给水排水 |吕锡武：可持续发展的农村生活污水生物生态组合治理技术
1 研究背景
当前我国水污染形势不容乐观，水环境质量与和谐社会建设极不相称，也制约着经济发展。随着城镇污水处理率大幅度提高，农村生活污染问题更加突出。以太湖流域为例，农村污染排放量占全部排放源的比例为：COD占23%、氨氮占38%、TN占40%、TP占38%。加快农村生活污水治理对水环境质量改善十分必要和紧迫。
与城镇污水处理技术相比，我国农村生活污水排放分散，处理率低（行政村覆盖率为12%，实际处理率约为6%），技术储备严重不足。同时由于农村生活污水排放分散，缺乏专业技术和专职管理人员，处理工艺不能简单套用城镇污水处理厂的规模化、专业化的工艺流程。农村生活污水处理技术首先要求工艺简单、易于维护，还需要具备稳定、高效的氮磷资源利用的特点。
国际上，农村生活污水处理技术主要有生物处理和生态处理两种。生物技术以日本化粪池为代表，是针对大型污水处理厂处理工艺的小规模集约化应用技术。在我国农村应用时，存在建设和运行成本高、管理人员专业素质要求难以达到、普遍缺乏除磷功能等缺点，在我国广大农村地区由于经济实力和管理水平有限，难以大规模推广应用。单一的生态处理技术主要应用在澳大利亚、北美等土地资源丰富、环境容量大的地区，需要占用土地面积较大，处理效果受季节影响明显，而我国经济发达的农村地区受到土地资源和地理位置的双重制约，不具备应用条件。
我国农村生活污水处理的有利条件是：污水不含有毒有害物质，且富含氮、磷。如果将农村生活污水处理融入农业，农村生活污水中的氮、磷可以变宝为宝，成为农业种植所需的宝贵肥料资源。农田种植对生活污水中氮、磷的吸收能力也很强。从这个角度看，农村生活污水处理的战略选择应该是：源于三农，融入三农，服务三农。农村污水处理应以“因地制宜、技术含量高、投资和运行费用低、维护方便、氮、磷资源化”为目标，体现污水处理的可持续发展原则。
国内外相关研究成果与实践提醒我们，无论是生物技术（城镇污水处理厂的主流工艺）还是新兴的生态工程技术，单纯应用都无法解决农村生活污水处理及除磷脱氮问题，必须将生物方法与生态工程有机结合，有针对性地进行符合农村特点和条件的工艺设计，才能在达到稳定的除磷脱氮效果的同时，节约成本和运行费用。
东南大学在国家水利项目和省部级专项资金的支持下，经过多年的持续研发，开发出可持续发展的农村生活污水生物生态组合处理技术：厌氧-缺氧生物滤池-瀑布曝气接触氧化装置-水生植物滤床及湿度可控人工湿地组合工艺（见图1）。通过生物方法与生态工程的优化组合，实现了农村生活污水处理过程中节能减排、高效除磷脱氮的目标。具有节能、节地、资源化、投资及运行费用低、维护方便等特点，各单元功能明确、运行高效，实现了氮磷资源化利用、尾水回用的可持续发展目标。
图1 农村生活污水生物生态组合工艺可持续发展设计思路
可持续农村生活污水处理的理念与工艺创新体现在：处理技术采用生物与生态组合工艺，生物处理单元与生态处理单元集成为一体：生物单元去除有机物，生态单元实现脱氮除磷及资源化利用，作为污染净化农业。与常规技术相比：由于生物处理单元只去除有机物，没有专门设计除磷脱氮，大大简化了生物单元，不仅降低了建设成本，而且运行管理简单；前端大深径比厌氧反应器，可实现有机物的高效去除，并降低后续好氧阶段的有机负荷和需氧量； 在生态处理单元中选用空心菜、莴苣、芹菜等吸收氮、磷能力强、生物量大的经济作物替代芦苇、香蒲等传统湿地植物，在实现污水中氮、磷的资源化利用的同时，产生可观的经济效益，技术推广应用前景广阔。
2 生物单位
2.1 大深径比多级串联高效厌氧反应器
