厕在日常维护中需做好防雨、防水措施，严禁生活污水排入，并及时清理贮尿桶和贮粪池。

4.1.2 三格/四格式化粪池＋资源化利用

该工艺是利用沉淀和厌氧微生物发酵原理的污水初级处理设施，通过厌氧生物分解作用去除部分有机污染物，通过沉淀作用去除大部分悬浮物。处理后的粪污可资源化利用，也可排入土壤渗滤系统或人工湿地等进行生态处理。化粪池日常管理维护简便，主要包括水量控制、防漏、防臭、清理格栅杂物、清理池渣等工作。注意在清渣或取粪水时，在池边严禁明火，以防池内粪便发酵产生的沼气遇火爆炸。

4.2 达标排放处理工艺

4.2.1 预处理＋人工湿地

该工艺将黑水排入化粪池进行预处理，经过一定的停留时间后，化粪池第三格上清液和灰水一起自流进入人工湿地，在土壤—植物—微生物的协同作用下进一步净化，经处理达标后出水外排或资源化利用。工艺流程见图1。

图1 “预处理＋人工湿地”组合工艺流程

人工湿地面积可按有机负荷、水力负荷或停留时间等条件来确定，垂直潜流人工湿地、水平潜流人工湿地和表面流人工湿地的水力负荷分别为每日每吨污水不低于2，3，10 m3，水力停留时间分别为2～4 d，3～5 d，5～8 d；基质宜就近取材，结合材料机械强度、比表面积、孔隙率等参数进行级配；水生植物应优先选择根系发达、成活率高、耐污能力强、水质净化效果好、抗冻及抗病虫害能力强、容易管理的本土植物，可选择芦苇、香蒲、菖蒲、水芹、杉叶藻、灯心草等耐寒性植物。人工湿地应在底部和侧面进行防渗处理，防渗层可采用黏土层、聚乙烯薄膜及其他建筑防水材料。人工湿地应注意冬季保温，宜采取分层布水，冬季降水位运行。日常管理运行中需注意适时调节水位，避免出现短流现象；密切关注植物生长情况，适时缺苗补种、杂草清除、收割以及控制病虫害；采取措施确保植物生长平稳过冬；采取定期清淤、局部更换基质等方式防止堵塞。

4.2.2 预处理＋厌氧生物膜法/生物滤池（＋人工湿地）

该工艺将生活污水经化粪池预处理后送至厌氧池；厌氧池内设有挂膜生物填料或滤料强化厌氧处理效果；对进水浓度低且水质排放要求不高的地区，经过厌氧强化处理后可直接排放。对水质排放要求高的地区，经厌氧处理后的出水可进入人工湿地，进一步削减污染物。工艺流程见图2。

图2 “预处理＋厌氧生物膜/生物滤池法（＋人工湿地）”组合工艺流程

厌氧生物处理水力停留时间宜为2～5 d，填料或滤料的选择宜为生物膜易附着的，同时填料或滤料应具备比表面积大、通水阻力小、强度高、耐腐蚀、抗老化、使用寿命长等特性。厌氧池在建设期应做好防渗、防漏措施；并对厌氧池进行封顶处理，且顶部留有排气口和人孔，必要时可增加除臭装置。运维期应定期排放与处置池底污泥，定期检查厌氧池的进、出水口和排气口，及时处置沼气，有条件的地区可考虑沼气收集与利用。

4.2.3 预处理＋生物接触氧化（+人工湿地）

该工艺通过格栅、调节池等去除污水中的漂浮物和悬浮物，在厌氧池中降解大分子有机物并进行氨化反应，再进入生物接触氧化池，在好氧条件下进一步去除有机物，自养菌的硝化作用将氨态氮氧化为硝态氮，通过回流在缺氧条件下实现总氮脱除，好氧池出水进入沉淀池进行泥水分离，尾水可直接排放，或经人工湿地进一步深度处理后排放或资源化利用。工艺流程见图3。

图3 “预处理＋生物接触氧化（+人工湿地）”组合工艺流程

生物接触氧化处理系统主要去除有机物时，按BOD5表面有机负荷确定池体体积，填料填充率50%～80%，水力停留时间3～6 h，通常选择4 h 为宜，同时应满足水力负荷要求。系统需去除有机物和脱氮时，应在生物接触氧化池前设置缺氧池，BOD5表面有机负荷，好氧池、缺氧池填料填充率50%～80%，水力停留时间分别为4～12 h，1～3 h，出水回流比100%～300%；除磷时需单独增加除磷工艺。当采用多级接触氧化工艺时，第一级生物接触氧化池的水力停留时间应占总水力停留时间的55%～65%，处理效果稳定高效。在运行过程中，需注意填料载体上生物膜生长与脱落情况，并通过适当的气量调节防止生物膜的整体大规模脱落。确保无曝气死角，调整曝气头位置，保证均匀曝气。定期察看有无填料结块堵塞现象发生并予以及时疏通。

