朱國(guó)榮，陳林華，蔡 飛，張小芳

（1.誠(chéng)邦生態(tài)環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州 310000；2.杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310000）

引言

隨著十六屆五中全會(huì)“建設(shè)美麗鄉(xiāng)村”目標(biāo)的確定，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略隨之逐步實(shí)施開(kāi)展。但農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、農(nóng)民生活水平顯著提高的同時(shí)，也出現(xiàn)了環(huán)境建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不同步的問(wèn)題[1]，其中水污染問(wèn)題尤為嚴(yán)重。主要因?yàn)檗r(nóng)村生活污水比例受生活條件狀況、生活習(xí)慣等因素影響而不同，來(lái)源廣泛，成分復(fù)雜[2-3]，當(dāng)其無(wú)序排放時(shí)，易導(dǎo)致溝渠、河塘等地的水質(zhì)發(fā)黑變臭，蚊蟲(chóng)滋生，造成飲用水源不同程度的污染以及水體的富營(yíng)養(yǎng)化，威脅農(nóng)村居住環(huán)境以及居民身體健康[4]。因此，農(nóng)村生活污水的處理是改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵問(wèn)題，自2019 年7 月起，各省市地區(qū)為響應(yīng)國(guó)家印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)村生活污水治理的指導(dǎo)意見(jiàn)》的相關(guān)規(guī)定[5-6]，陸續(xù)開(kāi)展有關(guān)農(nóng)村生活污水的治理工作，根據(jù)“因地制宜”的標(biāo)準(zhǔn)，綜合農(nóng)村經(jīng)濟(jì)狀況、人口分布和地理位置等情況，選擇最合適的處理技術(shù)和工藝獲得最佳的處理效果。本文對(duì)現(xiàn)有的各類農(nóng)村生活污水處理技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，以期為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 農(nóng)村生活污水來(lái)源及特點(diǎn)

農(nóng)村居民的生活污水排放方式存在諸多差異，部分生活污水會(huì)排入村落周邊的明溝或暗渠，部分則就近排入溪、河及湖泊[7]，還有農(nóng)戶會(huì)將糞便等收集作為肥料，直接潑灑，使其自然蒸發(fā)或滲入土壤?？傮w來(lái)看，村鎮(zhèn)分布密度不均導(dǎo)致了農(nóng)村的生活污水的排放變得極為分散[8]。此外，由于農(nóng)村地區(qū)缺乏垃圾收集處理設(shè)施，垃圾隨意堆放，使得農(nóng)村生活污水除了居民的家庭活動(dòng)用水外，還混有垃圾堆放產(chǎn)生的污水和高濁度的雨水徑流等[9]，使得最終匯集的污水水質(zhì)成分復(fù)雜。

2 農(nóng)村生活污水類型

2.1 洗滌污水

洗滌廢水主要是廚房和浴室洗滌時(shí)產(chǎn)生的污水，也稱灰水[10]。生活洗滌污水中含有較多的化學(xué)成分，例如洗衣粉中常含有熒光劑。洗滌污水的磷含量較高、排放量較大，80%左右的生活污水均為洗滌污水，是導(dǎo)致農(nóng)村水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一。此外，洗滌污水來(lái)源分散，排放時(shí)間規(guī)律，排放量較大，使得農(nóng)村生活污水在處理時(shí)較為困難。

2.2 廁所污水

廁所污水包括糞便和沖洗廁所產(chǎn)生的污水，也稱黑水[11]。廁所污水也具有排放分散、較難集中的特點(diǎn)，并且由于多數(shù)農(nóng)村生活污水直接排放或僅經(jīng)化糞池簡(jiǎn)單處理后排放，廁所污水污水處理程度低，水中含有大量的氮元素、營(yíng)養(yǎng)鹽及細(xì)菌，對(duì)周邊水土狀況具有較大影響。

2.3 畜牧養(yǎng)殖污水

畜牧養(yǎng)殖時(shí)清洗養(yǎng)殖場(chǎng)形成的廢水，主要由畜禽尿液、飼料殘?jiān)堄嗉S便、沖洗水等構(gòu)成，畜牧養(yǎng)殖污水的水質(zhì)水量變化大，懸浮物多、有機(jī)物濃度高、氨氮濃度高、致病菌并有惡臭，屬于高濃度、高氨氮、高懸浮物、處理難度大的“三高”廢水[12]。有研究表明[13]，我國(guó)目前農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖規(guī)模仍繼續(xù)增加，養(yǎng)殖總量以每年8%的趨勢(shì)增長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境造成的危害將會(huì)越來(lái)越大，另外，污水中抗生素的殘留問(wèn)題也逐漸成為養(yǎng)殖場(chǎng)污水處理的重點(diǎn)。

