1 研究背景

我國水污染現(xiàn)狀不容樂觀，水環(huán)境質(zhì)量與和諧社會建設(shè)不相稱，也制約了經(jīng)濟的發(fā)展。隨著城市污水處理率的大幅度提高，農(nóng)村生活污染顯得越加突出，以太湖流域為例，農(nóng)村污染排放量占所有排放源排放量的比例為：COD占23%，氨氮占38%，TN占40%，TP占38%。加快農(nóng)村生活污水治理，對水環(huán)境質(zhì)量的改善顯得十分必要和緊迫。

與城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)相比，我國農(nóng)村生活污水排放分散，處理率低(行政村覆蓋率12%，實際處理率約6%)，嚴重缺乏技術(shù)儲備。同時，由于農(nóng)村生活污水排放分散，缺乏專業(yè)技術(shù)與專職管理人員，處理工藝絕不可以簡單套用城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)模化、專業(yè)化的工藝流程。農(nóng)村生活污水處理工藝首先要求的是，工藝簡單、易維護，同時還需要具備穩(wěn)定、高效氮磷資源化利用的特點。

國際上對農(nóng)村生活污水的處理主要有生物處理和生態(tài)處理技術(shù)。生物技術(shù)以日本的凈化槽為代表，是一種大型污水廠處理工藝小型集約化應(yīng)用技術(shù)。用于我國農(nóng)村時存在建設(shè)及運行成本高、難以滿足管理人員專業(yè)素質(zhì)的要求，且一般不具備除磷功能等弊端，在經(jīng)濟實力和管理水平有限的我國廣大農(nóng)村地區(qū)難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。單一的生態(tài)處理技術(shù)主要在澳大利亞、北美等土地資源豐富、環(huán)境容量大的地區(qū)運用，所需占地較大，處理效果受季節(jié)影響明顯。而我國經(jīng)濟發(fā)達的農(nóng)村地區(qū)受土地資源和地理位置的雙重制約，不具備應(yīng)用的條件。

我國農(nóng)村生活污水治理的有利條件是：污水沒有有毒有害物質(zhì)，且富含氮磷。如果把農(nóng)村生活污水治理融入到農(nóng)業(yè)之中，則農(nóng)村生活污水中的氮磷則可變廢為寶，成為農(nóng)業(yè)種植所需的寶貴肥料資源，農(nóng)田種植業(yè)也完全具備消納生活污水氮磷的強大能力。從這一立場出發(fā)的農(nóng)村生活污水治理的戰(zhàn)略選擇應(yīng)該是：源于三農(nóng)，融入三農(nóng)，服務(wù)于三農(nóng)。農(nóng)村污水處理應(yīng)該瞄準(zhǔn)“因地制宜、高技術(shù)、低投資與運行成本、易維護、資源化利用氮磷”的目標(biāo)，體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的污水治理原則。

國內(nèi)外相關(guān)研究成果與實踐提示我們，無論是生物技術(shù)(城市污水處理廠的主流工藝)還是新興的生態(tài)工程技術(shù)，單獨應(yīng)用都不能解決農(nóng)村生活污水處理及除磷脫氮的問題。必須將生物方法與生態(tài)工程有機結(jié)合，并進行針對性符合農(nóng)村特點和條件的工藝流程設(shè)計，才能既節(jié)省成本和運行費用，又能達到穩(wěn)定的除磷脫氮效果。

