汪澤鋒，操家順，王超越，殷同昕

(1.河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 3.國(guó)河環(huán)境研究院(南京)有限公司，江蘇 南京 211599；4.江蘇東華市政工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210008)

隨著農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平的大幅度提升，農(nóng)村生活污水排放量也不斷增大，從而導(dǎo)致污染物排放負(fù)荷逐年增長(zhǎng)[1]，這不僅嚴(yán)重制約了農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，破壞了農(nóng)村水環(huán)境，而且對(duì)農(nóng)村居民的用水安全造成影響。

長(zhǎng)期以來(lái)水污染治理工作相對(duì)集中于城市地區(qū)，農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境治理及保護(hù)遠(yuǎn)未跟上城市的步伐。目前，由于大部分農(nóng)村沒(méi)有建設(shè)相應(yīng)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，導(dǎo)致大量生活污水就近排入農(nóng)村附近河流，引發(fā)自然水體的富營(yíng)養(yǎng)化及黑臭現(xiàn)象。此外，少部分已開(kāi)展農(nóng)村生活污水治理的地區(qū)存在污水處理設(shè)施運(yùn)行效率不高的問(wèn)題。因此，采用科學(xué)有效的處理工藝，探索因地制宜的處理模式，加快推進(jìn)農(nóng)村生活污水處理工作，是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的迫切需要[2]。

本文介紹了農(nóng)村生活污水的來(lái)源、特點(diǎn)以及存在的問(wèn)題，詳細(xì)闡述了農(nóng)村生活污水處理模式的種類(lèi)，并根據(jù)城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)分布、村居情況、地形這幾方面進(jìn)行比較，來(lái)確定農(nóng)村生活污水處理模式。介紹了我國(guó)常見(jiàn)的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)：AAO、MBR、人工濕地、曝氣生物濾池、化糞池以及基于各類(lèi)工藝的一體化處理裝置、組合工藝等，以及將來(lái)能應(yīng)用到農(nóng)村的新型污水處理技術(shù)，并比較了各工藝對(duì)農(nóng)村生活污水處理效能的影響，為今后關(guān)于農(nóng)村生活污水處理的研究提供參考。

1 農(nóng)村生活污水特點(diǎn)

1.1 農(nóng)村生活污水來(lái)源

根據(jù)污水來(lái)源可將農(nóng)村生活污水分為黑水和灰水兩類(lèi)，黑水是指人體的排泄、沖刷所產(chǎn)生的高濃度生活污水，具有污染物濃度高、水量小的特點(diǎn)，來(lái)源是廁所污水；灰水是在洗滌、清潔過(guò)程中產(chǎn)生的低濃度、水量大的生活污水，來(lái)源是廚房污水和洗滌污水[3-4]。目前，農(nóng)村生活污水的源頭分離和分散處理由于沒(méi)有長(zhǎng)距離的管道建設(shè)，減少剩余污泥產(chǎn)量，降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，提高污水處理效率，改善水資源的再利用等優(yōu)點(diǎn)得到研究者的廣泛關(guān)注與應(yīng)用[5-6]。不同類(lèi)型的農(nóng)村生活污水的化學(xué)組分以及在農(nóng)村污水量的占比見(jiàn)表1。

表1 農(nóng)村生活污水中污染物來(lái)源及組成[3]Table 1 Sources and composition of pollutants in rural domestic wastewater

1.1.1 廁所污水 廁所污水主要包括廁所糞便、尿液及沖廁水等。生活污水中大部分的氮、磷都來(lái)自于廁所污水，同時(shí)還會(huì)含有大量的致病微生物[7-8]。何源等[9]對(duì)巢湖地區(qū)農(nóng)村生活污水產(chǎn)排污調(diào)研，發(fā)現(xiàn)灰水和黑水污染物COD、NH3-N、TN及TP負(fù)荷占比分別為72.40%和27.60%，15.07%和84.93%，28.77%和71.23%以及54.55%和45.45%。

1.1.2 廚房污水 廚房污水主要由洗碗水、淘米水、洗菜水等組成。廚房污水中含有米糠、菜屑、動(dòng)植物脂肪和鈉、醋酸、氯、碘等多種元素，導(dǎo)致BOD、COD含量很高。

1.1.3 洗滌污水 洗滌污水由洗衣水、洗漱水、洗澡水等組成。農(nóng)村地區(qū)大部分家庭長(zhǎng)期使用洗衣粉和肥皂等洗滌用品，導(dǎo)致生活污水中N、P含量高，對(duì)農(nóng)村水體造成巨大污染，加重了水體富營(yíng)養(yǎng)化。

1.1.4 其他污水 主要指畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品加工、農(nóng)家樂(lè)等所產(chǎn)生的，無(wú)法與廚房污水、洗滌污水和廁所污水分流的污水。

