遲申燕,唐 剛,蔣萍萍,2*,陳 浩
(1.桂林理工大學(xué),廣西 桂林 541004;2.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地,廣西 桂林 541004;3.廣西樺源環(huán)??萍加邢薰荆瑥V西 梧州 543001)
近年來(lái),隨著城市污水處理系統(tǒng)的不斷完善,城市生活污水可以按標(biāo)準(zhǔn)得到很好地處理和排放。然而對(duì)于農(nóng)村污水處理的情況卻并不樂(lè)觀,存在許多的技術(shù)與重視程度問(wèn)題。農(nóng)村污水由于其較為分散、且其水量較少、水質(zhì)波動(dòng)較大等問(wèn)題,并不能得到有效地治理。人口分散、經(jīng)濟(jì)并不發(fā)達(dá)、投入成本有限,使得農(nóng)村環(huán)境的治理并不能跟上農(nóng)村的發(fā)展建設(shè)。因此,農(nóng)村環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到重視,尤其是農(nóng)村分散式污水的治理問(wèn)題。
農(nóng)村污水主要是指農(nóng)村地區(qū)的村民生產(chǎn)生活產(chǎn)生的生活污水。而其主要構(gòu)成是廚房污水、沖廁污水、洗滌污水和養(yǎng)殖污水四類。其特點(diǎn)主要包括:(1)水體質(zhì)量和體積受季節(jié)變化、人口規(guī)模、生活方式等影響,具有很大的波動(dòng)性。(2)農(nóng)村廢水中有機(jī)污染物含量高,與城市生活污水的構(gòu)成相似。(3)水中致病菌、寄生蟲(chóng)及其蟲(chóng)卵的數(shù)量較多,未經(jīng)過(guò)完善的消毒處理。
農(nóng)村污水較為分散,難以收集并集中處理,且較城市污水處理的發(fā)展更晚,沒(méi)有完善的污水處理與處置體系。其污水治理現(xiàn)狀不容樂(lè)觀,據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì),我國(guó)58 萬(wàn)個(gè)自然村所產(chǎn)生的未處理農(nóng)村污水是城鎮(zhèn)污水處理總量的1.5 倍,因此農(nóng)村污水依然是污水處理的研究重點(diǎn)。與城鎮(zhèn)污水的處理相比,還存在較多的問(wèn)題:
(1)農(nóng)村污水屬于分散性污水,居民生活區(qū)分布不均勻,導(dǎo)致收集管網(wǎng)的布置較為困難,其相應(yīng)的水處理設(shè)施也較難運(yùn)行。
(2)農(nóng)村污水與城市污水的收集、處理與排放標(biāo)準(zhǔn)等不盡相同,在沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)的情況下,農(nóng)村污水的隨機(jī)排放將導(dǎo)致嚴(yán)重的水土污染。
(3)村民的環(huán)保意識(shí)不夠,對(duì)于農(nóng)村污水的排放沒(méi)有明確的規(guī)定,存在亂排亂放的現(xiàn)象。
(4)農(nóng)村的地形條件、人口分布等都會(huì)影響管網(wǎng)與水處理構(gòu)筑物的建設(shè)與布置并得考慮其投資效應(yīng)。
(5)水量的大小、水中物質(zhì)的構(gòu)成等不穩(wěn)定,容易影響工藝的選擇和設(shè)計(jì)參數(shù)的取值。
(6)農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較城鎮(zhèn)緩慢,缺乏資金的投入,無(wú)法安置較多的工作人員進(jìn)行長(zhǎng)期管理,運(yùn)行較為困難。
對(duì)于這些存在的問(wèn)題,需要對(duì)農(nóng)村分散式小型污水處理技術(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與思考,在選擇工藝時(shí)需要考慮:工藝必須足夠簡(jiǎn)單穩(wěn)定且自動(dòng)化程度較高,能夠長(zhǎng)期運(yùn)行,出水必須達(dá)到相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn);出水可作為農(nóng)用水繼續(xù)利用,用于農(nóng)作物的灌溉等;綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人口等因素,選擇有投資效益、建設(shè)價(jià)值的工藝。
現(xiàn)在較為成熟的水處理技術(shù)主要是集中式污水處理技術(shù),主要集中在城鎮(zhèn)污水的處理,而對(duì)于農(nóng)村的分散式污水處理研究較晚,因此具有很大的發(fā)展?jié)摿?。目前,最常?jiàn)的分散式廢水處理技術(shù)主要包括厭氧沼氣池、人工濕地、凈化槽等。
