一、绪论
1、农村生活污水处理现状
近年来，随着农村经济的迅猛发展和农民生活质量的显著提高，农村生活用水量和用水保证率也大幅度上升，从而带来了农村生活污水量的大幅度增加。然而，据建设部2005年10月对9省43县74村庄的入村入户调查报告《村庄人居环境现状与问题》显示，96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统。农村生活污水主要通过以下三种途径排入地表环境：（1）直接洒向地面；（2）就近排入河道；（3）通过下水道排入河道。农村生活污水收集处理不当，已对农村生态环境和人居环境造成严重破坏，对地表水和浅层地下水的污染，也已成为威胁农村饮水安全新的隐患。
据调查，在农村生活污水收集方面，目前我国大部分农村缺乏完善的排水设施，已有的排水管渠是随着农村的发展而逐步建立的，因而缺乏整体性和系统性，排泄能力较差。在农村生活污水处理方面，缺乏污水处理设施，生活污水处理能力低，设施不配套或不完善，污水处理设施的建造与运行远远滞后于新增加的排污量；此外，由于各地的经济状况、环保意识、人群素质等原因，更多的农村生活污水没有经过处理直接地表环境。
因此，系统研究生态技术处理农村生活污水的适宜性，加强农村生活污水无害化处理与资源化利用，突破现有技术瓶颈，通过在全国范围内的试验示范，提出有针对性的适合我国农村特点的处理模式，是广大农村生活污水处理和资源化利用的现实需求，对避免因农村生活污水直接排入而引起农村水体、土壤和农产品的污染，确保农村水源安全和广大农民群众的身体健康具有重要意义。
2、我国农村生活污水处理基本要求
（1）低成本
低成本主要是从处理设施建设方面来考虑，应该考虑使用较为便宜的材料和设备及技术，尽可能就地取材，在满足需要的前提下，以简单实用为原则。污水收集管网建设投资占整个农村生活处理工程投资的比例较大，因此合理选择污水收集方式和处理设施十分重要。合理的收集方式主要有自然地理条件决定，主要通过与优化布局实现；处理设备的成本由设施构建材料和设备及技术构成。因此，价格低廉的构建材料和设备、较低的运行维护费用（如电费、人工费）是低成本农村污水处理设施的基本要求。
（2）少维护
少维护主要是从运行管理方面来考虑，复杂的操作和经常性维护很难适应当前乃至今后相当长时间内的农村实际，无论是人员素质还是维护经费都要求处理设施尽可能减少人工干预。为了加强污水处理的设备管理、工艺管理和水质管理，保证污水处理安全正常运行，达到净化水质、处理和处置污泥、保护环境的目的，对农村污水处理设施进行维护时十分必要的，考虑到农村的特点，处理设施应具有少维护、操作简便、运行费用低的特征，同事污水处理的运行、维护及其安全应符合国家现行有关标准的规定。
（3）生态化
生态化主要是从技术选择方面来考虑，尽管是我国南方的北方农村有许多差异，但相对于城市都具有较为丰富的土地、植物或水体，因此，在处理设施方案确立上，应优先考虑采用土地植物处理的生态化方法，并尽可能就地使用处理后的生活污水，达到污水资源化的目的。事实上，农村污水处理设施的低成本要求间接决定了其处理设施和处理过程的生态化，农村污水处理设施应充分利用生态系统 的自然净化能力，在维护生态平衡的基础上，借助于人工措施，进一步强化自然净化能力，以满足处理农村生活污水的要求。
（4）效果好
效果好主要是从处理设施的水力负荷、温度变化、进出水质等方面考虑，我国农村的生活习惯决定了农村生活污水排放具有间歇性和集中性的特点，而且水质变化范围大。因此处理设施水力负荷抗冲击能力要大，同时应考虑设施在冬天低温条件下的运行问题，确保全年处理设施能够正常运行，排水水质能够达标排放。
①水力负荷要高。随着农村经济发展，农村地区生活水平不断提高，农村生活污水量也日益增大，因此所开发的处理技术必须能够达标排放。
②处理后的水质要好。一方面，生活污水中含有较高的人畜粪尿成分和氮、磷等，故处理时不仅要能够削减有机物，还要能够进行脱氮除磷；另一方面，随着我国经济的迅猛发展，对水资源的需求剧增，因此所开发的处理技术应尽可能满足污水资源化利用的标准。
③抗冲击负荷能力强，村镇人口较少，分布广而且分散，生活污水水质、水量波动性大，排水管网很不健全，因此，污水处理工艺应有较强的抗冲击负荷能力，且就近单独处理。
④不易堵塞，能够终年运行。应考虑设施在冬季低温条件下的运行问题，确保全年处理设施能够正常运行，排水水质能够达标排放；选择的基质虑料不易堵塞，处理措施的使用寿命要尽可能长。
二、设计标准
1、进水设计标准
《镇（乡）村排水工程技术规程》规定，居民生活污水定额和综合生活污水应根据当地采用的相关用水定额，结合建筑物内部给排水设施水平等因素确定，可按当地相关用水定额的75%-90%。设计水量应与当地排水普及率相一致。综合生活污水总量变化系数宜按本规程表1的规定取值。
表 1 综合生活污水总量变化系数
