据统计表明, 目前我国有4万多个乡镇, 60多万个行政村和272.98万个自然村^[1,2], 村镇生活污水排放量每年超过80亿m³, 约占全国生活污水排放量的50%^[2,3], 这其中仅有19.4%的乡镇生活污水得到集中处理, 96%的村庄没有污水收集和处理系统^[4~6]。大量未经处理的生活污水直接排放到自然水体中, 导致河流、湖泊、地下水等水质显著下降^[7~9], 村镇生态环境严重恶化。可见, 村镇环境污染防治, 尤其是村镇生活污水污染防治已成为我国环境保护的重中之重^[10]。

　　 由于村镇居民居住分散、污水水质水量波动大, 现有城镇污水处理技术与工艺难应用于村镇生活污水的处理^[11]。为此, 适宜于我国村镇生活污水处理技术与工艺的研究开发尤为重要^[12~14], 对改善村镇水环境、居民生活环境等具有重大意义。本研究以鄱阳湖流域 (典型丘陵地区) 的村镇生活污水处理为对象, 以江西省武宁县罗坪镇生活污水处理与修复为工程实例, 研究多段好氧式治理污水的技术与工艺, 以期为探索典型丘陵地区村镇生活污水治理模式提供依据和参考。

　　 鄱阳湖流域, 农业人口分布较多, 生活污水无组织排放, 污染得不到有效处理^[15], 大量营养物质不断进入湖区, 使鄱阳湖水质日益下降^[16]。据估算, 村镇生活污水每年排入鄱阳湖的氮、磷总量分别达到29 200t、5 840t。调查表明^[17], 鄱阳湖流域的村镇生活污水排放方式以随意排放为主, 比例达到50.62%。大量的污水未经处理直接排放至沟塘、农田、河流等, 仅有较小比例回灌至农田等进行资源化利用^[18], 其中排放至河流、坑塘的比重分别为38.12%、31.78%, 进入污水处理厂的比例仅为0.62%^[17], 如图1所示。

　　 鄱阳湖流域村镇生活污水处理率非常低, 不到7% (包括图1b中污水处理厂的0.62%和其他的6.26%) 。从村镇生活污水处理现状分析, 鄱阳湖流域的情况与全国的情况基本上一致, 面临的问题主要包括:技术问题、收集问题、管理问题、资金问题, 其中技术问题又为核心问题。

　　 解决鄱阳湖流域村镇生活污水处理问题, 既要考虑村镇生活污水处理的共性问题, 又要根据鄱阳湖流域的特性进行分析。鄱阳湖流域的地形地貌与其他地方不同, 属于典型性丘陵、山地地形地貌, 分布呈现出不规则环状结构^[19], 其中丘陵 (包括高丘和低丘) 面积为70 117km², 占总面积的42%;山地 (包括中山和低山) 面积为60 101km², 占36%;岗地和平原面积为20 022km², 占12%;水面面积为16 667km², 占10%。鄱阳湖流域的丘陵地形地势, 为水体势能转化为动力提供了极佳的可行性条件。有效利用丘陵地区的特有地形条件, 可为解决丘陵地区的村镇生活污水提供一种极好的思路。

　　 经过实地调研和考察, 选择鄱阳湖流域的武宁县罗坪镇为技术研究与示范工程应用基地, 污水处理基地建成之前, 该镇无任何污水处理设施, 污水通过暗管或明沟直接排放至自然水体中。该镇为典型的丘陵地区, 全镇国土总面积240.8km²;2013年末, 全镇人口18 102人, 镇区常住人口2 142人。

　　 2014年底, 罗坪镇污水处理示范工程基地开工建设, 污水收集系统在原有的暗管或明沟基础上进行整修和完善。污水处理系统建成后, 该镇区生活污水通过收集系统全部排入处理系统, 进行处理。镇区供水能力300m³/d, 常住居民每天实际用水量为180 m³, 人均水量84人/d污水收集系数取0.75, 当地每天生活污水排放量为135m³/d。该镇区生活污水主要来源于居民洗浴污水、冲厕污水、餐厨污水等, 水量与水质波动较大, 污水收集时常会有部分地表水、雨水、山泉水等汇入。污水中基本不含有有毒有害物质与重金属, 有机物、氮、磷等污染物质含量较高, 具体水质如下:COD 200±50 mg/L、BOD₅118mg/L、SS 126mg/L、TP 5±0.5mg/L、NH₃-N 30±5mg/L、pH 6.6。

