李文偉，薛林貴，莫天錄，李國強，楊蕊琪

(蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，甘肅省極端環(huán)境微生物資源與工程重點實驗室, 甘肅　蘭州　730070)

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生物法處理農(nóng)村生活污水工藝研究的進展*

李文偉，薛林貴，莫天錄，李國強，楊蕊琪

(蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，甘肅省極端環(huán)境微生物資源與工程重點實驗室, 甘肅蘭州730070)

當前，農(nóng)村生活污水是農(nóng)村水環(huán)境污染的主要來源，也是造成湖泊富營養(yǎng)化的原因之一。為確保農(nóng)村飲水安全和農(nóng)村居民身體健康，農(nóng)村生活污水的有效處理及生態(tài)環(huán)境的綜合治理已刻不容緩?？v觀國內(nèi)外污水處理的成熟工藝，要使我國污水處理后達到國家一級排放標準，從技術(shù)、經(jīng)濟、效率綜合考慮，采用生物法處理農(nóng)村生活污水是最理想的選擇。生物法處理污水具有效率高、費用低、能耗低、出水質(zhì)好、管理簡單等優(yōu)點。本文主要綜述了目前國內(nèi)外常用的生活污水處理工藝的工作原理、具體特點以及農(nóng)村生活污水處理的進展，展望了未來農(nóng)村生活污水處理工藝的發(fā)展前景。

生物法；農(nóng)村生活污水；處理工藝；進展

1　農(nóng)村生活污水的研究背景

1.1排放現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷加速，農(nóng)民生活水平逐漸提高，農(nóng)村排放的生活污水量也大大增加，目前農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水約8×109噸，而污水處理率還不足10%[1]，給農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護造成巨大壓力，同時，由于部分污染企業(yè)從城市到鄉(xiāng)村的轉(zhuǎn)移，對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境造成了極大的污染。我國絕大多數(shù)農(nóng)村都缺乏可用的污水處理設(shè)備和可行的污水處理工藝，污水基本都是直接排入水體，對水體造成極其嚴重的污染，也影響到水生生物的生長，其隨著食物鏈的延伸進而影響人類的健康。現(xiàn)在農(nóng)村的許多小河流已經(jīng)不可直接飲用，農(nóng)村水體環(huán)境惡化已經(jīng)成為我國環(huán)境亟待解決的社會問題[2]。最近幾年的農(nóng)村調(diào)查監(jiān)測表明有大部分水源的化學(xué)需氧量(COD)、氨氮含量(NH3-N)、總磷(TP)、大腸桿菌、表面活性劑、重金屬離子等指標均存在不同程度的超標[3]。農(nóng)村水體環(huán)境的污染不僅造成農(nóng)田土壤肥力下降，農(nóng)作物減產(chǎn)，還威脅到農(nóng)村飲用水安全和糧食生產(chǎn)安全。因此，為了改善農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境和保障居民身體健康，必須加強進一步加強生活污水的處理和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的保護[4]。

1.2排放特點

農(nóng)村生活污水和城市生活污水不同，有其獨特的特點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)污水總量巨大、水量增加快。我國農(nóng)村人口占總?cè)丝诘?6%，農(nóng)村生活污水的排放量非常巨大。并且，隨著農(nóng)民生活水平的提高，人們的生活方式也在不同程度地城鎮(zhèn)化(如抽水馬桶和洗衣機的使用和普及)，農(nóng)村生活污水的排放量越來越大[5]。

(2)水質(zhì)不穩(wěn)定，水量波動大。不同時段的農(nóng)村污水水質(zhì)差別很大，一般含有病毒、細菌、寄生蟲卵等病原體[6]，但是可生化性好，也含有少量的化學(xué)污染物。農(nóng)村生活污水排放不連續(xù)，水量變化比較明顯。

