趙以國，張靖雨，汪邦穩(wěn)，龍昶宇，張 衛(wèi)，張世杰，趙黎明

（1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；2.水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

農(nóng)業(yè)面源污染是水體富營養(yǎng)化的主要原因，其貢獻(xiàn)率大大超過城市、工業(yè)的點(diǎn)源污染。與城市不同，農(nóng)村污水排放日變化系數(shù)大[1]，農(nóng)忙時(shí)水量大、農(nóng)閑時(shí)水量??；大多不含重金屬或有毒有害物質(zhì)，有機(jī)物含量高、可生化性較強(qiáng)；農(nóng)村污水管網(wǎng)布設(shè)不健全，難以運(yùn)行管理復(fù)雜技術(shù)工藝。此外不同區(qū)域污水排放特征差異很大，遠(yuǎn)高于城市之間的差異水平。安徽省淮北平原區(qū)農(nóng)村數(shù)量多、土地利用率較低，COD與TP 濃度波動性較大[2]。目前各地農(nóng)村環(huán)境綜合整治和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)已大力開展，但局部地區(qū)不考慮地域特征實(shí)際，存在形象工程、面子工程，設(shè)施處理效果不佳，造成資源浪費(fèi)。因此系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外農(nóng)村生活污水處理經(jīng)驗(yàn)，對比不同處理模式的優(yōu)缺點(diǎn)，積極探索符合當(dāng)?shù)貐^(qū)域?qū)嶋H的生態(tài)綜合治理技術(shù)與方法變得尤為迫切。

1 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究進(jìn)展

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)分類見圖1。自然與生態(tài)相結(jié)合的NEWS 處理工藝由化糞池-厭氧生物濾池-上下流人工濕地組成，在韓國公州市、忠清南道已經(jīng)得到了較多的推廣應(yīng)用[3]。我國關(guān)于農(nóng)村生活污水研究上世紀(jì)80年代開始起步，目前常見的方法主要包括厭氧發(fā)酵-接觸氧化法、人工濕地、膜生物反應(yīng)器（MBR）、穩(wěn)定塘等。

圖1 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)分類

1.1 常見處理技術(shù)

厭氧發(fā)酵-接觸氧化將厭氧水解技術(shù)用為活性污泥的前處理，對COD，NH4+-N，TP 具有較好的去除效果，耐沖擊負(fù)荷、污泥量少、反硝化作用強(qiáng)，適用于日處理能力100 000 m3以下的中小型污水處理設(shè)施，但需機(jī)械曝氣充氧，能耗及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較高。人工濕地DO 濃度較低，生物作用以兼性細(xì)菌和厭氧菌分解為主[4-5]，適合處理污染物濃度低特別是含氮量低的生活污水，但單一運(yùn)行局限性大，且應(yīng)用過程易受氣候溫度、基質(zhì)堵塞問題影響。MBR 工藝將活性污泥法與膜分離技術(shù)相結(jié)合，以膜組件取代二沉池，在生物反應(yīng)器中保持高活性污泥濃度，實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間完全分離，減少占地和污泥量。但TP 的去除主要依靠前端投加藥劑化學(xué)除磷，且成本高、管理繁瑣，膜易發(fā)生堵塞或污染。穩(wěn)定塘利用設(shè)置防滲層后的天然池塘中的微生物降解、吸附作用達(dá)到凈化水質(zhì)目的，處理后出水可直接用于農(nóng)田灌溉，但同時(shí)存在效果不穩(wěn)定、水力停留時(shí)間長、有氣味等缺點(diǎn)。

本文結(jié)合各項(xiàng)工藝的特點(diǎn)和處理成本，通過查閱大量研究經(jīng)驗(yàn)，梳理了幾種常見的農(nóng)村生活污水處理工藝的實(shí)際應(yīng)用效果，見表1。由表1 可知，實(shí)際應(yīng)用中MBR 工藝平均去除率能達(dá)到90%以上，但能耗高，膜易發(fā)生堵塞、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)使推廣具有局限性。而人工濕地、氧化塘及生物濾池等生態(tài)型處理技術(shù)的去除效果從10%～90%不等，波動性較大，與溫度、水生生物季節(jié)性變化、基質(zhì)填料選擇等因素有直接關(guān)系。橫向?qū)Ρ葋砜?，不同類型處理技術(shù)均對TN，NH4+-N 及COD 去除效果較好，但由于人工濕地、氧化塘等有限的溶解氧和碳源缺乏，TP去除率普遍較低，單依靠某種工藝往往需對尾水投放藥劑以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求。因此往往需要因地制宜選擇不同生物組合、生態(tài)組合或生物生態(tài)組合等多種模式以提高處理效率，切實(shí)解決“建得起、用不起”、處理設(shè)施曬太陽的困難局面。