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污水平均日流量（ L/s ） |
5 |
15 |
40 |
70 |
100 |
|
总变化系数 |
2.5 |
2.2 |
1.9 |
1.8 |
1.6 |
注：1.当污水平均日流量为中间数值时，总变化系数用内插法求得。
2.当污水平均日流量大于100L/s时，总变化系数按《室外排水设计规范》（GB 50014）采用。
3.当居住区有实际生活污水量变化资料时，可按实际数据采用。
农村生活污水的设计水质宜以实测值为基础分析确定，在无实测资料时，可按《室外排水设计规范》（GB 50014）采用。
2、出水设计标准
上海市发布的《上海市农村生活污水处理工程出水水质暂行规定》规定，农村生活污水处理系统出水感官清澈透明，无异味；出水水质评价采用四项指标：化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）；分析方法采用《城镇污水处理厂污染排放标准》（GB 18918）规定的水污染物分析方法。评价标准见表2。
表 2 上海市农村生活污水处理工程出水水质评价标准 单位： mg/L
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项目 |
标准值 | ||
|
水源保护区（一级） |
其他地区（二级） | ||
|
化学需氧量（ COD ） |
≤ |
60 |
100 |
|
五日生化需氧量（ BOD 5 ） |
≤ |
20 |
30 |
|
氨氮（ NH 3 -N ） |
≤ |
8 |
25 |
|
总磷（ TP ） |
≤ |
1 |
3 |
三、接触氧化+人工湿地处理技术
1、概述
污水通过管网收集经格栅后进入沉淀调节池进行预处理，沉淀截留部分污染物，池体进行水封处理，形成厌氧环境，在微生物作用下进行厌氧兼氧反应，降解部分有机物，分解部分大分子有机物，增强其可生化性，降低后续处理的负荷。
微曝处理池+斜管沉淀采用间歇式曝气—生物接触氧化法—斜管沉淀相结合的处理技术。针对农村生活污水来源的单一性和污水水量间歇性波动等特点，通过间歇性曝气，进行生物接触氧化，使好氧—兼氧生化过程在一个处理单元中得以完成，这一过程在满足对主要污染物处理的同时，又提高了对氮的转化和去除的效率，并且降低处理运行费用。污水经斜管沉淀池沉淀后，进一步取出水中污泥等颗粒物，降低后续处理负荷。
生态模块（多介质生态床技术）是潜流型人工湿地的改进工艺，它将毛管浸润（滤层分离）、微生物氧化、介质吸附、固定和生物提取有机结合，采用在亚表层布水的方式投配污水，将污水投配到具有一定构造和良好扩散性能的介质层中，模块中绿化根系处于该层中，由于植物根系的左右，在根系周围形成好氧—兼氧—厌氧带，利于污水中氨氮的硝化与反硝化反应的进行，另外，布水管及集水管上的通气孔也可以对模块进行有效复氧，使污水中的污染物在生态系统的物质循环中进行分离、降解、吸附和固定，净化水质，使污水中的能量通过生态系统的能量流动逐级充分利用，以维持生态系统的良性平衡。工艺参数见表3。
表 3 工艺参数
|
沉淀调节 HRT |
微曝 气水比 |
曝气方式 |
生态模块 体积负荷 |
微曝处理池 HRT |
装机功率 |
|
12h |
8-10 |
间隙性曝气 |
0.13-0.33 m 3 /m 3 · d |
4-6h |
1-2Kw |
2、系统组成
（1）工艺流程（见图1）
（2）主要处理单元
①格栅收集池
农村居民的生活污水由污水管网收集，接入污水处理系统。污水首先经过提篮格栅过滤，去除污水中的大块杂物，以防堵塞水泵。提篮格栅截留的大块杂物定期清除，作为垃圾处理。
②厌氧高效生物滤池
厌氧高效生物滤池（如图2）由沉淀区和酸化调节区组成，污水自流进入厌氧高效生物滤池，先在沉淀区进行初沉，去除污水中的部分悬浮物，降低后续生物处理的负荷，然后流入酸化调节区，调节水质均衡水量。沉淀的污泥定期由抽粪车或人工清掏，外运处理。
③兼氧微曝滤池
兼氧微曝滤池（如图3）由微曝区和斜管沉淀区组成，调节区中的污水由提升泵送入微曝区进行曝气预处理，附着生长在填料上的兼氧微生物把水中大分子有机物分解成小分子有机物，流经池子的废水在兼氧微生物的作用下，有机物浓度降低，降解的物质一部分用于微生物的自身繁殖，另一部分用于在后续处理中的好氧反应和植物吸收。过程中不会产生大量的剩余污泥和可燃性气体，从而不会引起二次污染等问题。池中挂有组合式填料，为微生物的生长提供良好的固定生活场所。污水经微曝区反应后进入斜管沉淀区，在重力的作用下，达到泥水分离的效果。斜管沉淀池是所有沉淀池中去除泥沙效率最好的一种，其水力负荷为其他沉淀池的2-3倍，能有效降低沉淀池容占地面积。一般农村污水处理采用的斜管孔径为ф60，片厚0.5mm。安装时倾角为60°，有效长度为1000mm，垂直高度为886mm，斜管填料起到促进悬浮物的加速沉淀的作用。污泥经沉降后，自流进入潜流型生物滤池。斜管沉淀池中排放的污泥以微生物为主，定期排放，亦可作为肥料还田。