(3)面廣且排放分散。由于農(nóng)村面廣且一般沒有固定的排污口，生活污水排放分散，且隨機排放，同時缺乏排水收集系統(tǒng)，收集難度很大。

1.3處理技術(shù)

污水處理的方法大體可分為物理法、化學(xué)法和生物法。物理法和化學(xué)法對污水的處理效率相對較低，處理費用高，管理復(fù)雜，甚至?xí)斐蓪Νh(huán)境的二次污染，所以得不到很好的應(yīng)用和推廣。而生物法處理污水則花費低，耗能低，同時處理效率高，出水質(zhì)好，管理簡單，不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，是目前最具潛力的方法。生物法通常是利用各種微生物的新陳代謝及種群間的相互作用而使污水得到凈化的過程。農(nóng)村生活污水富含有機物，化學(xué)污染物相對較低，特別適合于微生物的生長和作用，采用生物法對農(nóng)村生活污水進行處理將越來越受到人們的青睞。

2　生物法處理生活污水的工藝及其特點

2.1好氧法

2.1.1活性污泥法

2.1.1.1傳統(tǒng)的活性污泥法(CAS法)

20世紀初誕生了活性污泥工藝[7]，它的機理是由鼓風機向污水中通入空氣(曝氣)，一定時間后，使生長有大量微生物群的絮花狀泥粒(活性污泥)均勻分散并懸浮于反應(yīng)器(曝氣池)中，并與污水完全接觸，在生物酶和溶解氧的作用下，污水中有機物就被微生物所利用，得以降解。在這個過程中微生物得到了良好的生長、繁殖，又有大量新的微生物補充進來，維持反應(yīng)器中所需的工作主體—活性污泥，同時污水也得到了凈化處理。

采用活性污泥法處理污水的優(yōu)點：BOD去除率大于95%，處理費用較低。缺點：停留時間長，設(shè)備龐大，投資大，廠區(qū)面積大，這便增加了管理難度。

2.1.1.2生物吸附氧化法(AB法)

20個世紀70年代，德國亞琛工業(yè)大學(xué)的B.Bohnke教授[8]提出一種新型的超高負荷活性污泥法—生物吸附氧化法，即AB法。該工藝無需設(shè)初沉池，主要原理就是充分利用微生物種群的特性，利用負荷相差大的A段和B段，設(shè)置單獨的回流系統(tǒng)。根據(jù)微生物生長和繁殖規(guī)律，分別為其適應(yīng)的菌群創(chuàng)造適宜的環(huán)境，使不同的種群得到良好的增殖，以提高處理污水的效能[9]。

AB工藝的優(yōu)點為A段負荷高，抗沖擊負荷能力強，適用于處理水質(zhì)水量變化較大的污水，沉降性能良好，基本不產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，且具有很強的穩(wěn)定性。同時也有一些缺點：A段產(chǎn)泥量大，且含水率高，不易脫水，而且不具有深度脫氮除磷功能，出水水質(zhì)不能滿足排放高標準。

2.1.1.3A2/O法

20世紀70年代，美國的Barnard[10]開發(fā)出一項可以同步脫氮除磷的處理工藝，稱為A2/O工藝。A2/O工藝是在傳統(tǒng)活性污泥工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合生物硝化反硝化及生物除磷，對生活污水進行深度處理。該工藝在厭氧-缺氧-好氧[11]的交替運行條件下，不易發(fā)生污泥膨脹。該工藝的去除率為BOD為90%～95%，SS為90%～95%，TP為90%左右，TN為70%以上。為了更好適應(yīng)不同水質(zhì)的污水處理，現(xiàn)已開發(fā)出各種改良A2/O,如，預(yù)缺氧A2/O，倒置型A2/O，后置反硝化A2/O，UCT工藝等[12-13]。

