在美国的城郊地区及乡村, 分布着相当数量的住宅、别墅等, 且分布均比较分散。这部分地区一般不集中建设污水管网及集中污水处理设施, 而是采取分散式污水处理方式^[1,2], 该方式主要采用化粪池-土壤吸附工艺^[3,4]。日本于1983年制定了《净化槽法》, 用于指导人口密度较低、管网设施不完善的农村地区污水处理工作^[5]。1987年设立了净化槽补助制度, 进一步推动净化槽的实际使用。目前, 日本对农村污水的处理已形成了较为完善的体系。

　　 在我国, 随着新农村建设的推进和村镇居民生活水平的逐步提高, 村镇生活污水排放量也日益增大。但村镇污水处理系统设施建设却严重滞后。据住建部2015年城乡建设统计公报显示, 截至2015年, 我国行政村的污水处理率仅为11.4%, 绝大多数农村污水未经处理直接排入水体, 造成水环境污染严重, 水体黑臭现象增多, 不仅威胁居民的身体健康, 还阻碍了我国村镇生态文明建设。因此, 未来的村镇污水处理市场需求巨大。

　　 与城市污水特征不同, 我国村镇污水具有规模小、面广、分散、水质水量变化大等特点, 且我国地区差异性显著, 村镇经济发展水平参差不齐, 因此, 不宜照搬传统的城市污水处理工艺技术及模式。应针对村镇污水特点及我国村镇地区特点因地制宜进行村镇污水处理系统设计。

　　 我国村庄空间分布区域差异特征显著, 整体上呈现出聚集、随机、离散均匀分布的并存空间分布模式。东南半壁区域的村庄空间分布密度高于西部地区和北方边境地区。不同地域类型区村庄空间分布模式特征各异。平原地区的村庄空间分布密集, 空间分布模式以随机、分散为主, 村庄之间邻近距离较近。高寒山区、沙漠边缘地带, 村庄空间分布密度极低, 村庄之间邻近距离偏大, 村庄空间分布相对聚集。丘陵、山地交汇过渡地带, 村庄空间分布密度较大, 空间分布模式偏向随机分布^[6]。相对村庄而言, 我国乡镇空间分布区域差异性也较大, 但相对村庄而言, 整体分布相对比较集中。

　　 村镇污水处理系统包括收集管网和污水处理终端两部分。在相对集中的村镇, 管网的投资费用一般约为处理终端的2倍。但在相对分散的村庄时, 管网的投资将是处理终端的3~4倍, 甚至更高。根据工程经验, 村镇污水收集管网和处理终端总投资费用相对变化趋势如图1所示。从图1中可以看出, 当村镇污水处理终端设施建设越分散, 处理终端的总投资费用就相对越高, 而收集管网的投资费用就越低;当村镇污水处理终端设施建设越集中, 收集管网的投资费用就越高, 而处理终端的投资费用就越低。收集管网和处理终端的总投资也是随终端设施建设分散到集中的程度而先下降后上升。因此, 应根据各地区居民居住密度、分散程度、污水收集输送距离等对村镇污水收集管网和处理终端进行统一优化, 如通过增加污水处理终端实施的数量进行分散化处理, 从而减少管网投资。

　　 根据上述分析, 并结合我国村镇及村镇污水的特点, 将我国村镇污水处理按照规模大小系统的分为户级、村级和镇级3种集中程度不同的污水处理系统, 适用条件如表1所示。

　　 (1) 因地制宜。我国村镇具有分布广、散, 地形地貌复杂, 经济相对落后, 区域差异性大等特点, 因此, 村镇污水处理工艺路线的选择务必统筹考虑村镇的地域性差异, 针对不同地区、不同地形地势、不同地理气候条件以及经济发展水平, 作对应的设计调整。

　　 (2) 优先考虑资源化利用。我国水资源匮乏, 应优先考虑村镇污水的处理及就地资源化利用^[7,8], 尤其是对于我国北方及西部缺水干旱地区^[9]。

　　 (3) 经济高效。村镇污水处理系统要投资省、运行能耗低, 与村镇的经济发展水平, 村民的经济承受能力相适应。工艺设计可靠稳定, 出水满足排放标准要求。

　　 (4) 易于管理, 稳定可靠。村镇污水处理设施要尽量简单, 方便管理及运行维护, 并能长久稳定有效发挥其作用^[10,11]。

　　 我国大部分农村及欠发达乡镇居住相对比较分散, 且配套污水管网差, 若集中建设污水处理设施管网投资费用高。因此, 针对分布相对分散的村庄采用户级污水处理系统。户级污水处理可采用基于生物膜法开发的地埋式一体化污水处理装置, 核心技术为生物接触氧化技术。其处理工艺路线如图2所示。

