农村生活污水处理工艺技术优缺点对比
引 言：截止2020年底，我国已完成15万个行政村的农村环境综合整治，行政村生活污水治理率达到25.5%，农村污水收集处理率远低于城市，同时地区发展不平衡。
与城市相比，农村污水水质水量波动大，人口居住分散，排水体制和收集处理模式不一，处理工艺技术呈现多样化。出水水质好、低成本、便于维护的适用工艺技术成为农村污水治理领域的研究重点。
因此，本文从农村生活污水的收集处理现状、排水体制、收集处理模式、处理工艺技术等方面进行了论述，并重点对常用处理工艺技术进行了对比探讨，以期为农村生活污水治理工艺技术选择提供指导。
一、收集处理现状
1.收率处理率
根据《中国城乡建设统计年鉴》（2019），我国约有1.87万个建制镇，0.95万个乡，镇乡特殊区域462个，51.5万个行政村，251.3万个自然村，户籍人口数9.67亿。由表1可以看到，农村污水处理率整体较低，远低于96.8%的城市污水处理率。
表1 农村生活污水收集处理现状
2.水质
农村生活污水主要来源于粪尿、盥洗、淋浴、杂用等日常生活中产生的污水，水质指标范围参考表2所示。其中粪尿冲厕等污水中含有的有机污染物和氮磷等营养盐浓度较高，通常称为黑水，其他称为灰水。
黑水灰水可统一收集进行处理，也可分开收集处理，黑水富含的氮磷营养元素可以进行资源化回收利用。
调研得出江苏南部农村生活污水污染物 COD、NH4+-N、TN、TP 日均排放量为58.3、3.6、 6.2 和 0.4 g/(人·d)。
调研陕西南部农村黑水的TN、TP 日均排放量为 101.0和11.0 g/(人·d)。由于生活习惯、用水器具、降雨、南北方差异等，农村生活污水水质波动范围大，我国北方农村地区生活污水中污染物浓度明显高于南方地区。
表2 农村生活污水水质
3.水量
农村污水排水量可根据用水量和排水系数设计计算，我国农村生活污水水量波动大，全国农村人均生活用水量为91.2L/（人•天），用水量参考范围40~180L/（人•天），排水系数主要取决于排水卫生设施的完善程度，取值范围为0.4~0.8。
农村居住较为分散、地形复杂，目前用水器具和排水管网建设不完善，严重滞后，导致收集处理率较低。
研究发现农村污水排放量不规律、瞬时变化大，存在早上洗漱时间、中午午饭时间、晚上洗漱时间三个排水高峰；同时排水量季节性变化明显，夏季排水量远高于冬季，但夏季污水中污染物浓度低于冬季。
二、排水体制
农村排水体制可分为合流制、截流制、分流制等，优缺点和适用范围见表3。只收集灰水的明渠可改造为生态沟渠。
原有合流制、截流制远期要逐步改造为分流制，新建排水系统应采用分流制。
研究认为农户雨污分流不完善、污水收集不完全是农村污水收集处理系统存在的主要问题，应从源头进行雨污分流，对污水进行单独收集处理。
污水排水管网分为重力式和非重力式（负压收集管网），设计可参考《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）。
表3 农村排水体制
三、收集处理模式
收集处理模式主要有分户收集处理、村庄集中收集处理、纳入城镇管网、以及户收集、村运输、定点处理等模式，每种模式的常用处理方法、优点及适用场景见表4。
其中前三种模式较为常见，第四种模式一般采用污水拉运车将每户产生的生活污水收集后运送到定点的污水站进行处理，取代铺设管网收集的方式，通常多个村共建一个污水处理站，形成户收集-村运输-定点处理模式，这种模式已经在天津武清区、临沂兰山区等地得到应用。
范彬[10]以常熟市2012 年以后实施的农村污水治理工程研究得出，分户收集处理、村庄集中收集处理、纳入城镇管网模式的年均成本分别为2334、2871 和2816元/户。
利用人口居住离散距离、区域最大人口密度等参数建立了人口分散度 Dr 计算模型，用于科学指导选择不同农村污水收集处理模式。
收集处理模式的选择应当根据水量、人口密度、居住离散度、地形、投资和运行成本等因素综合考虑。
表4 农村污水收集处理模式
四、处理工艺技术
农村生活污水处理技术方法按照工艺流程可分为预处理、生化处理、深度处理等，按照采用的原理可分为活性污泥法、生物膜法、生态处理法等。本文将介绍预处理、活性污泥法、生物膜法、生态处理法、以及其他新工艺新技术等。
1.预处理
