农村生活污水处理技术研究进展

“十三五”规划提出了“围绕城乡发展一体化，深入推进新农村建设”的历史任务，并指出需加大农村污水处理和改厕力度，全面推进农村人居环境整治。随着我国农村居民生活水平的迅速提高，使得农村生活污水的排放也在不断增加。
大部分的村庄缺乏完善的排水渠道和污水处理系统，随意排放的生活污水对农村的生态环境造成严重污染，不仅对地下水造成严重威胁，而且引起湖泊氮、磷富营养化，甚至可能导致黑臭水体的产生。因此，加强农村生活污水治理十分迫切。
针对农村生活污水的特征，结合当地经济社会情况，因地制宜地采用不同的农村生活污水分散式技术是解决农村水体
环境污染问题的关键所在，也是改善农村生态环境的必要措施。基于此，本文通过综述目前国内外分散式生活
污水处理技术，以期能够探寻到适合我国农村地区生活污水分散处理的技术。
农村生活污水现状
1农村生活污水特点
由于农村人口居住分散，使得农村生活污水具有以下特点：
1）总量大且不断增加，环境污染严重。随着我国新农村建设飞速发展，农村地区生产、生活污水的排放量也不断增长。据统计，2010年我国农村污水排放量约为90×108t，预计到2017年，我国农村污水排放量将达到148×108t。污水任意排放导致农村地区河网以及地下水水质持续快速恶化，农灌沟渠及农村河道水环境普遍为劣Ⅴ类，甚至许多河渠达不到农灌水质标准的要求。
2）有机物含量高。农村生活污水主要是农村居民生活当中产生的厨房污水、洗涤用水及厕所冲水，其中COD、氮磷、悬浮物及病菌等为主要污染物，氨氮、总氮、总磷等污染指标浓度总体较高。
3）水质水量波动大，粗放型排放。按照农村生活规律，污水明显表现为间歇排放且日变化系数较大，一般可达3.0——5.0，污水排放有着明显的早中晚三峰特征或早晚双峰特征；同时受作物生长、地理环境、气候等多种因素的影响，不同农村地区不同季节排放的水质水量均不同。另外，由于农村污水排放管网不完善，农村生活污水一般为粗放型排放，排放量小且分散。
2农村生活污水处理情况
近年来，我国对环境问题的高度重视，污水的处理率不断提高。住建部统计数据显示，到2013年年底，我国城市污水处理率已达89.34%，县城的污水处理率达78.47%，对生活污水进行处理的建制村仅为5.1%。目前，仅上海市的农村污水处理取得一定成果，处理率达43%，为全国最高。导致我国农村生活污水处理困难的原因主要有：
1）农村生活污水成分日益复杂，水质水量波动大，难以正确评估生活污水的污染负荷从而影响到污水处理方案的合理设计以及处理工艺的正确选择；2）农村居民环保意识薄弱，农村地区经济实力不一、地理条件各异，污水处理技术的选择受多方面因素的制约；3）我国农村人口居住相对分散独立，人口基数大、规模小、密度低。
综上，农村生活污水处理不能效仿城市，应当选择规模小，成本和运行费低，管理维护简单方便的技术。
农村生活污水处理技术
20世纪80年代末，我国开始从事农村生活污水处理的研究工作。近年来，越来越多的污水处理技术在我国农村得到了应用和发展。目前，国内外现有的适用于分散式生活污水的工艺（见图1）可分为一体化处理系统和分步处理系统，其中分步处理系统又可分为初级处理工艺和主体处理工艺。初级处理主要用于去除部分固体悬浮物。主体处理工艺主要用于去除N、P和部分有机物。
1一体化处理系统
一体化污水处理设备是集污水预处理、二级处理和深度处理设备于一体的中小型污水处理技术装置。目前应用较为广泛的有接触氧化反应器、气升回流一体化装置、净化槽处理系统等。
张俊等探讨将土地渗滤和生物接触氧化装置组合而成的一体化污水处理工艺，对TN、TP等污染物的去除率在80%以上，并在上海宝山区、崇明县等郊区农村得到广泛应用。刘惠敏等研究开发的气升回流式一体化接触氧化反应器，将原有装置的TN利用曝气实现硝化液回流、强化脱氮，将TN去除率增加了5%——20%。张媛媛等、周琦等针对分散型生活污水处理改进气升回流一体化工艺，改变好氧区、厌氧区和沉淀区的容积比，发现系统对COD、NH4+-N、TN的去除率分别可达80%、90%和60%。
