污水處理

　　隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化進程的加速，以及以犧牲湖泊水體健康換取短暫的經(jīng)濟效益的人為活動日益頻繁，使得湖泊富營養(yǎng)化、水質(zhì)咸化和水質(zhì)惡化等環(huán)境問題愈加突出。2007年，重點流域40%的斷面水質(zhì)未達到治理要求，70%江河水系受到污染，75%湖泊出現(xiàn)富營養(yǎng)化。其中，突出的問題是一些中小城市和農(nóng)村地區(qū)污染有加重的趨勢。目前，我國共有60多萬個行政村、250多萬個自然村，居住生活著2億多農(nóng)戶、近8億人口，污水排放量巨大，其中大部分污水未經(jīng)處理直接排入周邊水體，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害，已經(jīng)成為新的區(qū)域性水環(huán)境的重要污染源。

　　我國農(nóng)村水污染的現(xiàn)狀與特征

　　點源污染

　　近年來，隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整和升級，許多污染嚴(yán)重的小企業(yè)從城市轉(zhuǎn)移到郊區(qū)和村鎮(zhèn)，加之原有的眾多小造紙廠、電鍍廠、印染廠、化工廠等鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)粗放經(jīng)營，布局分散，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)廢水未經(jīng)處理就近排入河溝、水庫和農(nóng)田，對水體造成了嚴(yán)重的污染，使鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)成為農(nóng)村水體點源污染的*來源；據(jù)有關(guān)部門調(diào)查，51%農(nóng)民家庭將生活垃圾直接倒入溝渠，18%村民直接倒入農(nóng)田，這些生活垃圾又對地表水、地下水產(chǎn)生了二次污染。

　　面源污染

　　一方面，我國是農(nóng)業(yè)大國，全國化肥的施用量從1990年的2590萬t增加到2007年的5108萬t，平均用量已接近400kg/（h˙m2），遠遠超過國際上為防止水體污染而設(shè)置的化肥安全使用上限225kg/（h˙m2）；在近10多年來農(nóng)藥的年使用量基本穩(wěn)定在23萬t左右（有效成分），各種制劑（實物量，包括有效成分和各種輔劑）約162萬t。然而化肥的平均利用率僅為35%左右，農(nóng)藥的利用率低于30%[1]，剩余化肥、農(nóng)藥中的大量營養(yǎng)元素進入土壤，通過各種途徑流失到水體中，N、P等營養(yǎng)成分在水體中的聚集造成水體的富營養(yǎng)化。

　　另一方面，由于農(nóng)民居住較分散且人口數(shù)量較多，其生活污水基本未經(jīng)任何處理直接排放；另外，隨著城市需求量的增大，農(nóng)村的水產(chǎn)養(yǎng)殖與畜禽養(yǎng)殖發(fā)展迅速，其產(chǎn)生的大量糞尿超過土地處理能力而隨意堆放，或經(jīng)沼氣池發(fā)酵后沼液直接排放，這些又成為水體的一大污染源。因此，對農(nóng)村生活污水和養(yǎng)殖廢水進行有效處理，從源頭上控制面源污染是從根本上解決水體水質(zhì)富營養(yǎng)化的重要措施之一。

　　農(nóng)村水污染特征

　　基于我國農(nóng)村分布較廣、農(nóng)戶居住分散的特點，我國農(nóng)村水體污染呈現(xiàn)出污水排放量小、排放分散、N、P等營養(yǎng)成分含量高、污水排放流量和有機負荷波動性大等特點。由于農(nóng)村的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重不足，幾乎沒有系統(tǒng)的收集和輸送生活污水的管道，同時知識文化水平普遍不高，操作管理能力較弱。因此，適宜于農(nóng)村的分散式污水處理技術(shù)應(yīng)該是一種低投資、能耗少、操作管理要求低且具有穩(wěn)定高效的污染物去除效率的污水處理技術(shù)。

　　農(nóng)村分散式污水處理技術(shù)

