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農村分散生活污水治理模式及技術分析
更新時間:2021-08-16 來源:凈水技術

  據統計,2018年我國鄉村常住人口為5億6401萬人,占總人口數的40.42%。盡管農村人口占全國總人口的比例近年來有所下降,但農村水環境污染的問題卻日漸嚴重。我國目前有260多萬個自然村和近60萬個行政村,每年可產生90多億m3污水,污水處理率僅有22%左右,相當一部分農村污水直接或不達標排放造成農村水環境嚴重惡化。隨著農民生活水平的提高,農村普遍存在污水排放量遞增與污水處理設施建設相對滯后的矛盾。由于農村經濟水平較低,住戶比較分散,因此,農村污水的處理不適合采用相對高度集中與高能耗的處理方式。要想解決農村的水環境污染問題,就必須從農村污水治理技術的研究入手。

  1 農村污水處理模式

  1.1 污水排放規律與污染物特征

  根據對山東南部鄉村的調研,絕大多數自然村生活污水總量小于100 m3/d,污水主要來自于廚衛和洗浴,為間歇性排放,每日排放時段一般集中在三餐前后,其他時段排水量較小或基本不排水。農村污水成分簡單,主要為有機物、N、P、病原菌、懸浮物(SS)等,基本不存在有毒物質。不同家庭的污水在相同時段亦表現出巨大的差異性,污染濃度的高低與各家庭的生活習慣、衛生習慣和污水收集系統是否完備等因素密切相關。山東南部某村相鄰10戶家庭夏季污水的主要污染物濃度如表1所示,采用混合排水系統的家庭化糞池出水污染物濃度較低,采用源分離排水系統的家庭化糞池出水污染物濃度較高。大部分家庭排出的污水和城市生活污水相比,總氮(TN)濃度相對較高,而碳氮比(C/N)相對較低。

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  農村居民相對分散,水質波動較大,污水不便于集中收集,因此,污水處理設施水量規模小,水量變化系數高于城市污水。

  1.2 污水分散處理與集中處理的選擇

  基于農村污水水質和水量特點以及污水收集的難易程度,污水處理模式可分為集中處理與分散處理兩大類,兩者的差異如表2所示。

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  僅從處理工藝考慮,集中處理有利于污水水量和水質的均化,污水處理效率高,易于管理,在城市污水處理中多被采用。但農村住戶分布較為分散,污水集中收集難度較大,污水處理可能更適合采用較為分散的處理方式。在美國,采用分散式污水處理的住宅比例在20%以上。

  根據村落規模的大小、住戶的集中程度,農村分散污水的處理又可以分別采用大規模分散處理方式(以村莊或片區為單位)和小規模分散處理方式(獨立住戶或組團住戶)。鑒于污水集中處理的優勢,應盡量將污水集中,例如,以多戶鄰近家庭作為一個組團,將污水收集到一起處理,這樣既可均化水量和水質,又能降低污水處理設施的總投資和運行維護成本。

  2 農村排水系統

  排水系統可分為混合排水系統和源分離排水系統。混合排水系統是將生活中產生的所有污水混合收集和處理的系統,而源分離排水系統則是將糞便和尿液分別單獨排放并進行處理的系統。一般意義上的生活污水為人類所有生活起居活動產生的污水,包括灰水、黃水和褐水等。灰水是指來自盥洗間、淋浴、廚房的廢水以及洗衣廢水;黃水是指尿液或包括尿液在內的沖洗水;褐水是指糞便或包括糞便在內的沖洗水。黃水和褐水的混合污水,即廁所排放的污水,也被稱為黑水。

  2.1 農村廁所形式與特點

  農村廁所長期以來以旱廁為主要形式,近年來有向水沖廁逐步過渡的趨勢。農村原始的旱廁一般是將糞便和尿液混合排放,不與廚衛排水合流,是一種不完全源分離衛生系統。水沖廁衛生系統則需要用大量清水對糞便和尿液進行沖刷,產生的黑水常常與其他生活污水合流排放,這種排水方式在城市排水系統中被廣泛采用。

