楊程崳 倪千涵 馬 濤 劉 敏

（四川大學建筑與環(huán)境學院 四川成都 610065）

引言

高寒地區(qū)一般指高海拔、高緯度、氣候寒冷的地區(qū)，我國的高寒地區(qū)主要包括西藏自治區(qū)全部和青海省、新疆自治區(qū)、甘肅省、四川省、云南省的部分地區(qū)。這些地區(qū)長冬無夏，氣候寒冷干燥，氣壓偏低，空氣稀薄，但日照豐富，太陽輻射強烈，氣候垂直變化明顯[1]。因而，高寒地區(qū)由于自然環(huán)境惡劣、地區(qū)經(jīng)濟基礎(chǔ)差、技術(shù)力量薄弱等原因，許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)還沒有建成生活污水處理設(shè)施。

據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《2021 年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》，截至2021 年，我國縣城已建成污水處理廠1765 座，污水處理能力3979 萬m3/d，污水處理率96.11%。但對生活污水進行處理的建制鎮(zhèn)為12961 個，僅占全國建制鎮(zhèn)總數(shù)的67.96%。因此，我國縣城和建制鎮(zhèn)雖生活污水處理設(shè)施數(shù)量及處理規(guī)模逐年增加，但包含高寒地區(qū)在內(nèi)的很多地方的生活污水處理設(shè)施及處理技術(shù)依然欠缺。

由于高寒地區(qū)往往也是環(huán)境敏感區(qū)，生態(tài)環(huán)境承載力較弱，如果將未經(jīng)處理的生活污水直接排放，會對水資源和水環(huán)境造成較大威脅。因此，亟需加大高寒地區(qū)生活污水處理力度，研發(fā)和推廣適用于高寒地區(qū)特點的城鄉(xiāng)污水處理技術(shù)。

1 高寒地區(qū)城鄉(xiāng)污水主要排放特點

高寒地區(qū)的城鄉(xiāng)生活污水主要來源于餐廚、洗衣、洗浴等日常活動，但污水成分與其他地區(qū)相比存在一定差異。數(shù)據(jù)顯示，高寒地區(qū)的農(nóng)村衛(wèi)生廁所普及率和無害化衛(wèi)生廁所普及率均低于全國平均水平[2]，生活污水中黑水的比例低于內(nèi)陸地區(qū)。實地調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，高寒地區(qū)除政府部門、酒店和企事業(yè)單位以外，許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)仍較多使用旱廁?？傮w來說，高寒地區(qū)的城鄉(xiāng)生活污水主要存在以下3 個特點。

1.1 污水水溫較低

高寒地區(qū)的生活污水水溫較內(nèi)陸地區(qū)偏低，特別是冬季，水溫基本處于低溫狀態(tài)（3～6℃）。如，海拔3290m 的西藏昌都污水處理廠采用活性污泥法處理生活污水，處理規(guī)模達到6000m3/d，通常出水水質(zhì)可達標排放，但在冬季運行期間污水最低水溫降至3℃左右，低溫對活性污泥的吸附和沉降性能、微生物數(shù)量和活性等造成不利影響，導致氨氮、總氮等部分指標超標[3]。

1.2 污水排放量小

由于地理位置特殊，高寒地區(qū)常年處于低溫、氧氣相對稀薄、日照多、輻射強烈且凍土不化的狀態(tài)[4]，常住人口較少且居住分散，污水間歇排放的特征明顯，晝夜流量差異較大。總體來看，高寒地區(qū)污水的產(chǎn)生量和排放量都較小，某些時候甚至會出現(xiàn)斷流的現(xiàn)象，但在節(jié)假日、農(nóng)忙時節(jié)、旅游旺季等，高寒地區(qū)的流動人口增幅較大，污水產(chǎn)生量和排放量都會明顯增加。田豐等[5]研究顯示，川西北牧區(qū)生活污水排放量為10～20L/（人·d）；旅游景區(qū)和旅游沿線農(nóng)村旅游旺季為60～80 L/（人·d），淡季減少至50 L/(人·d）以下。