A2/O工藝的優(yōu)點是出水水質(zhì)較好，沒有污泥膨脹現(xiàn)象，污泥中含磷濃度高，肥效好；運行費用較低，構(gòu)造簡單、總水力停留時間短且易于控制運行[14]。但也存在著有待解決的問題，首先是脫氮效果難以再進一步的提高[15]，不易達到國家污水處理排放一級A標準，其次是系統(tǒng)除磷效果不易提高，污泥增長有一定的限度[16]。

2.1.1.4序批式活性污泥法(SBR法)

SBR又名間歇曝氣[17]，是一種在時間和空間上按序排列，間接進行的無污泥回流系統(tǒng)。其主要部分為反應(yīng)池，污水經(jīng)該反應(yīng)池后逐步完成反應(yīng)、沉淀、排水及排除剩余污泥等過程，極大的簡化了處理過程。

SBR的優(yōu)點是工藝流程簡單，處理設(shè)備少，基建費用低，運轉(zhuǎn)靈活，便于維護和管理；處理效果良好，出水可靠，有良好的脫氮除磷效果。此外，它能有效控制污泥膨脹，對水質(zhì)水量變化的適應(yīng)性強。但同時，它也有著自己的局限性，它的水頭損失比較大，還不能做到連續(xù)出水，對于建筑物容積的要求很高，需要有足夠的接受能力。因此，這種工藝并不適合用于大型污水處理廠。

2.1.1.5氧化溝

1954年荷蘭衛(wèi)生工程研究所的帕斯維爾(A·Pasveer)博士[18]首次成功設(shè)計了氧化溝污水處理工藝，在國內(nèi)外發(fā)展很快。氧化溝也是傳統(tǒng)活性污泥法的變型，其曝氣池是封閉的，是一種首尾相連的循環(huán)流曝氣溝渠，有環(huán)型、DE型、VR型、A型、T型和PI型等。

氧化溝工藝流程簡單，投資和運行費用低，對水質(zhì)、水量變化的適應(yīng)能力很強，抗沖擊負荷能力強，處理效果穩(wěn)定，產(chǎn)污泥率低，且產(chǎn)生的剩余污泥很穩(wěn)定，不需要再進行硝化處理[16]。但氧化溝法還有許多問題需要解決：如硝化和反硝化如何同時優(yōu)化其參數(shù)；曝氣設(shè)備的性能和改進；流態(tài)的深入研究；污泥沉積問題；強化氧化溝生物除磷等[19]。

2.1.1.6Biolak工藝

1972年德國設(shè)計了一種具有同時脫氮除磷功能的多級活性污泥工藝—百樂克(Biolak)。其曝氣池和傳統(tǒng)工藝不同，是一個完全混合型曝氣池。整個池體依次為厭氧區(qū)，曝氣區(qū)，沉淀區(qū)和后曝氣區(qū)。通過對懸鏈式曝氣裝置的控制，形成好氧、兼性厭氧和厭氧的生物環(huán)境，有效降解BOD和COD。此外，百樂克工藝還能在池中形成多重兼性厭氧區(qū)和好氧區(qū)，有效促進脫氮除磷作用。

百樂克工藝特點：①工藝設(shè)計簡潔、高效，剩余污泥量少，污泥沒有臭味。②投資低。③氧氣傳遞效率高，出水非常干凈。④易于控制，維修率低，可靠耐用，且維修簡單。因此，最近幾年百樂克工藝在國內(nèi)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用[20]，其主要應(yīng)用于東南沿海的中小污水處理廠。

2.1.2生物膜法

膜生物反應(yīng)器(membranebioreactor，MBR)主要由池體、鼓風曝氣系統(tǒng)、膜組件、泵、管道、閥門及儀表組成，污水中的有機物通過生物反應(yīng)器內(nèi)微生物的降解起到凈化水質(zhì)的目的，而膜組件的作用是將大分子有機物、細菌，還有活性污泥截留在反應(yīng)器內(nèi)，以確保出水水質(zhì)達到要求，同時為了加速反應(yīng)的進行，還應(yīng)保持反應(yīng)器內(nèi)有較高的污泥濃度。