4.2.4 预处理＋MBBR（+人工湿地）

该工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点，在高寒高海拔地区应用具有较大优势。农村生活污水流经格栅截留了大部分漂浮物后，与回流污泥共同进入MBBR 生化池，MBBR 生化池内一般包括厌氧池、缺氧池、好氧池。厌氧池主要功能是降解有机物、提高污水的可生化性，同时释放磷以及对部分有机物进行氨化；缺氧池主要功能是脱氮、水解和降解部分有机物；好氧池主要功能是好氧池内投加的悬浮填料表面附着生长生物膜，促进有机物去除、硝化反应和磷的吸收，好氧池出水进入沉淀池进行泥水分离后排放。工艺流程见图4。

图4 “预处理＋MBBR（+人工湿地）”组合工艺流程

MBBR 处理系统主要去除有机物时，按BOD5表面有机负荷确定池体体积，填料填充率20%～50%，水力停留时间2～6 h。系统需去除有机物和脱氮时，应在生物接触氧化池前设置缺氧池，BOD5表面有机负荷，好氧池、缺氧池填料填充率20%～50%，水力停留时间分别为3～12 h，0.5～3 h，出水回流比100%～300%；池内水平流速不应大于30 m/h。在实际工程中，为避免填料堆积现象，需改进曝气管路的布置、反应器的结构和水力特性。单个反应器的长深比宜为0.5 左右，且长度不大于3 m，有利于填料完全移动；反应器出水需设置活动栅板，定期进行人工清理，也可设置空气反吹装置，以防止堵塞和填料流失。上述组合工艺特点见表2。

表2 四川省高寒高海拔地区农村生活污水组合工艺特点

5 已有问题设施工艺改造

5.1 工艺常见问题

5.1.1 MBR 工艺常见问题

川西北高寒高海拔地区采用MBR 工艺的农村生活污水处理设施稳定运行率偏低。经分析，在技术层面主要存在以下问题：（1）设计标准过高，采用MBR法与多种工艺组合使用，造成处理工艺偏复杂，运维管理困难。（2）部分设施进水浓度过低，碳源不足导致MBR 生化池内活性污泥浓度较低，在个别时段进水浓度偏高时设施不具备抗冲击能力。（3）预处理段不完善，如缺乏膜格栅，进水中的杂物易造成膜组件损坏。（4）MBR 膜组件未定期清洗，造成膜表面污染严重，影响处理效果和产水效率。

5.1.2 A2/O 活性污泥法常见问题

川西北高寒高海拔地区采用A2/O 工艺的设施中，部分设施运行效果不佳甚至停运，主要存在以下问题：（1）水温低、大气压低，导致处理设施中的污泥活性低，微生物世代繁衍困难，且进水浓度低，导致生化池内污泥量少，处理效果不佳。（2）A2/O 活性污泥法工艺流程较长，非专业人员无法精准控制内外污泥回流量，导致反硝化反应不彻底，影响脱氮效果。（3）部分规模较小的处理设施，采用较为复杂的A2/O 活性污泥法工艺，导致造价高、能耗高，运维成本高。

5.2 改造方案

（1）对于处理规模小于20 m3/d 的污水处理设施，可将工艺调整为无动力的厌氧生物膜法工艺，形成“预处理＋厌氧生物膜/滤池”组合工艺，即向生化池投加高效填料或滤料培养附着生物膜，提高系统的抗冲击能力和处理效果。

（2）对于处理规模在20 m3/d 及以上的污水处理设施，调整为“厌氧＋生物接触氧化/MBBR（+人工湿地）”组合工艺，即投加高效固定或悬浮填料，以提高微生物浓度，提高处理效果，经改造后的出水完全满足生活污水处理达标排放和资源化利用的需求。

（3）大多数污水处理技术均是依靠微生物代谢作用实现对污染物的去除，高寒高海拔地区常年气温较低、冬季严寒，限制了微生物对污染物的降解能力。同时，低温条件下易造成管道结冰堵塞、设施运行故障甚至损坏等现象。因此，应对高寒高海拔地区污水处理设施及配套管网采取增加埋深、加设保温层等手段。对于有条件的地区，还可采取设置大棚、铺盖秸秆、太阳能辅助等强化保温措施。

6 结论

（1）高寒高海拔地区农村生活污水在选择处理工艺时，应充分考虑地形地貌、社会经济条件、风俗习惯、进水浓度、排放标准和运维管护能力等因素，因地制宜地选取适合的污水处理工艺，不宜选择工艺流程复杂、运行维护困难的工艺。

（2）根据高寒高海拔地区已建、在建污水站实际情况，结合农村居民居住习惯、污水收集处理现状，农村生活污水治理方式推荐以下几种：对于经济条件较差、农户分布分散且周边有消纳土地的偏远农村地区，可采用“卫生旱厕+灰水收集+资源化利用”和“三格/四格化粪池+资源化利用”2 种资源化利用工艺；对于处理规模小于20 m3/d 的污水处理设施，可采用“预处理+厌氧生物膜/滤池”组合工艺；对于处理规模在20 m3/d 及以上的污水处理设施，可采用“厌氧+生物接触氧化/MBBR（+人工湿地）”组合工艺。

（3）为确保冬季运行效果，设备及管网应结合当地地形、冻土层深度、地下水水位等选择保温措施，可选择深埋、浅埋、大棚保温、新型材料和新能源等多种方式组合使用。