1.3 水質(zhì)存在差異且波動較大

一方面，高寒地區(qū)居民飲食習慣和生活方式與其他地區(qū)存在一定區(qū)別，他們的食物主要是牛、羊等肉類以及牛奶、酸奶等乳制品，與平原地區(qū)相比，蔬菜和水果的攝入量較低[6]，這樣的飲食習慣使得高寒地區(qū)的生活污水水質(zhì)與其他地區(qū)存在較大差別。同時，一些高寒地區(qū)的城區(qū)仍采用雨、污合流排水制，且污水管老化嚴重，地下水不斷滲入，造成污染物濃度偏低。另一方面，高寒地區(qū)污水晝夜流量以及夏冬用水量變化明顯，導致污水水質(zhì)波動較大。研究顯示，某高寒地區(qū)的生活污水處理廠進水NH3-N 在20～70mg/L,進水C/N 比范圍在3～10[7]。

2 影響高寒地區(qū)城鄉(xiāng)污水處理的主要因素

2.1 低溫

目前，大多數(shù)生活污水采用生物法處理，其溫度不但是影響微生物活性、種類和種群數(shù)量的關(guān)鍵因素，而且會對污水的處理效率產(chǎn)生較大影響。當水體溫度低于10℃時，微生物的活性明顯下降，生長將受到抑制，代謝外源污染物的能力降低，生物量也可能隨之降低。Beal CD 等[8]研究發(fā)現(xiàn)反硝化細菌的最適溫度范圍為25～35℃，當溫度低于15℃時反硝化速率將快速下降。硝化細菌的最適生長溫度在25～30℃，當溫度在10℃以下時，硝化細菌就會進入休眠狀態(tài)，影響脫氮效果，使得污水處理廠難以達到脫氮要求。當水體溫度低于4℃時，傳統(tǒng)的生活污水處理工藝幾乎失去了其原有的處理效果。

對于很多以活性污泥法為生物處理單元的污水處理廠來說，較低的溫度還會引起污泥膨脹問題。在水溫較低且污泥負荷較高的情況下，微生物活性降低，有機物不能及時代謝，使得胞外聚集大量的多糖物質(zhì)，而高粘性的多糖使得表面附著物大量增加，容易造成污泥粘性膨脹。高春娣等[9]發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)硝化反硝化工藝并將運行溫度降至14±1℃后容易誘發(fā)絲狀菌污泥膨脹，在低溫條件下污泥膨脹的發(fā)生會引起絲狀菌群豐度的升高以及脫氮菌群、除磷菌群豐度的下降，影響污水處理效果。

2.2 低壓低氧

高寒地區(qū)的年平均含氧量僅相當于同緯度其他地區(qū)的60%。受海拔升高的影響，高寒地區(qū)污水處理設(shè)施中的氧轉(zhuǎn)移效率下降，污水中的溶解氧濃度降低，影響好氧微生物的活性，導致污水處理設(shè)施運行效果不佳。雖然可以通過增加污水處理中好氧工藝單元的曝氣量來提升供氧量，但這樣一方面會降低污水的水溫，另一方面還會增加污水處理廠的運行成本。

通常情況下，大多數(shù)好氧菌在低溶解氧情況下難以正常生長。絲狀菌雖然屬于好氧菌，但與其他好氧菌相比，絲狀菌爭奪溶解氧的能力更強，在低氧條件下也可以正常地生長。研究表明，低氧狀態(tài)下污泥中的浮游球衣菌和硫細菌等絲狀菌會大量繁殖，從而引起污泥膨脹[9]。

2.3 低進水濃度

受生活用水習慣的影響，特別是為防止冬季供水管道結(jié)冰，高寒地區(qū)普遍存在“長流水”（自來水或自備水源長流）現(xiàn)象，這些長流水進入污水管網(wǎng)不僅增加了污水處理量，還大大降低了污水濃度[5]。較低的進水濃度使得污水處理設(shè)施生化段的營養(yǎng)物質(zhì)嚴重不足，影響活性污泥、生物膜等微生物的正常生長與繁殖，造成污水處理設(shè)施的脫氮除磷效果下降。此外，反硝化菌與除磷菌都需要利用有機碳源，而較低的進水濃度使得可被微生物利用的有機碳源減少，反硝化菌與除磷菌對碳源的競爭更加激烈，往往導致出水總氮和總磷無法達標。