　　 村民生活污水先进入化粪池, 经过化粪池沉淀消解后再进入户级污水处理装置。在污水处理生化单元内通过生物填料上面附着的厌氧、缺氧、好氧微生物等多种微生物的生化反应, 去除有机污染物和氮磷物质, 通过生化处理后的水进入澄清沉淀池进行固液分离, 上清液达标排放或绿化回用。

　　 针对居住相对集中的村庄采用村级污水处理系统。村级污水处理可采用地埋式多级生物接触氧化技术。该技术是在传统生物接触氧化法的基础上, 将反应单元设计成多级形式, 各级形成不同功能的优势微生物菌群, 通过其协同作用, 大大提高了污水处理效率。其工艺路线如图3所示。

　　 村级生活污水由排水系统收集后, 进入污水处理站的格栅井, 去除较大的悬浮物及颗粒杂质后进入调节池, 进行水量水质调节, 再提升至多级生化处理单元内, 通过生物填料上面的厌氧、缺氧、好氧微生物等的生化反应, 去除有机污染物及氮磷。再自流进入沉淀池进行固液分离。当出水要求达到一级A标准或是更高标准时, 可增加生化处理单元, 同时, 在澄清沉淀池后设置石英砂过滤器, 处理后的清水经紫外消毒后达标排放。

　　 针对相对集中的乡镇采用镇级污水处理系统。镇级污水处理采用以生物转盘为核心的高效生物转盘技术。高效生物转盘技术是在传统生物转盘的基础上, 通过改进生物盘片的结构及性能, 使盘片比表面积及挂膜效率大大增加, 从而大幅提高了污水处理效率。其工艺路线如图4所示。

　　 镇级生活污水首先进入预处理系统, 拦截大的杂物、沉淀悬浮物和调节水量。再进入高效生物转盘单元, 生物转盘以一定的线速度不停地转动, 生物膜交替的与污水和空气接触, 变成一个连续的吸氧、吸附、氧化分解过程, 从而使污水得到净化。与此同时转盘上的生物膜也同样经历挂膜、生长、增厚和老化脱落的过程, 脱落的生物膜可进入泥水分离系统。泥水分离后上清液经紫外消毒后达标排放。污泥采用移动式污泥处理装备, 可同时解决多个厂 (站) 的污泥处理问题。

　　 吉林省和龙市惠章屯8个户级生活污水处理项目, 见图5。

　　 惠章屯是吉林省延边朝鲜族自治州和龙市南坪镇的一个村民小组, 人口60人。该村住户较分散, 考虑到集中式处理难度较大, 故采用分散式联户处理模式, 每2~4户联合建一个户级污水处理站, 处理规模为1m³/d, 共建了8个污水处理站, 总处理规模为8m³/d, 实现了惠章屯生活污水的全覆盖。该项目采用EPC模式。项目采用SMART-SDT地埋式一体化装置, 出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 一级B排放标准, 处理后的污水就近排入村边排水沟。目前该项目正处于建设期收尾期, 即将正式投入运行。

　　 村民生活污水先进入两格式化粪池, 化粪池第一格设有格栅拦截大的固体悬浮物, 同时居民厨房排出的含油污水在第一格进行隔油;上清液进入第二格, 通过管道收集进入下一户化粪池;2~4户为一个处理单元, 通过化粪池、管路串联起来, 最终将污水引入户级污水处理设备。污水依次流经第1、2处理单元, 在污水处理单元内通过生物填料上面附着的厌氧、缺氧、好氧微生物等多种微生物的生化反应, 在去除有机污染物的同时实现同步硝化和反硝化作用, 达到脱氮除磷目的, 通过两级生化处理后的水进入澄清沉淀池进行固液分离, 上清液达标排放至出水井, 再通过提升泵提升至村边排水沟达标排放。

　　 北京市通州区姚辛庄村生活污水处理项目。

　　 北京市通州区姚辛庄村污水处理项目是首都副中心村级治污第一完成项目, 位于北京市通州区马驹桥镇东北侧姚辛庄村, 紧邻七支渠中上游, 服务人口2 435人。该项目总规模为250m³/d, 采用BOT模式, 特许经营年限15年, 采用SMART“新麦田”设计理念, 项目工艺采用SMART-PFBP多级生物接触氧化工艺, 出水水质执行《北京市水污染物综合排放标准》 (DB11307-2013) 表2的B标准。项目现场照片见图7。

