謝林花,吳德禮,張亞雷

(1.陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/ 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

農(nóng)村生活污水是我國(guó)農(nóng)村污染物的主要來源之一，而農(nóng)村污染物已成為影響水環(huán)境的重要因素，進(jìn)而影響整個(gè)農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也制約著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)方針的出臺(tái)，使我們看到了中國(guó)廣大農(nóng)村發(fā)展的新方向和美好前景。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)美好愿景，對(duì)農(nóng)村生活污水治理技術(shù)現(xiàn)狀的科學(xué)認(rèn)識(shí)就顯得尤為重要。因此，對(duì)我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)以來的農(nóng)村污水治理技術(shù)進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者通過中國(guó)知網(wǎng)收集并總結(jié)了2000—2016年119篇有關(guān)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究的文獻(xiàn)，分析農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的現(xiàn)狀和態(tài)勢(shì)，綜述農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的各種評(píng)價(jià)方法，旨在為各農(nóng)村根據(jù)實(shí)際情況及需求選擇適用的生活污水處理技術(shù)以及科學(xué)合理開展農(nóng)村生活污水治理規(guī)劃和工程實(shí)施提供參考，以期推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)。

1 農(nóng)村生活污水處理基本狀況

農(nóng)村生活污水包括生活洗滌污水、廚房和沖廁污水以及養(yǎng)殖畜禽污水等，具有污染面廣、來源多且分散不易收集，成分復(fù)雜，地區(qū)差異較顯著，懸浮物、有機(jī)物、氮磷濃度較高等特性。農(nóng)村生活污水量一般低于城鎮(zhèn)，但由于缺乏完善的下水和處理系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱等原因，農(nóng)村生活污水的處理率遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)。污水沿道路邊溝或路面排至附近水體，造成地表水或地下水污染，影響周邊居民的飲用水安全，直接威脅水環(huán)境健康。

據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部數(shù)據(jù)，截至2015年，全國(guó)(西藏、港澳臺(tái)未列入統(tǒng)計(jì))建制鎮(zhèn)共17 848個(gè)，對(duì)生活污水進(jìn)行處理的建制鎮(zhèn)占全國(guó)建制鎮(zhèn)總數(shù)的25.3%。全國(guó)有1.15萬個(gè)鄉(xiāng)、264.5萬個(gè)村莊，村莊戶籍人口7.65億人，對(duì)生活污水進(jìn)行處理的鄉(xiāng)僅為815個(gè)，占全部鄉(xiāng)的7.1%[1]。這2組數(shù)據(jù)充分說明，有大量農(nóng)村生活污水未得到處理，加強(qiáng)農(nóng)村生活污水處理顯得尤為緊迫和重要。

2 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)分類

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的農(nóng)村污水處理技術(shù)較多，按作用原理可分為物理法、化學(xué)法和生物法3種方法。物理法包括重力、離心和過濾等；化學(xué)法包括混凝、吸附和電解等；生物法包括活性污泥和生物膜法。按照主體技術(shù)單元構(gòu)成分類，主要分為生物處理技術(shù)、生態(tài)處理技術(shù)和組合處理技術(shù)3種。

生物處理技術(shù)指通過微生物在好氧或厭氧條件下分解吸收污水中的有機(jī)物、氮和磷。好氧生物處理需要?jiǎng)恿o污水充氧培養(yǎng)微生物，常用方法有厭氧-好氧(AO)法、序批式活性污泥(SBR)法和生物轉(zhuǎn)盤等。厭氧生物處理不需要?jiǎng)恿Γ饕抢脜捬跷⑸锏拇x活動(dòng)將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH4和CO2等，常用方法有厭氧生物濾池和厭氧沼氣池等。

生態(tài)處理技術(shù)是利用土壤-植物-微生物復(fù)合系統(tǒng)共同作用的原理，通過過濾、吸收和分解作用使污水得到凈化，常用方法有人工濕地、土壤滲濾凈化系統(tǒng)和氧化塘等。

組合處理技術(shù)指上述2種處理技術(shù)的結(jié)合或某一種技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部不同工藝形式的結(jié)合，主要包括3種：生物+生物處理組合，如厭氧濾床-接觸氧化凈化槽[2]、厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝(A2O)-膜生物反應(yīng)器(MBR)一體化工藝[3]；生態(tài)+生態(tài)處理組合，如人工濕地+穩(wěn)定塘[4]、生態(tài)浮床與人工濕地組合工藝[5]；生物+生態(tài)處理組合，如厭氧消化+人工濕地+氧化塘[6]、太陽能A2O+潛流人工濕地[7]。每種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，利用生物處理可以降低污水中污染物濃度；通過生態(tài)處理可以降低管理難度并控制運(yùn)行成本；借助組合工藝可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)處理效能并探索改良方法。

