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中國農村生活污水處理技術現狀分析及評價
來源:農業環境科學 | 作者:謝林花 等 | 發布時間: 2018-11-05 | 2020 次瀏覽 | 分享到:


      摘要:通過查閱我國2000-2016年共計119項≤ 1 000 m3·d-1農村生活污水處理實際工程案例文獻,統計分析我國農村生活污水處理的技術模式、出水執行標準、6種主要污染物(化學需氧量、總氮、總磷、氨氮、SS、BOD5)去除率,結合層次分析法對我國農村生活污水處理現狀及發展態勢進行分析。結果表明,57.26%的農村生活污水處理工藝的處理水量小于100 m3·d-1;出水水質主要執行GB 18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》,文獻占比為74.99%;處理技術總體分為生物、生態和組合處理技術3大類,組合處理技術使用最多,多種工藝技術組合是未來農村生活污水處理的主要發展方向。文獻中對于水質指標的考核重視程度由高到低分別為COD、總磷、氨氮和總氮,污染物去除的難易程度由易到難分別為COD、氨氮、總磷和總氮。


      農村生活污水是我國農村污染物的主要來源之一,而農村污染物已成為影響水環境的重要因素,進而影響整個農村的生態環境,同時也制約著農村經濟發展。社會主義新農村建設方針的出臺,使我們看到了中國廣大農村發展的新方向和美好前景。要實現這個美好愿景,對農村生活污水治理技術現狀的科學認識就顯得尤為重要。因此,對我國進入21世紀以來的農村污水治理技術進行分析及評價具有重要的現實意義。筆者通過中國知網收集并總結了2000—2016年119篇有關農村生活污水處理技術研究的文獻,分析農村生活污水處理技術的現狀和態勢,綜述農村生活污水處理技術的各種評價方法,旨在為各農村根據實際情況及需求選擇適用的生活污水處理技術以及科學合理開展農村生活污水治理規劃和工程實施提供參考,以期推動社會主義新農村建設。


1. 農村生活污水處理基本狀況


    農村生活污水包括生活洗滌污水、廚房和沖廁污水以及養殖畜禽污水等,具有污染面廣、來源多且分散不易收集,成分復雜,地區差異較顯著,懸浮物、有機物、氮磷濃度較高等特性。農村生活污水量一般低于城鎮,但由于缺乏完善的下水和處理系統、經濟基礎薄弱等原因,農村生活污水的處理率遠低于城鎮。污水沿道路邊溝或路面排至附近水體,造成地表水或地下水污染,影響周邊居民的飲用水安全,直接威脅水環境健康。


   據住房和城鄉建設部數據,截至2015年,全國(西藏、港澳臺未列入統計)建制鎮共17 848個,對生活污水進行處理的建制鎮占全國建制鎮總數的25.3%。全國有1.15萬個鄉、264.5萬個村莊,村莊戶籍人口7.65億人,對生活污水進行處理的鄉僅為815個,占全部鄉的7.1%。這2組數據充分說明,有大量農村生活污水未得到處理,加強農村生活污水處理顯得尤為緊迫和重要。


2. 農村生活污水處理技術分類


   目前國內外應用的農村污水處理技術較多,按作用原理可分為物理法、化學法和生物法3種方法。物理法包括重力、離心和過濾等;化學法包括混凝、吸附和電解等;生物法包括活性污泥和生物膜法。按照主體技術單元構成分類,主要分為生物處理技術、生態處理技術和組合處理技術3種。


    生物處理技術指通過微生物在好氧或厭氧條件下分解吸收污水中的有機物、氮和磷。好氧生物處理需要動力給污水充氧培養微生物,常用方法有厭氧-好氧(AO)法、序批式活性污泥(SBR)法和生物轉盤等。厭氧生物處理不需要動力,主要是利用厭氧微生物的代謝活動將有機物轉化為CH4和CO2等,常用方法有厭氧生物濾池和厭氧沼氣池等。


      生態處理技術是利用土壤-植物-微生物復合系統共同作用的原理,通過過濾、吸收和分解作用使污水得到凈化,常用方法有人工濕地、土壤滲濾凈化系統和氧化塘等。


    組合處理技術指上述2種處理技術的結合或某一種技術系統內部不同工藝形式的結合,主要包括3種:生物+生物處理組合,如厭氧濾床-接觸氧化凈化槽、厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝(A2O)-膜生物反應器(MBR)一體化工藝;生態+生態處理組合,如人工濕地+穩定塘、生態浮床與人工濕地組合工藝;生物+生態處理組合,如厭氧消化+人工濕地+氧化塘、太陽能A2O+潛流人工濕地。每種技術都有各自的優勢和特點,利用生物處理可以降低污水中污染物濃度;通過生態處理可以降低管理難度并控制運行成本;借助組合工藝可以進一步提高系統處理效能并探索改良方法。