国内外研究实践表明，常温厌氧处理低浓度污水是可行的，其问题是水力停留时间过长，往往难以满足实际要求，因此提高常温低浓度污水高效厌氧处理效率十分重要。在生物生态组合系统中，厌氧段需高效降解有机物以降低好氧段的有机负荷和需氧量，为后续好氧段实现低能耗提供保障。从反应器流态来看，理论上推流式厌氧反应器比完全混合式反应器具有更高的处理效率和抗冲击负荷能力。 多级串联大深径比高效厌氧反应器可以解决这一问题：基于流体力学和反应器构造原理，增加厌氧反应器有效水深，形成“大深度、小内径”的特征配置，其内部形成整体上流或下流的推流状态，同时多级串联使得水力停留时间更呈推流状态，保证厌氧反应的高效进行。反应器内填充无纺布或弹性填料，通过增加生物附着比表面积，提高厌氧反应效率。在同样的容积负荷下，较大的深径比也减少了反应器的占地面积。该反应器适用于地下水位较深、土地资源有限的地区。
折板高效厌氧反应器作为一种替代装置，适用于地下水位较浅、地质条件较差的地区，是一种采用特定填料的通道式或折流板推流式反应器装置，处理水量有限，适用于单户或多户生活污水的就地处理，可利用现有化粪池进行改造。
2.2 高适应性低能耗农村生活污水处理好氧处理装置
组合工艺中好氧段的主要作用是将氮磷无机化并进一步去除有机物，以保证后续湿地出水稳定达标。常规小型污水生物脱氮工艺中，曝气电耗一般占日运行费用的80%，是传统生物处理的主要耗能单元。采用水车驱动生物转盘、叠瀑、往复瀑、风力抽取等自然充氧形式，改变了传统生物处理曝气方式能耗高的缺陷，建成了多种低能耗好氧处理装置。
瀑布式曝气充氧装置利用污水提升获得势能，并分阶段落下将势能转化为动能，形成水幕和水滴进行自然充氧，无需增氧装置。该技术包括多种不同配置的充氧装置，以满足不同农村生活污水水质变化的需要。可有阶梯式和垂直错层瀑布式两种形式。垂直错层瀑布充氧生物接触氧化池多级垂直错层分布，利用挡板使污水来回落落，比阶梯式瀑布充氧可节省50%以上的土地。另外由于占地集中，可以在外围建造房屋，实现保温，保证冬季污染物降解效率，适应北方寒冷地区。水车利用落水流的动能带动生物转盘旋转，实现污水落下充氧、溅水分散充氧和转盘表面复氧的三重充氧效果。 充氧效果极佳，适合浓度较高的生活污水，各类瀑布装置如图2所示。
图2 各类水滴装置
脉冲多层复合滤池生物滤池：无需曝气，自然通风供氧，水力负荷高，占地面积小，耐冲击负荷，可用于水量稍大的农村生活污水处理。采用虹吸脉冲配水方式，既能维持滤池在较低的平均负荷下运行，保证滤池硝化反应顺利完成；又能保证配水时瞬间冲走部分老化生物膜，从而保持高活性生物膜，解决了传统生物滤池易堵塞、塘蝇滋生、臭味等问题。另外，可在滤料填充层内设置“废石膏填充区”，初步达到除磷效果。生物滤池整体呈塔型，在寒冷地区使用时，方便增设建筑保温。脉冲多层复合滤池生物滤池现场如图3所示。
图3 脉冲多层复合滤池生物滤池现场
2.3硝化除臭技术
生活污水中含有大量的有机物，经厌氧处理后易生成氨气、硫化氢、甲硫醇、甲胺等致臭物质。这些致臭物质排入空气中会严重影响污水处理设施周围的空气质量。目前，污水处理厂的除臭方法主要有：将逸散到大气中的臭气收集并去除的被动式除臭法，代表技术有生物滤池过滤、植物提取物除臭、活性炭吸附、高能离子除臭、化学除臭和活性氧除臭；通过加药提高污水中的氧化还原电位，避免氮、硫化合物生成的主动式除臭法。以上所有方法均需外加动力设施和化学药剂，运行费用昂贵，管理难度大，在农村地区基本不可能推广。 创新反硝化除臭技术利用现有瀑布充氧生物接触氧化池产生的硝化液和剩余溶解氧回流至缺氧池，稀释氧化其中还原性致臭物质，节省电耗和药剂费用，成本低廉，管理简单，解决了污水处理设施可能存在的臭味问题，提高了瀑布充氧段及人工湿地水体的卫生和观赏价值。
3个生态单元
