中國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)現(xiàn)狀分析及評(píng)價(jià)
2019-02-18 點(diǎn)擊 0 作者: 來(lái)源:

單位:1陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院;2同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要:通過(guò)查閱我國(guó)2000-2016年共計(jì)119項(xiàng)≤ 1 000 m3·d-1農(nóng)村生活污水處理實(shí)際工程案例文獻(xiàn),統(tǒng)計(jì)分析我國(guó)農(nóng)村生活污水處理的技術(shù)模式、出水執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、6種主要污染物(化學(xué)需氧量、總氮、總磷、氨氮、SS、BOD5)去除率,結(jié)合層次分析法對(duì)我國(guó)農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,57.26%的農(nóng)村生活污水處理工藝的處理水量小于100 m3·d-1;出水水質(zhì)主要執(zhí)行GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,文獻(xiàn)占比為74.99%;處理技術(shù)總體分為生物、生態(tài)和組合處理技術(shù)3大類(lèi),組合處理技術(shù)使用最多,多種工藝技術(shù)組合是未來(lái)農(nóng)村生活污水處理的主要發(fā)展方向。文獻(xiàn)中對(duì)于水質(zhì)指標(biāo)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(nóng)村生活污水是我國(guó)農(nóng)村污染物的主要來(lái)源之一,而農(nóng)村污染物已成為影響水環(huán)境的重要因素,進(jìn)而影響整個(gè)農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境,同時(shí)也制約著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)方針的出臺(tái),使我們看到了中國(guó)廣大農(nóng)村發(fā)展的新方向和美好前景。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)美好愿景,對(duì)農(nóng)村生活污水治理技術(shù)現(xiàn)狀的科學(xué)認(rèn)識(shí)就顯得尤為重要。因此,對(duì)我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)的農(nóng)村污水治理技術(shù)進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。筆者通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)收集并總結(jié)了2000—2016年119篇有關(guān)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究的文獻(xiàn),分析農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的現(xiàn)狀和態(tài)勢(shì),綜述農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的各種評(píng)價(jià)方法,旨在為各農(nóng)村根據(jù)實(shí)際情況及需求選擇適用的生活污水處理技術(shù)以及科學(xué)合理開(kāi)展農(nóng)村生活污水治理規(guī)劃和工程實(shí)施提供參考,以期推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)。

1 農(nóng)村生活污水處理基本狀況

農(nóng)村生活污水包括生活洗滌污水、廚房和沖廁污水以及養(yǎng)殖畜禽污水等,具有污染面廣、來(lái)源多且分散不易收集,成分復(fù)雜,地區(qū)差異較顯著,懸浮物、有機(jī)物、氮磷濃度較高等特性。農(nóng)村生活污水量一般低于城鎮(zhèn),但由于缺乏完善的下水和處理系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱等原因,農(nóng)村生活污水的處理率遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)。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(huán)境健康。

據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部數(shù)據(jù),截至2015年,全國(guó)(西藏、港澳臺(tái)未列入統(tǒng)計(jì))建制鎮(zhèn)共17 848個(gè),對(duì)生活污水進(jìn)行處理的建制鎮(zhèn)占全國(guó)建制鎮(zhèn)總數(shù)的25.3%。全國(guó)有1.15萬(wàn)個(gè)鄉(xiāng)、264.5萬(wàn)個(gè)村莊,村莊戶籍人口7.65億人,對(duì)生活污水進(jìn)行處理的鄉(xiāng)僅為815個(gè),占全部鄉(xiāng)的7.1%。這2組數(shù)據(jù)充分說(shuō)明,有大量農(nóng)村生活污水未得到處理,加強(qiáng)農(nóng)村生活污水處理顯得尤為緊迫和重要。

2 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)分類(lèi)

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的農(nóng)村污水處理技術(shù)較多,按作用原理可分為物理法、化學(xué)法和生物法3種方法。物理法包括重力、離心和過(guò)濾等;化學(xué)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(shù)單元構(gòu)成分類(lèi),主要分為生物處理技術(shù)、生態(tài)處理技術(shù)和組合處理技術(shù)3種。