3 我國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)應(yīng)用狀況分析

通過文獻(xiàn)調(diào)研，收集了2000—2016年處理水量低于1 000 m3·d-1的全國(guó)各地農(nóng)村生活污水處理工程近150項(xiàng)，經(jīng)過篩選只有119項(xiàng)同時(shí)滿足以下2個(gè)要求：一是有明確處理水量；二是有具體的污染物去除率數(shù)據(jù)或有滿足的排放標(biāo)準(zhǔn)。采集農(nóng)村污水處理工藝案例的年份與工藝數(shù)量關(guān)系見圖1。

圖1 不同年份報(bào)道的工藝數(shù)量

從圖1可見，工藝案例數(shù)量隨年份呈波浪式變化，這可能是工藝案例采集的不完全性以及對(duì)采集文獻(xiàn)案例的條件限制所致，盡管如此，依然可以看出，2000—2016年農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究文獻(xiàn)總體呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，說明對(duì)農(nóng)村生活污水的污染控制已引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。對(duì)農(nóng)村生活污水分散處理工藝規(guī)模分布的調(diào)查(圖2)表明，57.26%的工藝處理水量≤100 m3·d-1，其次是>100～500 m3·d-1之間(32.47%)，而處理水量大于500 m3·d-1的工藝只占7.69%。說明農(nóng)村生活污水排放較分散，水量低。

對(duì)農(nóng)村生活污水119個(gè)工程案例進(jìn)行分類，可分別歸入生物處理、生態(tài)處理和組合處理這3種技術(shù)模式，占比分別為5.88%、14.29%和79.83%。生態(tài)處理技術(shù)中，人工濕地、氧化塘和土地滲濾工藝占比分別為72.22%、11.11%和16.67%。組合處理技術(shù)中，以生物+生態(tài)處理組合占比最多，為71.28%，生物+生物和生態(tài)+生態(tài)處理組合占比分別為19.15%和9.57%。由此可知，農(nóng)村生活污水處理技術(shù)中組合處理技術(shù)使用頻率最高，其次是生態(tài)處理技術(shù)，使用最少的是單一的生物處理技術(shù)。說明農(nóng)村生活污水組成成分復(fù)雜化，單一的處理工藝出水難以滿足國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)和收納水體的環(huán)保需求，需要多種工藝組合以達(dá)到強(qiáng)化系統(tǒng)凈化能力的目的。

圖2 不同處理規(guī)模的工程案例數(shù)量

組合處理技術(shù)中生物+生態(tài)處理技術(shù)模式使用最多，這種模式的前段生物處理主要去除有機(jī)物和部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，后續(xù)生態(tài)處理進(jìn)一步脫氮除磷，前段生物處理可以彌補(bǔ)后續(xù)生態(tài)處理易受氣候變化影響、處理效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，從而更高效地處理污水，提高出水水質(zhì)，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[8]。相比較于其他2種處理技術(shù)，生物和生態(tài)組合技術(shù)需綜合考慮農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境條件、地域氣候差異以及當(dāng)?shù)貤l件、運(yùn)行管理、污泥產(chǎn)量和實(shí)際工程案例等因素，將污染控制與保護(hù)和改善當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境和生態(tài)環(huán)境相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)村區(qū)域性的水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。

4 農(nóng)村生活污水處理出水執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)分析

在119篇文獻(xiàn)中，有84篇文獻(xiàn)注明出水執(zhí)行的具體標(biāo)準(zhǔn)號(hào)，占70%。在注明排放標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)中，依據(jù)最多的標(biāo)準(zhǔn)是GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(一級(jí)A和一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)分別占26.19%和40.47%，未注明級(jí)別占8.33%)，其次是GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別占5.95%和3.57%)，此外還有北京市地方標(biāo)準(zhǔn)的DB 11/307—2005《水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(一級(jí)A和一級(jí)B分別占1.19%和4.76%，未注明級(jí)別占3.57%)和GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(5.95%)。

以上數(shù)據(jù)說明目前針對(duì)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的實(shí)踐中，研究者的關(guān)注重點(diǎn)主要在于污染處理技術(shù)，該現(xiàn)象與我國(guó)農(nóng)村生活污水治理起步較晚有關(guān)。截至目前，尚未出臺(tái)國(guó)家層面的農(nóng)村生活污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)，造成各地農(nóng)村在工藝選擇和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中面臨許多實(shí)際問題，也使得各項(xiàng)技術(shù)在研發(fā)過程存在無明確標(biāo)準(zhǔn)可以參照的問題。

