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中国农村生活污水处理技术现状分析及评价

时间:2018-11-07  点击:202 次 字号+  字号-
      摘要:通过查阅我国2000-2016年共计119项≤ 1 000 m3·d-1农村生活污水处理实际工程案例文献,统计分析我国农村生活污水处理的技术模式、出水执行标准、6种主要污染物(化学需氧量、总氮、总磷、氨氮、SS、BOD5)去除率,结合层次分析法对我国农村生活污水处理现状及发展态势进行分析。结果表明,57.26%的农村生活污水处理工艺的处理水量小于100 m3·d-1;出水水质主要执行GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》,文献占比为74.99%;处理技术总体分为生物、生态和组合处理技术3大类,组合处理技术使用最多,多种工艺技术组合是未来农村生活污水处理的主要发展方向。文献中对于水质指标的考核重视程度由高到低分别为COD、总磷、氨氮和总氮,污染物去除的难易程度由易到难分别为COD、氨氮、总磷和总氮。

      农村生活污水是我国农村污染物的主要来源之一,而农村污染物已成为影响水环境的重要因素,进而影响整个农村的生态环境,同时也制约着农村经济发展。社会主义新农村建设方针的出台,使我们看到了中国广大农村发展的新方向和美好前景。要实现这个美好愿景,对农村生活污水治理技术现状的科学认识就显得尤为重要。因此,对我国进入21世纪以来的农村污水治理技术进行分析及评价具有重要的现实意义。笔者通过中国知网收集并总结了2000—2016年119篇有关农村生活污水处理技术研究的文献,分析农村生活污水处理技术的现状和态势,综述农村生活污水处理技术的各种评价方法,旨在为各农村根据实际情况及需求选择适用的生活污水处理技术以及科学合理开展农村生活污水治理规划和工程实施提供参考,以期推动社会主义新农村建设。

1 农村生活污水处理基本状况

     农村生活污水包括生活洗涤污水、厨房和冲厕污水以及养殖畜禽污水等,具有污染面广、来源多且分散不易收集,成分复杂,地区差异较显著,悬浮物、有机物、氮磷浓度较高等特性。农村生活污水量一般低于城镇,但由于缺乏完善的下水和处理系统、经济基础薄弱等原因,农村生活污水的处理率远低于城镇。污水沿道路边沟或路面排至附近水体,造成地表水或地下水污染,影响周边居民的饮用水安全,直接威胁水环境健康。

      据住房和城乡建设部数据,截至2015年,全国(西藏、港澳台未列入统计)建制镇共17 848个,对生活污水进行处理的建制镇占全国建制镇总数的25.3%。全国有1.15万个乡、264.5万个村庄,村庄户籍人口7.65亿人,对生活污水进行处理的乡仅为815个,占全部乡的7.1%。这2组数据充分说明,有大量农村生活污水未得到处理,加强农村生活污水处理显得尤为紧迫和重要。

2 农村生活污水处理技术分类

      目前国内外应用的农村污水处理技术较多,按作用原理可分为物理法、化学法和生物法3种方法。物理法包括重力、离心和过滤等;化学法包括混凝、吸附和电解等;生物法包括活性污泥和生物膜法。按照主体技术单元构成分类,主要分为生物处理技术、生态处理技术和组合处理技术3种。

      生物处理技术指通过微生物在好氧或厌氧条件下分解吸收污水中的有机物、氮和磷。好氧生物处理需要动力给污水充氧培养微生物,常用方法有厌氧-好氧(AO)法、序批式活性污泥(SBR)法和生物转盘等。厌氧生物处理不需要动力,主要是利用厌氧微生物的代谢活动将有机物转化为CH4和CO2等,常用方法有厌氧生物滤池和厌氧沼气池等。

      生态处理技术是利用土壤-植物-微生物复合系统共同作用的原理,通过过滤、吸收和分解作用使污水得到净化,常用方法有人工湿地、土壤渗滤净化系统和氧化塘等。

      组合处理技术指上述2种处理技术的结合或某一种技术系统内部不同工艺形式的结合,主要包括3种:生物+生物处理组合,如厌氧滤床-接触氧化净化槽、厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺(A2O)-膜生物反应器(MBR)一体化工艺;生态+生态处理组合,如人工湿地+稳定塘、生态浮床与人工湿地组合工艺;生物+生态处理组合,如厌氧消化+人工湿地+氧化塘、太阳能A2O+潜流人工湿地。每种技术都有各自的优势和特点,利用生物处理可以降低污水中污染物浓度;通过生态处理可以降低管理难度并控制运行成本;借助组合工艺可以进一步提高系统处理效能并探索改良方法。