東南大學(xué)在國家水專項和省部級專項經(jīng)費的支持下，經(jīng)過多年的持續(xù)研究和開發(fā)，形成了可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水生物生態(tài)組合處理成套技術(shù)：厭氧-缺氧生物濾池-跌水充氧接觸氧化裝置-水生蔬菜濾床和浸潤度可控型人工濕地組合工藝(見圖1)。通過對生物方法和生態(tài)工程的優(yōu)化組合，實現(xiàn)了農(nóng)村生活污水處理過程中的節(jié)能減排與高效除磷脫氮目標(biāo)，具有節(jié)能、節(jié)地、資源回收以及低投資和運行費用、易維護等特點，各個單元功能明確而高效，實現(xiàn)了氮、磷的資源化利用和尾水回用的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水治理的理念與工藝創(chuàng)新體現(xiàn)在：處理技術(shù)采用生物生態(tài)組合工藝，生物處理單元與生態(tài)處理單元相融合：由生物單元去除有機物，生態(tài)單元作為污染凈化型農(nóng)業(yè)實現(xiàn)氮磷去除和資源化利用。與常規(guī)技術(shù)相比：由于生物處理單元只去除有機物，不專門設(shè)計除磷脫氮功能，從而大幅度簡化了生物單元，既降低了建設(shè)成本，又使得運行管理簡單;前置大深徑比厭氧反應(yīng)器可實現(xiàn)有機物的高效去除，降低后續(xù)好氧段有機負荷和需氧量;在生態(tài)處理單元，篩選氮磷吸收能力強、生物量大的空心菜、萵苣、水芹等經(jīng)濟性作物替代傳統(tǒng)的蘆葦、香蒲等濕地植物，在實現(xiàn)污水中氮磷的資源化利用的同時，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益，工藝推廣應(yīng)用的前景廣闊。

2 生物單元

2.1 多級串聯(lián)大深徑比高效厭氧反應(yīng)器

國內(nèi)外研究實踐表明，常溫厭氧處理低濃度污水是可行的，問題在于水力停留時間過長，往往難以滿足實際要求。因此提高低濃度污水常溫高效厭氧處理效率顯得十分重要。生物生態(tài)組合體系中，厭氧段需要高效降解有機物，以降低好氧段有機負荷和需氧量，為后續(xù)好氧段實現(xiàn)低耗能提供保障。從反應(yīng)器流態(tài)看，理論上推流厭氧反應(yīng)器比完全混合反應(yīng)器具有更高的處理效率和耐沖擊負荷能力。多級串聯(lián)大深徑比高效厭氧反應(yīng)器可以解決這一難題：以水動力學(xué)和反應(yīng)器構(gòu)造原理為基礎(chǔ)，增加厭氧反應(yīng)器的有效水深，形成“大深度，小內(nèi)徑”的特征構(gòu)型，在其內(nèi)部形成整體升流或降流的推流流態(tài)，而多級串聯(lián)使水力停留時間更趨推流，保證厭氧反應(yīng)的高效進行。反應(yīng)器內(nèi)填充無紡布或彈性填料，通過提高生物附著比表面積來提高厭氧反應(yīng)效率。在相同容積負荷的情況下，較大的深徑比也縮減了反應(yīng)器的占地面積。該反應(yīng)器適用于地下水水位較深、土地資源緊張的地區(qū)。

作為替代單元，折板高效厭氧反應(yīng)池適用于地下水位埋深淺，地質(zhì)條件不好的地區(qū)，是采用特定填料的渠道式或折流板式推流反應(yīng)器裝置。其處理水量有限，適合于單獨一戶或幾戶民居的生活污水就地處理，可利用現(xiàn)有的化糞池進行改造。

2.2 高適應(yīng)性農(nóng)村生活污水處理的低能耗好氧處理單元

組合工藝中好氧段以氮磷的無機化和有機物的進一步去除為主要功能，以保證后續(xù)濕地出水穩(wěn)定達標(biāo)。常規(guī)小型污水生物脫氮工藝中，曝氣動力消耗一般占日常運行成本的80%，是傳統(tǒng)生物處理的主要耗能單元。采用水車驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤、階式跌水、往復(fù)式跌水、拔風(fēng)等自然充氧形式，改變了傳統(tǒng)生物處理曝氣方式高耗能的缺陷，構(gòu)建了多種低能耗好氧處理裝置。