5 各處理技術(shù)污染物考核指標(biāo)分析

5.1 水質(zhì)指標(biāo)分析

在查閱的119篇文獻(xiàn)中，有91篇文獻(xiàn)注明具體水質(zhì)指標(biāo)值?？己说乃|(zhì)指標(biāo)主要包括COD、氨氮、總氮、總磷、SS和BOD5這6項(xiàng)指標(biāo)。圖3是這6項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)在有數(shù)據(jù)實(shí)例文獻(xiàn)中的涵蓋比例情況。

圖3 有數(shù)據(jù)實(shí)例文獻(xiàn)中各水質(zhì)指標(biāo)的考核率分析

從圖3可以看出，對(duì)COD、氨氮、總氮和總磷這4項(xiàng)指標(biāo)的考核率均超過60%。其中，考核COD指標(biāo)的農(nóng)村污水處理技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量最多，占92.31%，說明農(nóng)村生活污水處理的首要任務(wù)是降解有機(jī)物，以解決水體黑臭問題；其次是總磷和氨氮，考核比例分別達(dá)82.42%和75.82%；而對(duì)總氮的考核比例略低，僅為68.13%；SS和BOD5的考核比例相近，分別為42.86%和40.66%。在指標(biāo)組合的綜合考核中，同時(shí)考核COD、氨氮、總氮和總磷4個(gè)指標(biāo)的文獻(xiàn)比例要遠(yuǎn)高于其他組合，占比達(dá)34.07%。這說明各地農(nóng)村生活污水處理出水指標(biāo)考核中對(duì)氮去除的重視程度加強(qiáng)。但不容忽視的是，其他任意組合指標(biāo)的考核比例也較高，說明目前農(nóng)村生活污水排放指標(biāo)不統(tǒng)一，隨意性較大。

5.2 污染物去除率分析

不同地區(qū)農(nóng)村由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、居民生活習(xí)慣、文化背景以及水文等自然條件的差異，生活污水的排放特征也大相徑庭。不同農(nóng)村生活污水處理技術(shù)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的去除效率也不盡相同。在所考察的污水處理技術(shù)中，6類主要污染物指標(biāo)的去除效率分布如圖4所示。

圖4 6類污染物指標(biāo)去除率分布

從圖4可以看出，COD去除率為>80%～90%的工藝所占比例最高，為38.55%；總體上74.7%的工藝COD去除率都達(dá)70%以上；BOD5去除率>70%的工藝所占比例高達(dá)97.22%，普遍較高的COD和BOD5去除率說明農(nóng)村生活污水中的有機(jī)物比較容易去除，符合農(nóng)村生活污水可生化性較好的特點(diǎn)。氨氮和SS的去除率也相對(duì)較高，去除率>70%的工藝所占比例分別為75.35%和87.18%;其次是總磷，去除率>70%的工藝比例為68.91%,但總氮的去除率相對(duì)較低，去除率>70%的技術(shù)占比僅為50.0%，而去除率≤60%的工藝占比也達(dá)35%，提高總氮去除效率可以作為未來農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)之一。

農(nóng)村生活污水處理是否一定要求做到脫氮除磷，需要根據(jù)處理后的出水用途進(jìn)行具體判斷。若經(jīng)處理后的農(nóng)村生活污水選擇直接排放至附近受納水體中，污水處理技術(shù)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)以上4類主要污染物的削減排放，以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的；若經(jīng)處理后的生活污水用作農(nóng)田灌溉、漁業(yè)、沖廁等回用用途，則應(yīng)適當(dāng)放寬污水脫氮除磷的處理要求，以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中富含氮、磷的資源化利用。

6 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)價(jià)

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)有很多種，選擇時(shí)不僅要考慮技術(shù)本身的適用性，還要考慮經(jīng)濟(jì)、管理以及環(huán)境等因素。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)層次分析法是農(nóng)村生活污水處理技術(shù)較為常用的評(píng)價(jià)方法(表1)。

表1已發(fā)表文獻(xiàn)中采用層次分析法對(duì)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果

Table1Evaluationresultsofruraldomesticsewagetreatmenttechnologyusinganalytichierarchyprocessinpublishedliterature

