一体化农村生活污水处理装置研究进展

陈月芳 樊荣 刘哲 陈佩佩

摘要 分析了农村分散生活污水的来源、水质水量特点和排放特征，综述了国内外农村生活污水处理研究现状，介绍了A/O、MBR、氧化沟、生态组合和生物滤池为主体工艺的一体化农村生活污水处理装置，最后提出了农村应结合实际，因地制宜，合理开发集成化程度高、结构紧凑、处理效果好、占地面积小、经济简便，适宜广大农村地区的一体化脱氧除磷生活污水处理装置。

关键词 农村生活污水；水处理；一体化装置

中图分类号 S181 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）09-084-05

Abstract We analyzed the source of decentralized rural domestic sewage， water quality and quantity characteristics， and emission characteristics， reviewed the research status of domestic and foreign rural decentralized domestic sewage treatment， and introduced the integrated rural domestic sewage treatment plant with A/O， MBR， oxidation ditch， ecological combination and biological filter as the main technology. Considering the situation in rural areas， an economic and convenient integrated rural domestic sewage treatment plant was rationally developed， which had the advantages of compact structure， good treatment effect， small occupation and high degree of reasonable development integration.

Key words Rural domestic wastewater； Water treatment； Integrated device

近年來，随着我国农村地区经济的发展和居民生活水平的提高，水资源消耗急剧增加，农村生活污水排放量也不断增大。同时，由于治理资金短缺和农村地区居民的水环境保护意识淡薄，居住分散，缺乏污水收集管网系统及集中处理设施，导致污水处理率较低。农村生活污水任意排放已经成为农村水环境恶化的主要原因之一，如造成太湖水体富营养化的主要污染物P、N中60.0%和25.1%来源于农村生活污水[1-2]。据2012年国家环境质量公报显示，全国798个农村环境质量试点村庄的饮用水源和地表水受不同程度污染，农村环境保护形势严峻[3]。农村生活污水任意排放，不但对流经的河流造成污染，而且对饮用水安全构成了潜在威胁。

目前，国家对治理农村生活污水的重视程度与日俱增，“十二五”规划纲要明确提出了加强农村饮用水水源地保护、农村河道综合整治和水污染综合治理的要求[4]。各地关于农村污水治理的规定和标准陆续出台，实施工作全面展开，如2007年太湖蓝藻事件之后，江苏省启动太湖流域水环境综合治理实施方案，措施之一是要高度重视农村生活污水治理，重点推广出水水质达到一级B以上标准的处理技术。2007～2012年江苏省太湖流域新建农村生活污水处理设施3 580余处，受益农户近50万户，同时计划2013～2020年在3 600个自然村建设乡村生活污水处理工程，污水处理率要达到70%以上[5-6]；浙江省《杭州城市总体规划（2001～2020）》明确提出了加强钱塘江、苕溪等流域的污染控制和西湖、主城内河的综合整治，《杭州市国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中也要求支持农村地区全面开展环境整治和村庄改造，改善农村生产条件和农民生活环境[7]；上海制定了《村镇排水工程技术规程》和《上海市农村生活污水处理技术指南》[8]等。

由此可见，应根据分散式农村生活污水处理的特点，结合当地经济水平、自然条件、环境目标，采用不同处理技术，因地制宜，加强农村生活污水污染控制和治理，改善农村居住环境。笔者针对农村分散式生活污水的来源、水质水量特点和排放特征，综述了国内外农村分散式生活污水处理研究现状，以期为改善农村卫生条件和水环境提供借鉴。

1 农村生活污水来源

农村生活污水一般来源于4个方面，即厨房污水、生活洗涤污水、厕所污水及其他污水[9]。根据水中污染物浓度高低，可分为黑水和灰水[10]。不同类型生活污水的成分特征和污水水量存在很大差异，主要组成和特征见表1。

2 农村生活污水水质水量特征

2.1 水质特点

农村生活污水组分及污染物浓度与农民的生活环境、经济水平、用水量等因素有关[11-12]。一般而言，农村生活污水的性质相差不大，但一天内的水质波动较大，污水中的主要污染物为COD、氮和磷等，且含量较高，一般不含有毒物质，可生化性良好，污水中还含有合成洗涤剂及细菌、病毒、寄生虫卵等，不同时段的水质也不同[13-14]。

一般农村生活污水的水质：COD 250～400 mg/L，BOD5 120～200 mg/L，NH+4N和TP分别为40.0～60.0和2.5～50 mg/L[15]。

2.2 水量特点

农村生活污水水量一般较小，但日变化系数大，为3.0～5.0[16]。村民生活规律相近，导致农村生活污水排放量早晚较大，每天上午、中午、下午都有1个排水高峰时段。夜间排水量小，甚至可能断流，即污水排放呈不连续状态，具有变化幅度大的特点[17-18]。