④潜流型生物滤池
潜流型生物滤池由推流式滤池和垂流式滤池串联组成，污水经沉淀过滤后自流到潜流型生物滤池中的推流式滤池，推流式滤池剖面图（如图4所示）
布水管和集水管分设在池的两端，池内两边是4-5公分的碎石，中间部分是多介质层，由下往上依次为2mm厚塑料薄膜、公分石、砂层、绿化层，污水以推流的方式从左往右流动，一次经过碎石层、多介质层、碎石层，最后由右边碎石层中集水管收集后流入垂流式滤池。垂流式滤池剖面图（如图5所示）
多介质层由下往上依次为防渗膜、原质土保护层、碎石层、下层集水管道、公分石层、炉渣吸附层、上层布水管道、砂层、绿化层。污水进入垂流式滤池后，由上层布水管道进行向下布水，污水由于重力作用流经炉渣吸附层、公分石层后，由下层集水管道收集后流出垂流式滤池，达标排放。
潜流型生物滤池的作用主要是截留水中的污染物，在不同微生物的作用下，进行好氧、厌氧和兼氧反应，不同程度地把水中的含碳、氮、磷的有机物质分解成小分子物质及无机物质。同时，生长在潜流型生物滤池中的植物根据自身的需要，通过根系把废水中的营养物质吸收到体内，在光合作用下把该类物质转变成自身的组成部分。到此，水中的大部分氮磷等富营养化物质被转移到植物体内，使污水资源转化为植物体内的有用资源。水中的大量微小悬浮物流经生态模块时，被模块中的“土壤”拦截，从而污水得到净化。
该系统的处理效果预测如下：COD和BOD去除率约为50%-90%，SS去除率约为70%-90%，氨氮去除率约为50%-80%。潜流型生物滤池中主要种植美人蕉、麦冬草、冬青树等四季常青植物，起到绿化环境，净化空气，降温增湿，改善局部环境的作用，给该地区的人们创造一个优美的生活环境。
⑤自控系统
考虑到新农村建设逐步进行的特点和农村污水水量的波动性，为了尽可能降低电力消化，要求鼓风机实现自动控制，其控制条件为：污水提升泵启动时鼓风机同时启动，污水泵停止后鼓风机继续曝气，直到设定的延伸时间后停止曝气，延伸时间为20-60分钟；鼓风机也可以设置为间歇启动，启动和停止时间均为0-180分钟可调。调节区设液位控制器，水位低于提升泵电机时提升泵停止运行，以保护水泵；水位高于提升泵电机0.3m时，提升泵启动运行。
（3）案列
①典型设计案例运行总体情况
案例：闵行区浦江镇新风村7组（新风4#系统）
|
服务人口 |
设计水量 |
占地面积 |
投资额 |
建造时间 |
运行年数 |
目前运行状况 |
运行费用 |
|
170 人 |
20 吨 / 天 |
88m2 |
11.6 万 |
09 年 6 月 |
3 年 |
良好 |
2.88 元 / 天 |
表4为运行基本情况，运行费用为日常电费，日常维护还需要部分人工费用，包括日常巡查、检修水泵、清理污泥、绿化养护等，建立专业规模维护队伍后，单个系统维护费用将大大降低。
经过长期跟踪观察监测，系统运行稳定，出水中主要监测指标CODCr、BOD5、氨氮、SS、pH等均可以稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）二级标准以上。跟踪监测18个月（自2009年7月，前六个月每月一次，后每两月一次），其CODCr、氨氮监测数据如图6、图7所示具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
②典型案例不同环节出水水质数据及削减率贡献
经监测污水处理系统各阶段出水情况及削减率平均如表5所示（除pH外，均以mg/L计）。
表 5 水质情况分析表
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工艺段 |
项目 |
COD Cr |
BOD 5 |
氨氮 |
SS |
PH |
|
格栅 |
进水 |
275 |
148 |
63 |
210 |
7.43 |
|
出水 |
248 |
136 |
63 |
145 |
7.42 | |
|
去除率 |
11% |
8% |
- |
30% |
- | |
|
厌氧调节池 |
出水 |
178 |
112 |
63 |
105 |
7.42 |
|
去除率 |
28% |
18% |
- |
18% |
- | |
|
微曝处理池 + 斜管沉淀 |
出水 |
105 |
51 |
35 |
46 |
7.40 |
|
去除率 |
41% |
54% |
44% |
56% |
- | |
|
生态模块 |
出水 |
58 |
16 |
8 |
18 |
7.41 |
|
去除率 |
45% |
67% |
77% |
61% |
- |
注：CODCr测试方法：重铬酸钾法；BOD5测试方法：稀释与接种法；氨氮测试方法：纳氏试剂比色法；SS测试方法：重量法；pH测试方法：玻璃电极法。