  目前,很多農村已將旱廁改為水沖廁,這種改變有助于提升農民生活質量,但同時增加了能源和資源的浪費。尿液與糞便量約占到生活污水總量的1.4%~1.8%,這些排泄物在水沖廁中被大量稀釋,使得污水排放量大幅增加,大大地增加了處理成本。實際調研發現,水沖廁方式在管網建設不配套、污水處理設施跟不上的農村不發達地區,對環境的污染比旱廁更大。

  作為一種不完全源分離的排水系統,農村原始旱廁的排泄物通常被住戶長期儲存熟化后用于農業生產。這種旱廁,尿液和固體排泄物在廁所下方的化糞池混合儲存,其中少量尿液會蒸發掉,大部分尿液可撇起用于肥田,另外少量尿液和糞便一起經自然發酵后用于肥田。由于化糞池往往露天,衛生條件較差,而完全源分離排水系統作為一種新興技術,需要對室內便器進行改造,使干濕排泄物從源頭得以分離,尿液與固體排泄物分別密封儲存,而后分別處置。從整體來看,這種方式更為環保衛生,且對資源回收更為徹底。源分離廁所的總投資會隨著技術進步逐年降低,經濟效益從長遠來看將有大幅度提升,在經濟發達的農村可以酌情采用。

  2.2 源分離排水系統與資源回收

  人糞尿是良好的農家肥,在幾千年的農耕文明中起到了舉足輕重的作用。然而,水沖廁使得糞便中的N、P、K等營養物質流失,從可持續發展的角度來說并不可取。各類生活污水中營養物質的含量如表3所示,其中黃水和褐水中N、P、K的濃度遠遠超過灰水中的含量。Xu等指出,市政污水中10%的尿液貢獻了80%的N和42%的P,但對CODCr的貢獻率僅為8%。Ishii等的研究也證實,通常市政污水中流量占比不到1%的尿液貢獻了80%的N和超過50%的P。如果將所有廁所廢物回用到農業,則有75%~85%的N、P、K可被作為資源而不是環境的潛在污染物。通過技術手段回收這些營養物質,回用于農業生產,將是農村污水處理發展的方向。

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  源分離排水系統不但能夠減少沖洗水的用量,達到節水的目的,還可以減少污水排放量,提高污水處理能力,產出的有機肥可以提高糧食安全。日本、德國、美國、瑞典等國家源分離排水系統很早就有工程應用,我國近年來也在不斷嘗試。德國采用源分離系統的示范工程有呂貝克市(Luebeck)某住宅區和弗賴堡市(Freiburg)某住宅區等。呂貝克市的住宅區源分離生態排水系統利用真空廁所,分別收集黑水和灰水,然后分類處理,降低了污水處理成本,最終可以回收生活污水中60%的N、46%的P和43%的K。比爾與梅琳達·蓋茨基金會(Bill & Melinda Gates Foundation)投資數億元,致力于開發可有效分離并處理尿液與糞便的藍色分流廁所(blue diversion toilet),并于2018年在北京“新世代廁所”博覽會上進行了展示。Larsen等在該基金會的資助下于肯尼亞開展了應用研究,證實將這種基于沖洗水循環回用和肥料回收的衛生系統用于解決城市貧民窟的衛生危機是可行的。北京奧林匹克公園建立了源分離的分質排放、處理和循環利用系統,對收集到的黃水進行貯存、腐熟和肥化處理,最終得到了富有營養、易于分解的有機氮肥。另外,鄂爾多斯市與瑞典合作的生態鎮項目也進行了源分離生態排水系統的積極嘗試。

  Malila等指出,在農村應用源分離排水系統,可以比現有污水處理系統多回收4倍的P和30倍以上的N,將對水體富營養化的影響減少到現有污水處理系統的1/5。李建軍認為,衛生問題仍然是當前農村污水處理的核心問題,源分離衛生廁所既衛生又生態,建議對農村原生態循環習俗予以保留。源分離排水系統在減少污水排放量、降低污水處理投資和運行成本的同時,通過對糞便和尿液的無害化處理,可實現N、P、K等資源的循環利用,符合農村可持續發展的方向。

  3 農村污水處理工藝

  目前,我國農村混排污水處理技術主要有化糞池、生物膜法、活性污泥法、人工濕地、土地滲濾、穩定塘等多種形式,究竟哪種方式更適合農村,需要根據實際情況做出判斷。由于農村人口居住分散,收集在一起的污水量較少,對處理工藝的要求反而更高。從資源化利用的角度考慮,若將處理水回用于農業生產,則對污水處理工藝出水中如有機營養以及N、P、K等指標的要求可適當降低。