　　分散式生活污水處理是以技術(shù)先進的小型污水處理設(shè)施實現(xiàn)生活污水的就近處理與利用。近年來，各式各樣的分散式污水處理設(shè)施應(yīng)運而生。我國幅員遼闊，南北方農(nóng)村差異較大，對于不同地理環(huán)境應(yīng)因地制宜地選擇適宜的處理設(shè)施。

　　源頭分離技術(shù)

　　農(nóng)村生活污水的水質(zhì)狀況如下：5日生物需氧量（BOD5）為180～320mg/L，化學(xué)需氧量（COD）為265～510mg/L，固體懸浮物量（SS）90～255mg/L，氨態(tài)氮（NH4+-N）含量為20～60mg/L，總氮含量為25～80mg/L，總磷含量為1.5～5.0mg/L。

　　正常成年人每人每年產(chǎn)生的污水量為25000～100000L，排尿量為400～500L，排便量為50L，其中含N4～5kg，P0.75kg，K1.8kg，這些營養(yǎng)物質(zhì)在尿中的含量分別為87%、50%、54%，即平均每人每年所排尿液中含N3.48～4.35kg，P0.38kg，K0.97kg。

　　由此可見，在生活污水中，尿液所貢獻的N、P值非常大。如果采用源頭分離技術(shù)，如糞尿分集式生態(tài)衛(wèi)生廁所（新型旱廁）、沼氣池衛(wèi)生廁所等，將尿液單獨分離并輸送以用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這將是向營養(yǎng)物質(zhì)回用和高效水體保護邁出的*一步。

　　同樣，現(xiàn)階段我國農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，其產(chǎn)生的畜禽糞尿及沖洗水構(gòu)成了高濃度有機廢水，處理較為困難，不達標(biāo)排放造成周邊水體富營養(yǎng)化。例如，在養(yǎng)豬場的3種清糞工藝中，采用干清糞分離不僅節(jié)約用水，其水質(zhì)負荷也較水沖糞、水泡糞低得多。

　　同時，由于沖洗是在短時間內(nèi)完成的，即與尿液相比，沖洗水量集中且水量大，可考慮采用源頭分離技術(shù)，進一步分離尿液和沖洗水。*終沖洗水中的污染物濃度較低，易于處理。分離后的豬糞比較干燥、肥效高，易于堆肥，尿液中N、P濃度高，有利于P的回收，適宜于在農(nóng)村推廣應(yīng)用。一旦大部分尿液不進入水環(huán)境中，農(nóng)村養(yǎng)殖廢水所帶來的面源污染如氨氮超標(biāo)問題就變得容易解決。

　　蚯蚓生態(tài)濾池

　　蚯蚓生態(tài)濾池是一種利用微生物、蚯蚓和基質(zhì)等組成的人工生態(tài)系統(tǒng)處理生活污水的新技術(shù)。目前，其填料主要采用陶粒、土壤、鋸末、稻殼、谷殼、泥炭、鋼渣、煤渣、石英砂、細砂等。蚯蚓對污水及污泥具有分解、吸收的作用，其來回蠕動，不僅清掃濾床，防止其堵塞，而且增加了濾床層的通氣性，增大了氧的供給量，促進濾層中C、N的轉(zhuǎn)化；另外，蚯蚓可以清除蚊蠅滋生，改善濾池的衛(wèi)生條件，同時在濾池中增殖的蚯蚓又可作為家禽飼料。

　　蚯蚓糞便中的微生物能促使有機N的氨化和NH4+-N的硝化作用，其內(nèi)部的厭氧層和生物膜內(nèi)的厭氧層會發(fā)生反硝化作用而楊健等在曲陽污水廠的中型試驗表明，蚯蚓生態(tài)濾池對城鎮(zhèn)污水的產(chǎn)生N2和N2O氣體，降低出水的TN值。CODCr去除率達83%～88%，BOD5去除率達91%～96%，SS去除率達85%～92%，氨氮去除率達55%～65%。

　　由于蚯蚓生態(tài)濾池具有池容小、節(jié)能、易操作、維護管理方便等特點，適宜于我國南方農(nóng)村生活污水處理，但由于蚯蚓有冬眠和夏眠的習(xí)性，會造成階段性出水不穩(wěn)定，使用時應(yīng)考慮其應(yīng)對措施，在濾池出水加后續(xù)強化處理工藝。