　　 多段好氧式村镇生活污水处理与生态修复系统由污水处理系统与生态修复系统组成, 污水处理量设计为150m³/d, 总占地面积为1 300m²。工艺流程如图2所示。生活污水原水经过格栅进行预处理, 除去一些的固态污染物, 如废布、石头等;经过预处理后, 污水进入处理系统进行脱氮除磷以及去除有机物等, 处理出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B标准;由于当地有个大型人工湖为国家级的风景名胜区, 因此, 出水进入生态修复系统进行深处理, 最终出水水质达到《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) Ⅴ类水质标准。

　　 多段好氧式村镇生活污水处理与生态修复系统, 在传统的生物处理和生态修复的基础上, 利用丘陵地区的势能动力作用, 创新污水处理技术。整个系统因地制宜、充分利用太阳能光伏电能微动力及势能动力多段好氧: (1) 太阳能光伏电能提供接触氧化处理系统的微动力曝气, 接触好氧池实行间歇曝气, 污水中溶解氧控制为1.5~2.5mg/L, 确保好氧微生物的正常代谢; (2) 好氧生态床采用大粒径基质在下、小粒径基质在上, 并使用虹吸管进行进水与出水, 充分利用丘陵地形的势能动力作用, 生态床中的污水在势能动力的作用下, 经过虹吸作用, 始终使得基质所附着的生物膜处于好氧状态;多层的生态床不断累加, 污水不断得到充氧, 达到充分的好氧处理; (3) 生态渠采用不同材质、不同粒径的基质铺于渠底, 水生植物种植于生态渠表层, 利用势能动力的物理作用及水生植物根系泌氧作用, 污水持续得到充氧, 污染物质达到充分的好氧降解。

　　 多段好氧式村镇生活污水处理与生态修复系统中, 除了标配的生物处理技术工艺、生态处理与修复技术工艺, 并选配了太阳能动力系统、互联网+远程监控和数据传输技术系统。“因地制宜、低碳节能、生物生态、系统集成”为该污水处理系统的设计核心, “高效处理、长效运行、管理简便、费用低廉”为该污水处理工程的总体目标。

　　 COD、NH₃-N、TP、BOD₅、SS的测试方法参考文献[20], pH采用便携式pH计;DO采用便携式溶解氧测定仪。

　　 2015年8月1日至2016年7月31日, 对罗坪镇污水处理工程系统进行了连续试验检测。监测数据表明, 污水排放量的全年均值为149.19m³/d, 接近设计水量150 m³/d;同时, 对生态渠增氧及好氧生态床富氧进行连续检测发现, 污水中DO明显增加, 生物单元出水中DO均值为2.09mg/L, 经生态渠、好氧生态床后出水中DO均值为7.79 mg/L。在一年的运行时间里, 污水处理系统与生态修复系统对污水中的COD、NH₃-N、TP等去除效果非常显著。

　　 检测数据表明, 进水COD为118.56~255.07mg/L, 平均值为199.41 mg/L。在实际运行中, 由于天气等因素的影响, 对污水水质带来一定的波动, 例如, 下雨会有少量的雨水进入工程系统, 污水中的COD较实际值会略有降低。然而从全年的试验数据分析来看, 进水COD均值为199.41mg/L, 可见, 偶发外在因素对工程系统稳定运行基本无影响。

　　 生活污水处理系统工况运行稳定, 通过生物-生态组合工艺, 对污水中COD去除效果如图3所示。进水污水的COD平均值为199.41mg/L, 经处理后的出水COD平均值为58.50mg/L, 平均去除率为70.66%, 出水COD优于GB 18918-2002一级B标准。

　　 经过2个月的调试, 系统进入稳定运行。试验数据表明, 厌氧水解池中的pH稳定为6.5~7、HRT控制为4.4h、温度为25~35℃, 厌氧水解效果最佳, 显著提高污水的可生化性, 并去除部分COD。