3. 我國農村生活污水處理技術應用狀況分析


      通過文獻調研,收集了2000—2016年處理水量低于1 000 m3·d-1的全國各地農村生活污水處理工程近150項,經過篩選只有119項同時滿足以下2個要求:一是有明確處理水量;二是有具體的污染物去除率數據或有滿足的排放標準。采集農村污水處理工藝案例的年份與工藝數量關系見圖1。



    從圖1可見,工藝案例數量隨年份呈波浪式變化,這可能是工藝案例采集的不完全性以及對采集文獻案例的條件限制所致,盡管如此,依然可以看出,2000—2016年農村生活污水處理技術研究文獻總體呈逐年增長趨勢,說明對農村生活污水的污染控制已引起學者們的廣泛關注。對農村生活污水分散處理工藝規模分布的調查(圖2)表明,57.26%的工藝處理水量≤100 m3·d-1,其次是>100~500 m3·d-1之間(32.47%),而處理水量大于500 m3·d-1的工藝只占7.69%。說明農村生活污水排放較分散,水量低。



    對農村生活污水119個工程案例進行分類,可分別歸入生物處理、生態處理和組合處理這3種技術模式,占比分別為5.88%、14.29%和79.83%。生態處理技術中,人工濕地、氧化塘和土地滲濾工藝占比分別為72.22%、11.11%和16.67%。組合處理技術中,以生物+生態處理組合占比最多,為71.28%,生物+生物和生態+生態處理組合占比分別為19.15%和9.57%。由此可知,農村生活污水處理技術中組合處理技術使用頻率最高,其次是生態處理技術,使用最少的是單一的生物處理技術。說明農村生活污水組成成分復雜化,單一的處理工藝出水難以滿足國家的排放標準和收納水體的環保需求,需要多種工藝組合以達到強化系統凈化能力的目的。

 
     組合處理技術中生物+生態處理技術模式使用最多,這種模式的前段生物處理主要去除有機物和部分營養物質,后續生態處理進一步脫氮除磷,前段生物處理可以彌補后續生態處理易受氣候變化影響、處理效果不穩定等缺點,從而更高效地處理污水,提高出水水質,增強系統運行的穩定性。相比較于其他2種處理技術,生物和生態組合技術需綜合考慮農村地區的經濟地理環境條件、地域氣候差異以及當地條件、運行管理、污泥產量和實際工程案例等因素,將污染控制與保護和改善當地的水環境和生態環境相結合,進而實現農村區域性的水環境和生態環境的良性循環。


4. 農村生活污水處理出水執行排放標準分析


    在119篇文獻中,有84篇文獻注明出水執行的具體標準號,占70%。在注明排放標準的文獻中,依據最多的標準是GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(一級A和一級B標準分別占26.19%和40.47%,未注明級別占8.33%),其次是GB 8978—1996《污水綜合排放標準》(一級和二級標準分別占5.95%和3.57%),此外還有北京市地方標準的DB 11/307—2005《水污染物排放標準》(一級A和一級B分別占1.19%和4.76%,未注明級別占3.57%)和GB 5084—2005《農田灌溉水質標準》(5.95%)。


    以上數據說明目前針對農村生活污水處理技術的實踐中,研究者的關注重點主要在于污染處理技術,該現象與我國農村生活污水治理起步較晚有關。截至目前,尚未出臺國家層面的農村生活污水處理排放標準,造成各地農村在工藝選擇和建設標準中面臨許多實際問題,也使得各項技術在研發過程存在無明確標準可以參照的問題。


5. 各處理技術污染物考核指標分析


5.1 水質指標分析


在查閱的119篇文獻中,有91篇文獻注明具體水質指標值??己说乃|指標主要包括COD、氨氮、總氮、總磷、SS和BOD5這6項指標。圖3是這6項主要水質指標在有數據實例文獻中的涵蓋比例情況。



     從圖3可以看出,對COD、氨氮、總氮和總磷這4項指標的考核率均超過60%。其中,考核COD指標的農村污水處理技術文獻數量最多,占92.31%,說明農村生活污水處理的首要任務是降解有機物,以解決水體黑臭問題;其次是總磷和氨氮,考核比例分別達82.42%和75.82%;而對總氮的考核比例略低,僅為68.13%;SS和BOD5的考核比例相近,分別為42.86%和40.66%。在指標組合的綜合考核中,同時考核COD、氨氮、總氮和總磷4個指標的文獻比例要遠高于其他組合,占比達34.07%。這說明各地農村生活污水處理出水指標考核中對氮去除的重視程度加強。但不容忽視的是,其他任意組合指標的考核比例也較高,說明目前農村生活污水排放指標不統一,隨意性較大。