生态单元与乡村种植业紧密结合，成为污染净化农业。主要表现在两个方面：以经济作物替代传统湿地植物，优化湿地配置；建设污染净化农业，在实现氮、磷资源化利用的同时，取得一定的经济效益。通过采用水生蔬菜滤床、水位入渗可控的潜流人工湿地技术，可以有效提高人工湿地的处理效率。人工湿地生产具有经济价值的水生蔬菜、花卉，可以调动农民参与污水处理设施管理的积极性，有利于技术的推广。另一方面，强化和完善沿途污染物净化理念，通过相关技术的研发和集成创新，实现污染物的最大减量。 同时，根据不同区域情况，因地制宜研发了阶梯式生态砂砾处理技术、阶梯式多功能强化生态净化塘处理技术、多种配置方式的生态混凝土支撑的生态沟渠降解技术等。
3.1 无土栽培与人工湿地集成优化技术
在人工湿地中种植空心菜、水芹、西红柿、生菜等蔬菜以及水培花卉等经济作物，可以使人工湿地在产生经济效益的同时，调动农民自觉维护的积极性;优化湿地配置，通过湿地出水堰的改进设计，控制人工湿地的水位，使人工湿地适应各类经济植物的生长;还可以在人工湿地上增设温室，保证其在冬季低温条件下正常运行;在人工湿地中引入蚯蚓，可以改善湿地微环境，增强湿地对污染物的去除效果。
水生蔬菜滤床人工湿地技术。是人工湿地技术与蔬菜无土栽培技术的开创性融合。集成优化提出在人工湿地中栽培空心菜、水芹菜、西洋菜、番茄、生菜等根系发达、生长速度快的常见无土栽培蔬菜，利用生物单元处理后的尾水作为人工湿地水生蔬菜的“营养液”。该技术将上述根系发达的水生蔬菜密植于人工水箱中，形成细根垫层，作为微生物附着的“基质”，同时通过拦截颗粒污染物、净化水质，为后续可控入渗的人工湿地提供保障。
水位与入渗可控地下人工湿地技术。该技术通过出水堰（阀门）的优化设计，控制地下人工湿地的水位，从而调节湿地滤床的水位深度和基质床的入渗程度。一方面引导人工湿地内水生植物根系充分垂直发育，另一方面通过植物的泌氧作用，加强大气复氧能力，改善滤床和基质的含氧环境。另外，在北方寒冷地区应用时，可以搭建温室或控制水位，使湿地水位在冬季低于冰冻线，从而防止地下人工湿地结冰，保证冬季人工湿地的正常运行。
蚯蚓强化生态土壤湿地处理技术。将水蚯蚓引入人工湿地，利用水蚯蚓的“松土”作用，提高内部水力传导和溶解氧输送，提高微生物的功能，显著提高生态土壤湿地去除污染物的能力。研究结果表明，在同等条件下，与传统人工湿地相比，氮、磷去除率可提高近30%，并可消除人工湿地的堵塞现象。
3.2 利用地形优势，构建沿线污染物多级净化技术
江苏农村水网密集、塘塘丰富，而山区地形复杂多样。项目充分利用农村地形和地域特点，提出在农村自然水体、现有沟渠基础上，通过简易建设方式，建设生态效益好的生态塘、生态沟渠，实现从污染物收集到排放、从“沟渠”到“塘”再到“湿地”的沿途多级净化，实现生态单元建设成本低廉。主要技术包括生态沟渠沿途截污技术、阶梯式多功能强化生态净化塘处理技术、阶梯式生态砂石处理技术。
生态沟渠截流技术。生态混凝土护坡用于重建植物群落，组合沉水植物，恢复水体生物多样性，利用生物和生态效应净化水质。适用于低浓度污水的收集处理、生物单元与生态单元的连接、农村面源污水的收集截流。项目开发了多种生态混凝土配置，以适应不同岸坡条件的使用，包括多孔单球、多球块、鱼礁块、自嵌块和块模等。
阶梯式多功能强化生态净化塘处理技术。针对村庄周边分布的小塘、断流河道，采用软围护导流、生态护岸、人工介质、立体生态浮岛等多种技术组合，依靠塘内藻类、细菌的共生原理，充分调动水体的自净能力，达到去除氮磷、深度净化污水处理尾水、改善水体景观的目的。
阶梯式生态砂砾处理技术。这是针对丘陵地区农村地形特点而开发的高度集约的生物生态技术。利用地形落差，阶梯式布置多级生态砂砾床，并在床内分阶段放置填料，利用层间高差实现充氧。通过结构优化，形成AOAO工艺，确保脱氮除磷的高效性。砂砾表面可种植与周边生态景观相协调的水生花卉、水生蔬菜、水生牧草等。该技术将生物单元与生态单元相结合，最大程度节约土地。
4 生物生态组合工艺流程及应用