　　 经厌氧水解后的污水, 进入接触氧化池、生态渠、好氧生态床进行好氧处理。在接触氧化池中, 活性污泥性能好, 填料比表面积大, 易附着生物膜。通过太阳能电能进行曝气充氧, 接触氧化池中的DO为1.5~2.5mg/L, 维持好氧生物正常的代谢。接触氧化池的HRT控制在8h, 好氧生物既能有效降解污水中的有机污染物, 又能为进一步分解难降解的污染物质提供充足的氧化时间。在生态渠底铺设不同层的基质 (从上而下分别为大粒径砂石、沸石、小粒径砂石) , 渠两侧种植酸模等速生植物。污水从接触好氧池出水后, 在生态渠中利用势能动力, 污水得到复氧, 依靠附着在生态渠基质表面生物膜的正常代谢活动和好氧层膜的生物活性去除有机污染物, 并利用基质的吸附和植物的吸收作用, 对污水中的有机污染物进行去除。生态渠长达150 m, 并具有一定的高度差, 这使得污水在生态渠中能有充足的复氧时间和充分的势能动力复氧条件, 污水进行高效的好氧处理。好氧生态床之间设有4级虹吸跌水充氧单元, 上一级得到增加DO的污水被传递到下一级时, 下一级基质 (沸石) 中的水膜又进一步富氧, 污水中的DO不断增加, 污水接触的基质的生物膜也越多。试验表明, 污水在接触氧化池中的出水DO均值为2.09 mg/L, 经过生态渠与好氧生态床后出水DO均值为7.79 mg/L, 污水中DO得到明显增加, 污水达到高效好氧生物处理。

　　 潜流人工湿地也设置了3层基质 (从上而下分别为小粒径砂石、沸石、大粒径砂石) , 表层种植酸模等速生植物。污水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用截留后被微生物利用, 可溶性有机物则通过基质与根系的吸附、吸收及其生物膜的生物代谢降解去除有机污染物。

　　 在污水处理系统中, 经过厌氧水解预处理、多段好氧生物处理及潜流人工湿地生态处理等, 污水中的有机污染物降解去除率达到了70%以上的高效处理。

　　 经过污水处理系统, 出水COD低于60mg/L, 达到GB 18918-2002一级B排放标准。对于水体需达到GB 3838-2002Ⅴ类水质标准要求, 处理系统出水再经生态塘与表面流人工湿地进行生态生态深处理。污水中溶解性有机物经过生态塘厌氧、兼氧、好氧微生物的吸收、降解以及水生植物的吸被去除。由图4可看出, 由污水处理系统进入生态修复系统的污水COD平均值为58.50mg/L, 经过修复后的出水COD平均值为17.66mg/L, COD优于地表水Ⅴ类水质标准, 生态修复系统对COD降解去除率平均值为69.81%。

　　 综合处理系统与修复系统的试验数据分析可知, 进入系统的污水COD均值为199.41mg/L, 经过处理与修复后的COD均值为17.66mg/L, 平均去除率为91.14%。可见, 多段好氧式“生物+生态”组合工艺处理与修复生活污水, 充分利用丘陵地区的有利地形条件, 生态渠、好氧生态床等均因地形而建, 既节省了建设成本, 又达到了高效降解去除污水有机物的效果。

　　 在2015年8月1日至2016年7月31日, 对进入工程系统的污水中NH₃-N进行持续检测发现, 进水NH₃-N波动较大, 为15~55 mg/L, 平均值为29.41mg/L。

　　 由图5可知, 出水NH₃-N由29.41mg/L降至7.04 mg/L, 平均去除率为76.06%。经过接触氧化池、生态渠以及好氧生态床的高效硝化作用后, 污水中的NH₃-N充分转化为NO₂^--N和NO₃^--N, 最终转化为NO₃^--N。NO₃^--N在生态渠、好氧生态床以及潜流人工湿地中, 通过基质吸附、植物吸收等进行污水脱氮, 去除NH₃-N。另有NH₃-N直接通过基质的吸附等, 从污水中被吸附去除。经过组合工艺处理后的出水NH₃-N值为7.04mg/L, 达到GB 18918-2002一级B标准。

　　 污水经过生态塘的处理后, 表面流人工湿地的植物对NO₃^--N等吸收去除, 对污水的N进行净化处理。由图6可知, 经过生态系统的生态塘与表面流人工湿地的生态净化, 污水中的NH₃-N均值由进水的7.04mg/L, 降解去除到出水的1.70mg/L, 平均去除率为75.95%, 出水NH₃-N值优于地表水Ⅴ类水质标准。

