田豐 肖杰 王春 楊長軍 張珅 高東東 何鵬

（四川省生態(tài)環(huán)境科學研究院，四川 成都 610064）

1 引言

近年來，四川省大力推進農(nóng)村生活污水收集與治理工作，印發(fā)了《四川省農(nóng)村生活污水治理三年推進方案》，方案明確要求到2021 年年底，全省行政村生活污水有效治理率目標為60%［1-2］。四川省生態(tài)環(huán)境廳例行新聞發(fā)布會上公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2021 年7 月，全省共有17 541 個行政村生活污水得到有效治理，治理率達到61.7%，已提前完成既定目標。但川西北高寒高海拔地區(qū)因氣候條件、經(jīng)濟發(fā)展和人口分布等影響，農(nóng)村生活污水有效治理率還不足40%，與全省平均水平仍有一定差距，已建污水處理設施不同程度地存在污水收集率低、進水濃度低和設施運行不穩(wěn)定等問題。此前，對高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水治理技術研究甚少，常規(guī)污水處理技術難以在該地區(qū)適應。因此，亟須探索出適合高寒高海拔地區(qū)的污水處理技術，以解決川西北高原地區(qū)農(nóng)村生活污水環(huán)境污染問題［3-4］。

2 高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水治理現(xiàn)狀

2.1 高寒高海拔地區(qū)主要特點

一是自然條件惡劣，經(jīng)濟發(fā)展相對落后。四川省高寒高海拔地區(qū)平均海拔在2 400 m 以上，冬季氣溫在-15～5 ℃之間，凍土層厚度0.6～1.5 m。所有縣均為剛脫貧的國家級貧困縣和鄉(xiāng)村振興重點幫扶縣，財政收入緊張，農(nóng)民人均可支配收入僅為全省平均水平的80%。二是農(nóng)村人口總數(shù)小、聚居度相對偏低。區(qū)域現(xiàn)有2 065 個行政村、4 757 個自然村，21.6 萬戶、89.8 萬常住人口，地廣人稀，人口密度僅為7.4 人/km2，村莊規(guī)模普遍較小，居住較分散。三是污水排放量小、污染物濃度低。牧區(qū)生活污水排放量10～20 L/（人·d），半農(nóng)半牧區(qū)20～50 L/（人·d），河谷農(nóng)區(qū)40～50 L/（人·d），旅游景區(qū)和旅游沿線農(nóng)村旅游旺季60～80 L/（人·d），淡季減少至50 L/（人·d）以下。冬季農(nóng)戶多采用“長流水”（為防止高寒高海拔地區(qū)冬季管道凍結，農(nóng)戶家用自來水保持常流狀態(tài)）方式防凍，導致污水處理設施進水濃度低，后續(xù)生化段污泥營養(yǎng)物質嚴重不足，難以保障設備正常運行。四是農(nóng)村生活污水治理尚處于起步階段。截至2021 年10 月，高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水有效治理的行政村占比不足40%。已建的污水處理設施中，約80%設施采用有動力的生化處理或組合工藝，其中以A/O，A2/O，MBR 等工藝居多；20%為無動力的厭氧工藝，主要采用“厭氧+土地處理”“三格式化糞池+資源化利用”等工藝。

2.2 污水治理存在的主要問題

一是部分已建設施設計標準過高。以四川省DB 51/2626—2019《農(nóng)村生活污水處理設施水污染物排放標準》實施日期為界限，2020 年前建成的農(nóng)村污水處理設施中，25%參照執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A，B 標準，6%參照執(zhí)行GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準。二是選用的工藝技術種類繁多且偏復雜。區(qū)域內 采 用A2/O、A/O、MBR、MBBR、CASS、SBR、PASG（地埋式綜合生化處理工藝）、生物轉盤、接觸氧化法等多達9 種工藝；半數(shù)縣市選用工藝在4 種以上，繁雜的處理工藝增加了日常運維難度。三是已建設施運行負荷率低、正常運行率低。已建設施總設計處理規(guī)模約10 000 m3/d，實際運行負荷率不足50%。受處理工藝適用性差、建設質量參差不齊、運維資金和技術人員保障不足等因素制約，部分污水處理設施無法穩(wěn)定正常運行。