膜生物反應(yīng)器的優(yōu)點：①對污染物的去除效率高[21](對固體懸浮物(SS)的去除率大于99%；濁度的去除率大于90%，COD的平均去除率大于94%，BOD的平均去除率大于96%，氨氮的去除率平均大于98%)。②具有較大的靈活性和實用性，非常易于實現(xiàn)自動控制，沒有污泥膨脹現(xiàn)象。③污泥負荷非常低，剩余污泥的產(chǎn)生量很少。④出水水質(zhì)好，占地面積少，設(shè)備集中，模塊化，升級改造的潛力大。但自身膜組件費用較高，制約著它的推廣。

2.2厭氧處理系統(tǒng)

厭氧生物濾池內(nèi)部裝有填料，利用填料充當微生物的載體，厭氧微生物附著在這種載體之上。當污水通過載體的時候，厭氧微生物的生長代謝會起到生物降解作用，有機物最終被分解形成沼氣。濾池在使用過程中有了很多改進和變型，但是主要工序依然是進水、沉淀池、厭氧消化池、厭氧生物濾池、拔風管、氧化溝、出水、排水等階段。

濾池的優(yōu)點有節(jié)能，易于建造、出水水質(zhì)好，污泥產(chǎn)生量少和運行方便，適合于小批量生活污水的處理。缺點就是運行不太穩(wěn)定，濾床容易堵塞，而且處理效率比較低。

2.3自然處理系統(tǒng)

2.3.1人工濕地

人工濕地污水處理工藝是20世紀70-80年代發(fā)展起來的一種模擬自然濕地生態(tài)系統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)。人們把石砂、土壤、煤渣等材料充當介質(zhì)，然后按一定的比例配制成基質(zhì)，并選擇性地植入植物[22]，利用微生物、基質(zhì)及植物群落的物理、化學(xué)和生物的相互作用來進行污水的生態(tài)處理，其凈化污水機理過程比較復(fù)雜。

人工濕地具有出水水質(zhì)好，氮、磷去除率高，投資低，運行維護和管理方便，動力消耗少等優(yōu)點，但其占地面積比較大，而且氣候因素的變化也限制了濕地的發(fā)展。

2.3.2穩(wěn)定塘系統(tǒng)

穩(wěn)定塘是經(jīng)人工適當改造的一種具有凈化污水能力的自然池塘[4]。其凈化過程主要依靠自然水體的自凈過程。通常是人為的將土地進行修整，比如設(shè)圍堤，池塘底部鋪一層防滲層。依靠塘內(nèi)存活著的細菌、真菌、原生動物、藻類和水生植物的代謝活動共同協(xié)作來降解水中污染物。

該系統(tǒng)具有投資低、耗能少、操作維護方便等優(yōu)點；缺點為占地面積大，處理效果受季節(jié)、光照、溫度等因素的影響大，處理效果不夠穩(wěn)定，很容易散發(fā)臭氣，滋生蚊蠅[23]。

2.3.3土地處理工藝

2.3.3.1人工快滲污水處理工藝

人工快滲污水處理工藝是在快速滲濾工藝的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的一種新型工藝。該工藝在快滲池內(nèi)人工填充一定的天然介質(zhì)，并摻入一定量的特殊填料，采用干濕交替的運行方式，在保證較高的水力負荷的同時，又能滿足污水處理的目的[22]。

人工快滲工藝操作簡單、運行方便、能耗低、建設(shè)投資費用低。然而目前它主要應(yīng)用于南方氣溫較高的部分地區(qū)，必須加強完善該系統(tǒng)在低溫條件下的運行研究，才能在全國范圍內(nèi)推廣和應(yīng)用。