　　人工濕地處理系統(tǒng)

　　與自然濕地相比，人工濕地主要是利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對污水、污泥進行處理的一種綜合生態(tài)系統(tǒng)。它應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生、物質(zhì)循環(huán)再生原理以及結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)原則，在促進廢水中污染物質(zhì)良性循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的生產(chǎn)潛力，防止環(huán)境的再污染，獲得污水處理與資源化的*效益。

　　人工濕地系統(tǒng)可分為表面流濕地（SFW）、潛流濕地（SS-FW）、立式流濕地（VFW）。表面流濕地和立式流濕地因環(huán)境條件差（易孳生蚊蟲），處理效果受氣溫影響較大以及對基建要求較高，現(xiàn)多不再采用。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統(tǒng)。在人工濕地系統(tǒng)中，可利用植物吸收和基質(zhì)的吸附去除污染物。目前常用的挺水植物有：蘆葦、蒲草、荸薺、蓮水芹、水蔥、茭白、香蒲、千屈菜、菖蒲、水麥冬、風(fēng)車草、燈芯草等。李瑋峰等研究表明蘆葦和香蒲植物吸收TN和TP的量在濕地去除量中的比例分別為13.5%、41.2%和17.3%、24.4%。

　　由表1可知，不同濕地植物對N、P的吸附去除率不同，其與進水水質(zhì)、濕地基質(zhì)、溫度等多種因素有關(guān)，對比分析后可以看出，蘆葦、香蒲以及茭白對N、P的去除率均較高。人工濕地基質(zhì)主要采用土壤、沙、石、煤渣、鋼渣等?；|(zhì)一方面為微生物的生長提供穩(wěn)定的依附表面，同時也為水生植物提供了載體和營養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)污水流經(jīng)人工濕地時，基質(zhì)通過沉淀、過濾、吸附和離子交換等一些物理和化學(xué)的途徑來凈化除去污水中的污染物。濕地基質(zhì)氧化還原能力的大小決定了系統(tǒng)去除N的效果。

　　紅壤廣泛分布于我國低山丘陵地區(qū)，價格低廉，易于取用，是一種較好的人工濕地基質(zhì)。黃中子等研究發(fā)現(xiàn)，紅壤是一種優(yōu)良的磷素吸附材料，當(dāng)溫度為30℃時，紅壤對P的飽和吸附量高達1.61mg/g。紅壤中P的含量非常低，但是含有大量的無定型氧化鐵、氧化鋁及高嶺石等成分，有利于P的吸附和固定。因此，當(dāng)溶液中P的濃度較低時，對P的吸附去除效果較好。當(dāng)紅壤除磷吸附飽和時，可作為農(nóng)田肥料使用。

　　在進水污染物濃度較低的條件下，人工濕地對COD的去除率可達80%以上，對BOD5的去除率可達80%～95%，對TN、TP的去除率均可達85%以上。國外利用人工濕地處理生活污水及各種廢水，均取得很好的處理效果。人工濕地具有結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于維護和運行費用低等特點，易于在我國農(nóng)村推廣使用。

　　地下滲濾系統(tǒng)

　　地下滲濾系統(tǒng)是一種人工強化的污水生態(tài)處理系統(tǒng)，污水經(jīng)化糞池預(yù)處理后，去除大的懸浮物后有控制地投配到滲濾裝置中，然后在重力和土壤毛細管力的作用下擴散運動，污水在此遷移過程中通過物理截留、物化吸附、化學(xué)沉淀、微生物降解、動植物作用等被凈化。

　　地下滲濾系統(tǒng)的類型包括滲濾坑式地下滲濾系統(tǒng)、滲濾溝式地下滲濾系統(tǒng)、滲濾管式或滲濾腔式地下滲濾系統(tǒng)、尼米槽式地下滲濾系統(tǒng)及其他改進型地下滲濾系統(tǒng)。地下滲濾系統(tǒng)對有機物及TP均有較好的去除效果，但對TN的去除效果不佳。張建等在地下滲濾系統(tǒng)內(nèi)摻加10%草炭，結(jié)果表明對氨氮和總氮的去除率明顯提高，從未摻加草炭時的83%和69%分別提高到95%和80%。