3 高寒高海拔地區(qū)主要適用治理技術

針對高寒高海拔地區(qū)自然條件惡劣、地廣人稀、污水量小、環(huán)保設施建設相對滯后、地方財力薄弱等現(xiàn)狀，因地制宜探索低成本、易維護、高效率、抗沖擊的治理技術，成為該地區(qū)農(nóng)村生活污水治理的必然選擇。經(jīng)廣泛調研、深入研究和專家咨詢，推薦四川省高寒高海拔地區(qū)主要適用技術包括厭氧生物膜法、接觸氧化法、移動床生物膜反應器（MBBR）、生物濾池、人工濕地等5 種，見表1。

表1 四川省高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水主要適用技術

4 推薦組合工藝

高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水應堅持“分散處理、資源化利用為主”的治理思路，嚴格控制建設集中處理設施數(shù)量，將黃河流域、水源保護區(qū)、旅游風景區(qū)、城鄉(xiāng)接合部、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府所在地、中心村等“六類村”作為治理類村莊，可采取集中收集處理利用模式，出水達到四川省《農(nóng)村生活污水處理設施水污染物排放標準》相關要求，其他規(guī)模較小和管控類村莊應結合農(nóng)村衛(wèi)生廁所改造工程，以資源化利用為主，并加強生活污水排放利用管控。下面介紹幾種適宜高寒高海拔地區(qū)的組合工藝。

4.1 資源化利用處理工藝

4.1.1 衛(wèi)生旱廁＋灰水收集＋資源化利用

高寒高海拔地區(qū)推薦使用的無害化衛(wèi)生旱廁，主要有糞尿分集式廁所和雙坑交替式廁所2 類。該工藝將糞污通過短期發(fā)酵、自然降解的方式進行無害化處理，經(jīng)堆漚腐熟成農(nóng)家肥，就地就近農(nóng)用。衛(wèi)生旱廁在日常維護中需做好防雨、防水措施，嚴禁生活污水排入，并及時清理貯尿桶和貯糞池。

4.1.2 三格/四格式化糞池＋資源化利用

該工藝是利用沉淀和厭氧微生物發(fā)酵原理的污水初級處理設施，通過厭氧生物分解作用去除部分有機污染物，通過沉淀作用去除大部分懸浮物。處理后的糞污可資源化利用，也可排入土壤滲濾系統(tǒng)或人工濕地等進行生態(tài)處理?；S池日常管理維護簡便，主要包括水量控制、防漏、防臭、清理格柵雜物、清理池渣等工作。注意在清渣或取糞水時，在池邊嚴禁明火，以防池內糞便發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣遇火爆炸。

4.2 達標排放處理工藝

4.2.1 預處理＋人工濕地

該工藝將黑水排入化糞池進行預處理，經(jīng)過一定的停留時間后，化糞池第三格上清液和灰水一起自流進入人工濕地，在土壤—植物—微生物的協(xié)同作用下進一步凈化，經(jīng)處理達標后出水外排或資源化利用。工藝流程見圖1。

圖1 “預處理＋人工濕地”組合工藝流程

人工濕地面積可按有機負荷、水力負荷或停留時間等條件來確定，垂直潛流人工濕地、水平潛流人工濕地和表面流人工濕地的水力負荷分別為每日每噸污水不低于2，3，10 m3，水力停留時間分別為2～4 d，3～5 d，5～8 d；基質宜就近取材，結合材料機械強度、比表面積、孔隙率等參數(shù)進行級配；水生植物應優(yōu)先選擇根系發(fā)達、成活率高、耐污能力強、水質凈化效果好、抗凍及抗病蟲害能力強、容易管理的本土植物，可選擇蘆葦、香蒲、菖蒲、水芹、杉葉藻、燈心草等耐寒性植物。人工濕地應在底部和側面進行防滲處理，防滲層可采用黏土層、聚乙烯薄膜及其他建筑防水材料。人工濕地應注意冬季保溫，宜采取分層布水，冬季降水位運行。日常管理運行中需注意適時調節(jié)水位，避免出現(xiàn)短流現(xiàn)象；密切關注植物生長情況，適時缺苗補種、雜草清除、收割以及控制病蟲害；采取措施確保植物生長平穩(wěn)過冬；采取定期清淤、局部更換基質等方式防止堵塞。