2.3.3.2土壤地下滲濾工藝

20世紀70年代日本開發(fā)出一種淺層土壤處理工藝，稱為土壤地下滲濾系統(tǒng)。后來以德國和美國為首的一些發(fā)達國家也都在大力推行這種處理工藝。其原理是將污水接入到具有一定滲透和擴散性能的土層中，利用土壤毛細管浸潤擴散作用，使污水向周圍土壤擴散和滲透，污染物通過土壤和植物組成的生態(tài)系統(tǒng)來降解和凈化。

地下滲濾工藝的優(yōu)點首先是它不影響地面景觀、投資低、運行管理簡單；其次它出水水質(zhì)好、污水可回收利用、氮磷去除能力強[22]，同時也存在著結(jié)構(gòu)單一、土壤孔隙易堵塞、脫氮效果差、運行不穩(wěn)定等問題。

2.4一體化污水處理裝置技術(shù)

一體化污水處理裝置迄今已有30多年的研究歷史[23]。一體化污水處理裝置技術(shù)是采用一體化裝置將污水預(yù)處理、二級處理和深度處理這些多個功能不同的單元[24]有機的結(jié)合在一個設(shè)備之中而形成的中小型污水處理組合體，是國內(nèi)外污水處理技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。

一體化污水處理設(shè)備具有處理效果好、構(gòu)筑物少，基建投資小、結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小、污水回用效率較高、管理方便等優(yōu)點，可以有效處理分散式污水，具有廣闊的應(yīng)用前景。

3　農(nóng)村生活污水處理工藝研究的進展

我國農(nóng)村污水處理由于資金匱乏和缺少后期技術(shù)人員。所以只能用一些投資小，管理簡單的處理方法，如A2/O法、序批式活性污泥法、Biolak工藝、厭氧生物濾池、人工濕地、穩(wěn)定塘系統(tǒng)、人工快滲污水處理工藝等。

隨著全國范圍內(nèi)新農(nóng)村建設(shè)進程的全面啟動和城市化水平的提高，農(nóng)村現(xiàn)已成為我國環(huán)境治理的新陣地。國家非常重視農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研究工作。很多研究人員經(jīng)過不斷地嘗試取得了可喜的成果。孫楠等[25]提出凹凸棒土—穩(wěn)定塘模式處理嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活污水，有效解決了嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活污水處理面臨的低效率、高能耗、排水不達標這些問題。陳偉等[26]研發(fā)一套抽屜式膜技術(shù)處理系統(tǒng)，該技術(shù)靈活、出水水質(zhì)好、工藝簡潔、能耗低、二次污染少、運營管理有保證。裘知等[27]針對農(nóng)村生活污水的特點，設(shè)計疊層生態(tài)濾床，并將其應(yīng)用于浙西山區(qū)農(nóng)村生活污水的處理，出水檢測表明：COD、氨氮、總氮、總磷含量均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準。譚學(xué)軍等[28]對復(fù)合厭氧反應(yīng)器進行改進，使之結(jié)合了厭氧活性污泥法和生物膜法兩種技術(shù)的優(yōu)點，不僅處理效果好、能耗少，而且運行費用低、操作管理方便，能滿足農(nóng)村的實際情況和技術(shù)需要。范爭濤等[29]針對我國農(nóng)村生活污水分散、集中收集處理的可行性差的特點，提出車載移動式一體化污水處理裝備的設(shè)想，將裝備模塊化組裝于機動車上，在村里設(shè)污水收集池，定期將裝備運至村口集水池處就地處理回用。裝備利用率高，相對投資大幅降低，對于我國農(nóng)村分散的污水處理具有其適應(yīng)性和可推廣前景。毛宇峰等[30]利用柳樹高效的生物修復(fù)作用，又考慮農(nóng)村污水處理經(jīng)濟高效、簡便易行的原則，設(shè)計了由沉淀/厭氧、柳樹/土壤兩個處理單元構(gòu)成的一種適用于處理農(nóng)村分散型生活污水的生態(tài)凈化系統(tǒng)。陳鳴等[31]充分發(fā)揮人工濕地基建投資低、處理效果好的優(yōu)勢，并利用生態(tài)溫室解決人工濕地系統(tǒng)冬季處理效果差等關(guān)鍵問題，設(shè)計了接觸氧化池與溫室型人工濕地聯(lián)合處理農(nóng)村生活污水。張金衛(wèi)等[32]提出了一種簡易模式，由化糞池沉淀、厭氧消化、簡易過濾器凈化及還田利于組成，有效解決了建造成本高、運行維護難度大、難以在農(nóng)村地區(qū)推廣普及等問題。徐潔晴等[33]根據(jù)農(nóng)村生活污水污染的成因和主要組成成分，設(shè)計了農(nóng)村生活污水凈化景觀潛流池，并指出了適宜于潛流池生長的水生植物。張冰等[34]設(shè)計了省卻復(fù)雜出水裝置的一體化空氣提升序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)，用于處理低C/N農(nóng)村生活污水的中試，考察了不同曝氣強度、曝氣時間以及沉淀時間對反應(yīng)器凈化效果的影響，并考察了反應(yīng)器的抗沖擊負荷。