3 我国农村生活污水处理技术应用状况分析

      通过文献调研,收集了2000—2016年处理水量低于1 000 m3·d-1的全国各地农村生活污水处理工程近150项,经过筛选只有119项同时满足以下2个要求:一是有明确处理水量;二是有具体的污染物去除率数据或有满足的排放标准。采集农村污水处理工艺案例的年份与工艺数量关系见图1。


       从图1可见,工艺案例数量随年份呈波浪式变化,这可能是工艺案例采集的不完全性以及对采集文献案例的条件限制所致,尽管如此,依然可以看出,2000—2016年农村生活污水处理技术研究文献总体呈逐年增长趋势,说明对农村生活污水的污染控制已引起学者们的广泛关注。对农村生活污水分散处理工艺规模分布的调查(图2)表明,57.26%的工艺处理水量≤100 m3·d-1,其次是>100~500 m3·d-1之间(32.47%),而处理水量大于500 m3·d-1的工艺只占7.69%。说明农村生活污水排放较分散,水量低。


      对农村生活污水119个工程案例进行分类,可分别归入生物处理、生态处理和组合处理这3种技术模式,占比分别为5.88%、14.29%和79.83%。生态处理技术中,人工湿地、氧化塘和土地渗滤工艺占比分别为72.22%、11.11%和16.67%。组合处理技术中,以生物+生态处理组合占比最多,为71.28%,生物+生物和生态+生态处理组合占比分别为19.15%和9.57%。由此可知,农村生活污水处理技术中组合处理技术使用频率最高,其次是生态处理技术,使用最少的是单一的生物处理技术。说明农村生活污水组成成分复杂化,单一的处理工艺出水难以满足国家的排放标准和收纳水体的环保需求,需要多种工艺组合以达到强化系统净化能力的目的。

      组合处理技术中生物+生态处理技术模式使用最多,这种模式的前段生物处理主要去除有机物和部分营养物质,后续生态处理进一步脱氮除磷,前段生物处理可以弥补后续生态处理易受气候变化影响、处理效果不稳定等缺点,从而更高效地处理污水,提高出水水质,增强系统运行的稳定性。相比较于其他2种处理技术,生物和生态组合技术需综合考虑农村地区的经济地理环境条件、地域气候差异以及当地条件、运行管理、污泥产量和实际工程案例等因素,将污染控制与保护和改善当地的水环境和生态环境相结合,进而实现农村区域性的水环境和生态环境的良性循环。

4 农村生活污水处理出水执行排放标准分析

      在119篇文献中,有84篇文献注明出水执行的具体标准号,占70%。在注明排放标准的文献中,依据最多的标准是GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》(一级A和一级B标准分别占26.19%和40.47%,未注明级别占8.33%),其次是GB 8978—1996《污水综合排放标准》(一级和二级标准分别占5.95%和3.57%),此外还有北京市地方标准的DB 11/307—2005《水污染物排放标准》(一级A和一级B分别占1.19%和4.76%,未注明级别占3.57%)和GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》(5.95%)。

      以上数据说明目前针对农村生活污水处理技术的实践中,研究者的关注重点主要在于污染处理技术,该现象与我国农村生活污水治理起步较晚有关。截至目前,尚未出台国家层面的农村生活污水处理排放标准,造成各地农村在工艺选择和建设标准中面临许多实际问题,也使得各项技术在研发过程存在无明确标准可以参照的问题。

5 各处理技术污染物考核指标分析

      5.1 水质指标分析

      在查阅的119篇文献中,有91篇文献注明具体水质指标值。考核的水质指标主要包括COD、氨氮、总氮、总磷、SS和BOD5这6项指标。图3是这6项主要水质指标在有数据实例文献中的涵盖比例情况。


      从图3可以看出,对COD、氨氮、总氮和总磷这4项指标的考核率均超过60%。其中,考核COD指标的农村污水处理技术文献数量最多,占92.31%,说明农村生活污水处理的首要任务是降解有机物,以解决水体黑臭问题;其次是总磷和氨氮,考核比例分别达82.42%和75.82%;而对总氮的考核比例略低,仅为68.13%;SS和BOD5的考核比例相近,分别为42.86%和40.66%。在指标组合的综合考核中,同时考核COD、氨氮、总氮和总磷4个指标的文献比例要远高于其他组合,占比达34.07%。这说明各地农村生活污水处理出水指标考核中对氮去除的重视程度加强。但不容忽视的是,其他任意组合指标的考核比例也较高,说明目前农村生活污水排放指标不统一,随意性较大。