生物處理技術(shù)指通過(guò)微生物在好氧或厭氧條件下分解吸收污水中的有機(jī)物、氮和磷。好氧生物處理需要?jiǎng)恿o污水充氧培養(yǎng)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(zhuǎn)盤(pán)等。厭氧生物處理不需要?jiǎng)恿?,主要是利用厭氧微生物的代謝活動(dòng)將有機(jī)物轉(zhuǎn)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(tài)處理技術(shù)是利用土壤-植物-微生物復(fù)合系統(tǒng)共同作用的原理,通過(guò)過(guò)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(tǒng)和氧化塘等。

組合處理技術(shù)指上述2種處理技術(shù)的結(jié)合或某一種技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部不同工藝形式的結(jié)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(yīng)器(MBR)一體化工藝;生態(tài)+生態(tài)處理組合,如人工濕地+穩(wěn)定塘、生態(tài)浮床與人工濕地組合工藝;生物+生態(tài)處理組合,如厭氧消化+人工濕地+氧化塘、太陽(yáng)能A2O+潛流人工濕地。每種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),利用生物處理可以降低污水中污染物濃度;通過(guò)生態(tài)處理可以降低管理難度并控制運(yùn)行成本;借助組合工藝可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)處理效能并探索改良方法。

3 我國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)應(yīng)用狀況分析

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研,收集了2000—2016年處理水量低于1 000 m3·d-1的全國(guó)各地農(nóng)村生活污水處理工程近150項(xiàng),經(jīng)過(guò)篩選只有119項(xiàng)同時(shí)滿足以下2個(gè)要求:一是有明確處理水量;二是有具體的污染物去除率數(shù)據(jù)或有滿足的排放標(biāo)準(zhǔn)。采集農(nóng)村污水處理工藝案例的年份與工藝數(shù)量關(guān)系見(jiàn)圖1。

從圖1可見(jiàn),工藝案例數(shù)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(duì)采集文獻(xiàn)案例的條件限制所致,盡管如此,依然可以看出,2000—2016年農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究文獻(xiàn)總體呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),說(shuō)明對(duì)農(nóng)村生活污水的污染控制已引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注。對(duì)農(nóng)村生活污水分散處理工藝規(guī)模分布的調(diào)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(shuō)明農(nóng)村生活污水排放較分散,水量低。

對(duì)農(nóng)村生活污水119個(gè)工程案例進(jìn)行分類(lèi),可分別歸入生物處理、生態(tài)處理和組合處理這3種技術(shù)模式,占比分別為5.88%、14.29%和79.83%。生態(tài)處理技術(shù)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(shù)中,以生物+生態(tài)處理組合占比最多,為71.28%,生物+生物和生態(tài)+生態(tài)處理組合占比分別為19.15%和9.57%。由此可知,農(nóng)村生活污水處理技術(shù)中組合處理技術(shù)使用頻率最高,其次是生態(tài)處理技術(shù),使用最少的是單一的生物處理技術(shù)。說(shuō)明農(nóng)村生活污水組成成分復(fù)雜化,單一的處理工藝出水難以滿足國(guó)家的排放標(biāo)準(zhǔn)和收納水體的環(huán)保需求,需要多種工藝組合以達(dá)到強(qiáng)化系統(tǒng)凈化能力的目的。

組合處理技術(shù)中生物+生態(tài)處理技術(shù)模式使用最多,這種模式的前段生物處理主要去除有機(jī)物和部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),后續(xù)生態(tài)處理進(jìn)一步脫氮除磷,前段生物處理可以彌補(bǔ)后續(xù)生態(tài)處理易受氣候變化影響、處理效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn),從而更高效地處理污水,提高出水水質(zhì),增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。相比較于其他2種處理技術(shù),生物和生態(tài)組合技術(shù)需綜合考慮農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)地理環(huán)境條件、地域氣候差異以及當(dāng)?shù)貤l件、運(yùn)行管理、污泥產(chǎn)量和實(shí)際工程案例等因素,將污染控制與保護(hù)和改善當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境和生態(tài)環(huán)境相結(jié)合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)村區(qū)域性的水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。