净化槽处理系统是起源于日本的一种小型一体化生活污水处理装置，目前有66%的日本人使用该技术对污水进行净化。国内引进、改造后净化槽，获得较好的处理效果。干钢等在日本净化槽的基础上，将膜式净化槽系统在浙江示范应用。系统对COD、BOD5、NH4+-N、TP和SS的平均去除率分别为83.64%、84.46%、97.94%、94.13%和93.95%，处理后出水达到城镇
污水处理厂污染物排放标准（GB18918——2002）规定的一级A标准。
2土壤渗滤处理技术
土壤渗滤处理技术是利用土壤-植物-微生物复合生态系统，通过土壤的吸附、微生物的降解、植物的吸收作用，使污水得到净化的一种处理方法。目前，土壤渗滤处理技术主要分为慢速渗滤系统、快速渗滤系统、地下渗滤系统3种类型。
1土壤慢速渗滤系统
土壤慢速渗滤系统是将废水缓慢投配到种植作物的土壤表面，废水在流经地表土壤-植物系统时得到充分净化的一种土地处理系统，但其水力负荷较小，处理污水能力有限。研究表明通过改进布水排水设施能提高土壤慢速渗滤系统的去除率。
段增强等研究优化传统土地慢速渗滤处理系统的布水排水措施，使系统对TN、TP、COD、TOC、NH4+-N的平均去除率分别达80.7%、89.2%、89.5%、60.2%、85.7%。赵建芬等通过增大水力负荷，改进排水设施，使得慢速渗滤土地处理系统出水水质优良，除TN外各指标浓度达到地表水环境质量标准（GB3838——2002）III类水质标准。
同时，土壤渗滤系统对高浓度污水也有很好的去除效果。王振等开展高浓度较养猪废水的土壤慢速渗滤系统处理效果研究，结果表明，系统对TN的去除率达80.2%，对TP、COD去除率均在90%以上。
2土壤快速渗滤系统
土壤快速渗滤系统是将一定量的污水投配到渗滤性良好的土壤表面，向下渗透过程中，污水通过生物过滤、沉淀、氧化、硝化、反硝化等一系列作用从而得到净化。北京昌平快速渗滤池运行稳定时对COD、NH4+-N、SS、BOD5、TN、TP去除率分别为91.5%、85.6%、98%、95.3%、83.2%、69%。
此外，迅速发展起来的人工快速渗滤系统利用渗透性能好的天然河砂和特殊填料，代替了传统渗滤系统中的天然土层，提高水力负荷，减少占地面积，提高系统的富氧能力以及对污染物的去除效果。平玉焕等针对包气带进行研究，得出人工快速渗滤系统包气带对COD以及NH4+-N有很好的去除效果。
王枫等对人工快速渗滤系统的研究，发现滤池出水水质稳定、良好，NH4+-N和SS的去除率在90%以上。但是，人工快速渗滤系统易受季节、温度等因素影响。冯绍元等对不同季节下人工快速渗滤系统进行研究，结果表明，在夏季高温时，系统对地表微污染水的净化效果较好，对COD和NH4+-N的平均去除率分别为45%和65%；在冬季低温时，对COD和NH4+-N的平均去除率只有20%和60%。
3土壤地下渗滤系统
土壤地下渗滤系统布水设施埋于地下，不影响地面景观，受天气影响小。STEWART等研究地下土壤渗滤系统对农村生活污水去除效果，发现系统对BOD、COD、TN、SS的去除率分别为82.9%、78.2%、69.8%、82.8%。
ROBERTSON等将地下土壤渗滤系统应用于澳大利亚农村生活污水的处理，试验表明系统对BOD、COD、TN、SS、TP的去除率分别为84.7%、86%、59.4%、77%、83.8%。液压加载率和污染物加载速率会影响土壤渗滤系统处理效果。LI等研究发现土壤地下渗滤系统的对污染物的去除率会随液压加载率和污染物加载速率增加而下降。