5.2 污染物去除率分析


    不同地區農村由于經濟發展水平、居民生活習慣、文化背景以及水文等自然條件的差異,生活污水的排放特征也大相徑庭。不同農村生活污水處理技術對水質指標的去除效率也不盡相同。在所考察的污水處理技術中,6類主要污染物指標的去除效率分布如圖4所示。



     從圖4可以看出,COD去除率為>80%~90%的工藝所占比例最高,為38.55%;總體上74.7%的工藝COD去除率都達70%以上;BOD5去除率>70%的工藝所占比例高達97.22%,普遍較高的COD和BOD5去除率說明農村生活污水中的有機物比較容易去除,符合農村生活污水可生化性較好的特點。氨氮和SS的去除率也相對較高,去除率>70%的工藝所占比例分別為75.35%和87.18%;其次是總磷,去除率>70%的工藝比例為68.91%, 但總氮的去除率相對較低,去除率>70%的技術占比僅為50.0%,而去除率≤60%的工藝占比也達35%,提高總氮去除效率可以作為未來農村生活污水處理技術的研發重點之一。


   農村生活污水處理是否一定要求做到脫氮除磷,需要根據處理后的出水用途進行具體判斷。若經處理后的農村生活污水選擇直接排放至附近受納水體中,污水處理技術應當實現以上4類主要污染物的削減排放,以達到環境保護的目的;若經處理后的生活污水用作農田灌溉、漁業、沖廁等回用用途,則應適當放寬污水脫氮除磷的處理要求,以實現對污水中富含氮、磷的資源化利用。


6. 農村生活污水處理技術評價


     農村生活污水處理技術有很多種,選擇時不僅要考慮技術本身的適用性,還要考慮經濟、管理以及環境等因素。通過調研,發現層次分析法是農村生活污水處理技術較為常用的評價方法(表1)。



    定量分析方法相結合的多目標決策分析方法。該方法將復雜問題分成若干層次和若干指標,把這些指標按支配關系分組并鏈接成有序的遞階層次結構,構建一個層次結構模型。對同一支配指標下的所有指標進行兩兩比較,建立兩兩比較的判斷矩陣,通過計算判斷矩陣的最大特征值和對應的特征向量,確定每一層次中指標相對于其上支配指標的重要性(即權重),然后逐層合成指標權重,得到最低層相對于最高層的綜合指標權重,根據綜合權重按最大權重原則確定最優方案。


    由表1可知,農村生活生物污水處理技術的評價指標體系一般分為技術性能、經濟效益、環境效益和管理效能4個準則層和若干指標層。盡管存在工藝案例的地區差異以及評價體系中指標層的指標選擇差異,但依然明顯看出,無論是和其他工藝配合的組合工藝,還是單一工藝,包含人工濕地的工藝被確定為最佳可行工藝的次數最多,說明人工濕地處理工藝雖然占地面積較大,但是在農村生活污水處理中優越性最強,體現了人工濕地工藝運行可靠的優點。同時,生物+生態組合技術也凸顯優勢,表明生物+生態和生態組合法將是我國未來農村污水處理的發展趨勢和主導力量,這與該研究前段的調研結論相符。


7. 總結


     通過對119項農村生活污水處理工程案例文獻調研、數據統計分析以及運用層次分析法對處理技術的評價可以看出,我國農村生活污水處理技術目前主要可分為生物、生態和組合處理技術3種。生態處理技術中人工濕地工藝目前使用較廣。組合技術中的生物+生態組合處理技術因其符合農村生活污水的特點以及農村獨特的地理環境而得到更多的開發使用,將有更廣闊的發展前景。未來總的發展趨勢是多種技術的組合,而多種工藝單元組合的創新技術是我國農村生活污水處理技術發展的主要方向。
    我國農村生活污水處理工藝多種多樣,但都缺少規模效應以及標準建構,目前我國農村生活污水排放標準缺失,去除效能的評價指標體系不完備,建議今后國家在開發各種污水處理技術、提升技術效能的同時盡快完善農村污水排放標準,建立、健全對農村污水處理技術的評價體系,在對農村生活污水處理鼓勵技術創新的同時,應集中應用和重點發展少數幾種技術成熟的生物處理技術,且要盡快使這些處理工藝及其技術形式標準化。

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