1.2 農(nóng)村生活污水特點(diǎn)

由于我國(guó)地域?qū)拸V、幅員遼闊，農(nóng)村地區(qū)村莊數(shù)量眾多且分布分散，不同農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平、生活習(xí)性、地理位置等均有不同，導(dǎo)致存在不同的農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量及排放規(guī)律[10]。

1.2.1 污水總量巨大且逐年增加 目前，我國(guó)農(nóng)村約有8.2億多人口，約占全國(guó)總?cè)丝诘?0%，排水總量超過(guò)6 000萬(wàn)m3/d，約占城市污水量的50%[11]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村生活質(zhì)量的提高，農(nóng)村生活污水的排放總量將不斷增加。

1.2.2 污水處理量小 農(nóng)村地區(qū)村莊分布分散，單個(gè)村落居住人口不多，且生活污水人均排放量較小，導(dǎo)致需要處理的污水量小。據(jù)調(diào)查，一個(gè)200戶(hù)、1 000人左右的村莊，污水處理量在100 t/d左右[12]。

1.2.3 水質(zhì)、水量日變化大 農(nóng)村居民生活作息規(guī)律，一天中有3個(gè)用水高峰時(shí)段，分別在早上6點(diǎn)～8點(diǎn)、中午11點(diǎn)～1點(diǎn)和晚上5點(diǎn)～8點(diǎn)，夜間基本不排水。污水為非連續(xù)性排放，水量變化幅度大[13]，日變化系數(shù)為3.5～5.0，同時(shí)由于各時(shí)間段排放的污水不同，導(dǎo)致污水水質(zhì)在各時(shí)間段存在差異。

1.2.4 水質(zhì)、水量季節(jié)性變化 夏季由于降雨較多，農(nóng)村生活污水排放量較大，但污水中污染物的濃度較低；冬季由于枯水期的原因，農(nóng)村生活污水排放量較小，污水中污染物的濃度較高，導(dǎo)致對(duì)周?chē)w的污染嚴(yán)重[8]；春秋季農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量較平穩(wěn)。

1.2.5 水質(zhì)、水量地區(qū)性差異大 由于我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平、生活習(xí)性、地理位置各不相同，導(dǎo)致不同地方的農(nóng)村生活污水水量、水質(zhì)不同[14]。表2羅列了部分地區(qū)農(nóng)村生活污水水質(zhì)、水量的研究情況。

表2 部分地區(qū)農(nóng)村生活污水水質(zhì)、水量的研究情況Table 2 Research situation of the quality and quantity of rural domestic wastewater in some areas

1.2.6 具有可生化處理性 農(nóng)村生活污水中的N、P及有機(jī)物的濃度較高，且一般不含重金屬等有毒有害物質(zhì)，易生化處理。

1.2.7 污水隨意排放 大部分農(nóng)村沒(méi)有建設(shè)相應(yīng)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，大部分農(nóng)村生活污水就近排入附近水體，部分污水直接傾倒在地表[21]，剩余部分經(jīng)簡(jiǎn)易的污水處理設(shè)施處理，排放的污水處理率低，污染附近流域水質(zhì)以及土壤土質(zhì)。

1.3 農(nóng)村生活污水處理存在的問(wèn)題

1.3.1 污水收集系統(tǒng)不完善 由于農(nóng)村地區(qū)分布分散，管網(wǎng)建設(shè)資金需求量大，管網(wǎng)建設(shè)沒(méi)有跟上處理設(shè)施的建設(shè)，導(dǎo)致處理設(shè)施的閑置。同時(shí)，污水收集系統(tǒng)存在已有管網(wǎng)破損或堵塞嚴(yán)重的問(wèn)題。部分地區(qū)(如遼寧省)建設(shè)了覆蓋度較高的主干管網(wǎng)，但是存在支管入戶(hù)率低的問(wèn)題，產(chǎn)生的生活污水無(wú)法收集到主管網(wǎng)中，對(duì)后續(xù)農(nóng)村生活污水處理產(chǎn)生影響[22]。

1.3.2 農(nóng)村生活污水治理設(shè)施缺乏針對(duì)性 目前，我國(guó)有260萬(wàn)個(gè)農(nóng)村，各個(gè)村之間差異巨大，地形氣候、人口組成、人口聚集度、污水水質(zhì)水量、水環(huán)境承載力、經(jīng)濟(jì)水平、發(fā)展需求、生活習(xí)慣等都不同，就連一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)的不同村莊都存在巨大差異。這種情況下，很難只采用一種處理模式、工藝應(yīng)用到農(nóng)村生活污水處理，需要根據(jù)各個(gè)村莊的實(shí)際條件，因地制宜地選擇處理模式和工藝。而實(shí)際上，部分市區(qū)在農(nóng)村生活污水治理時(shí)采用一套設(shè)備、工藝、標(biāo)準(zhǔn)去處理導(dǎo)致污水處理設(shè)施達(dá)不到預(yù)計(jì)效果。