2.4 高紫外線強度

受紫外線輻照的抑制，高寒地區(qū)污水處理系統(tǒng)中的微生物多樣性平均水平顯著低于非高原污水廠。較低的微生物多樣性導致污水處理設(shè)施中的污染物去除效果不佳，出水難以達標排放。宗永臣[10]探究了不同紫外線照射時間對A2/O 工藝去除污染物效果的影響，結(jié)果表明不同紫外線照射工況下，污染物去除率存在著顯著差異，并且紫外線照射對NH3-N 去除具有抑制作用。高紫外線環(huán)境是抑制微生物群落多樣性和豐度的關(guān)鍵因素，降低紫外線照射，將有利于提升污水處理效能。

3 高寒地區(qū)城鄉(xiāng)污水處理技術(shù)

常用的城鄉(xiāng)生活污水處理技術(shù)包括生物處理技術(shù)和生態(tài)處理技術(shù)2 類。其中，生物處理技術(shù)主要有脫氮除磷活性污泥法（A2/O）、氧化溝法、生物接觸氧化法等；生態(tài)處理技術(shù)主要有土地滲濾、人工濕地等。這些處理技術(shù)在高寒地區(qū)均有應(yīng)用，但技術(shù)特點和適用性存在較大差別。

3.1 脫氮除磷活性污泥法（A2/O）

A2/O 是一種傳統(tǒng)的活性污泥法，具有厭氧、缺氧和好氧3 個反應(yīng)池，可同時去除氮、磷和有機污染物，被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)生活污水處理中，在高寒地區(qū)的污水處理廠中也有較多應(yīng)用。宗永臣[10]統(tǒng)計了西藏地區(qū)10 座污水處理廠的主要信息，其中有7 座污水廠采用了A2/O 工藝。甘肅省雁兒灣污水處理廠[11]，采用A2/O 工藝，污水處理規(guī)模為26 萬m3/d，污水來源包括80%生活污水和20%周邊工業(yè)廢水。在冬季，該污水處理廠的NH3-N 去除率達到了95%，TP 去除率達到了98%，TN 去除率為75%，COD 去除率為85%，出水均達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A 標準。張斌等[12]在四川省某縣污水處理廠（海拔4000m 左右）利用改良型A2/O 工藝處理高寒地區(qū)污水，處理規(guī)模2000 m3/d，COD 去除率為86%，NH3-N 去除率為94%，TN 去除率為75%，出水水質(zhì)指標達到一級A標準。在冬季進水平均水溫為5～8℃時，同樣具有較好的處理效果。

A2/O 對污染物的去除效率較高，適用于大規(guī)模的污水處理以及對出水水質(zhì)要求較高的地區(qū)，但其占地面積較大，對運行維護的水平要求較高。

3.2 氧化溝法

氧化溝法是活性污泥法的一種變型，其主要特點是污水與活性污泥在反應(yīng)池中完全混合，并通過曝氣、推流等設(shè)備在曝氣渠道中進行連續(xù)循環(huán)，從而達到污染物去除目的。相比A2/O 工藝，氧化溝法具有工藝流程簡單、水力停留時間長、剩余污泥量少、管理較為簡便等優(yōu)勢。李雪[13]對西部高原地區(qū)某污水處理廠的氧化溝工藝進行了升級改造，該污水廠所在地區(qū)年平均氣溫3.0 ℃，全年水溫在6～18 ℃之間。通過運行優(yōu)化，出水平均COD、NH3-N、TN濃度分別為21.77mg/L、0.54mg/L、12.96mg/L，能夠穩(wěn)定達標。郭耀杰[14]采用氧化溝裝置處理新疆農(nóng)墾地區(qū)的生活污水，在最優(yōu)運行參數(shù)HRT 為10 h、進水C/N 為9、曝氣量為2L/min 的條件下，氧化溝工藝的COD、NH3-N、TP 去除率分別達到90%、96%、76%。處于高寒高原地區(qū)的甘肅省和平污水處理廠[11]，采用氧化溝工藝，處理規(guī)模為11 萬m3/d，其污水由98%的生活污水和2%的工業(yè)廢水組成。在冬季，該污水處理廠對NH3-N 和TP 的去除效果可維持在較高水準，去除率分別達到92%和95%，TN 去除率為72%。但該污水處理廠COD去除率在冬季下降，只有53%。