厭氧沼氣池消化技術(shù)是主要利用厭氧微生物和兼性厭氧微生物進(jìn)行水解、酸化、甲烷化等一系列反應(yīng),然后降解廢水中的有機(jī)物且最終使水體得到凈化并產(chǎn)生沼氣的一種經(jīng)濟(jì)適用性方法。為了減少溫室氣體的排放,厭氧沼氣池可對(duì)甲烷進(jìn)行收集和燃燒,用于生產(chǎn)生活。沼氣池既可以去除廢水中的大量有機(jī)物,還可產(chǎn)生甲烷等清潔能源,兼顧了環(huán)境與社會(huì)效益,被視作全世界較為成熟的農(nóng)村污水處理技術(shù)之一。溫度、pH、碳氮比、有機(jī)物負(fù)荷及優(yōu)勢(shì)菌種等都能影響甲烷產(chǎn)氣量。有學(xué)者在寒冷氣候下對(duì)厭氧干發(fā)酵沼氣技術(shù)的研究表明,加入由嗜冷甲烷菌種與微量元素構(gòu)成的沼氣菌劑能夠使甲烷產(chǎn)氣量提高30%以上,在16℃的條件下仍可繼續(xù)產(chǎn)氣。有研究顯示,一座8m3的沼氣池可處理0.5~1.0t 的污水,適用于3 頭豬與3~5 戶的集群。
人工濕地是由基質(zhì)、微生物、植物等構(gòu)成的一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng),內(nèi)部具有豐富的氧化還原條件,適于生化性好的污水凈化。農(nóng)村污水經(jīng)由人工濕地,通過(guò)過(guò)濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收、微生物分解等過(guò)程,可去除其大量有機(jī)物、氮、磷等污染物質(zhì)。Lu 等[1]通過(guò)構(gòu)建四種基質(zhì)的人工濕地來(lái)研究對(duì)農(nóng)村污水的處理效果,結(jié)果顯示:麥粉>鋼渣>竹炭>石灰?guī)r。Chen 等[2]通過(guò)將廢磚人工濕地與普通礫石人工濕地進(jìn)行對(duì)比研究,結(jié)果顯示:廢磚人工濕地和礫石人工濕地的除磷貢獻(xiàn)率分別為90.36%和87.36%,廢磚的除磷率明顯更高。
凈化槽作為一體化分散式污水處理技術(shù),適用于農(nóng)村污水的處理。所采用的主要過(guò)程是厭氧過(guò)濾、接觸氧化、活性污泥、膜處理和消毒等,可從廢水中去除有機(jī)物、氮、磷等。Xu 等[3]通過(guò)對(duì)新型復(fù)合凈化池的研究發(fā)現(xiàn)COD的平均去除率為59.62%,總磷的去除率達(dá)到33.4%,而氨氮的降解效率不太顯著。
蚯蚓生態(tài)濾池就是在基于生物膜法的生物濾池中,通過(guò)加入蚯蚓來(lái)增加基質(zhì)填料的通透性和含氧率,可減少污泥量的產(chǎn)生。蚯蚓對(duì)污水中的懸浮物、污泥都具有降解作用,其降解產(chǎn)物還可被微生物作為碳源繼續(xù)利用,協(xié)同作用來(lái)凈化污水。梁建軍等[4]使用蚯蚓生態(tài)濾池技術(shù)處理農(nóng)村生活污水,水力負(fù)荷為1m/d,蚯蚓密度為12g/L,陶粒與土壤比例為3:1 時(shí),對(duì)NH3-N、COD 的凈化效果分別為62.51%、57.32%。
地下土壤滲濾技術(shù)主要通過(guò)配水系統(tǒng)將廢水滲入地下,并通過(guò)土壤、植物和微生物的共同作用來(lái)分離和去除污染物,經(jīng)過(guò)過(guò)濾、吸附、攔截、植物吸收、微生物降解等步驟來(lái)處理分散式農(nóng)村污水。Li 等[5]在SWIS 系統(tǒng)中,考慮到液壓和處理效果,建議使用0.081m3/(m2·d)的水力負(fù)荷,氨氮、總氮、COD 的去除效果分別是86.2±3.0%、80.7±1.9%、84.8±2.1%。閆亞男等[6]采用改良型化糞池/地下土壤滲濾系統(tǒng)來(lái)處理農(nóng)村污水,懸浮固體、氨氮、總磷、BOD5和NH4-N 的降解率分別是98%、80%、89%、95%和93%。
膜生物反應(yīng)器工藝是將常規(guī)的好氧懸浮生長(zhǎng)技術(shù)與膜分離技術(shù)進(jìn)行組合后形成的水處理技術(shù)。其基本流程就是活性污泥吸附并分解廢水當(dāng)中存在的可降解污染物,然后通過(guò)膜將其泥水分離。有學(xué)者在使用MBR 工藝對(duì)滇池流域農(nóng)村污水的中試研究中,經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后的COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別為80.29%、97.95%、27.10%、36.91%,對(duì)于氨氮的去除效果較好。有研究在運(yùn)用MBR 工藝處理農(nóng)村污水的動(dòng)態(tài)研究中提到,處理時(shí)間達(dá)到13d 時(shí),氨氮的去除效率可達(dá)到90%以上。晁雷等[7]通過(guò)對(duì)遼寧某村的工程案例分析,介紹了兼氧MBR 工藝的應(yīng)用狀況,長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的出水水質(zhì)能夠滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918-2002)的一級(jí)B 排放標(biāo)準(zhǔn)。