表1 幾種常見的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)比較

1.2 生物生態(tài)組合處理技術(shù)

生物生態(tài)組合技術(shù)中前段生物處理主要負(fù)責(zé)去除有機(jī)物和部分營養(yǎng)物，可以克服生態(tài)工藝易堵塞的問題，后段生態(tài)處理進(jìn)一步對污水脫氮除磷，解決生物處理技術(shù)復(fù)雜和建造費(fèi)用高的難題，從而提高出水水質(zhì)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前人工濕地、穩(wěn)定塘等生態(tài)處理技術(shù)和其他生物處理技術(shù)的組合被越來越多地應(yīng)用在農(nóng)村生活污水的處理上。

1.2.1 A/O-人工濕地組合處理工藝

A/O-人工濕地組合污水處理技術(shù)作為一種設(shè)計(jì)合理、操作簡單、工藝成熟的工藝，已經(jīng)普遍用于在我國多個(gè)地區(qū)的農(nóng)村污水處理工程中。組合工藝前置的生物接觸氧化反應(yīng)器大大減小了人工濕地的污染負(fù)荷與堵塞的可能，同時(shí)后置的人工濕地能夠很好彌補(bǔ)生物接觸氧化工藝對氮、磷去除能力的不足。熊仁等[18]采用厭氧+ 跌水曝氣+ 人工濕地組合工藝實(shí)現(xiàn)對COD，TN，TP，NH4+-N，SS 這5 個(gè)常規(guī)指標(biāo)的平均去除率分別達(dá)到74.5%，57.2%，59.5%，59.0%和91.6%，且厭氧反應(yīng)池對SS 去除貢獻(xiàn)率最大。崔鵬[19]發(fā)現(xiàn)低溫8～12 ℃時(shí)，A/O+垂直流人工濕地組合工藝對去除COD，NH4+-N，TN 和PO43-的平均貢獻(xiàn)能夠達(dá)到88.4%，72.9%，58.7%和75.4%。

1.2.2 膜生物反應(yīng)器-人工濕地組合處理工藝

MBR 工藝為前置反硝化提供兼氧環(huán)境，具有良好的脫氮效果。兼氧MBR 工藝通過污泥中的兼性厭氧菌作用來實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的降解，由于沒有對溶解氧濃度的要求從而降低了能耗。通過適當(dāng)增加曝氣量保證兼性厭氧菌低溫狀態(tài)下活性，兼氧MBR 工藝在北方低溫農(nóng)村地區(qū)長期運(yùn)行出水各污染指標(biāo)平均去除率在60%以上[20]。許得雨等[21]構(gòu)建了以不銹鋼絲網(wǎng)作為膜材料的新型厭氧膜生物器，使COD 去除率穩(wěn)定在93%以上的同時(shí)有效了緩解膜污染問題。張躍峰[22]多年探索形成了多級串聯(lián)大深徑比厭氧反應(yīng)器+ 跌水接觸氧化裝置+ 水生蔬菜濾床和浸潤度可控型人工濕地組合工藝，在內(nèi)部形成整體推流流態(tài)，處理效率和耐沖擊負(fù)荷能力更高。該工藝技術(shù)應(yīng)用在宜興市、常州市武進(jìn)區(qū)等農(nóng)村污水處理項(xiàng)目，節(jié)能60%以上，節(jié)地60%以上，并能產(chǎn)生22.5 元/m2以上的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.3 其他生物-生態(tài)組合處理工藝