跌水曝氣充氧裝置利用污水提升獲得勢能，分級跌落，將勢能轉(zhuǎn)化為動能，形成水幕、水滴自然充氧，無需曝氣裝置。本技術(shù)包含多種不同構(gòu)型的充氧裝置，以應(yīng)對不同的農(nóng)村生活污水水質(zhì)變化的需求?？梢杂须A梯式和垂直交錯跌水兩種類型。垂直交錯跌水充氧生物接觸氧化池多級垂直交錯分布，利用擋板使污水往復(fù)跌落，占地較梯式跌水充氧可節(jié)省50%以上，且由于占地集中，外圍可建房屋，實現(xiàn)保溫，保證冬季污染物降解效率，可適應(yīng)寒冷的北方地區(qū)。水車驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤利用水流跌落的動能帶動水車轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)污水跌落充氧、濺水分散充氧和轉(zhuǎn)盤盤面復(fù)氧的三重充氧作用，充氧效果優(yōu)，適用于較高濃度的生活污水。各類型跌水裝置見圖2。

脈沖多層復(fù)合濾料生物濾池：無需曝氣，自然通風(fēng)供氧，水力負荷高，占地面積小，耐沖擊負荷，可應(yīng)用于水量稍大的農(nóng)村生活污水處理。其采用虹吸脈沖布水的方式，既可以維持濾池以低平均負荷運行，保證濾池中硝化反應(yīng)順利完成;又保證在布水時瞬間沖刷掉部分老化的生物膜，從而維持較高活性的生物膜，解決了傳統(tǒng)的生物濾池易于堵塞和生長池蠅、產(chǎn)生臭味的問題。此外在濾料填充層中可設(shè)“廢石膏充填區(qū)”，初步實現(xiàn)磷的去除。生物濾池整體呈塔狀，在寒冷地區(qū)應(yīng)用時方便外加建筑保溫。脈沖多層復(fù)合濾料生物濾池現(xiàn)場見圖3。

2.3 硝化除臭技術(shù)

生活污水中含有大量有機物，經(jīng)厭氧處理后易產(chǎn)生氨、硫化氫、甲硫醇、甲胺等致臭物質(zhì)，這些致臭物質(zhì)散逸至空氣中會嚴重影響污水處理設(shè)施周邊空氣質(zhì)量。目前污水廠除臭方法主要有：對已逸出到大氣中的臭氣進行收集去除的被動的除臭方法，代表技術(shù)有生物濾池過濾、植物提取液除臭、活性炭吸附、高能離子除臭、化學(xué)除臭和活性氧除臭等;以及通過投藥提高污水中氧化還原電位，避免含氮及含硫化合物產(chǎn)生的主動除臭法。以上方法均需額外的動力設(shè)施和化學(xué)藥劑，運行費用昂貴，管理難度大，基本不可能在農(nóng)村地區(qū)推廣。創(chuàng)新型的反硝化除臭技術(shù)是利用已有的跌水充氧生物接觸氧化池產(chǎn)生的硝化液和剩余溶氧回流至缺氧池，稀釋并氧化其中的還原性致臭物質(zhì)，省卻了動力消耗和藥劑費用，成本低廉，管理簡單，解決了污水處理設(shè)施可能存在的臭味問題，提高了跌水充氧段和人工濕地水體的衛(wèi)生性和可觀賞性。