因此可知，農(nóng)村生活污水的排放時(shí)間較為規(guī)律，水中含有高濃度的氮磷元素，具有較好的可生化性，且重金屬及有毒有害物質(zhì)含量不高，主要成分總結(jié)如表1 所示。

表1 農(nóng)村生活污水主要組分

3 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)

3.1 生態(tài)處理技術(shù)

3.1.1 穩(wěn)定塘

穩(wěn)定塘是一種較為常見(jiàn)的農(nóng)村污水處理方式，將污水通入人工建造或自然形成的池塘，污水在塘內(nèi)停留時(shí)，塘內(nèi)菌藻利用污水中的污染物進(jìn)行生長(zhǎng)代謝，將水中的氮素等污染元素去除。穩(wěn)定池可以充分利用農(nóng)村地形，施工簡(jiǎn)單、投資少，具有美化景觀的作用，但主要適用于土地資源較廣的農(nóng)村地區(qū)[14]，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)和污水資源化處理的目的。黃翔峰等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定塘技術(shù)在處理生活污水時(shí)，對(duì)于COD、氨氮、TN 和TP 的平均去除率分別為97.02%、84.33%、80.18%和77.34%，并且可達(dá)到中水回用的目的。

由于農(nóng)村生活污水的組成成分差異較大，水質(zhì)波動(dòng)難以預(yù)測(cè)，不同類型的水體變化過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生不同的優(yōu)勢(shì)菌，因此穩(wěn)定塘還可以利用原位水生動(dòng)植物，提升凈水作用。但是，傳統(tǒng)穩(wěn)定塘易受到環(huán)境變化的影響，維護(hù)不當(dāng)時(shí)易于導(dǎo)致臭味和污染物堆積，需要通過(guò)外加控制曝氣條件來(lái)提升處理效果，近年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于原始穩(wěn)定塘技術(shù)的幾種新工藝，將該技術(shù)結(jié)合新型污水處理設(shè)施協(xié)同使用。

3.1.2 人工濕地技術(shù)

目前利用濕地生態(tài)系統(tǒng)來(lái)處理污水逐漸成為了一種新型的生態(tài)水處理技術(shù)。人工濕地將合適的填料置于處理區(qū)域內(nèi)，由上至下填充填料層、微生物和水生植物[16]。填料層可就地取材，利用卵石、砂土等材料初步過(guò)濾污水；微生物可以分解污水中的有機(jī)物，去除水中氮素；水生植物作為最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其根系釋放的氧氣可以供給微生物生長(zhǎng)繁殖，部分特性植物的根系還能轉(zhuǎn)化水中的有毒有害物質(zhì)[17]。因此，人工濕地采用物理沉降、化學(xué)處理結(jié)合生物作用的手段可以獲得較好的污水處理效果。

人工濕地主要分為表流型、垂直潛流型和水平潛流型三種，目前在農(nóng)村地區(qū)生活污水處理較常采用的是水平或垂直的潛流型人工濕地[18]。在潛流型人工濕地中，污水流入到填料床后滲入植物根區(qū)，水中的污染物通過(guò)土過(guò)濾、吸附、自身的沉淀、微生物降解和植物吸收等作用得以去除，人工濕地對(duì)農(nóng)村生活污水中含量較高的COD、懸浮物、動(dòng)植物油、細(xì)菌、總氮、總磷均有較好的去除效果[19]，此外，經(jīng)由人工污水處理后的污水可回用于綠化和灑水。

由此可見(jiàn)，與傳統(tǒng)的污水處理方式相比，人工濕地處理技術(shù)不會(huì)涉及到過(guò)多的機(jī)械設(shè)備不僅操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用成本較低，其對(duì)資源的消耗也相對(duì)較少，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。有研究表明，人工濕地在處理生活污水具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，是一種適合農(nóng)村生活污水的有效處理方式。但是，利用人工濕地進(jìn)行污水處理工作時(shí)，需要綜合考慮處理地區(qū)的實(shí)際情況，選擇合適的綠植品種[20]，應(yīng)用過(guò)程中還要確保人工濕地進(jìn)水工作和充氧工作的有效性，以此來(lái)保障綠植的存活率，維持人工濕地的處理效果。

