生物生态组合工艺处理农村小型生活污水的理论与实践

针对乡村小型生活污水处理尤其是除磷脱氮的难题，提出"厌氧-跌水充氧生物接触氧化-水生蔬菜型人工湿地"新型生物生态组合工艺。厌氧预处理有效降低有机污染物浓度，减轻跌水充氧接触氧化阶段的负担;跌水充氧接触氧化，有效去除有机物;水生蔬菜型人工湿地主要功能为去除N、P，并进一步改善处理效果，确保出水COD、N、P全面达标。在充分考虑农村、农业特色的前提下，实现了简便、廉价、高效处理农村分散式生活污水的目的。研究成果将为我国新农村生活污水处理提供实用技术，尤其为湖泊流域内的分散式生活污水除磷脱氮提供理技术支持。

1 前言

我国大多数乡镇以及几乎全部的农村生活污水未经处理，直接排放水体，造成地面水体的严重污染及湖泊、水库的富营养化，全国已有90%的水源水质遭受了不同程度的污染，以江苏为例，苏南绝大多数地面水体饮用水水源功能几乎已全部丧失，太湖富营养化日益严重，全湖平均水质已为劣Ⅴ类[1]。随着我国城市化水平、农村城镇化、城乡一体化水平的日益提高，乡镇生活污水排放量还会进一步快速增长，这无疑将给水源保护带来更大压力。要保护好城镇水源，并逐步改善水环境质量，必须加大污水处理力度。要切实推进社会主义新农村建设，必须不断改善农村生态环境质量，因而，乡镇和农村小型生活污水处理尤其显得重要，排入封闭性水域的污水则还必须有除磷脱氮的要求。

在城市排水管网难以达到地区，小城镇和经济相对发达而人口又不十分稠密的农村地区，度假村和别墅区，以及由于下水道敷设困难的地区，就地处理分散型点源生活污水治理是必然选择。另一方面，从我国大多数城镇和农村集中居住区的经济发展水平看，也具备了建设中小型甚至是分散式生活污水处理设施的条件。

2 国内外进展

多年来，我国污水处理事业的重心一直在城市污水的处理上，但随着小城镇和农村经济的飞速发展以及人口的增加与聚居，农村生活污水已成为影响河流、湖泊水体水质的重要因素之一，是面源污染控制的首要任务，于是进入本世纪以来，小型污水处理也被提到议程上来。

国家自然科学基金资助项目(项目编号：50678035)

在欧洲和北美有20~30%的人口利用小型污水处理系统[2,3]，日本从1977年实行农村污水处理计划以来，农村污水处理的普及率已达到相当水平，全国大约有700万套小型生活污水净化装置(称为净化槽)在使用之中，其中1999年之后使用的净化槽重视脱氮功能，但基本没有除磷功能。从1999年开始，日本国立环境研究所已着手这方面的研究，试验中的土地处理净化槽和膜-生物反应器净化槽均获得了很好的除磷效果，但鲜见达到实用水平的除磷脱氮净化槽问世[4]，而且净化槽的制造成本较高。澳大利亚开发了一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”，称之为“FILTER”高效、持续性污水灌溉新技术，它利用污水进行作物灌溉，通过灌溉土地处理后，再利用地下暗管将其汇集和排出。该系统一方面可以满足作物对水分和养分的要求，同时降低污水中的氮、磷含量。“FILTER”系统一般适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区;存在暗管排水系统造价较高，且在地下水位较高的地区应用有困难的缺点。欧美国家中稳定塘特别应用于小型污水处理[5]，美国1983年稳定塘数目就达7000座以上，其中90%建在人口少于5000的小城镇[6]。

然而，对于小型生活污水处理的技术储备，我国并没有作好充分的准备。对于小型生活污水的除磷脱氮即使在国外也处于探索阶段，尤其是除磷问题一直难以解决。

首先，小型污水处理不能照搬城市污水处理厂的工艺流程与管理方式，城市污水处理厂的除磷脱氮已有多种成熟工艺可供选择，但是工艺中有污泥回流、混合液回流，还须定期排放富磷剩余污泥，并采用加药和机械脱水工艺，才能保证除磷效果，所有这些都需要高昂的投资与运行费用并配备专业管理人员的队伍，这在广大的农村的地区是无法实现的。

于是稳定塘、土地处理系统、人工湿地等一批生态工程技术开始进入人们的视野。土地处理系统有慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流等形式，我国在“七五”期间对污水土地处理进行了深入的研究，并编写了污水土地处理手册。清华大学“九五”期间在滇池流域采用人工复合生态床处理农村生活污水，利用微生物的硝化/反硝化作用以及填料对磷的吸附/沉淀作用、水生植物的吸收作用，对营养物氮、磷的去除取得了较好的效果[7]，但是在推广应用上仍有不足。单一生态工程技术的共同缺点在于占地面积大，处理效果不稳定[8]。

早期使用的化粪池以及后来改进的三格式厌氧池、无动力污水处理装置等设施仅仅起到部分削减污水中有机污染的作用，对于氮磷营养盐无去除效果，不能满足严格的达标排放要求。

因此，城市污水处理厂的经验和单一的生态工程技术都无法解决农村小型生活污水处理的难题，迫切需要开发技术有效但工艺流程简单、管理要求低、投资和运行费用省的适合农村小型污水处理的新技术。

3 生物生态组合工艺流程与特点介绍

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小型分散型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，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。因此，本文提出“厌氧—跌水充氧接触氧化—水生蔬菜型人工湿地”组合工艺。

污水经过收集系统后首先进入厌氧池，经过厌氧发酵，将复杂有机物部分转变成VFA和沼气，;经过厌氧处理后，污水的COD浓度得到有效降低，经水泵提升进入多级跌水充氧接触氧化池，接触氧化池共分4～5格串联，内装填料，采用跌水方式充氧，借助生长的填料上的微生物降解有机污染物;出水进入水生蔬菜型人工湿地，湿地中用水培法种植经济价值较高的水生蔬菜，利用蔬菜对氮、磷等的摄取能力实现氮磷的去除。

本项生物生态组合技术的关键技术在于：厌氧预处理有效降低有机污染物浓度，减轻跌水充氧接触氧化阶段的负担;跌水充氧接触氧化部分有效去除有机物，但保留氮磷作为后续水生蔬菜生长的营养元素;水生蔬菜型人工湿地属于污染净化型农业的耕作方式，主要功能为利用和去除N、P，并进一步改善有机污染物的处理效果，确保出水COD、N、P全面达标。

该工艺具有以下优点：

工艺流程简单：不需要混合液回流与污泥回流;运行费用低：不需要机械曝气，不需要回流泵，所有运行费用仅仅是一台提升泵消耗的电费;

管理简便：不需要通过定期排放剩余污泥来去除磷，厌氧池固然不需要复杂的专业化管理，跌水充氧接触氧化也仅需一台提升泵，日常管理十分简便;

与农村特点相适应：厌氧段产沼气可作为能源利用;采用水生蔬菜型人工湿地达到除磷脱氮的目的，还能产生很好的经济回报，调动农民参与污水处理的积极性，而且不改变土地的利用属性。

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