3 生態(tài)單元

生態(tài)單元緊密結(jié)合農(nóng)村種植業(yè)，使之成為污染凈化型農(nóng)業(yè)。主要表現(xiàn)為兩方面：用經(jīng)濟作物替代傳統(tǒng)濕地植物并優(yōu)化濕地構(gòu)型;構(gòu)建污染凈化型農(nóng)業(yè)，在實現(xiàn)氮磷資源化利用的同時獲得一定經(jīng)濟效益。通過采用水生蔬菜型過濾床、水位及浸潤度可控型潛流人工濕地技術(shù)，有效提高人工濕地的處理效率。人工濕地生產(chǎn)有經(jīng)濟價值的水生蔬菜和花卉，可調(diào)動農(nóng)民參與污水處理設(shè)施管理的積極性，利于工藝的推廣。另一方面，強化與提升污染物沿程凈化的理念，通過相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與集成創(chuàng)新，實現(xiàn)污染物削減的最大化。同時根據(jù)不同地區(qū)的條件，還因地制宜地研發(fā)了梯式生態(tài)礫石處理技術(shù)、階式多功能強化生態(tài)凈化塘處理技術(shù)，多種構(gòu)型的生態(tài)混凝土支撐生態(tài)溝渠沿程降解技術(shù)。

3.1 無土栽培與人工濕地集成優(yōu)化技術(shù)

在人工濕地內(nèi)種植空心菜、水芹菜、番茄、生菜、萵苣等蔬菜和水培花卉等經(jīng)濟作物，使人工濕地在產(chǎn)生經(jīng)濟效益的同時能夠調(diào)動農(nóng)民自覺維護的積極性;優(yōu)化濕地構(gòu)型，通過濕地出水堰的改良設(shè)計來實現(xiàn)人工濕地水位的控制，使得人工濕地適應(yīng)各種經(jīng)濟植物的生長;還可以在人工濕地上加蓋暖棚，保證其冬季低溫條件下的正常運行;在人工濕地內(nèi)引入蚯蚓，改善濕地微環(huán)境，提高濕地的污染物去除效果。

水生蔬菜過濾床人工濕地技術(shù)。開創(chuàng)性地融合了人工濕地技術(shù)和蔬菜無土栽培技術(shù)，集成優(yōu)化提出在人工濕地內(nèi)培植空心菜、水芹、豆瓣菜、番茄、生菜等根系發(fā)達、生長速率快的常見無土栽培蔬菜，以生物單元處理后的尾水作為人工濕地內(nèi)水生蔬菜的“營養(yǎng)液”。本技術(shù)將上述根系發(fā)達的水生蔬菜密植于人工水槽中，形成細密的根系墊層，以此充當(dāng)“基質(zhì)”，供微生物附著，同時通過攔截顆粒性污染物和水質(zhì)凈化作用，對后續(xù)浸潤度可控人工濕地起保護作用。

水位及浸潤度可控型潛流人工濕地技術(shù)。該技術(shù)是利用出水堰(閥)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)對潛流人工濕地內(nèi)水位的控制，進而調(diào)節(jié)濕地濾床水位深度及基質(zhì)床層浸潤程度。一方面引導(dǎo)人工濕地內(nèi)水生蔬菜根系縱向的充分發(fā)展，另一方面通過植物泌氧強化大氣復(fù)氧能力，改善濾床及基質(zhì)的氧環(huán)境。此外在北方寒冷地區(qū)應(yīng)用時，可以搭建暖棚或通過控制水位使?jié)竦囟舅坏陀诒鶅鼍€，從而防止?jié)摿魅斯竦亟Y(jié)冰，保證人工濕地冬季的正常運行。

蚯蚓強化生態(tài)土壤及濕地處理技術(shù)。在人工濕地中引入水蚯蚓，利用水蚯蚓的“松土”作用改善內(nèi)部的水力傳導(dǎo)以及溶解氧的傳輸，提高微生物的功能，顯著提高生態(tài)土壤及濕地去除污染物的能力。研究結(jié)果表明在相同條件下與傳統(tǒng)人工濕地相比可提高氮、磷去除率近30%以上，消除人工濕地堵塞現(xiàn)象。

3.2 利用地形優(yōu)勢構(gòu)建污染物沿程多階凈化技術(shù)