综上可见，土壤渗滤系统具有工艺简单、去除率高等特点，适合于我国农村生活污水处理。
3人工湿地处理技术
人工湿地处理系统是利用人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用对污水进行处理的一种技术。其基本要素为湿地基质、植物和微生物，三者对污染物的转化与去除至关重要，其对废水污染物的去除效率相对较低，尤其是对污染物中的N、P。
人工湿地对N的去除主要途径为硝化和反硝化作用，一般N的去除率在35%——50%之间。但由于人工湿地有限的溶解氧和缺乏生物碳源，因此很难提高N的去除率。增加水体中的溶解氧可以改善人工湿地对N的去除效果，如将人工湿地与藻塘结合。
ZHAO等将垂直流人工湿地与藻塘进行组合试验，在低温条件下的水体中污染物去除效果明显提高，其原因是藻类的光合作用增加了组合系统的溶解氧含量，同时藻类为微生物提供额外的生物碳源，从而提高了整个系统对N的去除效率。
植物是人工湿地的核心之一，有无植物明显影响人工湿地系统处理效果。研究对比有无植物的两种人工湿地系统，结果表明有植物的湿地系统对TN、TP、BOD的去除率明显高于无植物的湿地系统。同时，湿地植物应选择去污效果强、根系发达、生长季节长的植物，应将植物合理搭配，以提高人工湿地的净化能力。魏成等将芦苇、美人蕉和风车草3种植物进行不同组合试验表明多种植物组合去污效果明显高于单一植物。
4稳定塘处理技术
稳定塘是一种经过人工适当修整后设围堤和防渗层，主要通过微生物降解、沉降、转化、截滤等作用去除污染物。其对NH4+-N的去除易受环境温度、pH等因素影响，表现为温度和pH较高时，硝化/反硝化以及NH4+-N的挥发作用是TN的主要去除机制，若在冬季低温时，NH4+-N挥发作用则会受到抑制。
稳定塘对P的去除主要是水生植物吸收和底泥对P的吸附/解吸等多种机制的共同作用。缺点是占地面积大、水力停留时间长、散发臭味、处理效果不稳定等。李怀正等通过缩短曝气稳定塘的曝气周期，提高系统的去氮除磷效果。
孙楠等针对严寒地区农村生活污水提出凹凸棒土-稳定塘模式，试验得COD、NH4+-N、TP的平均去除率分别为91.5%、87.7%、84.1%，改进后的稳定塘，对污染物去除率显著提高。利用菌藻共生关系也是稳定塘改进的方向之一。
美国加州大学伯克利分校的Oswald制作了一种高效藻类塘，试验发现高效藻类塘对COD、BOD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别为75%、60%、92%、75%、50%，同时相对于传统稳定塘，高效藻类塘具有占地面积小、停留时间对较短、运行成本低等优点，应用前景广阔。
5蚯蚓生物滤池技术
蚯蚓生物滤池技术，是近年来新起的一项生态型污水处理技术。其原理是根据蚯蚓具有提高土壤通气透水性能和促进有机物的分解转化等功能，利用蚯蚓和微生物的协同共生作用对污水污泥进行处理和转化。
与普通的生物滤池相比，蚯蚓生物滤池利用蚯蚓的活动来增加滤层的通透性，同时加强对有机物的分解，弥补了传统生物滤池运行过程中污泥易堵塞的缺点。KUMAR等将河床材料作为主要滤料构建起蚯蚓生态滤池，结果发现BOD5、TSS、TDSS的去除率均在80%以上。
汪龙眠等考察了不同布水条件下蚯蚓生态滤池对生活污水处理效果，发现滤池在不同布水条件下对污染物均有较高的去除率，对COD、NH4+-N、TN和TP去除率分别为84%——94%、94%——98%、70%——84%和97%——98%。李军状等对蚯蚓生态滤池处理太湖农村生活污水进行试验研究，通过强制系统通风、改进蚯蚓床填料、采用适宜的运行方式等措施优化滤池，系统对COD、TN、TP以及NH4+-N的去除率分别达81%、66%、89%和82%。