4　展　望

隨著農(nóng)村生活污水在農(nóng)村環(huán)境污染源的比重增加，我國農(nóng)村生活污水無害化、資源化的處理技術(shù)和管理模式在全國大范圍推廣應(yīng)用，已經(jīng)勢在必行[35]。

在今后的工作中，各級研究部門應(yīng)遵循“高效率、低能耗、低成本”的原則，在已有的基礎(chǔ)上，凝練技術(shù)成果、聚焦工藝類型[36]，根據(jù)各地自然、經(jīng)濟和技術(shù)條件，結(jié)合污水排放的實際情況，采用多元化、符合當?shù)貙嶋H情況的處理模式與措施，尤其注重運行穩(wěn)定、維護管理方便，就當?shù)丶夹g(shù)和管理力量能夠滿足正常運行需要的處理工藝，同時，還應(yīng)兼顧農(nóng)村污水污泥的處置問題，避免產(chǎn)生二次污染。此外，還應(yīng)就農(nóng)村生活污水就地處理及管理辦法等制定相關(guān)文件，使農(nóng)村生活污水處理能有序開展、健康運行，以達到農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的全面改善，促進社會和諧、經(jīng)濟的全面發(fā)展[35]。

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Research Progress on the Technological Study of Domestic Sewage Treatment in Rural Area by Biological Method*

LIWen-wei，XUELin-gui，MOTian-lu，LIGuo-qiang，YANGRui-qi

(School of Chemical and Biological Engineering, Lanzhou Jiaotong University,Key Laboratory of Extreme Environmental Microbial Resources and Engineering in Gansu Province, Gansu Lanzhou 730070, China)

At present, the domestic sewage discharge is the important source of water pollution in rural area, and it is an important factor in lake eutrophication. In order to ensure rural drinking water safety and rural residents in good health, effective treatment of rural domestic sewage and the ecological environment comprehensive treatment are imperative. Throughout the mature technology of the wastewater treatment at home and abroad to reach level of wastewater discharge standard, from point view of the technology, economy, efficiency, comprehensive consideration, rural domestic sewage can be treated by biological method which is the most ideal choice. Biological wastewater treatment has many advantages which are high efficiency, low cost, low energy consumption good water quality, simple management, etc. The current works, characteristics and application of common sewage treatment process at home and abroad were described, and the development prospects of rural sewage treatment process in the next years were discussed.

biological; rural life sewage; treatment process

國家自然科學(xué)基金項目(No：31260135)；教育部長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目(No：IRT0966)。

李文偉(1990-),碩士研究生。

薛林貴(1964-)，男，博士，教授，主要從事微生物生理、微生物工程方面的研究工作。

X703

A

1001-9677(2016)07-0005-04