江蘇省農(nóng)村地區(qū)水網(wǎng)密集、水塘豐富，而山區(qū)地形地勢復(fù)雜多樣。該項目充分利用農(nóng)村的地形地勢及地域特征，提出在農(nóng)村天然水體、已有溝渠等的基礎(chǔ)上，簡單施工，建成具有良好生態(tài)效益的生態(tài)塘、生態(tài)溝，實現(xiàn)污染物從收集到排放，從“溝”到“塘”到“濕地”的多級沿程凈化，并實現(xiàn)生態(tài)單元建設(shè)的低成本。主要技術(shù)包括生態(tài)溝渠沿程攔截技術(shù)、階式多功能強化生態(tài)凈化塘處理技術(shù)、梯式生態(tài)礫石處理技術(shù)。

生態(tài)溝渠沿程攔截技術(shù)。采用生態(tài)混凝土護坡，重建植物群落，結(jié)合沉水植物，恢復(fù)水體的生物多樣性，利用生物、生態(tài)作用實現(xiàn)水質(zhì)的凈化。適用于低濃度污水的收集處理、生物單元與生態(tài)單元之間的連接及農(nóng)村面源污水的收集攔截。該項目研發(fā)了多種生態(tài)混凝土構(gòu)型，以適應(yīng)不同岸坡情況的使用，包括多孔單球、多球砌塊、魚礁式砌塊、自嵌式砌塊及砌塊模具。

階式多功能強化生態(tài)凈化塘處理技術(shù)。針對村落周邊分布的小池塘、斷頭河等，利用軟圍隔導(dǎo)流、生態(tài)護岸、人工介質(zhì)、立體生態(tài)浮島等多種技術(shù)優(yōu)化組合而成。其依靠塘中的藻、菌共生原理來充分調(diào)動水體的自凈能力，達到去除氮、磷，深度凈化污水處理尾水、改善水體景觀的目的。

梯式生態(tài)礫石處理技術(shù)。針對丘陵地區(qū)農(nóng)村的地形特征而開發(fā)的生物生態(tài)高集約化技術(shù)。其利用地形落差，階梯式布置多級生態(tài)礫石床，床內(nèi)分級放置填料，利用級間高差跌水實現(xiàn)充氧;通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，形成AOAO流程，保證氮磷去除效率;礫石表面可種植與周圍生態(tài)景觀相協(xié)調(diào)的水生花卉、水生蔬菜、水生牧草等。本技術(shù)將生物單元和生態(tài)單元合并，最大化節(jié)約了占地。

4 生物生態(tài)組合工藝流程及其應(yīng)用

可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水生物生態(tài)組合工藝融合了生物處理和生態(tài)處理技術(shù)，各單元分工明確，主體工藝流程為“農(nóng)村污水—格柵—厭氧—缺氧—好氧—經(jīng)濟型人工濕地”。全流程工藝管理簡單，只需1臺水泵驅(qū)動，不需要污泥回流，不需要鼓風(fēng)曝氣，僅需定期巡檢維護，無人值守運行。各單元功能如下：

(1)厭氧單元有效降低有機負荷，減輕跌水曝氣工序的負擔(dān)，且具備沼氣收集的功能。

(2)在缺氧調(diào)節(jié)池中，來自厭氧段的消化液與好氧段的回流液進行混合，充分利用消化液中的有機物，進行反硝化反應(yīng)，同時脫除缺氧出水中的臭味。

(3)好氧單元以氮磷的無機化和有機物的進一步去除為主要功能，以跌水自然充氧為主，實現(xiàn)能耗的有效降低。好氧出水一部分進入人工濕地，一部分回流至缺氧單元進行反硝化脫臭。

(4)人工濕地主要以水中氮磷營養(yǎng)鹽的去除和利用為目標(biāo)，力求在實現(xiàn)出水達標(biāo)排放的同時獲得一定的經(jīng)濟收益。

