隨著我國人民生活水平的提高和生活方式的改變，農(nóng)村生活污水的排放量將會越來越大。農(nóng)村生活污水治理是我國當前推進的新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容，關(guān)系到廣大農(nóng)民的切身利益，牽涉到全國人民的基本利益，影響到國家的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)村生活污水治理不僅是技術(shù)問題，也需要政府出臺和完善各項配套扶持政策，從法律法規(guī)、標準制定、市場準入、運行管理等多方面著手，破解我國小規(guī)模生活污水治理的難題。
人類生活過程中產(chǎn)生的污水，是水體的主要污染源之一。生活污水主要是城市生活中使用的各種洗滌劑和污水、垃圾、糞便等，多為無毒的無機鹽類，生活污水中含氮、磷、硫多，致病細菌多。中國目前城市生活污水主要由各個城市的污水處理廠負責，但是村鎮(zhèn)的生活污水處理如果還是按照大型污水處理工藝來處理，其難點較多，而且也不符合實際情況，這些污水基本上都是由小規(guī)模生活污水處理廠來解決。
一、我國小規(guī)模生活污水處理技術(shù)現(xiàn)狀
據(jù)統(tǒng)計，我國有19000多個建制鎮(zhèn)，60多萬個行政村，250多萬個自然村(統(tǒng)稱為村鎮(zhèn))，其污水排放量約占我國生活污水總排放量的55%。村鎮(zhèn)污水來源分散，難于集中，只能通過建設(shè)小規(guī)模污水處理設(shè)施(日處理數(shù)噸至數(shù)千噸)就近處理。目前，我國村鎮(zhèn)生活污水處理率很低，已成為區(qū)域水環(huán)境的重要污染源。其主要原因除了經(jīng)濟發(fā)展不平衡、村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)投入較少外，更重要的是現(xiàn)有分散污水處理工藝不符合中國國情，致使已建成的污水處理設(shè)施的正常運行率很低。
城市大型污水處理廠普遍采用生化處理技術(shù)工藝，例如按間歇曝氣方式來運行的“序批式活性污泥法”(SBR)、建立在序批式活性污泥法基礎(chǔ)上的“周期循環(huán)活性污泥法”(CASS)、膜生物反應(yīng)器(MBR)、具有良好脫氮除磷效果的“厭氧-缺氧-好氧法”(A2/O)等及其衍生技術(shù)。這些技術(shù)的優(yōu)點是占地面積小、氣候適應(yīng)性強、處理效果穩(wěn)定，但缺點也很明顯，包括運行能耗大、管理維護復雜、污泥產(chǎn)生量大等。
為了便于維護和降低污水處理廠運營的人力成本，我國城市污水處理廠的規(guī)模往往很大(日處理數(shù)10萬噸，甚至過百萬噸)。而我國鎮(zhèn)級污水處理廠的日處理規(guī)模一般為數(shù)百噸至數(shù)千噸，一座日處理2000噸的污水廠的運行費用約為100-150萬元/年。經(jīng)驗表明，如將這類工藝用于村鎮(zhèn)污水處理，由于其運行費用高、管理維護難度大，我國大部分村鎮(zhèn)將難以承受，會導致采用這類技術(shù)建成的村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施普遍閑置。因此，目前我國村鎮(zhèn)污水處理中大量采用土地生態(tài)處理技術(shù)，其中以人工濕地應(yīng)用最廣。
1.人工濕地污水處理技術(shù)
人工濕地是一種工程方案，利用地下人工介質(zhì)中棲息的植物、植物根系、微生物，以及填料介質(zhì)所具有的物理、化學特性，將污水凈化的技術(shù)工藝。我國現(xiàn)有的人工濕地污水處理系統(tǒng)以潛流式為主，由于沒有動力曝氣，氧氣在水中的溶解度很低、擴散速率小，主要依靠植物根系泌氧(≤3g/m2濕地)，供氧能力很差。國內(nèi)外大量研究和實踐證明，日處理1噸生活污水需濕地面積10m2以上。以人工濕地應(yīng)用案例較多的捷克為例，195個人工濕地的平均占地面積為5.1m2/PE(人口當量)。美國環(huán)保署則建議日處理1噸生活污水采用15m2―20m2人工濕地。然而，為了減少用地和降低投資，我國大部分現(xiàn)有人工濕地案例的用地僅為2m2―3m2/噸水?天，有的甚至更少。其后果是這些濕地系統(tǒng)僅可在運行初期短暫正常運行(除非實際污水量很小)，大部分系統(tǒng)因為氧氣供應(yīng)不足、厭氧菌大量繁殖而變成黑臭污水潭。此外，人工濕地對磷的去除效果較差，在低溫條件下不能正常運行甚至失效。
2.地下滲濾污水處理技術(shù)