4.2.2 預處理＋厭氧生物膜法/生物濾池（＋人工濕地）

該工藝將生活污水經(jīng)化糞池預處理后送至厭氧池；厭氧池內設有掛膜生物填料或濾料強化厭氧處理效果；對進水濃度低且水質排放要求不高的地區(qū)，經(jīng)過厭氧強化處理后可直接排放。對水質排放要求高的地區(qū)，經(jīng)厭氧處理后的出水可進入人工濕地，進一步削減污染物。工藝流程見圖2。

圖2 “預處理＋厭氧生物膜/生物濾池法（＋人工濕地）”組合工藝流程

厭氧生物處理水力停留時間宜為2～5 d，填料或濾料的選擇宜為生物膜易附著的，同時填料或濾料應具備比表面積大、通水阻力小、強度高、耐腐蝕、抗老化、使用壽命長等特性。厭氧池在建設期應做好防滲、防漏措施；并對厭氧池進行封頂處理，且頂部留有排氣口和人孔，必要時可增加除臭裝置。運維期應定期排放與處置池底污泥，定期檢查厭氧池的進、出水口和排氣口，及時處置沼氣，有條件的地區(qū)可考慮沼氣收集與利用。

4.2.3 預處理＋生物接觸氧化（+人工濕地）

該工藝通過格柵、調節(jié)池等去除污水中的漂浮物和懸浮物，在厭氧池中降解大分子有機物并進行氨化反應，再進入生物接觸氧化池，在好氧條件下進一步去除有機物，自養(yǎng)菌的硝化作用將氨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，通過回流在缺氧條件下實現(xiàn)總氮脫除，好氧池出水進入沉淀池進行泥水分離，尾水可直接排放，或經(jīng)人工濕地進一步深度處理后排放或資源化利用。工藝流程見圖3。

圖3 “預處理＋生物接觸氧化（+人工濕地）”組合工藝流程

生物接觸氧化處理系統(tǒng)主要去除有機物時，按BOD5表面有機負荷確定池體體積，填料填充率50%～80%，水力停留時間3～6 h，通常選擇4 h 為宜，同時應滿足水力負荷要求。系統(tǒng)需去除有機物和脫氮時，應在生物接觸氧化池前設置缺氧池，BOD5表面有機負荷，好氧池、缺氧池填料填充率50%～80%，水力停留時間分別為4～12 h，1～3 h，出水回流比100%～300%；除磷時需單獨增加除磷工藝。當采用多級接觸氧化工藝時，第一級生物接觸氧化池的水力停留時間應占總水力停留時間的55%～65%，處理效果穩(wěn)定高效。在運行過程中，需注意填料載體上生物膜生長與脫落情況，并通過適當?shù)臍饬空{節(jié)防止生物膜的整體大規(guī)模脫落。確保無曝氣死角，調整曝氣頭位置，保證均勻曝氣。定期察看有無填料結塊堵塞現(xiàn)象發(fā)生并予以及時疏通。

4.2.4 預處理＋MBBR（+人工濕地）

該工藝兼具傳統(tǒng)流化床和生物接觸氧化法兩者的優(yōu)點，在高寒高海拔地區(qū)應用具有較大優(yōu)勢。農(nóng)村生活污水流經(jīng)格柵截留了大部分漂浮物后，與回流污泥共同進入MBBR 生化池，MBBR 生化池內一般包括厭氧池、缺氧池、好氧池。厭氧池主要功能是降解有機物、提高污水的可生化性，同時釋放磷以及對部分有機物進行氨化；缺氧池主要功能是脫氮、水解和降解部分有機物；好氧池主要功能是好氧池內投加的懸浮填料表面附著生長生物膜，促進有機物去除、硝化反應和磷的吸收，好氧池出水進入沉淀池進行泥水分離后排放。工藝流程見圖4。

圖4 “預處理＋MBBR（+人工濕地）”組合工藝流程

MBBR 處理系統(tǒng)主要去除有機物時，按BOD5表面有機負荷確定池體體積，填料填充率20%～50%，水力停留時間2～6 h。系統(tǒng)需去除有機物和脫氮時，應在生物接觸氧化池前設置缺氧池，BOD5表面有機負荷，好氧池、缺氧池填料填充率20%～50%，水力停留時間分別為3～12 h，0.5～3 h，出水回流比100%～300%；池內水平流速不應大于30 m/h。在實際工程中，為避免填料堆積現(xiàn)象，需改進曝氣管路的布置、反應器的結構和水力特性。單個反應器的長深比宜為0.5 左右，且長度不大于3 m，有利于填料完全移動；反應器出水需設置活動柵板，定期進行人工清理，也可設置空氣反吹裝置，以防止堵塞和填料流失。上述組合工藝特點見表2。