2.3 排放体质特征

农村生活污水一般呈粗放型排放，排放收集体制不健全。我国约96%的村庄无排水沟渠和污水处理系统，污水沿道路边沟或路面排放至就近水体，构成了一个点状无序的污染体，对周围环境造成了威胁[19-20]。

3 农村生活污水处理研究现状

3.1 国外农村生活污水处理研究现状

国外对分散式农村生活污水处理研究起步较早，于20世纪70年代开始，美、日、欧洲等发达国家根据自身特点开发了不同形式的小型污水处理装置对乡村的污水进行治理，取得很好的成效。美国自19世纪中叶开始建设农村污水处理设施，2002年针对分散处理技术颁布了《分散式污水处理系统应用手册》[21]。挪威的居民房屋分布比较分散，很多是建立在岩石上，约有25%的人口居住在无任何集中污水收集系统的乡村地区，难以采用土地渗滤进行污水处理，故发展了以SBR、移动床生物膜反应器、生物转盘、滴滤池技术为主，并结合化学絮凝除磷的集成式污水净化装置，如Uponor，BioTrap和Biova等工艺[22-24]。日本开发的净化槽能去除N和P，同时获得高质量出水，在无排水系统的边远乡村和分散式生活污水处理中得到了广泛应用[25]。德国从2003年起开始进行分散市政基础设施系统项目研究，利用膜生物反应器净化偏远村镇生活污水[8]。目前，分散式农村生活污水处理技术在这些国家运用较为成熟。

3.2 国内农村生活污水处理研究现状

国内对分散式农村生活污水处理研究起步较晚，随着淮河、海河、辽河和太湖、巢湖、滇池等重点流域污染的加重，国内对农村生活污水的治理进行了研究。常规处理技术如人工湿地、生态浮床、稳定塘、土地渗滤、生物滤池、厌氧生物处理工艺、膜生物反应器以及生物生态组合工艺在我国农村地区得到了研究及应用[26-27]。

4 一体化农村生活污水处理装置

农村污水具有排放点分散、水质水量变化幅度大、有机物和氮、磷含量高等特点，对于农户居住较分散的地区特别是山区和缺乏污水管网的地区，现有处理工艺存在一些不足，使其在农村地区的推广受到限制[28-29]。同时，农村生活污水治理的基建投资及运行费用较大，农村经济实力及技术力量难以满足常规城市生活污水处理厂技术要求等[30-32]。因此，根据农村的实际情况，合理开发集成化程度高、结构紧凑、处理效果好、占地面积小、经济简便，适宜广大地区特别是山区分散农户生活污水处理的工艺，将对改善农村人居环境和卫生条件具有重要的现实意义。

目前，集预处理、生物处理、沉淀、消毒等为一体的生活污水处理装置，因具有占地面积小、简单实用、管理方便、效率高、投资少、运行成本低等优点，并可根据要求实现脱氮除磷，适合于农村地区而得到广泛关注。笔者介绍了几种一体化农村生活污水处理装置。

4.1 一体化A/O工艺

李瑾等[33]设计了A/O一体化生活污水处理中试装置。该装置主体设备为自行研制的一体化厌氧好氧生物除磷脱氮反应器，主要由内、外2个筒体构成（图1）。

该实验在进水流量为1 m3/h，污泥回流比为200%，总停留时间为5～8 h，水温为4～14 ℃的条件下，考察该装置对生活污水的处理效果。结果表明，装置在启动2周后开始稳定运行；总磷、总氮、氨氮、CODCr和BOD5平均去除效率分别为86.7%、69.5%、80.0%、84.7%和84.9%，出水可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）2级标准。与传统污水处理工艺相比，该工艺具有占地少、耐冲击负荷能力强、运行管理简便等优点。

苏翔[34]针对农家乐生活污水自行研制的A/O一体化净化槽实验装置，采用升流式厌氧-接触氧化处理的一体化技术。由于农家乐生活污水中动植物油含量相当高，在污水进入净化槽装置之前对其进行隔油处理，主体装置如图2所示。

该研究采用的隔油池对农家乐生活污水中动植物油去除效果明显，在天气炎热的夏季，去除率可达76.0%，冬季低温情况下其去除率也可达64.0%，最终出水CODCr、NH+4N、SS、动植物油的平均去除率分别为87.0%、85.5%、913%、915%，各项污染物出水均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）三级排放标准以上。该处理装置构造简易，无回流污泥等复杂步骤，且要求动力设备极少，大幅降低了农家乐生活污水的处理成本，也为解决农村生活污水难以处理的问题找到了综合处理路线。

4.2 一体化MBR工艺

裴亮等[35]采用一体化膜生物反应器（IMBR）工艺处理农村生活污水，其膜组件采用日本某公司生产的聚偏氟乙烯（PVDF）帘式纤维超滤膜，膜孔径0.15 μm，外径0.16 mm，膜表面积1.7 m2。膜组件上设曝气管，隔板将整个反应器分为与处理池和膜池，系统设计最大出水体积流量10 m3/d。