地下滲濾污水處理技術(shù)，又稱為化糞池系統(tǒng)，因其突出的經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢，是北美、澳洲等地污水分散處理的首選技術(shù)。然而，由于設(shè)計欠佳、未考慮不同土壤類型差異、缺少維護等原因，部分地下滲濾系統(tǒng)處理效果較差;同時，由于非飽和帶中缺少碳源，從而抑制了反硝化脫氮，最終導致硝酸鹽滲入地下水，這被認為是正常運行的地下滲濾系統(tǒng)最為普遍的環(huán)境危害。此外，傳統(tǒng)地下滲濾技術(shù)用地面積很大(>20m2/噸水?天)，難以在我國推廣應(yīng)用。為了減少用地面積，人們采用人工土填料代替原生土壤，使日處理1噸污水的占地面積減少到10―15m2。即使這樣，其占地面積仍然很大，并且還增加了工程建設(shè)成本。
3.其他污水處理技術(shù)
此外，我國部分地區(qū)也采用了其他技術(shù)。穩(wěn)定塘技術(shù)是由若干自然或人工挖掘的池塘組成，通過菌藻、水生生物等綜合作用而實現(xiàn)污水凈化的目的，其具有基建投資少、運行費用低、維護簡單、不產(chǎn)生污泥等優(yōu)點，但傳統(tǒng)穩(wěn)定塘占地面積大、受氣候影響大，出水水質(zhì)一般也不能達到較嚴的污染物排放標準。生物接觸氧化法在我國部分地區(qū)應(yīng)用較多，兼有活性污泥法及生物膜法的特點，該法在池內(nèi)設(shè)置填料，進行淹水曝氣，污水與填料表面的生物膜充分接觸，使污水得到凈化。生物接觸氧化法占地面積小，但能耗較高、管理維護復雜、對總氮和總磷去除效果較差。
“非爾脫”(FILTER)污水處理系統(tǒng)源自澳大利亞，是一種“過濾、土地處理與暗管排水相結(jié)合的污水處理與再利用系統(tǒng)。其原理類似于種植農(nóng)作物的垂直流人工濕地，由于以土壤做濾料，水力停留時間較長，對生活污水的處理效果好，適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區(qū)。該系統(tǒng)受氣候和作物生長季節(jié)限制，水力負荷低、用地面積大，此外還需修建控制排水量的泵站，成本較高。
為了克服單一技術(shù)的不足，有些采用組合工藝處理農(nóng)村生活污水。例如生物接觸氧化+人工濕地、厭氧處理+人工濕地等，組合工藝能夠獲得更好的處理效果，但是建設(shè)和運行費用往往更高，使其在我國推廣受限。
由于我國土地資源珍貴、經(jīng)濟欠發(fā)達(村鎮(zhèn)的經(jīng)濟承受能力更小)、缺少小規(guī)模污水處理設(shè)施的運行保障機制、氣候條件的地域性和季節(jié)性變化大，上述技術(shù)均不能滿足國情要求，在我國適用性差。因此，亟需研發(fā)和推廣占地面積小、投資小、運行費用低、管理維護簡便、處理效果好的小規(guī)模污水處理技術(shù)。
二、高負荷地下滲濾污水處理復合技術(shù)研究成果與進展
針對我國村鎮(zhèn)缺少適用的小規(guī)模生活污水處理技術(shù)的困境，在中國科學院相關(guān)項目的資助下，中國科學院廣州地球化學研究所的項目團隊經(jīng)過10多年研發(fā)和應(yīng)用實踐，發(fā)明了高負荷地下滲濾污水處理復合技術(shù)，并成功實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，使我國在分散型污水處理領(lǐng)域達到國際水平。
高負荷地下滲濾污水處理復合技術(shù)工藝流程如圖1所示。污水經(jīng)過格柵、沉淀和厭氧酸化水解后進入調(diào)節(jié)池，然后定時定量地被輸送到高負荷地下滲濾單元，使污水在不同功能結(jié)構(gòu)層中橫向運移和豎向滲濾，其中的污染物被填料攔截、吸附，并最終被附著于濾料表面的微生物分解轉(zhuǎn)化而去除。為保障氧氣供給，落干期間對高負荷地下滲濾單元進行間歇供氧(換氣)。污水經(jīng)過缺氧深度處理單元，進一步提高脫氮除磷效果，達標后排放。該工藝的核心為高負荷地下滲濾和深度處理單元，創(chuàng)新也主要集中于此。
1.技術(shù)工藝突破
對我國而言，水力負荷低是限制地下滲濾技術(shù)推廣應(yīng)用的首要因素，其主要成因是死亡微生物的超量累積導致地下滲濾系統(tǒng)堵塞，進一步研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)堵塞首先出現(xiàn)在濾層頂部附近，由此導致氧氣供應(yīng)不足，進而會大大加速系統(tǒng)堵塞，形成惡性循環(huán)，限制了水力負荷的提升。與此同時，地下滲濾技術(shù)的反硝化脫氮和長期除磷效果也有待提升。為解決這些問題，研究團隊進行了以下技術(shù)創(chuàng)新工作：
(1)通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實現(xiàn)滲濾系統(tǒng)的自檢反饋，合理控制系統(tǒng)中的污水運移和污染物負荷的分配，完全避免水流受阻和系統(tǒng)堵塞。