　　 项目采用的工艺流程如图8所示。

　　 生活污水通过排水管网收集至集水井, 由一级提升泵提升至格栅井, 去除较大的悬浮物及颗粒杂质后进入调节池, 进行水量水质调节, 再提升至多级生化处理单元内, 通过生物填料上的厌氧、缺氧、好氧微生物等的生化反应, 去除有机污染物及氮磷。再自流进入沉淀池进行固液分离, 上清液再通过石英砂过滤器过滤, 进一步去除悬浮物。处理后的清水经紫外线消毒后达标排放。

　　 (1) 项目实际运行效果。姚辛庄村级污水处理项目自2016年2月中旬开始调试, 3月开始正式运行, 至今已运行1年半。项目运行期间的日平均处理效果见表2所示。从表2中可以看出, 出水COD、NH₃-N、TN、TP等污染指标均可优于DB11307-2013中表2的B排放标准, 实现达标排放。

　　 (2) 项目实际运行成本。该项目自建成并投入使用以来, 一直基本保持正常运行, 运行费用约为1.5元/t, 主要包括人工费、电费、药剂费等费用。该项目利用太阳能光伏技术提供动力, 将处理后的污水优先用于浇灌站区里面的花草木, 达到节约能耗和资源化利用的双重目的, 既美化了站区环境, 又减少了自来水的使用, 还节省了能耗。

　　 湖南省长沙县18个乡镇污水处理设施全覆盖工程。

　　 湖南省长沙县18个乡镇污水处理设施全覆盖工程是湖南省长沙市环境保护三年行动计划的标志工程之一, 也是长沙县社会主义新农村建设的重点工程。该工程包括“16+2”个乡镇污水处理厂, 具体是指长沙县16个乡镇污水处理厂的投资、建设、运营 (BOT) 和管网等配套建设工程的建设、移交 (BT) , 以及原有的2个污水处理厂的托管运营 (OM) , 总设计规模达3.44万m³/d。项目采用BOT模式, 特许经营年限30年, 采用SMART-HRBC高效生物转盘工艺技术, 出水水质执行GB18918-2002一级B标准。图9为项目现场照片。

　　 项目采用的工艺流程如图10所示。

　　 “生物转盘+滤布滤池”是该项目的主体工艺, 污水经管网收集后首先通过格栅等预处理设施, 以拦截较大的颗粒及悬浮物, 为后续处理构筑物的稳定运行创造有利条件, 然后经多功能预处理池进行沉淀、水质水量的调节等预处理, 再提升至高效生物转盘进行生化处理。生物转盘出水再经过滤布滤池进行快速过滤, 去除悬浮物后, 自流至消毒池消毒, 最终达标排放。

　　 (1) 项目实际运行效果。湖南省长沙县18个乡镇污水处理项目自2011年建设, 2012年全面投入运营, 至今已运行近5年。连续近21个月 (近600天) 对某厂的水质指标进行监测, 各污染物进出水日平均浓度见表3所示。从表3中可以看出, 出水COD、NH₃-N、SS等污染指标均可达到GB18918-2002一级B排放标准, 实现达标排放。目前, 该项目一级B的排放标准已不能满足环境容量要求, 下一步, 该项目将进行提标改造, 排放标准提升至GB 18918-2002一级A排放标准。

　　 (2) 项目实际运行成本。该乡镇打捆项目自建成并投入使用以来, 一直基本保持正常运行, 运行费用约为1元/m³, 主要包括人工费、电费、药剂费等费用。该项目的建成及投入使用, 大大改善了所服务区域的水环境质量, 大力提升了居民的生活质量。

　　 (1) 针对我国村镇及村镇污水的特点, 将我国村镇污水处理系统的分为户级、村级和镇级3种集中程度不同的污水处理系统, 其中, 户级污水处理规模为0.1~10m³/d以下。村级污水处理规模为10~500m³/d。镇级污水处理规模一般为500m³/d以上, 但一般不超过10 000m³/d。

　　 (2) 村镇污水处理工艺路线选择应遵循因地制宜的原则。户级污水处理可采用地埋式一体化污水处理装置;村级污水处理可采用地埋式多级生物接触氧化技术;镇级污水处理可采用高效生物转盘技术。

　　 (3) 通过吉林省和龙市户级、北京市姚辛庄村级、湖南省长沙县镇级等多个典型村镇污水处理工程实践, 为我国村镇污水处理系统提供案例参考。