可持续发展农村生活污水生物生态组合工艺集生物处理、生态处理技术于一体，各单元分工明确，主要工艺流程为“农村污水—格栅—厌氧—缺氧—好氧—经济型人工湿地”。整个工艺流程管理简单，只需一台水泵驱动，无需污泥回流，无需曝气，仅需定期检查维护，无人值守。各单元功能如下：
（1）厌氧单元有效降低有机负荷，减轻瀑布曝气过程的负担，并具有收集沼气的功能。
（2）在缺氧调节池中，厌氧段来的沼液与好氧段来的回流液混合，充分利用沼液中的有机物进行反硝化反应，去除缺氧出水中的臭味。
（3）好氧单元主要功能为氮、磷无机化及进一步去除有机物，主要依靠瀑布的自然增氧，有效降低能耗。好氧出水部分进入人工湿地，部分回流至缺氧单元进行反硝化、除臭。
（4）人工湿地的主要目标是去除和利用水中的氮、磷营养物，力争在保证出水达到排放标准的同时取得一定的经济效益。
为了应对我国农村地区因经济状况、人员素质、地理气候等条件不同对污水处理造成的制约，满足不同区域水质需求，农村污水处理技术可持续发展已形成了包括多种单元技术的可选组合技术体系。通过对上述各类单元创新技术进行系统集成、有机组合，形成最适用的农村生活污水处理工艺。
由于项目所采用的技术多样性，下文仅以宜兴市和常州市武进区建设的两个典型技术群体为例。
宜兴市周铁镇分散式生活污水处理项目总户数约87户，人口约310人，设计污水处理流量30m³/d，工艺流程为“大深径比厌氧反应器-阶梯瀑布增氧反应器-水生植物滤床+地下人工湿地”。主要工艺及现场情况如图4所示。项目占地面积240m2，其中湿地面积216m2，湿地面积7.2m³/m³，直接运行费用0.11元/m³。本项目出水稳定性优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准。污水处理设施建设投资约8000元/m³。 该设施与传统生活污水处理工艺（以AAO工艺为例）相比，节能70%以上，节地20%以上。水生植物人工湿地每年轮种空心菜和水芹菜，年产空心菜约4000公斤/亩（1亩≈667㎡），水芹菜500公斤/亩，产生经济效益1.8万元/亩以上。同时，该设施的大深径比厌氧装置还具备沼气收集利用的条件。
图4 宜兴市周铁镇分散式生活污水处理工程主要工艺流程及现场情况
常州市武进区湟里镇生活污水处理项目污水来自村内80户，约350人，设计处理规模为30m³/d。工艺流程为“折流板厌氧反应器—缺氧反硝化—水车驱动生物转盘—渗滤可控潜流人工湿地”。主要工艺及现场情况如图5所示。项目占地面积100m2，其中湿地面积92m2，湿地面积3.07m3/m³，平均能耗0.2kW·h/m³，直接运行费用0.15元/m³。与传统生活污水处理工艺（以AAO工艺为例）相比，该项目节能60%以上，节地60%以上。项目出水达到一级B标准。 地下人工湿地轮种空心菜和水芹菜，空心菜产量约2000公斤/亩，水芹菜产量约450公斤/亩，经济效益约1.3万元/亩。
图5 常州市武进区湟里镇生活污水处理工程主要工艺流程及现场情况
5 结论
我国农村地域广阔，各地情况差异很大，在农村生活污水处理过程中，由于受经济条件、人员素质、地形地貌、气候条件等因素制约，单一的污水处理工艺无法适应复杂农村条件下的污水处理，不利于大面积推广。可持续发展的农村污水处理技术应包括多种单元技术可选组合技术体系，适用性强，针对性强。这就需要对农村生活污水处理单元的多种创新技术进行系统集成和优化组合，形成具有节能、省地、高效、低维护、景观美化、园林化、氮磷资源化利用等特点的多种可选工艺流程，形成可持续发展的农村生活污水处理生物生态组合技术体系，满足我国广大农村地区生活污水处理的不同需求。
微信对原文进行了修改，原标题为：可持续发展的农村生活污水生物生态组合处理技术；作者：吕锡武；作者单位：东南大学；发表于《给水排水》第12期。