氧化溝法結(jié)構(gòu)和設(shè)備簡單、管理方便、投資較省，但其占地面積較大，比較適用于污染物濃度相對較高、處理規(guī)模較大的污水處理。

3.3 生物接觸氧化法

生物接觸氧化法屬于生物膜法中的一種，通常在曝氣池中放置填料以便微生物附著生長，通過生物膜的吸附、分解等作用實現(xiàn)污染物的去除。相比傳統(tǒng)活性污泥法，生物接觸氧化法具有污泥濃度高、耐沖擊負荷強等特點。趙智超等[15]采用生物接觸氧化法處理低溫生活污水，在溫度為7～12℃的條件下，通過調(diào)節(jié)氣水比、水力停留時間等參數(shù)，該工藝對COD、NH3-N、TN 的去除率分別為90.6%、87.8%、75.4%。胡奇等[16]采用生物接觸氧化-溫室結(jié)構(gòu)潛流人工濕地工藝處理高寒地區(qū)生活污水，結(jié)果表明該工藝對冬季生活污水中的污染物有較好的去除效果，出水COD、NH3-N、TP 的平均濃度分別為24.49mg/L、10.79mg/L、2.31mg/L。

生物接觸氧化法生物穩(wěn)定性較好，占地面積小，對水質(zhì)、水量波動有較強的適應(yīng)性，但其對磷的處理效果較差，比較適用于小規(guī)模污水處理，通常與人工濕地、穩(wěn)定塘等工藝組合使用。

3.4 生物強化處理技術(shù)

生物強化處理技術(shù)是通過篩選培育高效微生物并將其加入污水處理設(shè)施，來改善和豐富微生物種群，從而提高對目標污染物的去除效果。篩選培育耐冷性微生物并將其作為強化菌種，是解決高寒地區(qū)冬季污水溫度低、污染物去除效率不高的措施之一。Head MA等[17]向寒冷地區(qū)的污水處理廠生化池中投加短污泥齡的硝化細菌，探究溫度變化對工藝去除效能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在水溫為10℃時，通過持續(xù)向池內(nèi)投加短污泥齡的硝化細菌，可以實現(xiàn)NH3-N 的完全去除，但停止投加后，硝化作用迅速消失。

生物強化處理技術(shù)具有操作簡便、針對性強、效果顯著的特點，但高效微生物的數(shù)量和活性不易控制，通常需要持續(xù)投加高效微生物，增加了運行成本。

3.5 土地滲濾技術(shù)

土地滲濾技術(shù)是將生活污水有計劃地排入土地滲濾床，通過攔截、過濾、吸附、生物轉(zhuǎn)化等一系列物化和生物作用，使污染物得到去除。張金旭等[18]通過土地滲濾系統(tǒng)處理高寒地區(qū)的生活污水，發(fā)現(xiàn)土地滲濾系統(tǒng)對污水中的污染物具有較好的去除效率，出水能夠達到城鎮(zhèn)污水排放一級A 標準，并確定最佳工藝參數(shù)為填料配比1:2，表層土厚度15cm 和水力負荷7cm/d。朱康[6]設(shè)計了一套土地滲濾系統(tǒng)并在青海西寧開展了實驗研究，發(fā)現(xiàn)40d 后系統(tǒng)達到基本成熟，對COD、TP、TN、NH3-N 和SS 的平均去除率達到83.7%、98.5%、82.2%、85.5%和79%以上，出水各指標濃度穩(wěn)定，且溫度對TP 和SS 的去除幾乎不產(chǎn)生影響。

土地滲濾技術(shù)具有低運行費用、低能耗、投資費用省等特點，適用于原位分散式生活污水處理，特別是污水管網(wǎng)不健全的地區(qū)，但其污染負荷低，占地面積較大，不適合集中供水水源防護帶、溶巖等地區(qū)使用。