其他常見的生物生態(tài)組合工藝還包括生態(tài)氧化塘、生物濾池與人工濕地的組合等。生物濾池是一種利用生物膜附著生長的硝化菌、異氧菌等的代謝活動在自然通風(fēng)條件下將污染物去除的生物處理形式。由于濾池內(nèi)難以形成好、缺氧的交替環(huán)境，常與人工濕地組合后提高TN，TP 去除效率。SAMAL 等[23]從不同水力負(fù)荷、蚯蚓密度、有機(jī)碳源等多方面總結(jié)探討了蚯蚓微生物生態(tài)濾池與水生植物濾床組合處理不同生活污水的效果；肖雨涵等[24]分析了多級串聯(lián)表面流庫塘-濕地的水質(zhì)凈化效果及污染物沿程變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其對營養(yǎng)鹽凈化作用主要在于前兩級表流濕地，而對TP 的去除效果尚需進(jìn)一步完善。ARPIT 等[25]認(rèn)為人工濕地和穩(wěn)定塘工藝技術(shù)中對溶解性有機(jī)物的處理作用是通過生物不穩(wěn)定組分同化和植物衍生的陸地物質(zhì)浸出共同影響完成的。

2 生態(tài)處理技術(shù)中植物篩選研究進(jìn)展

水生植物的恢復(fù)與重建在淡水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化中具有重要作用，除本身能吸收同化污染物外，還能提高濕地、河道生態(tài)系統(tǒng)的微生物數(shù)量，調(diào)整其組成類型等。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國水生植物資源豐富，共有61 科、168 屬、741 種[26]。根據(jù)生活方式一般分為挺水植物、浮葉植物、沉水植物和漂浮植物以及濕生植物，目前用于濕地、河道修復(fù)等生態(tài)處理技術(shù)的主要有蘆葦、香蒲、菖蒲等挺水植物以及苦草、菹草、金魚藻等沉水植物。

2.1 水生植物的主要功能與作用

水生植物根系具有沁氧功能，剩余未被利用的氧氣由根系直接釋放到外界環(huán)境。發(fā)達(dá)的根系具有較大的表面積，易在根區(qū)土壤形成好氧環(huán)境，而在距根區(qū)較遠(yuǎn)的區(qū)域形成缺氧和厭氧環(huán)境，為微生物的硝化、反硝化作用及其他吸附代謝作用提供適宜的環(huán)境，擴(kuò)大了水質(zhì)凈化的有效空間。其次，發(fā)達(dá)根系能夠穿透介質(zhì)層，提高基質(zhì)孔隙度，增強(qiáng)透水性能和水力傳導(dǎo)作用，有效避免土壤板結(jié)、水力流通不暢等問題，有研究認(rèn)為[27]，植物的去污效果除了隨根系發(fā)達(dá)程度遞增外，還隨著水力負(fù)荷減小逐漸升高。另外，相較于植物吸收，微生物的反硝化脫氮是氮素脫除的主要途徑[28]，根系細(xì)胞在生長過程中向周圍環(huán)境釋放的大量無機(jī)離子、糖類和有機(jī)酸等分泌物，為微生物代謝提供了多種易降解的有機(jī)碳源，而充足的有機(jī)碳源是保證反硝化過程順利進(jìn)行的前提。

2.2 典型挺水植物凈化效果

挺水植物生命周期比藻類、浮水植物長，氮磷儲存穩(wěn)定，易通過收割去除，并且依靠發(fā)達(dá)的根系和較強(qiáng)的輸氧能力進(jìn)一步提高氮磷去除率。選擇適當(dāng)?shù)耐λ参锸菢?gòu)建濕地環(huán)境和污水深度處理的關(guān)鍵。CRISTINA 等[29]研究了在水平潛流濕地中種植美人蕉、馬蹄蓮等觀賞性開花植物對旅游景區(qū)類進(jìn)水負(fù)荷變化較大地區(qū)生活污水的處理效果。EZZAHRI 等[30]比較了9 種濕地植物的氮、磷積累量，證實(shí)蘆葦具有適應(yīng)能力強(qiáng)、生長穩(wěn)定、抗逆性好、去污能力強(qiáng)等特點(diǎn)。國內(nèi)研究方面，楊林等[31]發(fā)現(xiàn)通過收割可以去除整個(gè)植株總氮和總磷含量的60%～80%；余雪花等[32]研究發(fā)現(xiàn)常見挺水植物對NH4+-N 均有明顯的去除作用，但對NO3--N 不穩(wěn)定。