1.3.3 運(yùn)維資金不足 農(nóng)村生活污水處理中存在重建設(shè)、輕運(yùn)維傾向的現(xiàn)象：建設(shè)成本可以通過(guò)項(xiàng)目申報(bào)等方式得到，但運(yùn)維資金絕大多數(shù)需要基層政府自行解決。

1.3.4 運(yùn)維管理主體不明確 農(nóng)村生活污水處理的運(yùn)維管理主體復(fù)雜，有政府部門(mén)、相關(guān)企業(yè)單位(建設(shè)、運(yùn)維)、當(dāng)?shù)氐拇逦瘯?huì)等，各單位、部門(mén)間分工不明確，界限劃定不清晰，權(quán)力與義務(wù)劃定不統(tǒng)一，難以有效統(tǒng)一管理[23]。

2 農(nóng)村生活污水處理模式

農(nóng)村生活污水處理可分為納管處理、集中處理和分散處理三種處理模式[24-25]。處理模式的選擇需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況來(lái)確定。

2.1 納管處理模式

納管處理模式是將農(nóng)村生活污水集中收集，納入污水處理廠或附近的污水處理設(shè)施統(tǒng)一處理。納管處理模式能夠降低農(nóng)村生活污水處理時(shí)的費(fèi)用，保障農(nóng)村生活污水的處理效果[26]，是農(nóng)村生活污水處理首先考慮的處理模式。

2.2 集中處理模式

集中處理模式適用于農(nóng)村生活污水無(wú)法納入污水處理廠或城市污水干管，需要自行建設(shè)污水處理設(shè)施，解決農(nóng)村生活污水出路而采取的一種治理模式。

2.3 分散處理模式

分散處理模式適用于水系豐富地區(qū)、山區(qū)等管網(wǎng)建設(shè)難度大的地區(qū)的農(nóng)戶(hù)，或村莊中分布較為偏僻的單戶(hù)或相鄰農(nóng)戶(hù)的污水處理。即以單個(gè)農(nóng)戶(hù)或相鄰幾戶(hù)農(nóng)戶(hù)為單位分別各自就地處理污水的模式，而無(wú)需鋪設(shè)專(zhuān)門(mén)的村莊污水收集管網(wǎng)。

2.4 處理模式選擇

農(nóng)村生活污水處理模式(納管處理、集中處理、分散處理)的選擇，應(yīng)根據(jù)村莊條件因素(村居情況、房屋密度等)、自然因素(地形、水系條件、環(huán)境敏感程度等)、建設(shè)因素(管道鋪設(shè)、施工條件等)、經(jīng)濟(jì)因素(建設(shè)投資、運(yùn)維成本等)等多方面因素的綜合考慮[26-27]。由于村莊居民分散程度、村莊(或居住區(qū))規(guī)模直接影響管道鋪設(shè)距離、污水處理設(shè)施建設(shè)規(guī)模、建設(shè)資金投入等因素，因此主要根據(jù)附近是否有城鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)、村莊居民分散程度、地形來(lái)確定農(nóng)村生活污水處理模式。各農(nóng)村地區(qū)可結(jié)合村莊實(shí)際特征，可參照表3的內(nèi)容選擇。

表3 農(nóng)村生活污水處理模式選擇Table 3 Rural domestic sewage treatment mode selection

3 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)

我國(guó)常見(jiàn)的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)包括AAO、MBR膜生物反應(yīng)器、人工濕地、曝氣生物濾池、化糞池等以及基于以上工藝的一體化處理裝置、組合工藝。應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)的水體排放要求、排放水質(zhì)特點(diǎn)選擇適宜的污水處理技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水經(jīng)濟(jì)高效的處理[28]。

3.1 AAO工藝

AAO是目前應(yīng)用最廣泛的脫氮除磷工藝，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行方式靈活、HRT短、不易污泥膨脹、投資成本低、易于運(yùn)維等優(yōu)點(diǎn)，但AAO工藝存在碳源競(jìng)爭(zhēng)、來(lái)水水質(zhì)水量穩(wěn)定性要求，運(yùn)行穩(wěn)定性不高等問(wèn)題，影響了AAO工藝的脫氮除磷效果[29]。陳江杰等[30]調(diào)研了長(zhǎng)三角平原地區(qū)AAO工藝處理農(nóng)村生活污水的效果，COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別為(46.9±30.5)%，(46.0±37.3)%，(19.7±18.7)%和(25.1±21.9)%。