预处理主要是指物理拦截、调节、沉淀、隔油、气浮、化粪池等措施。冲厕废水后接化粪池，主要是拦截粪便、腐熟杀菌，一般采用三格化粪池或者双翁漏斗式化粪池[12]。厨房废水后可接隔油或者气浮池[13]。由于农村生活污水水量波动较大，一般需设置调节池，调节池入口可设置栅网。
2.活性污泥法
活性污泥法是以活性污泥微生物为主体的处理方法，主要包括A2O工艺、氧化沟工艺、SBR工艺、MBR工艺及这些工艺的改进工艺、新工艺新技术等。
A2O工艺及其改进工艺包括倒置A2O，改良A2O，A/O，多级AO，AOA，UCT，分段进水工艺等。
氧化沟工艺主要包括奥贝尔氧化沟、卡罗塞尔氧化沟、以及其他改进型的氧化沟工艺等。氧化沟工艺运维管理方便，但占地面积大。
SBR工艺主要由进水、反应、沉淀、排水、闲置等时序组成，主要包括改良的MSBR工艺，循环式活性污泥法CASS工艺，间歇式循环延时曝气活性污泥法ICEAS工艺，连续进出水时序交替切换的UNITANK工艺等。
SBR工艺运行灵活方便，但对设备自动化程度要求高。MBR工艺可分为内置式和外置式两种，内置式MBR一般采用微滤膜，在好氧池后端可取代二沉池，污泥负荷高，大大减少生化池容积，外置式MBR一般在二沉池之后，可用超滤膜出水效果更好。
肖炘圻等采用A2O工艺处理喀斯特地区1000m³/d的乡镇污水，九个月的连续运行数据表明该工艺对COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别为78. 39%、88. 36%、80. 16%和72. 75%，出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。
谷静丽等采用厌氧-氧化沟工艺处理河南省某农村乡镇3000 m3/d规模的小型污水处理厂， BOD5、COD、SS、NH4+-N、TP和TN去除率分别为93%、87%、93%、97%和64%，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。
文艳采用SBR处理农村污水实现了同步硝化反硝化脱氮，并具有耐冲击负荷强，运行费用低，污染物去除率高等优点。
熊晓丽等采用MBR工艺处理北京郊区农村生活污水，出水达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T18920-2002)标准，经过消毒处理后可以作为杂用水回用。
活性污泥法用于农村污水处理，处理负荷高，通过工艺调整能够同步去除有机物和氮磷，出水效果好，尤其A2O、A/O类工艺已经广泛应用于各种大中型的农村污水处理站或者一体化污水处理设备，但是存在污泥膨胀、定期排泥、运维管理相对复杂、运营成本较高等问题，所以活性污泥法一般用于村庄集中处理模式、水量规模较大、排放标准严格、有专人运营维护的情况。
3.生物膜法
生物膜法是以生物膜上微生物为主体的处理方法[36]，常见的生物膜法主要包括移动床生物膜反应器MBBR工艺、生物接触氧化、曝气生物滤池、生物转盘等。
MBBR工艺通常采用聚丙烯、聚乙烯等制作的塑料环、球等作为微生物依附载体，气水混合后成流化状态，便于运维管理，广泛用于农村污水处理以及城市污水厂提标改造。生物接触氧化大多采用固定床填料，挂膜速度快。
曝气生物滤池通常采用密度较大的陶粒、砂粒、火山岩等填料，除了生物膜的生化作用外，还有过滤作用，出水水质更好。生物转盘不需要曝气措施，通过盘片的转动将污水和空气混合进行净化，节能效果明显。
王云权等采用MBBR工艺处理云南某镇一千人规模的村镇污水，满足COD去除率大于 60%、NH4+-N去除率要大于 50%的项目要求。
黄晓鸣等利用沸石填充的曝气生物滤池处理农村污水，对COD和TN去除率分别为88.39%和72.17%。
张尊举等研发填料型生物转盘处理农村家庭生活污水，实现COD、NH4+-N、TN去除率为75%、85%、65%。
生物膜法用于农村污水处理，运维管理较为方便，广泛用于各种污水处理站、一体化设备和净化槽，有机物和脱氮效果较好，有除磷要求的情况下需增设辅助除磷等措施。
4.生态处理法
生态处理法主要是指人工湿地、生态塘、土地处理等。人工湿地分为潜流和表面流两种类型，主要通过植物、微生物、以及滤料的吸附过滤去除污染物，北方农村污水采用人工湿地需考虑冬季低温问题。