表2 四川省高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水組合工藝特點

5 已有問題設施工藝改造

5.1 工藝常見問題

5.1.1 MBR 工藝常見問題

川西北高寒高海拔地區(qū)采用MBR 工藝的農(nóng)村生活污水處理設施穩(wěn)定運行率偏低。經(jīng)分析，在技術層面主要存在以下問題：（1）設計標準過高，采用MBR法與多種工藝組合使用，造成處理工藝偏復雜，運維管理困難。（2）部分設施進水濃度過低，碳源不足導致MBR 生化池內活性污泥濃度較低，在個別時段進水濃度偏高時設施不具備抗沖擊能力。（3）預處理段不完善，如缺乏膜格柵，進水中的雜物易造成膜組件損壞。（4）MBR 膜組件未定期清洗，造成膜表面污染嚴重，影響處理效果和產(chǎn)水效率。

5.1.2 A2/O 活性污泥法常見問題

川西北高寒高海拔地區(qū)采用A2/O 工藝的設施中，部分設施運行效果不佳甚至停運，主要存在以下問題：（1）水溫低、大氣壓低，導致處理設施中的污泥活性低，微生物世代繁衍困難，且進水濃度低，導致生化池內污泥量少，處理效果不佳。（2）A2/O 活性污泥法工藝流程較長，非專業(yè)人員無法精準控制內外污泥回流量，導致反硝化反應不徹底，影響脫氮效果。（3）部分規(guī)模較小的處理設施，采用較為復雜的A2/O 活性污泥法工藝，導致造價高、能耗高，運維成本高。

5.2 改造方案

（1）對于處理規(guī)模小于20 m3/d 的污水處理設施，可將工藝調整為無動力的厭氧生物膜法工藝，形成“預處理＋厭氧生物膜/濾池”組合工藝，即向生化池投加高效填料或濾料培養(yǎng)附著生物膜，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力和處理效果。

（2）對于處理規(guī)模在20 m3/d 及以上的污水處理設施，調整為“厭氧＋生物接觸氧化/MBBR（+人工濕地）”組合工藝，即投加高效固定或懸浮填料，以提高微生物濃度，提高處理效果，經(jīng)改造后的出水完全滿足生活污水處理達標排放和資源化利用的需求。

（3）大多數(shù)污水處理技術均是依靠微生物代謝作用實現(xiàn)對污染物的去除，高寒高海拔地區(qū)常年氣溫較低、冬季嚴寒，限制了微生物對污染物的降解能力。同時，低溫條件下易造成管道結冰堵塞、設施運行故障甚至損壞等現(xiàn)象。因此，應對高寒高海拔地區(qū)污水處理設施及配套管網(wǎng)采取增加埋深、加設保溫層等手段。對于有條件的地區(qū)，還可采取設置大棚、鋪蓋秸稈、太陽能輔助等強化保溫措施。

6 結論

（1）高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水在選擇處理工藝時，應充分考慮地形地貌、社會經(jīng)濟條件、風俗習慣、進水濃度、排放標準和運維管護能力等因素，因地制宜地選取適合的污水處理工藝，不宜選擇工藝流程復雜、運行維護困難的工藝。

（2）根據(jù)高寒高海拔地區(qū)已建、在建污水站實際情況，結合農(nóng)村居民居住習慣、污水收集處理現(xiàn)狀，農(nóng)村生活污水治理方式推薦以下幾種：對于經(jīng)濟條件較差、農(nóng)戶分布分散且周邊有消納土地的偏遠農(nóng)村地區(qū)，可采用“衛(wèi)生旱廁+灰水收集+資源化利用”和“三格/四格化糞池+資源化利用”2 種資源化利用工藝；對于處理規(guī)模小于20 m3/d 的污水處理設施，可采用“預處理+厭氧生物膜/濾池”組合工藝；對于處理規(guī)模在20 m3/d 及以上的污水處理設施，可采用“厭氧+生物接觸氧化/MBBR（+人工濕地）”組合工藝。

（3）為確保冬季運行效果，設備及管網(wǎng)應結合當?shù)氐匦?、凍土層深度、地下水水位等選擇保溫措施，可選擇深埋、淺埋、大棚保溫、新型材料和新能源等多種方式組合使用。