不同技術(shù)之間都有優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍,通過(guò)將合適的工藝組合起來(lái)對(duì)農(nóng)村污水進(jìn)行處理是一種高效的方式。在處理農(nóng)村污水時(shí),經(jīng)常會(huì)運(yùn)用到組合工藝來(lái)使凈化后的水體能夠達(dá)標(biāo)。易齊濤等[8]采用厭氧、生物濾池和潛流人工濕地三種技術(shù)相組合的工藝對(duì)農(nóng)村污水進(jìn)行處理并分析其去除效率,結(jié)果表明,懸浮固體和COD 的去除效率較高,而總氮與總磷的去除效率只有26.7%和32.4%,需調(diào)整脫氮除磷和碳源供給的關(guān)系。王剛等[9]設(shè)計(jì)利用的是缺氧接觸氧化+生物轉(zhuǎn)盤組合工藝來(lái)研究農(nóng)村污水處理效果,提到該方法適用于污染物濃度低且負(fù)荷變化大的農(nóng)村廢水。吳磊等[10]選用厭氧、跌水充氧接觸氧化、人工濕地相組合的技術(shù)處理太湖地區(qū)農(nóng)村污水,其對(duì)總氮和COD 的去除率可達(dá)81%和83%,水質(zhì)較穩(wěn)定。
依據(jù)上述對(duì)農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究,不同的處理工藝對(duì)污染物的去除效果不盡相同,都有具體的適用條件和范圍。對(duì)于1 至5 戶的分散式小型農(nóng)村污水,不能對(duì)污水進(jìn)行大規(guī)模的收集,只能選擇占地面積較小、處理量較小、工藝簡(jiǎn)單、投資少且出水穩(wěn)定的處理工藝。人工濕地與地下土壤滲濾的機(jī)理相似,但占地較大并不適合處理小水量的農(nóng)村污水。而凈化槽和MBR 技術(shù)的投入成本較高,難以維持小水量的污水處理現(xiàn)狀,不符合經(jīng)濟(jì)適用原則。厭氧消化池仍常用于農(nóng)村廢水處理,并且還有不斷發(fā)展的前景,將其與好氧技術(shù)或其他相關(guān)技術(shù)結(jié)合可彌補(bǔ)出水難達(dá)標(biāo)的缺陷,也是組合式工藝處理農(nóng)村污水的一種方式。同時(shí)蚯蚓生態(tài)濾池也較容易實(shí)現(xiàn)且占地面積小,出水水質(zhì)穩(wěn)定,經(jīng)過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化后,可避免堵塞情況的發(fā)生。
農(nóng)村污水區(qū)別于城市污水,更加分散和難以治理,探索更加低能耗、操作簡(jiǎn)單、去除效果好的工藝方案,對(duì)其治理具有積極作用。小型分散式農(nóng)村污水在管網(wǎng)鋪設(shè)簡(jiǎn)單的情況下,可進(jìn)行集中式收集處理,在具體建設(shè)時(shí)應(yīng)考慮其實(shí)用價(jià)值。在處理技術(shù)的選擇上,應(yīng)當(dāng)綜合考慮環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等相關(guān)因素,明確處理的目標(biāo),因地制宜地選取處理工藝,在滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后排出。而對(duì)農(nóng)村污水排放依舊沒(méi)有針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn),基本是參照城市污水的排放標(biāo)準(zhǔn)來(lái)施行的,不夠明確且約束力不大,需要形成一套完善的農(nóng)村環(huán)保法律法規(guī)體系,來(lái)保護(hù)農(nóng)村環(huán)境。加大農(nóng)村環(huán)保意識(shí)的宣傳也是一個(gè)特別重要的方面,杜絕亂排亂放,從源頭上減少污染物的排放量。對(duì)于處理水的回用也是必不可少的環(huán)節(jié),處理后還含有較多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物的農(nóng)村污水,可用于農(nóng)田灌溉。政府和社會(huì)各界更應(yīng)加大對(duì)農(nóng)村污水治理技術(shù)的資金投入,保障設(shè)備的順利運(yùn)行和技術(shù)的不斷發(fā)展。