(2)通過優(yōu)化不同功能-結(jié)構(gòu)層的濾料配方，強化濾料對污染物的去除效果，合理控制污水在滲濾系統(tǒng)中的停留時間，平衡污水負荷能力與處理效果的關(guān)系。
(3)通過運行模式創(chuàng)新(間歇性進水、落干期間適量通風)，避免淹水曝氣，實現(xiàn)微動力通風供氧;為供氧裝置增設(shè)加熱功能，使其可以根據(jù)室外溫度自行調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的空氣溫度，保障系統(tǒng)在低溫條件下能正常運行;此外，通過技術(shù)手段使?jié)B濾系統(tǒng)出現(xiàn)兼性厭氧(淹水)和好氧(落干)交替的環(huán)境，好氧硝化形成的硝酸鹽在隨后的兼性厭氧環(huán)境下利用污水和老化生物膜中的有機碳進行反硝化作用，大大增強脫氮效果。
(4)通過微生物工程技術(shù)，提升老化微生物(污泥)的分解速度，進一步提高系統(tǒng)的污染物負荷能力。此外通過集成創(chuàng)新，實現(xiàn)不同處理單元(尤其是高負荷地下滲濾單元與深度處理單元)之間的協(xié)同耦合，保證系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定運行。
2.主要優(yōu)勢
通過以上技術(shù)創(chuàng)新，使高負荷地下滲濾污水處理復合技術(shù)具備了以下優(yōu)勢：(1)占地面積較小。日處理1噸污水占地1.5―2.0m2，地表可規(guī)劃為花園、旱地、休閑場地等。(2)建設(shè)投資較低、運行成本小，維護簡便。建設(shè)成本與傳統(tǒng)工藝相近，大大低于常規(guī)生態(tài)和土地處理工藝，運行電耗<0.1度電/噸污水。設(shè)備簡單，且為間歇性短時工作，故障率很低，幾乎無需日常維護。(3)系統(tǒng)出水水質(zhì)好。該系統(tǒng)具有脫氮除磷功能，出水水質(zhì)可達城鎮(zhèn)污水處理廠一級A類排放標準(GB18918-2002)，且運行穩(wěn)定。(4)系統(tǒng)運行幾乎不受氣候條件影響。系統(tǒng)設(shè)置于地下，可以人為調(diào)節(jié)生物膜溫度，確保系統(tǒng)出水全年均可達標排放。(5)使用靈活，無二次污染。該工藝日處理污水數(shù)噸至數(shù)千噸，且不排放污泥，無異味、無噪聲，不滋生蚊蟲，節(jié)省污泥處置費用，避免了二次污染。
基于上述創(chuàng)新，研究團隊已獲6項中國發(fā)明專利授權(quán)，發(fā)表學術(shù)論文23篇，其中SCI論文16篇。該技術(shù)于2010年入選住建部和科技部“村鎮(zhèn)宜居型住宅技術(shù)推廣目錄”，多年連續(xù)入選環(huán)保部“國家鼓勵發(fā)展的環(huán)境保護技術(shù)目錄”。
3.技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)生的效益
高負荷地下滲濾污水處理復合技術(shù)克服了污水生化處理及其衍生技術(shù)運行成本高、管理維護復雜的缺點，克服了傳統(tǒng)生態(tài)處理技術(shù)占地面積大、脫氮除磷效果差、氣候適應(yīng)性差的缺點，正成為我國村鎮(zhèn)地區(qū)不可或缺的生活污水處理技術(shù)。2008年以來，采用該技術(shù)在全國15個省市(自治區(qū))建成污水處理設(shè)施近400座，單座處理規(guī)模15―3000噸/天，總處理規(guī)模約8萬噸/天。通過這些設(shè)施的建設(shè)，實現(xiàn)社會經(jīng)濟產(chǎn)值約3億元，與生化處理技術(shù)比較，節(jié)約運行費用近5000萬元/年，節(jié)約運行電耗約1500萬度/年，相當于節(jié)約6000多噸標準煤，從而可減少相應(yīng)電煤燃燒產(chǎn)生的CO2、SO2、NO2、粉塵等溫室氣體和污染物的排放。此外，每年還可消除約2萬噸污泥排放所帶來的環(huán)境危害。隨著該技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展，所產(chǎn)生的經(jīng)濟和環(huán)境效益也將進一步大幅度增加。
三、小規(guī)模生活污水處理技術(shù)應(yīng)用過程中面臨的問題和挑戰(zhàn)
當前，隨著國家和地方政府對農(nóng)村生活污水治理的日益重視和投入不斷增加，農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量狀況迎來了重大的改善契機，也為小規(guī)模生活污水處理技術(shù)提供了廣闊的市場。然而，小規(guī)模生活污水處理技術(shù)在應(yīng)用過程中也面臨著一些問題和挑戰(zhàn)：