4 農(nóng)村生活污水處理出水執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)分析

在119篇文獻(xiàn)中,有84篇文獻(xiàn)注明出水執(zhí)行的具體標(biāo)準(zhǔn)號(hào),占70%。在注明排放標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)中,依據(jù)最多的標(biāo)準(zhǔn)是GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(一級(jí)A和一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)分別占26.19%和40.47%,未注明級(jí)別占8.33%),其次是GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(一級(jí)和二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別占5.95%和3.57%),此外還有北京市地方標(biāo)準(zhǔn)的DB 11/307—2005《水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(一級(jí)A和一級(jí)B分別占1.19%和4.76%,未注明級(jí)別占3.57%)和GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(5.95%)。

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明目前針對(duì)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的實(shí)踐中,研究者的關(guān)注重點(diǎn)主要在于污染處理技術(shù),該現(xiàn)象與我國(guó)農(nóng)村生活污水治理起步較晚有關(guān)。截至目前,尚未出臺(tái)國(guó)家層面的農(nóng)村生活污水處理排放標(biāo)準(zhǔn),造成各地農(nóng)村在工藝選擇和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中面臨許多實(shí)際問(wèn)題,也使得各項(xiàng)技術(shù)在研發(fā)過(guò)程存在無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)可以參照的問(wèn)題。

5 各處理技術(shù)污染物考核指標(biāo)分析

5.1 水質(zhì)指標(biāo)分析

在查閱的119篇文獻(xiàn)中,有91篇文獻(xiàn)注明具體水質(zhì)指標(biāo)值??己说乃|(zhì)指標(biāo)主要包括COD、氨氮、總氮、總磷、SS和BOD5這6項(xiàng)指標(biāo)。圖3是這6項(xiàng)主要水質(zhì)指標(biāo)在有數(shù)據(jù)實(shí)例文獻(xiàn)中的涵蓋比例情況。

從圖3可以看出,對(duì)COD、氨氮、總氮和總磷這4項(xiàng)指標(biāo)的考核率均超過(guò)60%。其中,考核COD指標(biāo)的農(nóng)村污水處理技術(shù)文獻(xiàn)數(shù)量最多,占92.31%,說(shuō)明農(nóng)村生活污水處理的首要任務(wù)是降解有機(jī)物,以解決水體黑臭問(wèn)題;其次是總磷和氨氮,考核比例分別達(dá)82.42%和75.82%;而對(duì)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(biāo)組合的綜合考核中,同時(shí)考核COD、氨氮、總氮和總磷4個(gè)指標(biāo)的文獻(xiàn)比例要遠(yuǎn)高于其他組合,占比達(dá)34.07%。這說(shuō)明各地農(nóng)村生活污水處理出水指標(biāo)考核中對(duì)氮去除的重視程度加強(qiáng)。但不容忽視的是,其他任意組合指標(biāo)的考核比例也較高,說(shuō)明目前農(nóng)村生活污水排放指標(biāo)不統(tǒng)一,隨意性較大。

5.2 污染物去除率分析

不同地區(qū)農(nóng)村由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、居民生活習(xí)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(nóng)村生活污水處理技術(shù)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的去除效率也不盡相同。在所考察的污水處理技術(shù)中,6類(lèi)主要污染物指標(biāo)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(dá)70%以上;BOD5去除率>70%的工藝所占比例高達(dá)97.22%,普遍較高的COD和BOD5去除率說(shuō)明農(nóng)村生活污水中的有機(jī)物比較容易去除,符合農(nóng)村生活污水可生化性較好的特點(diǎn)。氨氮和SS的去除率也相對(duì)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(duì)較低,去除率>70%的技術(shù)占比僅為50.0%,而去除率≤60%的工藝占比也達(dá)35%,提高總氮去除效率可以作為未來(lái)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)之一。