  3.1 針對源分離排水系統的分質處理工藝

  對源分離的排水系統排放的污染物進行分質處理,在降低處理費用的同時,還能得到優質肥料,一舉兩得。

  (1)黃水的處置

  尿液是一種環境友好的肥料,實現黃水的分離式收集和處理,能大幅降低生活污水中的N、P負荷。將尿液腐熟后作為農家肥使用,這在農村是較為便捷的處理方式。尿液腐熟,即尿液在儲存過程中發生的一系列物理、化學和生化反應或變化,其中的尿素轉化為易于被植物吸收的NH3-N。尿液腐熟180 d即可有效殺滅其中的病原菌,滿足農用液體肥料的安全標準。

  尿液中的營養元素也可以通過一定的工藝進行回收。將黃水貯存至少6個月后進行濃縮或干化,得到的氮素可用于肥田。Ishii等研究發現,向尿液中大量添加MgO和Na3PO4,促使鳥糞石沉淀,可得到較高的N回收率。此類方法應用于農村黃水處理的經濟性還有待于進一步實踐驗證。

  (2)褐水的處置

  日常生活中每人每天產生的糞便干重約為47.9~48.4 g/(人·d)。源分離的人類固體廢物(糞便)在農村通常單獨或與有機垃圾共同堆肥處理,既能穩定其中的有機物,又能殺死其中的病原菌。堆肥富含有機質,含N量高,營養全面,既有肥效,還可改善土壤結構,促進土壤中有益微生物的生長。

  高溫堆肥是肯尼亞內羅畢非正規社區實施的一種生態方法,能夠更有效地保留糞便中的N和P,其產物中的植物有效氮約為214.5 mg N/kg,比300~600 ℃熱解產物中的植物有效氮高16~858倍。高溫堆肥需要對物料加熱,能耗高,不適合在農村大規模推廣。白帆等模擬自然狀態下生態廁所的好氧堆肥過程,在糞便中加入鋸末,保持溫度在35 ℃左右2周時間,無需加熱,對糞便中有機物的去除率仍可達到63%以上,總固體量減少量在56%以上,試驗結果表明,中溫好氧堆肥能夠礦化穩定糞便中的有機物,實現免水沖廁所糞便的資源回收,在農村具有較好的應用前景。一些農村的實際做法是將糞便、有機垃圾與草木灰等按一定比例混合在一起進行封存,經過一段時間后進行翻堆,繼續封存至堆肥完成。堆肥物料中的初始C/N控制在25∶1~30∶1,夏季腐熟大約需要2個月,冬季腐熟則需要3~4個月,堆肥完成后可直接作為農肥使用。

  (3)黑水的處理

  唐賢春等對采用AAO-MBR工藝處理黑水的實際工程進行了長期監測,結果顯示,經深度處理后的出水滿足農作物或林木的澆灌、景觀用水補水和道路清洗水要求,產生的污泥與餐余垃圾一起進行厭氧消化后,再經脫水處理可作為農肥使用。這種處理方式投資和運行費用都較高,而且需要專人管理。

  農村黑水最簡易的處理方式,是先通過三格化糞池進行儲存、沉淀和厭氧發酵,上清液經稀釋后肥田,再將沉淀污泥與有機垃圾、植物秸稈等混合做堆肥處理。三格化糞池結構簡單,在農村應用較為普遍,旱廁黑水進入化糞池后在常溫下即可進行厭氧發酵。對某山村黑水化糞池水質進行實測,出水NH3-N可高達292 mg/L,具有很高的農用價值。馮長艷等對10戶農家的三格化糞池進行現場試驗,以人工濕地組合工藝處理化糞池后的黑水,其中有8戶出水達到了國家標準《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中規定的二級標準。

  3.2 灰水he 混排綜合污水的處理

  Gross等在以色列的農場對灰水回用進行了長期研究,發現灰水不經過處理而直接灌溉作物,會帶來比較大的環境與健康風險。灰水和綜合污水經過處理后方可用于農業灌溉、園林綠化以及沖洗廁所等。Ghisi等研究了兩戶巴西家庭,對灰水處理后進行回用,分別節省了25.6%和30.4%的生活用水。