3.6 人工濕地

人工濕地是在人工構(gòu)筑的水池或溝槽內(nèi)充填一定深度的基質(zhì)，并種植濕生植物，形成基質(zhì)-植物-微生物復合系統(tǒng)，污水中的SS、COD、BOD5等污染物主要通過基質(zhì)和植物的截留吸附以及微生物的代謝降解等作用去除。按照污水流動方式，可分為表面流、水平潛流和垂直潛流人工濕地。當處于高寒、缺氧的氣候條件時，人工濕地的植物、基質(zhì)、微生物和對污染物的處理效率均會受到不同程度影響，導致系統(tǒng)的整體運行效率降低。目前，很多研究致力于改變?nèi)斯竦氐慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計、運行操作以及輔助強化措施，以應(yīng)對高寒地區(qū)處理效果下降的問題。周健等[19]在5～10℃的條件下運行周期間歇式的人工濕地系統(tǒng)，探究其脫氮性能，結(jié)果顯示NH3-N、TN 的去除率分別達到了86%和48%，去除效果提升明顯。崔玉波等[20]采用酸化、兩段間歇流人工濕地處理生活污水，在低于11℃的溫度條件下，COD 的去除基本不受影響，NH3-N 的去除率能達到95%以上。

人工濕地技術(shù)具有投資及運行費用低、管理維護簡便的特點，但其污染負荷較低，植物受溫度影響較大，通過篩選耐寒植物或采取一定的保溫措施，可用于處理高寒地區(qū)的生活污水。

3.7 一體化污水處理技術(shù)

一體化污水處理技術(shù)使用將預(yù)處理、生化池、二沉池等集成于一體的設(shè)備處理生活污水，具有抗沖擊負荷能力強、出水水質(zhì)穩(wěn)定且可埋于地下的優(yōu)點。龔文靜[21]采用MBBR 一體化設(shè)備處理小城鎮(zhèn)污水，該設(shè)備由缺氧池、好氧池、沉淀池、污泥池、清水池等構(gòu)成，對進水水溫6～12℃的污水進行處理，結(jié)果表明該一體化設(shè)備的COD去除率為70%左右，NH3-N 去除率為85%，TN與TP 去除率分別為53%和50%。陳昢圳等[22]利用無動力·蒸發(fā)式一體化污水處理設(shè)備處理內(nèi)蒙古呼和浩特某農(nóng)村地區(qū)的生活污水，該設(shè)備由一、二級消化槽、預(yù)備過濾室和蒸發(fā)裝置組成，在冬季實現(xiàn)穩(wěn)定運行后，出水水質(zhì)可達到一級A標準，其中NH3-N、TP、SS 等去除率均達到了90%以上。

一體化污水處理技術(shù)適用于小規(guī)模生活污水，安裝方便且占地面積較小，埋于地下使用時受溫度影響較小，但其設(shè)備不利于維修，運行成本相對較高。

4 高寒地區(qū)生活污水處理技術(shù)的比較分析

高寒地區(qū)的生活居住條件、人口規(guī)模、自然環(huán)境等與其他地區(qū)差異顯著，對于高寒地區(qū)城鄉(xiāng)生活污水處理，要綜合考慮處理規(guī)模、管理水平、運行成本、水質(zhì)特點等因素，選擇在經(jīng)濟上適中、技術(shù)上可行、地域上適應(yīng)的污水處理技術(shù)。各類處理技術(shù)的優(yōu)缺點和適用性見表1。

表1 高寒地區(qū)城鄉(xiāng)污水處理技術(shù)比較分析

結(jié)語

高寒地區(qū)因特殊的地理環(huán)境、氣候條件以及居民居住習慣等因素，其生活污水存在水溫低、排放量小、水質(zhì)和水量波動較大等特點。低溫、低壓低氧、低進水濃度和高紫外線強度是影響高寒地區(qū)城鄉(xiāng)生活污水處理的主要因素，特別是低溫會對污水生物處理系統(tǒng)的微生物活性造成較大影響，并引起污泥膨脹等問題。

目前，活性污泥法、生物接觸氧化法、土地滲濾技術(shù)、人工濕地等污水處理技術(shù)在高寒地區(qū)均有應(yīng)用，但其適用性和優(yōu)缺點存在較大區(qū)別。在選取高寒地區(qū)城鄉(xiāng)生活污水處理技術(shù)時，要綜合考慮處理規(guī)模、管理水平、水質(zhì)特點、排放去向等因素，并注意采取防凍或保溫措施。