農(nóng)村生活污水處理是否一定要求做到脫氮除磷,需要根據(jù)處理后的出水用途進(jìn)行具體判斷。若經(jīng)處理后的農(nóng)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(shù)應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)以上4類(lèi)主要污染物的削減排放,以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的;若經(jīng)處理后的生活污水用作農(nóng)田灌溉、漁業(yè)、沖廁等回用用途,則應(yīng)適當(dāng)放寬污水脫氮除磷的處理要求,以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中富含氮、磷的資源化利用。

6 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評(píng)價(jià)

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)有很多種,選擇時(shí)不僅要考慮技術(shù)本身的適用性,還要考慮經(jīng)濟(jì)、管理以及環(huán)境等因素。通過(guò)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)層次分析法是農(nóng)村生活污水處理技術(shù)較為常用的評(píng)價(jià)方法(表1)。

定量分析方法相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。該方法將復(fù)雜問(wèn)題分成若干層次和若干指標(biāo),把這些指標(biāo)按支配關(guān)系分組并鏈接成有序的遞階層次結(jié)構(gòu),構(gòu)建一個(gè)層次結(jié)構(gòu)模型。對(duì)同一支配指標(biāo)下的所有指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較,建立兩兩比較的判斷矩陣,通過(guò)計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量,確定每一層次中指標(biāo)相對(duì)于其上支配指標(biāo)的重要性(即權(quán)重),然后逐層合成指標(biāo)權(quán)重,得到最低層相對(duì)于最高層的綜合指標(biāo)權(quán)重,根據(jù)綜合權(quán)重按最大權(quán)重原則確定最優(yōu)方案。

由表1可知,農(nóng)村生活生物污水處理技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系一般分為技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和管理效能4個(gè)準(zhǔn)則層和若干指標(biāo)層。盡管存在工藝案例的地區(qū)差異以及評(píng)價(jià)體系中指標(biāo)層的指標(biāo)選擇差異,但依然明顯看出,無(wú)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(shù)最多,說(shuō)明人工濕地處理工藝雖然占地面積較大,但是在農(nóng)村生活污水處理中優(yōu)越性最強(qiáng),體現(xiàn)了人工濕地工藝運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),生物+生態(tài)組合技術(shù)也凸顯優(yōu)勢(shì),表明生物+生態(tài)和生態(tài)組合法將是我國(guó)未來(lái)農(nóng)村污水處理的發(fā)展趨勢(shì)和主導(dǎo)力量,這與該研究前段的調(diào)研結(jié)論相符。

7 總結(jié)

通過(guò)對(duì)119項(xiàng)農(nóng)村生活污水處理工程案例文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及運(yùn)用層次分析法對(duì)處理技術(shù)的評(píng)價(jià)可以看出,我國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)目前主要可分為生物、生態(tài)和組合處理技術(shù)3種。生態(tài)處理技術(shù)中人工濕地工藝目前使用較廣。組合技術(shù)中的生物+生態(tài)組合處理技術(shù)因其符合農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)以及農(nóng)村獨(dú)特的地理環(huán)境而得到更多的開(kāi)發(fā)使用,將有更廣闊的發(fā)展前景。未來(lái)總的發(fā)展趨勢(shì)是多種技術(shù)的組合,而多種工藝單元組合的創(chuàng)新技術(shù)是我國(guó)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)發(fā)展的主要方向。

我國(guó)農(nóng)村生活污水處理工藝多種多樣,但都缺少規(guī)模效應(yīng)以及標(biāo)準(zhǔn)建構(gòu),目前我國(guó)農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)缺失,去除效能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不完備,建議今后國(guó)家在開(kāi)發(fā)各種污水處理技術(shù)、提升技術(shù)效能的同時(shí)盡快完善農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn),建立、健全對(duì)農(nóng)村污水處理技術(shù)的評(píng)價(jià)體系,在對(duì)農(nóng)村生活污水處理鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí),應(yīng)集中應(yīng)用和重點(diǎn)發(fā)展少數(shù)幾種技術(shù)成熟的生物處理技術(shù),且要盡快使這些處理工藝及其技術(shù)形式標(biāo)準(zhǔn)化。

作者:農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)  來(lái)源:農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)