為應(yīng)對我國農(nóng)村地區(qū)不同經(jīng)濟狀況、人員素質(zhì)、地理氣候等多方面條件對污水治理的約束，滿足不同地區(qū)對出水水質(zhì)的需求，可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村污水治理技術(shù)已形成包含多種單元技術(shù)的可選組合技術(shù)系統(tǒng)，通過將前文所述的多種單元創(chuàng)新技術(shù)進行系統(tǒng)集成和有機組合，形成最適合于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)村生活污水處理工藝。

由于工程所用工藝多樣，下文僅以建于宜興市和常州武進區(qū)的兩組較典型的工藝為例。

宜興市周鐵鎮(zhèn)分散式生活污水處理工程共計約87戶，人口約310人，設(shè)計污水處理流量30 m3/d，工藝流程為“大深徑比厭氧反應(yīng)器-階梯式跌水充氧反應(yīng)器-水生蔬菜過濾床+潛流人工濕地”，主體工藝及現(xiàn)場情況如圖4。工程占地面積240 ㎡，其中濕地面積216 ㎡，濕地面積7.2 ㎡/m3，直接運行成本0.11元/m3。該項目出水穩(wěn)定優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)。污水處理設(shè)施建設(shè)投資在8 000元/ m3左右。設(shè)施較傳統(tǒng)生活污水處理工藝(以AAO工藝為例)節(jié)能70%以上，節(jié)地20%以上。水生蔬菜型人工濕地每年以空心菜和水芹菜輪種，每年空心菜產(chǎn)量約4 000 kg/畝(1畝≈667 ㎡)，水芹菜500 kg/畝，產(chǎn)生經(jīng)濟效益高于18 000元/畝。同時本設(shè)施大深徑比厭氧器還具備沼氣收集利用的條件。

圖4 宜興市周鐵鎮(zhèn)分散式生活污水處理工程主體工藝及現(xiàn)場情況

常州武進區(qū)湟里鎮(zhèn)生活污水處理工程污水來源于村內(nèi)80戶村民，約350人，設(shè)計處理規(guī)模30 m3/d，工藝流程為“折流板厭氧反應(yīng)器-缺氧反硝化-水車驅(qū)動生物轉(zhuǎn)盤-浸潤度可控潛流人工濕地”，主體工藝及現(xiàn)場情況如圖5。工程占地面積100 ㎡，其中濕地面積92 ㎡，濕地面積3.07 ㎡ / m3，平均能耗0.2 kW·h / m3，直接運行成本0.15元/m3。工程較傳統(tǒng)生活污水處理工藝(以AAO工藝為例)節(jié)能60%以上，節(jié)地60%以上。該項目出水穩(wěn)定達到一級B標(biāo)準(zhǔn)。潛流人工濕地以空心菜和水芹菜輪種，空心菜產(chǎn)量約2 000 kg/畝，水芹菜450 kg/畝，產(chǎn)生經(jīng)濟效益約13 000元/畝。

圖5 常州武進區(qū)湟里鎮(zhèn)生活污水處理工程主體工藝及現(xiàn)場情況

5 結(jié)語

我國農(nóng)村地區(qū)幅員遼闊，各地情況差異較大。在農(nóng)村生活污水治理過程中，受經(jīng)濟狀況、人員素質(zhì)、地形地貌、氣候條件等多方面條件約束，單一的污水處理工藝無法適應(yīng)復(fù)雜農(nóng)村條件下的污水處理，不利于大規(guī)模推廣。可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村污水治理技術(shù)應(yīng)包含多種單元技術(shù)的可選組合技術(shù)系統(tǒng)，具有高適用性，針對性。這就需要將多種農(nóng)村生活污水處理單元創(chuàng)新技術(shù)進行系統(tǒng)集成和優(yōu)化組合，形成具有節(jié)能、節(jié)地、高效、低維護、景觀化、園林化、氮磷資源化特征的多種可選工藝流程，形成可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水處理生物生態(tài)組合成套技術(shù)體系，以滿足幅員遼闊的我國農(nóng)村地區(qū)生活污水治理的不同需求。