3.1.3 土地處理技術(shù)

在農(nóng)村生活污水常見(jiàn)的生物處理技術(shù)中，可以利用土壤、植物、微生物三者之間的相互作用與物質(zhì)循環(huán)[21]，通過(guò)過(guò)濾截留、吸附和生物降解的協(xié)同作用使污水實(shí)現(xiàn)資源化利用，改善污水水質(zhì)[22]。

李蘅等[23]研究了不同滲濾介質(zhì)組成的人工土柱對(duì)生活污水的處理能力，結(jié)果表明河砂+斜發(fā)沸石+方解石的組合對(duì)COD、氨氮都有較高去除率，將該組合用于桂林某地200 人村莊的農(nóng)村生活污水處理實(shí)際工程，出水懸浮物為4 mg/L～10 mg/L，COD 為10 mg/L～30 mg/L，總磷為0.24 mg/L～0.57 mg/L，氨氮為0.062 mg/L～0.080 mg/L，水質(zhì)可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。馬文潔等[24]利用煤渣、河砂、粉煤灰與鋼渣作為填料，模擬地下滲濾系統(tǒng)，研究不同水力負(fù)荷條件下對(duì)農(nóng)村生活污水中主要污染組分的處理效果。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)負(fù)荷比例調(diào)節(jié)，該人工土地系統(tǒng)對(duì)總磷、氨氮和COD 去除的最佳效果分別為90.06%、89.32%和91.51%。

穩(wěn)定塘、人工濕地、土地處理等生態(tài)處理手段通過(guò)微生物的自身作用對(duì)污染物進(jìn)行吸收降解，但易于受到實(shí)際環(huán)境的影響，出水水質(zhì)不穩(wěn)定，因此隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，一體化污水處理系統(tǒng)逐漸普及，目前小型一體化集成裝置處理技術(shù)以生物濾池、序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR）工藝和膜生物反應(yīng)器（MBR）為主，憑借其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和便捷的操作成為了目前農(nóng)村生活污水處理研究的熱點(diǎn)。

3.2 一體化集成設(shè)備處理技術(shù)

3.2.1 厭氧生物處理技術(shù)

厭氧生物處理技術(shù)于1860 年被研發(fā)，在無(wú)氧條件下，體系中的厭氧微生物通過(guò)代謝活動(dòng)將污水中的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和水[25]，將污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為能源性的甲烷氣體，該技術(shù)憑借處理效能高，剩余污泥量少、可實(shí)現(xiàn)污水能源化回收等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而備受青睞，目前被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)[26]。厭氧生物處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)污水能源化回收的一種可持續(xù)發(fā)展型污水處理技術(shù)。

3.2.1.1 厭氧濾池（AF）

厭氧濾池利用天然或人工填料作為微生物生長(zhǎng)的載體，依據(jù)進(jìn)水方式分為上流式厭氧濾池和下流式厭氧濾池[27]，污水流經(jīng)填料區(qū)的過(guò)程中被附著其上的微生物利用后，最終轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。該反應(yīng)器可以過(guò)濾生活污水中的懸浮物，防止污泥流失，并且啟動(dòng)周期短、運(yùn)行成本低，適合與生態(tài)處理技術(shù)組合處理農(nóng)村生活污水。

凌霄等[28]利用厭氧生物濾池+生態(tài)浮床的無(wú)動(dòng)力地埋式組合工藝對(duì)處理南方某地農(nóng)村生活污水，設(shè)計(jì)規(guī)模為60 m3/d，水力停留時(shí)間為52 h，該組合工藝對(duì)進(jìn)水COD、氨氮、總磷的平均去除率分別達(dá)到81.0%、80.9%和81.9%，系統(tǒng)的出水水質(zhì)穩(wěn)定，濁度顯著降低；徐興愿等[29]以回收塑料作為厭氧濾池填料，組合人工濕地工藝處理生活污水，對(duì)于COD、氨氮的去除率可以分別穩(wěn)定84.99%和69.31%。王永謙等[30]設(shè)計(jì)的“厭氧消化-缺氧-好氧-人工濕地”可在中低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，處理農(nóng)村生活污水的水力停留時(shí)間為72 h，在實(shí)驗(yàn)周期的65 d 內(nèi)，工藝出水COD均低于39.3 mg/L。