1.污染物排放標準日益嚴格，污水處理技術(shù)亟待提升
為控制和改善由氮磷過量排放引起的水體富營養(yǎng)化，我國的城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準日益嚴格。例如，2012年實施的北京市地方標準(DB11/890-2012)大幅度降低了城鎮(zhèn)污水處理廠氮、磷等污染物排放限值(TN<10mg/L，NH4+-N<1.0mg/L，TP<0.2mg/L)，這對所有污水處理技術(shù)均是重大挑戰(zhàn)。
2.亟需制定農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物排放標準
雖然我國一些省市出臺了農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物地方排放標準，但排放限值差異較大，同時我國仍未建立的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施排放標準，大部分農(nóng)村污水處理設(shè)施均套用城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準。我國農(nóng)村的水質(zhì)水量特點和排放特征與城市有很大差異，統(tǒng)一套用城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準，不利于我國農(nóng)村生活污水的防治和處理。
3.缺乏相關(guān)技術(shù)市場準入機制和設(shè)施運行監(jiān)管機制
我國小規(guī)模生活污水處理設(shè)施的市場競爭非常激烈，各種技術(shù)良莠不齊;另外，也缺乏相應(yīng)的市場準入機制，更缺乏對設(shè)施運行維護的監(jiān)管，這也是導致大量已建設(shè)施正常運行率很低的原因。
四、討論與建議
隨著我國人民生活水平的提高和生活方式的改變，農(nóng)村生活污水的排放量將會越來越大。農(nóng)村生活污水治理是我國當前推進的新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容，關(guān)系到廣大農(nóng)民的切身利益，牽涉到全國人民的基本利益，影響到國家的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)村生活污水治理不僅是技術(shù)問題，也需要政府出臺和完善各項配套扶持政策，從法律法規(guī)、標準制定、市場準入、運行管理等多方面著手，破解我國小規(guī)模生活污水治理的難題。為此，研究團隊提出以下建議：
1.對技術(shù)進行優(yōu)化升級，進一步提升其適用性
總氮和總磷是所有污水處理技術(shù)難以達標排放的關(guān)鍵參數(shù)。碳源缺乏限制了對總氮的進一步去除，如何充分利用污水和老化生物膜中的有機碳源是強化系統(tǒng)反硝化功能的研究重點。建議聯(lián)合運用植物、微生物、填料系統(tǒng)的固磷功能等多種手段強化系統(tǒng)的除磷能力。
2.制定中國農(nóng)村生活污水處理設(shè)施污染物排放標準
農(nóng)村生活污水的最終去向與城市污水有顯著差異，如果其排放標準僅簡單參照城鎮(zhèn)生活污水處理廠污染物排放標準往往存在一定問題。所以，應(yīng)根據(jù)污水的最終去向制定適合我國農(nóng)村實際情況的生活污水處理設(shè)施污染物排放標準，為今后技術(shù)研發(fā)明確方向。
3.建立小規(guī)模生活污水處理市場準入制度和運行監(jiān)管機制
借鑒歐美等發(fā)達國家經(jīng)驗，對現(xiàn)有的和新研發(fā)的小規(guī)模生活污水處理技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟指標進行實地考核，擇優(yōu)選擇適合我國國情的技術(shù)推廣應(yīng)用。根據(jù)污水處理規(guī)模建立不同的運行維護監(jiān)管體系，對于規(guī)模較大的鎮(zhèn)級污水處理廠可建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，而對于大部分小規(guī)模的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施，可建立不定期采樣監(jiān)測機制，從制度上保障村鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)施的正常運行。