我国水污染现状不容乐观, 水环境质量与和谐社会建设不相称, 也制约了经济的发展。随着城市污水处理率的大幅度提高, 农村生活污染显得越加突出, 以太湖流域为例, 农村污染排放量占所有排放源排放量的比例为:COD占23%, 氨氮占38%, TN占40%, TP占38%。加快农村生活污水治理, 对水环境质量的改善显得十分必要和紧迫。

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12%, 实际处理率约6%) , 严重缺乏技术储备。同时, 由于农村生活污水排放分散, 缺乏专业技术与专职管理人员, 处理工艺绝不可以简单套用城镇污水处理厂规模化、专业化的工艺流程。农村生活污水处理工艺首先要求的是, 工艺简单、易维护, 同时还需要具备稳定、高效氮磷资源化利用的特点。

国际上对农村生活污水的处理主要有生物处理和生态处理技术。生物技术以日本的净化槽为代表, 是一种大型污水厂处理工艺小型集约化应用技术。用于我国农村时存在建设及运行成本高、难以满足管理人员专业素质的要求, 且一般不具备除磷功能等弊端, 在经济实力和管理水平有限的我国广大农村地区难以大规模推广应用。单一的生态处理技术主要在澳大利亚、北美等土地资源丰富、环境容量大的地区运用, 所需占地较大, 处理效果受季节影响明显。而我国经济发达的农村地区受土地资源和地理位置的双重制约, 不具备应用的条件。

我国农村生活污水治理的有利条件是:污水没有有毒有害物质, 且富含氮磷。如果把农村生活污水治理融入到农业之中, 则农村生活污水中的氮磷则可变废为宝, 成为农业种植所需的宝贵肥料资源, 农田种植业也完全具备消纳生活污水氮磷的强大能力。从这一立场出发的农村生活污水治理的战略选择应该是:源于三农, 融入三农, 服务于三农。农村污水处理应该瞄准“因地制宜、高技术、低投资与运行成本、易维护、资源化利用氮磷”的目标, 体现可持续发展的污水治理原则。

国内外相关研究成果与实践提示我们, 无论是生物技术 (城市污水处理厂的主流工艺) 还是新兴的生态工程技术, 单独应用都不能解决农村生活污水处理及除磷脱氮的问题。必须将生物方法与生态工程有机结合, 并进行针对性符合农村特点和条件的工艺流程设计, 才能既节省成本和运行费用, 又能达到稳定的除磷脱氮效果。

东南大学在国家水专项和省部级专项经费的支持下, 经过多年的持续研究和开发, 形成了可持续发展的农村生活污水生物生态组合处理成套技术:厌氧-缺氧生物滤池-跌水充氧接触氧化装置-水生蔬菜滤床和浸润度可控型人工湿地组合工艺 (见图1) 。通过对生物方法和生态工程的优化组合, 实现了农村生活污水处理过程中的节能减排与高效除磷脱氮目标, 具有节能、节地、资源回收以及低投资和运行费用、易维护等特点, 各个单元功能明确而高效, 实现了氮、磷的资源化利用和尾水回用的可持续发展目标。

可持续发展的农村生活污水治理的理念与工艺创新体现在:处理技术采用生物生态组合工艺, 生物处理单元与生态处理单元相融合:由生物单元去除有机物, 生态单元作为污染净化型农业实现氮磷去除和资源化利用。与常规技术相比:由于生物处理单元只去除有机物, 不专门设计除磷脱氮功能, 从而大幅度简化了生物单元, 既降低了建设成本, 又使得运行管理简单;前置大深径比厌氧反应器可实现有机物的高效去除, 降低后续好氧段有机负荷和需氧量;在生态处理单元, 筛选氮磷吸收能力强、生物量大的空心菜、莴苣、水芹等经济性作物替代传统的芦苇、香蒲等湿地植物, 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, 工艺推广应用的前景广阔。