　　當(dāng)采用紅壤+25%煤渣的地下滲濾系統(tǒng)處理生活污水時，其對COD的去除率達82.7%，對TP的去除率高達98.0%，對NH4+-N的去除率達70.0%，對TN的去除率達77.7%[16]。地下滲濾系統(tǒng)具有投資少、運行費用低、易于維護管理、不影響地面景觀等特點，適合于土質(zhì)滲透性能高、農(nóng)戶分布散、人口少、經(jīng)濟較落后的農(nóng)村污水處理。

　　滴濾池

　　生物滴濾池是生物過濾法中的一種。由于此類型的生物處理裝置中生物膜一般都很厚，而溶解氧（DO）通過擴散作用通常只能進入生物膜表層的100～200μm深度，因此生物膜上就有可能同時存在好氧區(qū)和厭氧區(qū)，使整個系統(tǒng)具有生物脫氮的功能。

　　這種反應(yīng)器具有水力負荷和抗沖擊負荷能力強、結(jié)構(gòu)簡單、安裝快捷、控制容易、運行成本低等優(yōu)點。白永剛等采用滴濾池中式處理農(nóng)村生活污水，在穩(wěn)定運行狀態(tài)下滴濾池對COD、NH4+-N、TN和TP去除的貢獻率分別為74.5%、79.2%、33.8%、47.5%。滴濾池能有效完成對有機物的降解和硝化作用。因其操作管理方便，處理效果高，適合于土質(zhì)滲透性能高、農(nóng)戶分布散、人口少、經(jīng)濟較落后的農(nóng)村污水處理。

　　小型一體化污水處理設(shè)備

　　小型一體化污水處理設(shè)備通過有效地整合各種水處理工藝來實現(xiàn)分散式污水的凈化達標(biāo)。目前，日本有超過20%人口仍在使用小型一體化污水處理設(shè)備———凈化槽，美國則有1/4的人口和1/3新建的社區(qū)在使用這種處理設(shè)備。HEISTADA等研究的一種適用于單戶家庭的緊湊污水處理系統(tǒng)，是由化糞池、好氧生物過濾器及上流式飽和過濾器組成。好氧生物過濾器主要用于去除有機物及實現(xiàn)硝化作用，上流式飽和過濾器進一步處理污水，去除微生物和P。

　　經(jīng)過3年的運行實踐表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定且較高的出水水質(zhì)，對BOD5、N、P、SS的去除率分別為97%、30%、99.4%和70.8%。該系統(tǒng)維護簡單，上流式飽和過濾器可持續(xù)5年吸附去除P，當(dāng)其吸附飽和時可作為農(nóng)田肥料。LIANGHW等對三階段進水的廢水處理系統(tǒng)研究表明，當(dāng)進水的SS、COD、NH4+-N的濃度分別低于10、50和8mg/L時，其去除率分別為90%、80%和90%。

　　小結(jié)

　　鑒于農(nóng)村土地的劃分較為分散，農(nóng)村污水處理應(yīng)改變傳統(tǒng)的集中收集處理觀念，轉(zhuǎn)為采用高效、可靠的分散式污水處理系統(tǒng)，就地處理。以上所述的幾種處理系統(tǒng)，均適用于我國農(nóng)村的生活污水處理，同時應(yīng)注重源頭分離處理技術(shù)的應(yīng)用，即優(yōu)先采用源頭控制污染物，降低污水中污染物的含量；然后因地制宜，可采用厭氧處理與上述方式相結(jié)合，或者采用蚯蚓生態(tài)濾池與人工濕地串聯(lián)處理、蚯蚓生態(tài)濾池與地下滲濾系統(tǒng)串聯(lián)處理、滴濾池與人工濕地串聯(lián)處理或者人工濕地與地下滲濾系統(tǒng)等的組合工藝來處理，從而達到更好的出水水質(zhì)，進一步改善我國農(nóng)村水環(huán)境污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀。

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