應(yīng)用范圍文獻(xiàn)分析簡(jiǎn)述最佳可行工藝 三峽庫(kù)區(qū)[11]構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境和政策4個(gè)準(zhǔn)則層、12個(gè)指標(biāo)層對(duì)5種工藝進(jìn)行優(yōu)選人工濕地—[12]構(gòu)建技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益3個(gè)準(zhǔn)則層、11個(gè)指標(biāo)層對(duì)6種工藝進(jìn)行優(yōu)選人工濕地湖南等6省[13]構(gòu)建政府投入及重視程度,區(qū)域地形、氣候,居民聚居程度與排水量、處理成本,運(yùn)行管理難度,處理效果6個(gè)準(zhǔn)則層4種工藝進(jìn)行優(yōu)選AO +人工濕地青島市城陽區(qū)[14]構(gòu)建技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、政策和管理5個(gè)準(zhǔn)則層、13個(gè)指標(biāo)層對(duì)6種工藝進(jìn)行優(yōu)選人工濕地江蘇鎮(zhèn)江[15]構(gòu)建工藝有效性、經(jīng)濟(jì)性和可行性3個(gè)準(zhǔn)則層、10個(gè)指標(biāo)層對(duì)4種工藝進(jìn)行優(yōu)選厭氧濾池-氧化塘-植物生態(tài)渠河北平原地區(qū)[16]構(gòu)建技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境因素和管理要求4個(gè)準(zhǔn)則層、14個(gè)指標(biāo)層對(duì)4種工藝進(jìn)行優(yōu)選人工濕地水源地上游地區(qū)[17]構(gòu)建處理效果、技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能3個(gè)準(zhǔn)則層、12個(gè)指標(biāo)層對(duì)8種單項(xiàng)和組合工藝進(jìn)行優(yōu)選生物+生態(tài)組合工藝北京市房山區(qū)[18]構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、直觀環(huán)境、環(huán)境和能效物耗水平4個(gè)準(zhǔn)則層、20個(gè)指標(biāo)層對(duì)5種工藝進(jìn)行優(yōu)選多級(jí)垂直流人工濕地正定縣[19]構(gòu)建4層次、10指標(biāo)對(duì)6種工藝優(yōu)選化糞池+人工快速滲濾

“—”表示未說明。

層次分析法是一種定性與定量分析方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。該方法將復(fù)雜問題分成若干層次和若干指標(biāo)，把這些指標(biāo)按支配關(guān)系分組并鏈接成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一個(gè)層次結(jié)構(gòu)模型。對(duì)同一支配指標(biāo)下的所有指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，建立兩兩比較的判斷矩陣，通過計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，確定每一層次中指標(biāo)相對(duì)于其上支配指標(biāo)的重要性(即權(quán)重)，然后逐層合成指標(biāo)權(quán)重，得到最低層相對(duì)于最高層的綜合指標(biāo)權(quán)重[9-10]，根據(jù)綜合權(quán)重按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案。

由表1可知，農(nóng)村生活生物污水處理技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系一般分為技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和管理效能4個(gè)準(zhǔn)則層和若干指標(biāo)層。盡管存在工藝案例的地區(qū)差異以及評(píng)價(jià)體系中指標(biāo)層的指標(biāo)選擇差異，但依然明顯看出，無論是和其他工藝配合的組合工藝，還是單一工藝，包含人工濕地的工藝被確定為最佳可行工藝的次數(shù)最多，說明人工濕地處理工藝雖然占地面積較大，但是在農(nóng)村生活污水處理中優(yōu)越性最強(qiáng)，體現(xiàn)了人工濕地工藝運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，生物+生態(tài)組合技術(shù)也凸顯優(yōu)勢(shì)，表明生物+生態(tài)和生態(tài)組合法將是我國(guó)未來農(nóng)村污水處理的發(fā)展趨勢(shì)和主導(dǎo)力量，這與該研究前段的調(diào)研結(jié)論相符。

7 總結(jié)

通過對(duì)119項(xiàng)農(nóng)村生活污水處理工程案例文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及運(yùn)用層次分析法對(duì)處理技術(shù)的評(píng)價(jià)可以看出，我國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)目前主要可分為生物、生態(tài)和組合處理技術(shù)3種。生態(tài)處理技術(shù)中人工濕地工藝目前使用較廣。組合技術(shù)中的生物+生態(tài)組合處理技術(shù)因其符合農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)以及農(nóng)村獨(dú)特的地理環(huán)境而得到更多的開發(fā)使用，將有更廣闊的發(fā)展前景。未來總的發(fā)展趨勢(shì)是多種技術(shù)的組合，而多種工藝單元組合的創(chuàng)新技術(shù)是我國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)發(fā)展的主要方向。

我國(guó)農(nóng)村生活污水處理工藝多種多樣，但都缺少規(guī)模效應(yīng)以及標(biāo)準(zhǔn)建構(gòu)，目前我國(guó)農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)缺失，去除效能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不完備，建議今后國(guó)家在開發(fā)各種污水處理技術(shù)、提升技術(shù)效能的同時(shí)盡快完善農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn)，建立、健全對(duì)農(nóng)村污水處理技術(shù)的評(píng)價(jià)體系，在對(duì)農(nóng)村生活污水處理鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，應(yīng)集中應(yīng)用和重點(diǎn)發(fā)展少數(shù)幾種技術(shù)成熟的生物處理技術(shù)，且要盡快使這些處理工藝及其技術(shù)形式標(biāo)準(zhǔn)化。