国内外研究实践表明, 常温厌氧处理低浓度污水是可行的, 问题在于水力停留时间过长, 往往难以满足实际要求。因此提高低浓度污水常温高效厌氧处理效率显得十分重要。生物生态组合体系中, 厌氧段需要高效降解有机物, 以降低好氧段有机负荷和需氧量, 为后续好氧段实现低耗能提供保障。从反应器流态看, 理论上推流厌氧反应器比完全混合反应器具有更高的处理效率和耐冲击负荷能力。多级串联大深径比高效厌氧反应器可以解决这一难题:以水动力学和反应器构造原理为基础, 增加厌氧反应器的有效水深, 形成“大深度, 小内径”的特征构型, 在其内部形成整体升流或降流的推流流态, 而多级串联使水力停留时间更趋推流, 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, 通过提高生物附着比表面积来提高厌氧反应效率。在相同容积负荷的情况下, 较大的深径比也缩减了反应器的占地面积。该反应器适用于地下水水位较深、土地资源紧张的地区。

作为替代单元, 折板高效厌氧反应池适用于地下水位埋深浅, 地质条件不好的地区, 是采用特定填料的渠道式或折流板式推流反应器装置。其处理水量有限, 适合于单独一户或几户民居的生活污水就地处理, 可利用现有的化粪池进行改造。

组合工艺中好氧段以氮磷的无机化和有机物的进一步去除为主要功能, 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, 曝气动力消耗一般占日常运行成本的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、阶式跌水、往复式跌水、拔风等自然充氧形式, 改变了传统生物处理曝气方式高耗能的缺陷, 构建了多种低能耗好氧处理装置。

跌水曝气充氧装置利用污水提升获得势能, 分级跌落, 将势能转化为动能, 形成水幕、水滴自然充氧, 无需曝气装置。本技术包含多种不同构型的充氧装置, 以应对不同的农村生活污水水质变化的需求。可以有阶梯式和垂直交错跌水两种类型。垂直交错跌水充氧生物接触氧化池多级垂直交错分布, 利用挡板使污水往复跌落, 占地较梯式跌水充氧可节省50%以上, 且由于占地集中, 外围可建房屋, 实现保温, 保证冬季污染物降解效率, 可适应寒冷的北方地区。水车驱动生物转盘利用水流跌落的动能带动水车转动, 实现污水跌落充氧、溅水分散充氧和转盘盘面复氧的三重充氧作用, 充氧效果优, 适用于较高浓度的生活污水。各类型跌水装置见图2。

脉冲多层复合滤料生物滤池: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, 可应用于水量稍大的农村生活污水处理。其采用虹吸脉冲布水的方式, 既可以维持滤池以低平均负荷运行, 保证滤池中硝化反应顺利完成;又保证在布水时瞬间冲刷掉部分老化的生物膜, 从而维持较高活性的生物膜, 解决了传统的生物滤池易于堵塞和生长池蝇、产生臭味的问题。此外在滤料填充层中可设“废石膏充填区”, 初步实现磷的去除。生物滤池整体呈塔状, 在寒冷地区应用时方便外加建筑保温。脉冲多层复合滤料生物滤池现场见图3。

生活污水中含有大量有机物, 经厌氧处理后易产生氨、硫化氢、甲硫醇、甲胺等致臭物质, 这些致臭物质散逸至空气中会严重影响污水处理设施周边空气质量。目前污水厂除臭方法主要有:对已逸出到大气中的臭气进行收集去除的被动的除臭方法, 代表技术有生物滤池过滤、植物提取液除臭、活性炭吸附、高能离子除臭、化学除臭和活性氧除臭等;以及通过投药提高污水中氧化还原电位, 避免含氮及含硫化合物产生的主动除臭法。以上方法均需额外的动力设施和化学药剂, 运行费用昂贵, 管理难度大, 基本不可能在农村地区推广。创新型的反硝化除臭技术是利用已有的跌水充氧生物接触氧化池产生的硝化液和剩余溶氧回流至缺氧池, 稀释并氧化其中的还原性致臭物质, 省却了动力消耗和药剂费用, 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, 提高了跌水充氧段和人工湿地水体的卫生性和可观赏性。

生态单元紧密结合农村种植业, 使之成为污染净化型农业。主要表现为两方面:用经济作物替代传统湿地植物并优化湿地构型;构建污染净化型农业, 在实现氮磷资源化利用的同时获得一定经济效益。通过采用水生蔬菜型过滤床、水位及浸润度可控型潜流人工湿地技术, 有效提高人工湿地的处理效率。人工湿地生产有经济价值的水生蔬菜和花卉, 可调动农民参与污水处理设施管理的积极性, 利于工艺的推广。另一方面, 强化与提升污染物沿程净化的理念, 通过相关技术的研发与集成创新, 实现污染物削减的最大化。同时根据不同地区的条件, 还因地制宜地研发了梯式生态砾石处理技术、阶式多功能强化生态净化塘处理技术, 多种构型的生态混凝土支撑生态沟渠沿程降解技术。

在人工湿地内种植空心菜、水芹菜、番茄、生菜、莴苣等蔬菜和水培花卉等经济作物, 使人工湿地在产生经济效益的同时能够调动农民自觉维护的积极性;优化湿地构型, 通过湿地出水堰的改良设计来实现人工湿地水位的控制, 使得人工湿地适应各种经济植物的生长;还可以在人工湿地上加盖暖棚, 保证其冬季低温条件下的正常运行;在人工湿地内引入蚯蚓, 改善湿地微环境, 提高湿地的污染物去除效果。

水生蔬菜过滤床人工湿地技术。开创性地融合了人工湿地技术和蔬菜无土栽培技术, 集成优化提出在人工湿地内培植空心菜、水芹、豆瓣菜、番茄、生菜等根系发达、生长速率快的常见无土栽培蔬菜, 以生物单元处理后的尾水作为人工湿地内水生蔬菜的“营养液”。本技术将上述根系发达的水生蔬菜密植于人工水槽中, 形成细密的根系垫层, 以此充当“基质”, 供微生物附着, 同时通过拦截颗粒性污染物和水质净化作用, 对后续浸润度可控人工湿地起保护作用。

水位及浸润度可控型潜流人工湿地技术。该技术是利用出水堰 (阀) 的优化设计, 实现对潜流人工湿地内水位的控制, 进而调节湿地滤床水位深度及基质床层浸润程度。一方面引导人工湿地内水生蔬菜根系纵向的充分发展, 另一方面通过植物泌氧强化大气复氧能力, 改善滤床及基质的氧环境。此外在北方寒冷地区应用时, 可以搭建暖棚或通过控制水位使湿地冬季水位低于冰冻线, 从而防止潜流人工湿地结冰, 保证人工湿地冬季的正常运行。

蚯蚓强化生态土壤及湿地处理技术。在人工湿地中引入水蚯蚓, 利用水蚯蚓的“松土”作用改善内部的水力传导以及溶解氧的传输, 提高微生物的功能, 显著提高生态土壤及湿地去除污染物的能力。研究结果表明在相同条件下与传统人工湿地相比可提高氮、磷去除率近30%以上, 消除人工湿地堵塞现象。

江苏省农村地区水网密集、水塘丰富, 而山区地形地势复杂多样。该项目充分利用农村的地形地势及地域特征, 提出在农村天然水体、已有沟渠等的基础上, 简单施工, 建成具有良好生态效益的生态塘、生态沟, 实现污染物从收集到排放, 从“沟”到“塘”到“湿地”的多级沿程净化, 并实现生态单元建设的低成本。主要技术包括生态沟渠沿程拦截技术、阶式多功能强化生态净化塘处理技术、梯式生态砾石处理技术。

生态沟渠沿程拦截技术。采用生态混凝土护坡, 重建植物群落, 结合沉水植物, 恢复水体的生物多样性, 利用生物、生态作用实现水质的净化。适用于低浓度污水的收集处理、生物单元与生态单元之间的连接及农村面源污水的收集拦截。该项目研发了多种生态混凝土构型, 以适应不同岸坡情况的使用, 包括多孔单球、多球砌块、鱼礁式砌块、自嵌式砌块及砌块模具。

阶式多功能强化生态净化塘处理技术。针对村落周边分布的小池塘、断头河等, 利用软围隔导流、生态护岸、人工介质、立体生态浮岛等多种技术优化组合而成。其依靠塘中的藻、菌共生原理来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。

梯式生态砾石处理技术。针对丘陵地区农村的地形特征而开发的生物生态高集约化技术。其利用地形落差, 阶梯式布置多级生态砾石床, 床内分级放置填料, 利用级间高差跌水实现充氧;通过结构优化, 形成AOAO流程, 保证氮磷去除效率;砾石表面可种植与周围生态景观相协调的水生花卉、水生蔬菜、水生牧草等。本技术将生物单元和生态单元合并, 最大化节约了占地。

可持续发展的农村生活污水生物生态组合工艺融合了生物处理和生态处理技术, 各单元分工明确, 主体工艺流程为“农村污水—格栅—厌氧—缺氧—好氧—经济型人工湿地”。全流程工艺管理简单, 只需1台水泵驱动, 不需要污泥回流, 不需要鼓风曝气, 仅需定期巡检维护, 无人值守运行。各单元功能如下:

(1) 厌氧单元有效降低有机负荷, 减轻跌水曝气工序的负担, 且具备沼气收集的功能。

(2) 在缺氧调节池中, 来自厌氧段的消化液与好氧段的回流液进行混合, 充分利用消化液中的有机物, 进行反硝化反应, 同时脱除缺氧出水中的臭味。

(3) 好氧单元以氮磷的无机化和有机物的进一步去除为主要功能, 以跌水自然充氧为主, 实现能耗的有效降低。好氧出水一部分进入人工湿地, 一部分回流至缺氧单元进行反硝化脱臭。

(4) 人工湿地主要以水中氮磷营养盐的去除和利用为目标, 力求在实现出水达标排放的同时获得一定的经济收益。

为应对我国农村地区不同经济状况、人员素质、地理气候等多方面条件对污水治理的约束, 满足不同地区对出水水质的需求, 可持续发展的农村污水治理技术已形成包含多种单元技术的可选组合技术系统, 通过将前文所述的多种单元创新技术进行系统集成和有机组合, 形成最适合于当地的农村生活污水处理工艺。

由于工程所用工艺多样, 下文仅以建于宜兴市和常州武进区的两组较典型的工艺为例。

宜兴市周铁镇分散式生活污水处理工程共计约87户, 人口约310人, 设计污水处理流量30 m³/d, 工艺流程为“大深径比厌氧反应器-阶梯式跌水充氧反应器-水生蔬菜过滤床+潜流人工湿地”, 主体工艺及现场情况如图4。工程占地面积240 m², 其中湿地面积216 m², 湿地面积7.2 m²/m³, 直接运行成本0.11元/m³。该项目出水稳定优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 的一级B标准。污水处理设施建设投资在8 000元/ m³左右。设施较传统生活污水处理工艺 (以AAO工艺为例) 节能70%以上, 节地20%以上。水生蔬菜型人工湿地每年以空心菜和水芹菜轮种, 每年空心菜产量约4 000 kg/亩 (1亩≈667 m²) , 水芹菜500 kg/亩, 产生经济效益高于18 000元/亩。同时本设施大深径比厌氧器还具备沼气收集利用的条件。

常州武进区湟里镇生活污水处理工程污水来源于村内80户村民, 约350人, 设计处理规模30 m³/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-浸润度可控潜流人工湿地”, 主体工艺及现场情况如图5。工程占地面积 100 m², 其中湿地面积92 m², 湿地面积3.07 m² / m³, 平均能耗0.2 kW·h / m³, 直接运行成本0.15元/m³。工程较传统生活污水处理工艺 (以AAO工艺为例) 节能60%以上, 节地60%以上。该项目出水稳定达到一级B标准。潜流人工湿地以空心菜和水芹菜轮种, 空心菜产量约2 000 kg/亩, 水芹菜450 kg/亩, 产生经济效益约13 000元/亩。

我国农村地区幅员辽阔, 各地情况差异较大。在农村生活污水治理过程中, 受经济状况、人员素质、地形地貌、气候条件等多方面条件约束, 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, 不利于大规模推广。可持续发展的农村污水治理技术应包含多种单元技术的可选组合技术系统, 具有高适用性, 针对性。这就需要将多种农村生活污水处理单元创新技术进行系统集成和优化组合, 形成具有节能、节地、高效、低维护、景观化、园林化、氮磷资源化特征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成套技术体系, 以满足幅员辽阔的我国农村地区生活污水治理的不同需求。