生态塘又称氧化塘、稳定塘，可用于微污染水或尾水处理，能耗低。土地处理主要通过土壤中的微生物以及渗滤作用去除污染物。
吴树彪等采用改良的生物质保温层组合人工湿地处理北方农村生活污水，在低温条件下仍然保证系统正常运行，COD、BOD、NH4+-N、TP和TSS平均去除率分别为93.0%、96.0%、88.4%、87.7%和97.0%。
吉祝美等通过稳定塘浮床技术实现COD、NH4+-N、TN、TP等指标高于55%、70%、80%、75%的去除率。
姜廷亮等采用人工快渗处理农村生活污水，出水优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，年削减COD、TN、TP分别约为98 kg、31 kg、4 kg,运行成本约0.2元/吨水。
生态处理法用于农村污水的优点是能耗低、生态可持续，具有景观效果，缺点是处理负荷较低，占地面积大。生态处理法用于农村污水处理，可作为生化出水后的深度处理，进一步去除污染物。
5.其他技术方法
源分离是指在源头将粪便和尿液分开收集处理以实现氮磷等资源回收的方法，尿液与粪便分离器等已在国内外获得广泛应用，李亚惠等采用农户庭院型生态工艺原位处理源分离后的洗涤废水，出水均符合《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)的相关规定。
近年来污水微生物处理领域出现了很多革新的工艺技术。短程硝化反硝化技术将硝化控制在产亚硝酸盐阶段，节省了曝气能耗和碳源需求。
反硝化除磷“一碳两用”利用反硝化聚磷菌在缺氧段同时进行反硝化脱氮和缺氧吸磷，大大节省了反硝化碳源和好氧吸磷能耗。
厌氧氨氧化自养脱氮技术无需碳源、污泥产率系数低、部分硝化和低DO更加节省能耗[52]。这些新工艺新技术对水质、运行条件、环境参数要求较传统工艺更严格，用于农村污水处理领域有待进一步研发优化。
6.组合工艺技术
在实际应用中，农村污水处理可采用单独的处理工艺技术，但更多情况下通常采用组合工艺技术，用于去除各种不同污染物实现出水水质达标。
常见的有预处理+活性污泥法、预处理+生物膜法、预处理+生态处理法、活性污泥法+生物膜法、活性污泥法+生态处理法、生物膜法+生态处理法等多种不同组合工艺。
王翔宇等采用太阳能微动力A2O+潜流人工湿地组合工艺处理安徽某农村生活污水，出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。
吴召富等采用淹没式生物膜-稳定塘组合技术处理农村生活污水可满足中水回用标准。吕锡武等采用厌氧/跌水充氧接触氧化/水生蔬菜型人工湿地组合工艺处理农村生活污水，在低能耗的条件下实现污染物深度去除。
张增胜等用生物净化槽/强化生态浮床工艺处理农村生活污水，具有占地少，造价低，易于维护管理等优点。
胡明等[57]引入了费用-效益分析法( CBA)、多准则决策法( MCDM)、生命周期评价( LCA)、数据包络分析法( DEA)、模糊评价( Fuzzy)、技术经济评价、可拓评价、集对分析评价等，用于科学的评价和指导农村污水处理工艺技术的选择。
综上所述，农村污水处理常见代表性工艺技术及优缺点如表5所示。我国农村生活污水治理行业从本世纪初开始起步，历经十几年的快速发展，目前已经进入全面发展阶段。
截止2021年，全国共有31个省级行政区划先后制定发布了农村生活污水处理设施水污染物地方排放标准。
现阶段农村污水处理不再设置统一的国家排放标准，地方排放标准根据各地实际情况都因地制宜的进行了科学合理的标准分级。农村污水处理技术的选用要充分满足地方排放标准的要求。
表5 农村污水处理常见代表性工艺技术优缺点
结语
农村污水水质水量波动大，分布较为分散，经济条件较差，污水处理工艺技术的选择要因地制宜。
活性污泥法处理负荷高，能够同步去除有机物和氮磷，出水效果好，但是运维管理相对复杂、运营成本较高，一般用于村庄集中处理模式、水量规模较大、排放标准严格的情况。
生物膜法有机物和脱氮效果较好，运维管理较为方便，广泛用于各种污水处理站、一体化设备和净化槽，有除磷要求的还需增加辅助除磷等措施。生态处理法能耗低、生态可持续，但处理负荷较低，占地面积大。
农村污水处理模式和工艺技术要根据处理规模、排放标准、成本和运维管理等因素综合评估后选择。低成本、便于维护、出水水质优、资源化是未来工艺技术研发的重点方向。