　　 在污水处理与生态修复系统中, 多段好氧工艺的硝化作用是NH₃-N去除的关键。综合分析污水处理系统与生态修复系统的处理效果, 实验表明, 进入系统的污水NH₃-N均值高达29.41 mg/L, 经过“生物+生态”组合工艺处理与修复后的出水NH₃-N平均值为1.70 mg/L, 平均去除率为94.22%。可见, 多段好氧式“生物+生态”组合工艺处理与修复生活污水, 对NH₃-N的去除效果明显。

　　 生活污水中的P主要来源于冲厕污水、餐厨污水等, 大量的P排入地表水体中, 导致地表水体富营养化日益严重, 可见, 去除污水中的P非常重要。在2015年8月1日至2016年7月31日, 对进入工程系统的污水中TP进行持续检测, 分析检测数据发现, TP为0.5~9.5mg/L, 平均值为4.67mg/L。

　　 通过接触氧化、生态渠生物膜、好氧生态床生物等实现污水中P的生物去除, 并在生态渠、好氧生态床、潜流人工湿地基质的吸附与速生植物的吸收中对P进一步去除。由图7可看出, 进水污水的TP平均值为4.67mg/L, 经污水处理系统一系列组合工艺的处理后出水TP平均值为0.68mg/L, 平均去除率为85.44%, 出水TP的浓度优于GB 18918-2002一级B标准。

　　 经过处理系统出水的P, 依然高于地表水Ⅴ类水质0.4mg/L标准, 在生态塘与表面人工湿地中进行深度净化。在生态塘的厌氧区、兼氧区、好氧区发生一系列P的反应, P的形态被转化。P在生态塘的好氧区进行好氧生物去除, 并被生态塘中的水生植物吸收利用, 净化污水中的P。在表面流人工湿地, 通过植物对污水中的P进行吸收利用, 去除污水中的P。由图8可知, 经过生态系统的生态塘与表面流人工湿地的生态修复与净化, 污水中的进水TP均值为0.68 mg/L, 而出水TP均值为0.33mg/L, 平均去除率为51.47%, 出水TP浓度优于地表水Ⅴ类水质标准。

　　 综合处理系统与生态修复系统分析发现, 多段好氧工艺对P的生物处理发挥着重要的作用, 而后续生态处理进一步为深度除P、达标排放发挥作用。从上述结果可知, 进入系统的污水TP均值高达4.67mg/L, 经过多段好氧为主体的组合工艺处理与修复后的出水TP平均值为0.33 mg/L, 平均去除率为92.93%.

　　 多段好氧式村镇生活污水处理与生态修复的模式, 可以成为典型丘陵地区污水处理模式, 它充分利用丘陵地形地貌的有利条件, 使得势能动力转化为工艺所需能耗。该系统工艺技术适用于鄱阳湖流域 (典型丘陵地区) 村镇生活污水处理和水体生态修复。通过工程示范, 可得以下结论:

　　 (1) 采用太阳能能够基本满足接触氧化池所需的能源, 达到充分节能、无二次污染的能源供应效果, 并能使得接触氧化稳定运行, 达到微动力好氧处理中DO的需要, 在农村生活污水治理中, 是一个创新的应用和很好的节能方式。

　　 (2) 采用多段好氧为主体的组合工艺技术处理村镇生活污水, COD、NH₃-N、TP的去除率均达到70%以上, 出水水质优于GB 18918-2002一级B标准;经生态修复系统进一步深度处理后, COD、NH₃-N、TP的最终去除率均达到90%以上, 出水水质优于地表水Ⅴ类水质标准。

　　 (3) 采用互联网+远程智能监控操作平台, 对项目运行管理进行远程实时监控;对系统多点水质进行在线检测与数据实时传输。

　　 (4) 多段好氧式村镇污水处理与生态修复, 为典型丘陵地区村镇污水处理新模式, 在鄱阳湖水系流域有较高的推广应用价值。本污水处理工程, 因地制宜, 具有投资少, 运行费用低, 处理效率高, 生态效益好, 可实现无人值守等特点。