2.3 典型沉水植物凈化效果

沉水植物扎根于水底淤泥中，根、莖、葉與水體接觸面積大，對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收充分，同時(shí)能在水體中通過光合作用提供氧分環(huán)境，在濕地生態(tài)、河道修復(fù)中獨(dú)具優(yōu)勢。金魚藻、狐尾藻、苦草等多種沉水植物對TP，TN，NH4+-N 的去除率平均達(dá)到60%～80%之間[33]，且具有良好的抗負(fù)荷、抗寒能力。SU等[34]對長江流域97 個(gè)淺水湖泊的取樣發(fā)現(xiàn)，低內(nèi)穩(wěn)性（金魚藻、穗狀狐尾藻和輪葉黑藻）群落臨界磷濃度較低，且有較快的響應(yīng)和恢復(fù)能力，可作為湖泊生態(tài)修復(fù)的先鋒物種。MARYAM 等[35]認(rèn)為沉水植物表面附著細(xì)菌如假單胞菌屬(Pseudomonas)、芽孢桿菌屬(Bacillus)等10 余種菌屬的脫氮作用明顯，其反硝化能力可以在高營養(yǎng)條件下得到極大提高。李琳等[36]認(rèn)為苦草、黑藻等對氮磷的去除以植增效作用為主，吸收富集作用較低。

2.4 不同類型植物組合凈化效果

過度單一的植物類型凈化能力有限、受季節(jié)的影響更明顯以及存在抗逆性和抗蟲性等問題，水質(zhì)處理效果不穩(wěn)定。合理的多種生活型水生植物群落比單一水生植物凈化效果更穩(wěn)定，緩沖能力更強(qiáng)，還能控制藻類生長，降低葉綠素a 密度，提高水體透明度?；旌先郝渲兄脖幌鄬ιL速率和累積生物量顯著高于獨(dú)自種植時(shí)期。然而，不同的植物選種組合和種植條件對試驗(yàn)結(jié)果影響差異顯著。周玥等[37]研究表明高濃度污水中單種挺水植物對TP 的凈化效果較好而多種植物組合對TN 的凈化效果更好，其原因可能與群落生物量、多種植物組合的選種優(yōu)化有關(guān)。RODRIGUEZ 等[38]發(fā)現(xiàn)蘆葦根際氧化條件增強(qiáng)了硝化和氨化過程，而虉草反而增強(qiáng)了反硝化作用和硫酸鹽還原作用，因此認(rèn)為植物組合可以維持高效去污和低硝酸鹽濃度之間的穩(wěn)定關(guān)系。

3 研究展望

農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對落后，污水收集難度大，缺乏資金和技術(shù)人員。應(yīng)根據(jù)實(shí)際區(qū)域及地形條件合理選擇處理技術(shù)。如安徽省內(nèi)淮北平原區(qū)村落分布較為集中、COD 與TP 波動性較大，可采用脫除有機(jī)物及抗沖劑負(fù)荷能力強(qiáng)的處理工藝；江淮丘陵區(qū)應(yīng)充分利用已有的溝渠塘壩構(gòu)建多級聯(lián)動的組合式生態(tài)處理模式，并選擇輪金魚藻、狐尾藻等當(dāng)?shù)赝林N作為主要水生植物；皖南山區(qū)坡度較陡、污水季節(jié)性顯著，宜采用跌水曝氣氧化+濕地或氧化塘等無動力生態(tài)綜合治理模式。

現(xiàn)階段我國農(nóng)村生活污水處理尚存在許多問題，如農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn)尚未規(guī)范，各地參考尺度不一，實(shí)際效果也各有優(yōu)劣；管網(wǎng)建設(shè)薄弱、工藝選擇主觀性和隨意性較大，設(shè)備管理和維護(hù)能力更加匱乏。因此在污水處理技術(shù)提質(zhì)增效方面還有廣闊的發(fā)展空間，例如低溫脅迫條件下的植物抗寒性[39]、合理選擇濕地填料、蚯蚓生態(tài)濾池填料種類和配比，提高脫氮除磷能力；目前對濕地中抗生素和抗性基因去除機(jī)制的研究還不深入；微生物群落的功能、相互作用機(jī)理、抗逆性等方面的研究也亟待優(yōu)化完善。