蚯蚓喜欢生活在温暖的环境中，在0——5℃休眠，32℃以上停止生长，适宜温度为15——30℃，因此温度和季节变化对于单一的蚯蚓生态滤池影响较大。郭飞宏等研究不同季节多级蚯蚓生态滤池对于农村生活污水处理效果，试验表明，多级蚯蚓生态滤池在夏季和冬季去污效果都较好，出水水质均达GB18918——2002一级A类标准。
Zhao等将水生植物引入蚯蚓生态滤池并探讨不同季节对蚯蚓生态滤池净化效果的影响，滤池对COD、总氮、氨氮和总磷的最大去除率分别为93.88%、83.92%、98.11%和94.14%。上述研究表明蚯蚓生态滤池作为处理农村生活污水的一种新工艺，具有去污效果好、工艺流程简单、等优点，有良好的应用前景。
6膜生物反应器
膜生物反应器是通过膜分离技术和生物处理技术的有机结合而形成的新形态
废水处理系统。膜生物反应器将传统生物处理技术的沉淀池用膜组件来取代，利用膜分离技术截留水中的活性污泥和大分子难降解有机物，增加水力停留时间，从而提高降解效果，实现对废水的处理。
DING等采用一体化立式膜生物反应器处理生活废水，COD和NH4+-N的去除率分别可达95%和99%。PRIETO等采用气升式厌氧膜生物反应器处理家庭废水，结果表明COD、TN、TP的去除率分别为98%、96%、93%。FENG等将生物带载体复合膜生物反应器和悬浮载体复合膜生物反应器对比处理污水，试验表明生物带负荷膜生物反应器对TN、COD去除效果更佳，分别可达95%、94%。
膜生物反应器因对污染物去除效果好，出水水质高，而被作为高效废水生物处理技术而被广泛运用。但是膜生物反应器也存在一定的不足，在运行过程中膜易受到污染，使膜通量降低，管理不便，技术要求较高，阻碍膜生物反应器在农村地区推广应用。
各种分散式生活污水处理技术比较
根据文献资料，本文对我国常见的农村分散式生活污水处理技术使用范围和优缺点进行了比较，见表1。
从表1中可知，相对于人工生态处理系统，自然生态处理系统基建费以及运行费用较低，但系统运行状况，污水处理效果易受自然因素影响。人工生态处理系统，去污效果稳定，见效快，但运行管理费用高，维修复杂。因此，处理农村分散式生活污水要因地制宜，根据当地的自然条件、经济状况、污染程度等综合情况来确定当地最佳的污水处理技术。
结语与展望
随着新农村的建设，农村环境治理被提上日程。“水污染防治行动计划”明确指出，要大力推进农业农村污染防治，防治畜禽养殖污染，控制农业面源污染，到2020年，新增完成环境综合整治的建制村13万个。中国农村生活污水处理起步较晚，主要是在借鉴国外先进的技术，还应根据我国农村实际情况选择适合，低成本，管理方便，绿色环保的污水处理系统。综上有以下几点建议：
1）建立完善的污水收集系统。由于缺乏
环境保护意识以及缺少管网设施的粗放式排放污水已经严重恶化村民的生活环境，甚至对地表以及地下水造成污染，从而危及人们的健康。因此污水收集系统的完善必不可少。可考虑对生活污水进行分类收集，例如：由于农村生活污水主要成分为N、P等元素，收集后可农用，灰水收集经处理后可作为中水回或直接排放，以降低处理成本。
2）合理选择污水处理技术。总体上，根据我国农村人口密度低，居住分散的特点，得出我国农村适合选用分散式生活污水处理技术；其次，不同农村地区的情况又各有不同，因此，因地制宜选择最适合的污水处理技术尤为关键。可对该地区的地理位置，经济条件，污染情况做出评估，综合分析，参考本文所提及的分散式污水处理技术进行选择。
3）加强污水处理技术的应用研究。目前的污水处理技术都存在不同程度的缺陷，未来应加强对污水处理技术更深层次的研究，由于单一的污水处理技术有各自的缺陷，因此，也可考虑将不同的技术合理组合，综合发挥各自效用，相互弥补不足，提高污水处理效率。更多环保新闻请关注
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