      5.2 污染物去除率分析

      不同地区农村由于经济发展水平、居民生活习惯、文化背景以及水文等自然条件的差异,生活污水的排放特征也大相径庭。不同农村生活污水处理技术对水质指标的去除效率也不尽相同。在所考察的污水处理技术中,6类主要污染物指标的去除效率分布如图4所示。


      从图4可以看出,COD去除率为>80%~90%的工艺所占比例最高,为38.55%;总体上74.7%的工艺COD去除率都达70%以上;BOD5去除率>70%的工艺所占比例高达97.22%,普遍较高的COD和BOD5去除率说明农村生活污水中的有机物比较容易去除,符合农村生活污水可生化性较好的特点。氨氮和SS的去除率也相对较高,去除率>70%的工艺所占比例分别为75.35%和87.18%;其次是总磷,去除率>70%的工艺比例为68.91%, 但总氮的去除率相对较低,去除率>70%的技术占比仅为50.0%,而去除率≤60%的工艺占比也达35%,提高总氮去除效率可以作为未来农村生活污水处理技术的研发重点之一。

      农村生活污水处理是否一定要求做到脱氮除磷,需要根据处理后的出水用途进行具体判断。若经处理后的农村生活污水选择直接排放至附近受纳水体中,污水处理技术应当实现以上4类主要污染物的削减排放,以达到环境保护的目的;若经处理后的生活污水用作农田灌溉、渔业、冲厕等回用用途,则应适当放宽污水脱氮除磷的处理要求,以实现对污水中富含氮、磷的资源化利用。

6 农村生活污水处理技术评价

      农村生活污水处理技术有很多种,选择时不仅要考虑技术本身的适用性,还要考虑经济、管理以及环境等因素。通过调研,发现层次分析法是农村生活污水处理技术较为常用的评价方法(表1)。


      定量分析方法相结合的多目标决策分析方法。该方法将复杂问题分成若干层次和若干指标,把这些指标按支配关系分组并链接成有序的递阶层次结构,构建一个层次结构模型。对同一支配指标下的所有指标进行两两比较,建立两两比较的判断矩阵,通过计算判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量,确定每一层次中指标相对于其上支配指标的重要性(即权重),然后逐层合成指标权重,得到最低层相对于最高层的综合指标权重,根据综合权重按最大权重原则确定最优方案。
 
      由表1可知,农村生活生物污水处理技术的评价指标体系一般分为技术性能、经济效益、环境效益和管理效能4个准则层和若干指标层。尽管存在工艺案例的地区差异以及评价体系中指标层的指标选择差异,但依然明显看出,无论是和其他工艺配合的组合工艺,还是单一工艺,包含人工湿地的工艺被确定为最佳可行工艺的次数最多,说明人工湿地处理工艺虽然占地面积较大,但是在农村生活污水处理中优越性最强,体现了人工湿地工艺运行可靠的优点。同时,生物+生态组合技术也凸显优势,表明生物+生态和生态组合法将是我国未来农村污水处理的发展趋势和主导力量,这与该研究前段的调研结论相符。

7 总结

      通过对119项农村生活污水处理工程案例文献调研、数据统计分析以及运用层次分析法对处理技术的评价可以看出,我国农村生活污水处理技术目前主要可分为生物、生态和组合处理技术3种。生态处理技术中人工湿地工艺目前使用较广。组合技术中的生物+生态组合处理技术因其符合农村生活污水的特点以及农村独特的地理环境而得到更多的开发使用,将有更广阔的发展前景。未来总的发展趋势是多种技术的组合,而多种工艺单元组合的创新技术是我国农村生活污水处理技术发展的主要方向。

       我国农村生活污水处理工艺多种多样,但都缺少规模效应以及标准建构,目前我国农村生活污水排放标准缺失,去除效能的评价指标体系不完备,建议今后国家在开发各种污水处理技术、提升技术效能的同时尽快完善农村污水排放标准,建立、健全对农村污水处理技术的评价体系,在对农村生活污水处理鼓励技术创新的同时,应集中应用和重点发展少数几种技术成熟的生物处理技术,且要尽快使这些处理工艺及其技术形式标准化。
专题
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主管:中华人民共和国住房和城乡建设部
主办:中国国际贸易促进委员会建设行业分会
国内统一刊号:CN11—4022/TU
国际统一刊号:ISSN1008—570X
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