研究结果表明：IMBR工艺对COD、BOD5、NH+4N和浊度的平均去除率分别为93.1%、95.3%、93.8%和97.9%，出水優于《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）要求。

Santasmasas等[36]采用自动化的MBR工艺处理低负荷灰水，处理后的回收水用于马桶冲水。灰水的回收处理包括4个阶段：过滤、生物氧化、过滤，最后通过氯化消毒。一体化装置如图3所示。研究结果表明：COD、BOD5、SS和浊度去除率分别为90.0%、95.0%、98.0%和98.0%，出水水质达到西班牙立法允许的回用水标准。

4.3 一体化氧化沟工艺

钱盘生等[37]发明了一种一体化多功能立体循环氧化沟设备，主要包括氧化沟、二沉池和曝气转刷。氧化沟内设有3块隔板，将氧化沟自上而下分隔成相连通的4个隔室，其上层的第1、2隔室为好氧区，中部的第3隔室为缺氧区，位于底部的第4隔室为厌氧区，二沉池底部与厌氧区连通，上部设有出水口，该出水口处设有消毒装置，在氧化沟的顶部安装有生物除臭装置。该实用新型工艺集脱氮、除磷、除臭、消毒于一体，具有结构紧凑、构造简单、功能多样的特点，占地面积较现有氧化沟减少70%，在生活社区中使用尤为合适。

Han等[38]利用太陽能作为动力处理分散式生活污水的1个创新集成系统，由1个双通道的氧化沟和1个没有蓄电池的光伏（PV）系统组成（图4）。由于系统操作无蓄电池，氧化沟白天运行，晚上停止工作，氧化沟中可以周期性地出现厌氧、缺氧和有氧条件，有利于N和P的去除，同时可以降低光伏系统的成本。

研究结果表明：中午太阳能辐射强度有1个峰值，在不同天气条件下，光伏系统输出的电量满足装置的基本运行条件。COD、NH+4N、TN和TP的平均去除效率分别为880、98.0%、70.0%和83.0%。

4.4 一体化生态组合工艺

Wu等[39]根据我国北方农村生活污水的特点，采用了一种家庭组合型人工湿地的就地净化系统，组合处理装置如图5所示。研究结果表明：BOD5、TSS、NH+4N和

TP去除率分别为96.0%、97.0%、88.4%和878%。同时，装置上有0.4 m厚度的生物质层覆盖，为系统提供了大量绝缘热，在寒冷的冬季条件下能保持高处理性能。该系统成本经济，操作简单，无需能量输入，适合于发展中国家的家庭使用。

郑琳等[40]为解决当前常用分散式生活污水处理工艺脱氮功能差、运行不稳定、工艺复杂难控制等问题，研究了一种新型一体化生活污水处理装置，该装置由厌氧区、好氧区和生态湿地区3部分组成。厌氧除碳区填充直径为1.5～2.0 cm的竹球填料，好氧硝化区采用了专利技术（ZL 200720108622.1）将曝气池和沉淀池同底共墙合理结合，并通过隔板优化后解决了两者的动、静平衡问题，保证实现污泥自回流循环。生态湿地反硝化区自下而上采用鹅卵石、砾石和粗砂填充，并在粗砂表层种植水烛。一体化生活污水处理装置如图6所示。该装置对COD、NH4N、SS、TN和浊度的平均去除率分别为84.6%、77.1%、92.6%、31.9%和96.9%，出水指标能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B标准。

4.5 一体化生物滤池系统

Yoon等[41]针对韩国小型农村社区污水排放特点，研发了一种吸收性生物滤池系统（ABS）处理分散式生活污水。该中试装置见图7。该系统具有较高的处理效果，SS、BOD5、TN和TP去除率分别为975%、957%、91.8%和90.1%，满足排放标准。该系统成本经济，维修费用少，同时用电量、噪音、臭味和剩余污泥少，可以忽略不计。

Liu等[42]采用一套全面的蚯蚓滤池系统处理我国农村生活污水。该中试装置如图8所示。研究结果表明，COD、BOD5、NH+4N和TSS的平均去除效率分别为67.6%、780%、92.1%和78.0%，在17个月的运行过程中，污泥产生量很少，出水满足中国灌溉水质标准。

5 建议

现阶段，我国农村地区普遍面临经济基础薄弱，投资和运行费用短缺，管理人员经验不足，管理体制不健全等情况，因此，应根据农村生活污水的实际特点，向着高度集中化、自动化、系列化、成套化等方向发展，因地制宜，研发出真正高效、低耗、污泥量少、一次性投资低、运行费用低、处理效果稳定、维护管理运行成本合理的一体化处理设备，从源头上控制水体富营养化形成条件，保障农村地区饮用水的安全，以满足农村地区生活污水处理的切实需要。

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