3.2.1.2 膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器（EGSB）

膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器是目前最新一代的厭氧生物技術(shù)[31]，包括布水區(qū)、反應(yīng)區(qū)、分離區(qū)、集氣室及循環(huán)區(qū)，污水通過(guò)布水區(qū)分配到反應(yīng)器底部，經(jīng)由反應(yīng)區(qū)與污泥充分接觸，將污水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為能源性沼氣，通過(guò)三相分離器在分離區(qū)實(shí)現(xiàn)氣、液、固分離，其中氣體經(jīng)由集氣室收集，污泥回落至污泥床，出水經(jīng)由沉淀區(qū)收集部分回流至進(jìn)水，部分排出至后續(xù)反應(yīng)器。

李偉等[32]利用EGSB 反應(yīng)器構(gòu)建氧化和還原雙重環(huán)境，降解生活污水中有機(jī)物，同時(shí)去除部分氮磷污染物，對(duì)于COD的去除效果可達(dá)94%。李清雪等[33]利用“EGSB+生態(tài)單元”的組合工藝，在室溫下，對(duì)于COD 約為325.3 mg/L 左右的污水可以獲得較好的處理效果。

根據(jù)現(xiàn)有厭氧生物技術(shù)的對(duì)比（如表2），可見(jiàn)該技術(shù)在工業(yè)廢水處理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而根據(jù)水質(zhì)特征選擇適宜的工況優(yōu)化反應(yīng)器是保證工藝高效的基礎(chǔ)，同時(shí)厭氧反應(yīng)器在針對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理時(shí)，時(shí)常需要與生態(tài)處理技術(shù)相組合，協(xié)同提升工藝的整體處理效能。

表2 厭氧生物處理技術(shù)對(duì)比分析[34-37]

對(duì)于農(nóng)村生活污水而言，如何能快速將污水中有機(jī)物轉(zhuǎn)化為能源性氣體（甲烷等），如何能嘗試保留水體中的氮、磷元素并將其回用為水肥，如何在環(huán)境溫度下進(jìn)一步的拓展厭氧生物反應(yīng)器的使用空間，如何優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)等問(wèn)題都是是未來(lái)厭氧生物技術(shù)的重要研究和發(fā)展方向。

3.2.2 序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR）

序批式活性污泥（SBR）反應(yīng)器將污水通過(guò)反復(fù)曝氣、反應(yīng)沉淀和靜止排水的流程，使得氮元素等污染物得以去除[38]。張冰等[39]利用一體化空氣提升SBR反應(yīng)器處理低碳氮負(fù)荷的農(nóng)村生活污水，調(diào)節(jié)曝氣質(zhì)量濃度為3 mg/L，調(diào)節(jié)曝氣+沉淀為“3 h+1.5 h”的運(yùn)行模式，反應(yīng)器出水COD、氨氮、總氮和總磷等指標(biāo)均滿足GB 18918—2002 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。薛晨楠[40]利用微米級(jí)四氧化三鐵磁粉優(yōu)化活性污泥的水處理效果，在解決傳統(tǒng)SBR 反應(yīng)器中污泥絮體結(jié)構(gòu)松散、沉降速率低等問(wèn)題的同時(shí)，對(duì)于COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別高達(dá)95.30%、91.48%、70.83%和92.80%。

由于SBR 工藝占地面積小、運(yùn)行方式簡(jiǎn)便并且具有較高的脫氮除磷效率，適用于經(jīng)濟(jì)條件好但水資源、土地緊缺的農(nóng)村地區(qū)。但由于SBR 排水時(shí)的設(shè)備易于產(chǎn)生浮渣，需要專人定期維護(hù)，運(yùn)維費(fèi)用較高[41]，因此在經(jīng)濟(jì)落后的農(nóng)村地區(qū)難于推廣使用。

3.2.3 生物膜反應(yīng)器（MBR）

MBR（膜生物反應(yīng)器）改進(jìn)了傳統(tǒng)生物處理中的二沉池，改用膜進(jìn)行泥水分離，可以保持較高的污泥濃度，可以使反應(yīng)器內(nèi)的微生物大幅度增殖[42]，在提升泥水分離效率的同時(shí)保證了反應(yīng)器的生物降解的穩(wěn)定性。MBR 技術(shù)主要由生物降解和膜分離兩部分組成，前者去除溶解有機(jī)物與無(wú)機(jī)成分[43]，后者去除懸浮物，運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器的耐沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，出水水質(zhì)較好，可以實(shí)現(xiàn)中水回用，是我國(guó)目前較為常用的處理農(nóng)村生活污水的工藝流程之一[44]。工藝流程如圖1。