  土壤滲濾、人工濕地、穩定塘等占地面積大,但運行費用較低,是較適合農村灰水處理的方式。土壤滲濾和人工濕地進水SS濃度不能太高,要求有一定的預處理。張思等以農村生活污水為研究對象,以粉煤灰為填料配合土壤構建的土壤滲濾系統,對CODCr的去除率達到了85.8%,對TN和TP平均去除率分別為78.4%和98.1%。Hong等開發了一種改進的多土壤分層(MSL)系統,專門用于處理農村地區低C/N的生活污水,CODCr、TN、TP去除率分別達到了98.29%、69.86%、100%。Elfanssi等利用人工濕地處理摩洛哥農村污水,TSS、BOD、CODCr、TN和TP去除率分別達到了95%、93%、91%、67%和62%,而且該系統顯示出非常強的殺菌能力。Comino等的試驗也驗證了濕地植物有助于人工濕地凈化不同有機負荷和水力負荷的灰水。山東棗莊農村多利用村邊坑塘興建穩定塘,對灰水和雨水的混合污水進行處理,塘內種植蘆葦、荷花、菖蒲、睡蓮等植物,既美化了環境,對水環境污染也起到了一定的緩解作用。

  生物轉盤運行費用較低,也比較適合用來處理農村污水。昆山農村采用以生物轉盤為主體的SW一體化污水處理裝置處理生活污水,出水再經人工濕地強化處理,水質達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A排放標準。Amr等的研究顯示,生物轉盤系統對灰水中BOD5處理效率約為93.0%~96.0%,對TSS去除效率約為84.0%~95.0%。

  日本農村對于不能納入集中排水工程的分散污水,普遍采用安裝方便、操作靈活的凈化槽處理技術。日本的凈化槽技術已從最初只處理糞便的單獨處理凈化槽,發展到了處理綜合生活污水的合并處理凈化槽以及出水可再生利用的深度處理凈化槽。相比土地處理法,凈化槽技術處理效果好,但投資和運行成本相對較高。日本政府在通過立法約束農村居民排污行為的同時,采用凈化槽補貼制度推動凈化槽技術在農村的推廣。凈化槽技術實際上是將常規污水處理工藝中的預處理、生化處理、膜分離、消毒和污泥處理等多個單元集成于一體化設備中,利用物理、生物和化學作用等凈化污水。生化部分一般由兩步厭氧單元和一步好氧單元組成,主要通過厭氧微生物與好氧微生物的作用降解污水中的有機污染物以及脫氮除磷。干鋼等采用膜式凈化槽對安吉縣農村生活污水進行深度處理,出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中的一級A排放標準,對SS、BOD5、CODCr的平均去除率分別達到了93.95%、84.46%、83.64%,對NH3-N和TP的去除率分別達到了97.94%和94.13%。目前凈化槽技術在我國多地已得到借鑒與應用,但受管理水平和經濟水平的局限,普遍存在管護不力的現實問題。

  4 結論

  農村居住區布局分散,人口密度低,經濟條件、自然條件、環境容量等差異較大,應因地制宜地選擇污水處理技術解決農村生活污水的問題。

  (1)對未改造為水沖廁的排水系統,宜保留原有旱廁或改造為完全源分離排水系統,由住戶對各自產生的污水進行分類收集,并結合實際情況進行處置和資源化利用,在農業生產中最大程度利用人糞尿中的N、P、K,減少資源和能源浪費。黃水宜采用腐熟的方式進行資源化利用;褐水宜采用中溫堆肥的方式進行資源化利用。

  (2)對水沖廁的排水系統,針對農村居住分散、污水難以集中的特點,建議采用組團式多戶聯用的污水收集系統和污水處理模式。低耗是農村污水處理技術發展的主要方向,污水處理應盡量采用簡單易行、維護方便的工藝。

  (3)黑水宜采用三格化糞池加各種生化處理或多種生化處理的集成技術,灰水和混排綜合污水可采用人工濕地、土地滲濾、凈化槽、生物轉盤等進一步凈化。穩定塘對雨、污混流污水處理效果雖然不夠理想,但可以作為經濟欠發達地區農村污水處理的一種權宜之計。


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