3.2 MBR膜生物反應(yīng)器

3.3 人工濕地

3.4 曝氣生物濾池

3.5 化糞池

化糞池是農(nóng)村生活污水處理中常用的設(shè)施，由于化糞池對(duì)污染物的去除效果有限，化糞池一般僅作為預(yù)處理設(shè)施，多與其他處理技術(shù)聯(lián)用[28]。常見(jiàn)的化糞池結(jié)構(gòu)為“三格式”，主要通過(guò)沉淀和厭氧發(fā)酵來(lái)去除生活污水中的懸浮性有機(jī)物?；S池具有建設(shè)投資小、無(wú)能耗、易于管理、占地少等優(yōu)點(diǎn)。

3.6 一體化處理技術(shù)

一體化處理技術(shù)將傳統(tǒng)污水處理工藝的各部分進(jìn)行模塊化單元組合并對(duì)整體空間布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化，能夠根據(jù)實(shí)際的進(jìn)水水質(zhì)水量要求設(shè)計(jì)不同規(guī)模的污水處理工藝，具有運(yùn)輸方便、組裝簡(jiǎn)便及占地面積較小等優(yōu)點(diǎn)[38]。

3.7 組合工藝

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)采用單一的技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效穩(wěn)定去除，采用兩種技術(shù)組合應(yīng)用，可有效彌補(bǔ)單一污水處理技術(shù)存在的不足，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，污水凈化效果明顯提升[28]。根據(jù)不同地區(qū)的區(qū)域位置、經(jīng)濟(jì)條件、水質(zhì)水量等要求可選擇不同的組合工藝，目前主要有AAO-MBR、MBR-人工濕地、曝氣生物濾池-人工濕地等組合工藝。各工藝農(nóng)村生活污水處理效果見(jiàn)表4。

表4 各工藝農(nóng)村生活污水處理效果一覽表Table 4 List of rural domestic wastewater treatment effects by process

3.8 新型農(nóng)村污水處理工藝

目前，全世界面臨資源能源短缺的問(wèn)題，研發(fā)新型農(nóng)村污水處理技術(shù)，強(qiáng)化農(nóng)村污水處理效果、降低運(yùn)維能耗、藥耗以及投資成本，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村污水處理的節(jié)能降耗十分必要。近年來(lái)，厭氧氨氧化、同步硝化反硝化以及短程硝化反硝化等技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外污水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

3.8.3 短程硝化反硝化 短程硝化反硝化將硝化過(guò)程控制在亞硝酸鹽階段，之后直接進(jìn)行亞硝酸鹽型反硝化。短程硝化反硝化為硝化作用節(jié)省了約25%的氧氣供應(yīng)，為反硝化作用節(jié)省了40%的有機(jī)碳作為電子供體，并實(shí)現(xiàn)了較低的污泥產(chǎn)量[47]。

根據(jù)上述新型脫氮除磷技術(shù)研發(fā)新型污水處理工藝，實(shí)現(xiàn)高效、低碳、穩(wěn)定處理農(nóng)村生活污水。

4 總結(jié)與展望

農(nóng)村生活污水處理作為農(nóng)村人居環(huán)境整治的重要組成部分，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要一環(huán)。目前，大部分地區(qū)農(nóng)村生活污水處理主要關(guān)注在污水處理設(shè)施上，而忽視了前期設(shè)計(jì)和后期運(yùn)維的重要性，在農(nóng)村生活污水處理模式與技術(shù)的選擇上仍比較隨意和盲目。因此，在農(nóng)村生活污水處理過(guò)程中，應(yīng)因地制宜，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)村人口、經(jīng)濟(jì)、資源、生態(tài)、環(huán)境及其工程技術(shù)、運(yùn)行效率等條件，選擇合適的處理模式與技術(shù)，同時(shí)盡可能考慮投資成本、運(yùn)維管理的可行性與適用性，使農(nóng)村生活污水得到有效治理，更好地保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境。

未來(lái)農(nóng)村生活污水處理的發(fā)展可能主要分為以下幾個(gè)方向。

(1)規(guī)劃設(shè)計(jì)的完善。完善相應(yīng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，解決目前農(nóng)村生活污水處理因缺乏建設(shè)、驗(yàn)收和運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)，難以對(duì)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和規(guī)范管理，治理效果難以保障等問(wèn)題。

(2)優(yōu)化農(nóng)村生活污水處理模式選擇研究。根據(jù)不同區(qū)位條件、村莊分布、人口密度、環(huán)境本底、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)等方面的不同特征，構(gòu)建適應(yīng)不同村莊特征的農(nóng)村生活污水處理模式選擇模型。

(3)研發(fā)高效、穩(wěn)定、低碳新技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，研發(fā)廢水生物處理工藝脫氮除磷新技術(shù)是有效去除氮污染，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑。