据统计, 我国农村生活污水年产生量约为80多亿m³, 96%的村庄都没有排水渠道和污水处理系统, 生活污水随意排放^[1]。这不仅影响农村居民的饮用水安全以及人居环境, 同时威胁到了水体生态环境。2014年5月, 国务院发布《关于改善农村人居环境的指导意见》, 指出应加快农村环境综合整治, 重点治理农村垃圾和污水。然而, 实施农村污水处理存在不少难点, 农村生活污水污染物浓度低、波动大, 水量规模小, 且严重缺乏维护管理技术人员及运行管理经验。已建成的示范工程可能由于管理不当或资金不足而出现故障或闲置现象^[2,3]。

　　 美国作为发达国家, 较早开始关注农村污水治理。美国的乡村污水治理主要指1万人以下的分散污水治理^[4]。在美国, 分散型污水处理系统 (decentralized wastewater treatment system) 又称为就地处理系统 (onsite wastewater system) , 其应用历史悠久。以化粪池作为废水的初级处理设施出现在19世纪后期。20世纪中期, 开始流行将化粪池出水排入铺设碎石的地下排水沟。但同时就地处理系统的安全性受到质疑, 主要集中在地下水污染和化粪池失效这两个问题。此后, 为了保证就地处理系统的安全性, 美国环保署 (USEPA) 开始着手分析就地处理系统失效的原因。1997年, EPA发布了具有里程碑意义的“Response to Congress on Use of Decentralized Wastewater Treatment Systems”, 肯定了分散污水处理系统的地位。目前, 美国超过20%的住宅使用分散型污水处理系统。这些系统服务着约为25%的美国人, 每天处理的污水总量超过40亿美加仑 (1美加仑=3.785L) 。美国在分散型污水处理中的技术措施与管理机制对我国农村污水治理具有很好的参考作用。

　　 美国环保署分别于1980年和2002年发布了《就地污水处理处置系统设计手册》与《就地污水处理处置系统指南》, 详细介绍了分散型污水的处理、处置技术。具体的技术包括传统的化粪池-土壤吸收系统、沥滤场、间歇砂滤器、好氧处理系统、消毒技术、蒸散系统等。

　　 美国分散型污水的处理技术可以基本概括为传统的土地处理系统以及其他替代系统。替代系统包括常规的好氧处理系统与厌氧处理系统, 例如悬浮态生长和固定膜好氧处理系统、序批式反应器、升流式厌氧流化床等。

　　 在美国, 化粪池-土壤吸收系统在众多就地处理方法中最为流行。因为它在满足公众健康和环境要求的同时, 设计较为简单, 且价格相对便宜。化粪池-土壤吸收系统一般包括化粪池与吸收场地两部分 (见图1) ^[5]。化粪池作为污水初级处理单元, 起到污水的收集和初级处理功能。吸收场地可以分为两种类型, 即有砾石型和无砾石型, 按照场地形状又可以划分为沟式和畦式。

　　 化粪池-土壤吸收系统的使用对土壤、地质要求较高。化粪池-土壤吸收系统的大面积使用曾经导致地下水污染而受到质疑, 在运行过程中出现的各种问题催生了一系列的辅助设备, 例如低压管道系统、砂滤系统、化粪池出水格栅等。这些辅助设备可以扩大系统适用范围, 降低故障率。为了提高处理效果, 化粪池的结构经过了一系列改良, 出现了隔板型和升流式化粪池等。Mikhaeil等^[6]研究了3种水力停留时间下传统型、单隔板型、双隔板型、双隔板填充型化粪池处理生活污水的性能。对于不同池型的化粪池, COD、BOD、TSS去除率均与HRT成正相关, 且去除率为双隔板填充型>双隔板型>单隔板型>传统型。因此双隔板型与双隔板填充型化粪池更适合处理乡村地区高浓度生活污水。Sabry^[7]使用改良型的化粪池———升流式化粪池/隔板反应器 (USBR) 处理农村生活污水。一年运行期内, COD、BOD、TSS去除率达到了84%、81%、89%。USBR系统不受冲击负荷影响, 且受低温的影响较小。

　　 土墩系统是高于自然土表的、装载有填料的污水土地处置方式。主要由填料、吸收区域、布水网络、顶盖以及表层土壤组成。土地处理方式是大部分地区处理污水的首选, 没有足够的土壤过滤污水时, 需要人为补充土壤以及填料来进行处理。较多的土壤同时可以加大处理系统与地下水水位间的距离, 保证地下水的安全。

　　 填料是土墩系统中的重要处理单元。不同结构的填料应用于土墩系统, 具有不同的处理效果。一些填料由于含有铝、铁、钙元素, 能增强系统除磷的效果。同时, 回收利用工业废弃物作为填料, 从而降低成本也是一大趋势, 例如高炉矿渣、粉煤灰等。Charles等^[8]向砂石土墩系统填充工业副产品以提高除磷效果, 发现磷平均去除率高达98%, 而氮平均去除率较低, 仅有19%。

　　 砂滤系统是指采用介质对污染物进行截留和生物降解的处理装置, 其结构各异, 灵活性大, 适用范围广。砂滤系统按照结构可以分为地埋式、间歇式和循环式3种。地埋式砂滤系统通过在暗渠中铺设粗砾石, 并覆盖沙子以处理污水, 占地面积小、无异味。间歇砂滤器通过两个或两个以上的处理单元轮流装填污水, 这种轮休机制能够保证砂滤器中保持好氧状态, 有利于生物膜的生长, 提高污染物去除率。循环式砂滤系统由化粪池、循环池和砂滤器组成, 通过循环也可以增加污水中氧含量。

　　 砂滤系统中砂石是常见的介质, 也出现了一些替代性的新型填料, 例如无烟煤、矿渣、底灰等。开发新型介质可用于去除一些特定污染物, 例如新兴污染物和消毒副产物前体。Grace等^[9]使用赤泥、沸石、飞灰、颗粒活性炭以及砂石等混合介质的砂滤系统处理含有溶解性有机碳的合成废水, 最优条件下Al、TOC、NH₃-N去除率分别为97%、71%、88%。

　　 对于砂滤系统而言, 堵塞是其故障的主要原因, 它会降低系统的渗透系数, 严重时将导致系统完全失效。堵塞问题的探讨主要为成因分析, 包括悬浮物的截留、生物膜生长、植被生长、化学效应等^[10]。然而砂滤系统的堵塞程度不容易被评估, 尤其是地下的砂滤系统, 以往通常采用过滤水头损失进行测定, 目前也出现了对预警参数的研究。Petitjean等^[11]研究了地埋式垂直流砂滤系统阻塞情况的预警参数, 建议使用NH₃-N/NO₃^--N出水浓度比以及多孔介质中的氧气浓度来检测早期阻塞。

　　 污水蒸散系统是通过土壤表面蒸发和植物蒸腾作用等物理力将污水排入大气的污水处理设施。主要由防渗衬垫、布水管和砂床组成, 砂床表面可以种植植被。由于需要蒸发和植物蒸腾作用等作用力, 污水蒸散系统对气候有较严格的要求, 仅适合年蒸发率超过年降水率的干旱、半干旱地区, 且不能在水资源短缺区域使用。而且由于通过蒸散作用排水, 一般不会危及地下水安全, 因而地质条件适应范围较广。

　　 蒸散系统的蒸散速率与植物的生长情况以及营养物的可及性有关, 不同的树种处理效果也不相同。在温带气候区域, 柳树、杨树比较流行, 因为其在生长季节具有高蒸腾速率、耐水淹, 且污染物浓度耐受性高^[12]。在热带气候区域, 其他类型的植物也有一定应用, 例如竹子、柑橘等^[13]。Curneen等^[14]在低渗透性底土地区使用6种柳树型蒸散系统处理化粪池和二级生活污水出水, 蒸散量在576~929mm/年。由于低渗透性底土以及当地较高的相对湿度, 所有系统均未能达到污水零排放。但是系统能够有效削减污染物, 总氮和磷酸盐去除率分别在67%~99%和94%~99%。

　　 一体化处理装置是预制造的污水就地处理设施, 适用于人口较少、污水流量较小的区域。传统处理装置需要就地安装, 而一体化处理装置的处理组件直接在工厂进行装配, 然后运输至指定地点。其结构紧凑、施工工程量小。集成式的污水处理设施一般具有基本的物理处理单元, 包括混凝、絮凝、沉淀、过滤等。最常见的一体化处理装置有延时曝气反应装置、序批式反应器、氧化沟、接触稳定池和旋转生物接触器。

　　 目前MBR的研究与应用较为广泛, 因为其生物质含量高、体积小、出水水质好, 而膜组件的模块化性质允许其适应不同处理规模的要求。Su等^[15]使用具有高通量平板膜的一体化好氧生物膜反应器来处理生活污水。水力停留时间为22h时, COD、BOD₅、SS、TN、NH₃-N和TP去除率分别达到了81.5%、84.8%、81.7%、38.3%、84.6%和40.1%。在反应器后添加混凝-膜反应器后, TP和SS都降低至0.01mg/L。但膜技术存在膜污染问题, 且成本较高, 因此考虑开发低成本的替代物, 例如天然存在或废弃材料制备的陶瓷膜。Tewari等^[16]将两种低成本的膜过滤器, 即30μm聚合物网和2~6μm大孔废灰基陶瓷过滤器, 用于浸没式膜生物反应器 (MBR) 中处理住宅小区生活废水, 结果表明陶瓷过滤器可以长期使用, 悬浮物截留量高达96%, COD、总氮、总磷均有一定程度削减。此外, 削减能源消耗也可以降低膜技术的成本。Verrecht等^[17]使用动态模型对小型膜生物反应器能量消耗进行优化, 发现降低膜曝气量和SRT最有利于降低能耗, 增加循环流量可以改善TN去除效果, 却降低了TP去除效果。

　　 除了序批式反应器 (SBR) , 序批式生物膜反应器 (SBBR) 或序批式膜生物反应器 (SBMBR) 等复合型反应器也有应用。Aygun等^[18]研究了断电故障对SBR与SBBR处理校园生活污水的影响, 发现断电故障降低了COD和TSS的去除率, 同时影响污泥沉降性能。但SBBR中生物膜的存在有利于削弱断电故障的不利影响。

　　 不同的技术有其相适应的地理条件。化粪池-土壤吸收系统的处理单元是土壤, 因而对土壤、地质条件有一定要求。合适的土壤需要有良好的渗透性, 且土壤水分在一定深度内保持不饱和状态, 从而保证土壤的处理能力。处理系统的位置应该远高于地下水水位和基岩, 并和饮用水水源的位置保持一定距离, 以减小对地下水等天然水体的威胁。对于选址的地理要求, 美国有相应的规则标准。1993年, 国家制图和地理中心 (NRCS) 对化粪池吸收场建立了限制评级系统用于指导选址^[19]。不同的州对于就地处理系统有不同的选址规则, 例如阿拉巴马州有6项选址参数, 分别是渗透性、到岩石或其他限制层深度、到季节性水位深度、坡度、洪泛频率和含水土壤的存在^[20]。中国经度、纬度跨度大, 地形、地貌差异明显, 需要根据当地地质情况考虑是否选择土壤处理技术, 以保证系统处理性能, 避免重蹈覆辙, 污染地下水。同时应建立详细的场地评估标准, 在选择技术前进行场地评估, 规范技术的选择流程。当一些土地处理系统不适用时, 可以通过增加辅助设施来改善处理效果, 或直接采用一些其他的替代技术, 例如好氧、厌氧等工程化的生物处理设施。

　　 技术选择前期应该对所在地区进行详细调查, 包括污水的水质、水量, 环境敏感地区位置, 人口密度等。其次确定地表水与地下水水质, 评估受纳水体的易污染程度以及水体自净能力, 根据环境和健康风险来确定处理标准。不同地区对就地处理系统设置的处理要求应有所区别, 对于饮用水水源地、自然保护区等水质敏感区域, 就地处理系统的出水水质要求较高。但对于一般地区, 出水水质要求不必设置过高, 从而节省资金。美国马萨诸塞州就地处理系统的条例中规定局部区域为“氮敏感区域”, 位于该区域的就地处理系统需要去除进水中40%以上的氮负荷, 并以每英亩/天规定了最大排放流量。我国太湖、巢湖、滇池等流域富营养情况较重, 分散型污水处理系统等非点源污染源需要加以控制, 因而需要增加脱氮除磷的负荷要求。

　　 美国对已有技术的经济核算十分重视, 因为这有利于指导后续的技术选择。早在1979年, EPA发布了较全面的传统污水处理技术资本和运营成本的汇总。洪堡州立大学也编写了具备成本估算功能的WAWTTAR程序, 用于污水处理设施规划或基础设施投资的可行性分析, 改程序涵盖了各项分散污水处理技术。但在发展中国家, 分散型污水的处理缺少经济成本的参考数据, 因而有必要对国内一些已有示范工程进行经济核算。农村污水处理技术的选择需要结合当地经济水平和环境需求, 综合考虑费用与处理效果的关系, 从而选择性价比较高的技术。费用估算时不仅要包括建造费用, 还要考虑使用期的运行、维护费用, 以及长期必要的维修和替换费用。只有当村庄正确评估自身所能承担的费用后, 才能防止有钱建设, 无钱运行, 污水处理设施建成之后“晒太阳”。

　　 为了维持分散型污水处理系统的良好运行, 美国分散型生活污水治理有相关法律法规的条款保障。联邦层面由一些主要的水污染控制法案来实现, 例如清洁水法案 (Clean Water Act, CWA) , 安全饮用水法案 (Safe Drinking Water Act, SDWA) , 海岸带管理法案/1990年海岸带法修正案 (Coastal Zone Managment Act/Coastal Zone Act Reauthorization Amendments of 1990, CZMA/CZARA) 以及其他联邦法案。在州层面, 分散型生活污水治理的管理要求通常以涉及相关领域的法令形式出现, 法令种类较多, 涉及公共安全法、妨害行为法、环境保护法或建筑法规等。但在大多数州, 就地处理系统的管辖权一般下放至县或其他地方管理部门。地方管辖部门在执法时可以直接执行州制定的法规或执行自行制定的更严格的法规。除了强制执行的法律要求, EPA同时注重发布指南手册对分散型处理系统的管理予以指导, 分别于2003年和2005年发布了《分散型处理系统管理指南》和《分散型污水处理系统管理手册》等相关管理文件帮助社区管理者与户主进行处理系统的运行和维护。除此以外, 就地处理系统的标准化对保证系统的处理性能有着重要意义。美国国家卫生基金会/美国国家标准学会 (NSF/ANSI) 为就地处理系统设定了各类标准, 包括堆肥厕所、化粪池出水过滤器、泵、消毒设备、沥滤场等就地处理系统和组件的设计标准, 分散型污水的回用水标准以及场地性能测试标准等, 以此将各类分散型污水处理设施的设计与验证过程标准化。

　　 一个处理系统运行成功与否很大程度上取决于运行维护阶段。美国分散型污水处理设施管理分为5种模式, 分别是户主自主模式、维护合同模式、运行许可模式、集中运行模式和集中运营模式。较为简单的系统可以通过户主教育, 依靠户主自行维护;较为复杂的系统则需要供应商提供维修服务;由管理责任实体运行的系统则由管理实体负责维护。分级管理维护可以最有效率地保障处理系统的性能。不同的处理系统维护内容存在差异。结构较为简单的处理系统, 例如化粪池, 需要检查污泥和浮渣层积累情况, 评估泵的性能, 检查机械组件是否正常工作。而续批式反应器等好氧生物处理设施维护内容更多, 包括监测DO、pH和MLSS浓度等参数, 定期维修曝气鼓风机、潜水泵等设备。为了保证维护的服务质量, 需要测试从业人员的能力。一些州和国家贸易团体, 如NSF国际, 国家污水运输商协会, 国家环境卫生协会和国家环境服务中心都制定了相关培训和认证计划, 以检验从业人员执行系统检查和其他服务的能力。而服务供应商也只有通过测试才可进入供应商名单。为了保证维修服务便于追溯查询, 每次维修服务后需要进行登记, 必要时使用联网监测设施。罗德岛的Jamestown镇具有就地处理系统的日常维护监测项目, 检查员在网络数据库中记录监测信息。根据系统的大小、类型和用水情况, 每3年或5年检查一次系统。

　　 纵观处理系统失败的原因, 大多数情况是由于户主缺乏经验, 不能及时有效地维修和更新故障的处理系统, 最终导致系统崩溃。公众教育有利于提高处理系统相关的操作与管理人员维护系统的意识和能力, 主要内容包括提醒用户定期维护, 分发多媒体资料等。EPA每年会举办SepticSmart周宣传化粪池系统的维护, 并为户主提供了具体的维护建议。例如鼓励户主每3年检查一次, 3~5年清掏一次化粪池系统;合理利用水资源, 不随意丢弃废物;避免在土地处理系统周边停车、种植、安置雨水排放系统等。同时提供了处理系统的咨询对象, 当户主对化粪池系统的维修存在疑问时, 可以联系当地的卫生部门或监管机构, 也可以通过化粪池系统服务提供商的数据库向所在地区的专家求助。除了户主, 社区管理者也是重要的教育对象。EPA不仅协助地方机构教育户主, 并且促进地方决策者选择并管理污水处理基础设施。为了给社区管理者建立管理项目提供详细的参考, EPA于2012年发布了《独立和分散污水管理项目案例》, 其涵盖5种不同管理模式下14个社区的实际案例。

　　 美国环保署设立的清洁水州周转基金 (CWS-RF) 是很多市政基础设施建设的资金来源, 同时也是分散型污水处理项目的重要资金来源。资金的良好运转是联邦、州与地方政府良好协作的结果。清洁水州周转基金主要依靠联邦-州资助关系向社区和个人提供低息或无息贷款, 贷款返还到周转基金后, 再分配给后续项目。联邦主要负责向各州提供拨款, 各州负责州内CWSRF项目的运作, 提供各种类型的资金援助, 包括贷款、再融资、采购或保证地方债务和购买债券保险。当基金不能直接下放给私人实体时, 可以通过转手贷款先资助当地政府实体, 再向户主或其他实体提供贷款或拨款。例如, 俄亥俄州环保署的家庭污水处理系统计划中超过300万美元提供给44个当地政府部门, 再供给家庭收入较低的户主^[21]。利用州和地方的合作伙伴关系, 可以确保资金用于有利于改善国家水质的项目, 并且保证项目快速实施。

　　 为了加强EPA与分散系统相关从业者的合作, EPA和分散型污水处理的相关合作组织在2005年建立了谅解备忘录 (Memorandum of Understanding, MOU) , 这些机构包括国家乡镇协会 (NA-TaT) 、国家污水技术人员协会 (NAWT) 、国家环境健康协会 (NEHA) 等。EPA和签约组织的职责包括为从事分散型污水处理系统行业的人员提供项目、法规、计划的信息, 准备培训、授予证书, 提升公众意识, 为实施分散系统的组织准备材料等。2014年, MOU扩张至18个合作伙伴^[22], 更新了EPA和合作组织的承诺, 着手进一步加强分散系统的管理, 增加EPA与州、地方政府、分散系统相关从业者以及供应商的合作。

　　 流域性的污水问题仅靠州内单独治理并不能得到很好的解决。对于分散型污水处理, 美国各州之间注重区域合作和信息共享。2015年, 为了更好地实现切萨皮克湾的污染物最大日负荷总量目标 (TMDL) , 特拉华州、马里兰州、宾夕法尼亚州、弗吉尼亚州和西弗吉尼亚州签署了一份合作备忘录 (Memorandum of Cooperation, MOC) , 承诺对用于削减切萨皮克湾氮负荷的就地处理系统的预处理单元进行数据共享, 协议为期5年。这种州际之间合作开发工具共享数据的行为在就地污水处理行业中尚属首次。此前处理系统的审批在每个州单独进行, 合作后能够大大简化各个州内处理技术的审批流程, 降低用户和制造商的成本。

　　 美国分散型污水的治理经历了波折, 早期化粪池———土地处理系统的误用与管理不当导致严重的地下水污染问题, 因而逐步建立起良好的技术选择模式和管理机制。中国分散型污水治理已有多处示范工程, 但仍存在不少问题。农村生活污水治理应建立技术选择指南, 根据当地的地质条件、环境水质要求、经济条件进行技术选择, 优先考虑成本低廉、管理方便的技术。加快建立分散型污水处理的法律法规和管理指南, 建立分散型污水设施的标准, 规范处理设施的设计、安装、运行。为农民普及污水治理知识, 提供处理系统维修的渠道, 提高农民参与污水管理的积极性, 确保处理系统建成后得到良好的维护。最后, 加强各省市、各部门以及政府与合作组织之间的合作, 共同解决区域性的分散型污水治理问题。