圖1 一體化MBR 工藝圖[45]

郭浩等[46]采用間歇運(yùn)行的MBR 反應(yīng)器處理COD 濃度為72 mg/L～297 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度為4.55 mg/L～33.78 mg/L 的農(nóng)村生活污水，實(shí)驗(yàn)期間反應(yīng)器對(duì)于COD、氨氮的平均去除率可以分別維持在93.1%、93.8%左右，且出水COD 穩(wěn)定在50 mg/L 以下。裴亮等[47]利用一體式MBR 反應(yīng)器處理農(nóng)村生活污水，盡管進(jìn)水COD 波動(dòng)較大，但通過(guò)反應(yīng)器處理后出水COD 可以保持在30 mg/L 左右，此外，反應(yīng)器對(duì)污水的氨氮、BOD5、濁度也具有一定的去除效果。Ding等也發(fā)現(xiàn)了膜生物反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)，采用一體化立式MBR 反應(yīng)器處理生活廢水，COD 和氨氮的去除率分別可達(dá)95%和99%。由此可見(jiàn)，MBR 反應(yīng)器處理進(jìn)水波動(dòng)較大的農(nóng)村生活污水時(shí)，工藝對(duì)污水中COD 和氨氮去除率較高且出水穩(wěn)定。

目前，針對(duì)MBR 單獨(dú)使用時(shí)由于缺少厭氧環(huán)境導(dǎo)致反硝化階段受限等問(wèn)題，也可以利用其他工藝與MBR 反應(yīng)器組合的方式使其發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)良好出水效果的同時(shí)保證工藝的穩(wěn)定性。

3.2.3.1 MBR 結(jié)合A/O 工藝

將MBR 反應(yīng)器與A/O 工藝相結(jié)合，不僅可以解決單獨(dú)使用MBR 反應(yīng)器時(shí)反硝化階段受限的問(wèn)題，還可以解決單獨(dú)使用A/P 工藝處理低濃度污水硝化菌較少的問(wèn)題。黃正文等[48]利用MBR+A/O 工藝處理農(nóng)村生活污水，系統(tǒng)運(yùn)行期間氨氮去除率可以保持在91.29%，出水質(zhì)量濃度低于1.58 mg/L。鄭航宇等[49]將A/O 工藝與MBR 反應(yīng)器結(jié)合后，作為強(qiáng)化生物吸附池處理農(nóng)村生活污水，對(duì)氨氮和總氮的去除率均高于70%。

3.2.3.2 MBR 結(jié)合人工濕地工藝

人工濕地與MBR 的結(jié)合有助于進(jìn)一步提高對(duì)于水中氮磷元素的去除率。蔣嵐嵐[50]利用“MBR+人工濕地”工藝處理江蘇省某農(nóng)村的生活污水并獲得較好的處理效果，對(duì)氨氮、總氮和總磷的去除效果分別可以達(dá)到85.8%、64.7%和89.3%。北京平谷區(qū)某村利用該組合工藝系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行處理生活廢水，獲得穩(wěn)定高效的處理效果，對(duì)氮氮、總磷的去除分別達(dá)到99.4%和70.7%。

綜上所述，MBR 工藝因其較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力與較好的出水效果，已經(jīng)被逐漸應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的處理，并根據(jù)地區(qū)的地理?xiàng)l件選擇不同的組合工藝優(yōu)化處理效果。但是，MBR 工藝也存在一定的問(wèn)題，膜常規(guī)的使用運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較高的維護(hù)費(fèi)用，在管理方面的技術(shù)需求也在一定程度上限制其在農(nóng)村地區(qū)的使用，如何使其得以普遍推廣，是亟待解決的問(wèn)題。

4 展望

目前，農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)研究已經(jīng)取得了一定的成效，上述技術(shù)手段在國(guó)內(nèi)外均已有諸多成功案例，因此結(jié)合我國(guó)分散式生活污水的排放現(xiàn)狀，因地制宜，選擇合適的處理技術(shù)獲得最佳處理效果是妥善處置廢水的目標(biāo)。在未來(lái)的工程應(yīng)用中，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化流程，取長(zhǎng)補(bǔ)短，開(kāi)發(fā)出普適性廣、經(jīng)濟(jì)適用、維護(hù)簡(jiǎn)單的污水處理裝置，還要針對(duì)區(qū)域特征、季節(jié)以及施工條件確定不同的實(shí)施方案，全面推進(jìn)農(nóng)村生活污水的治理。