厌氧消化技术处理农村生活污水

　　2017 年 2 月环境保护部、财政部联合发布的《全国农村环境综合整治“十三五”规划》[1]提出，到 2020年，新增完成环境综合整治的建制村13 万个，累计达到全国建制村总数的1/3 以上。其中农村生活污水治理是农村环境综合整治的内容之一。2018 年2 月，中共中央办公厅、国务院办公厅联合发布的《农村人居环境整治三年行动方案》提出，到2020 年，厕所粪污基本得到处理或资源化利用，农村生活污水治理率明显提高。农村地区水污染排放总量占全国污水排放总量的 50% 以上 ，但 农村生活污水处理率仅为22%，而我国城市污水处理率已达 93.44%，可见，相对于城市生活污水，农村生活污水处理率还很低，迫切需要加快治理步伐。

　　我国部分农村地形条件复杂、人口居住分散、地广人稀，采用集中式污水处理系统会导致管网铺设困难、投资成本高、运行维护难度高等问题，使农村地区因资金困难无法承受。因此，对于经济欠发达且居住分散的地区，耗费资金和人力修建较长的污水管网进行集中处理不经济也不现实，需要因地制宜选用分散式污水处理技术。

　　厌氧消化技术因为运行管理简单、处理费用低而被国内外视为适合农村地区的成本低、维护简便的处理技术。厌氧分散处理技术已经从最早的化粪池发展到户用沼气池、生活污水净化池系统，再到近年来的多种厌氧组合处理技术，在农村生活污水处理中已经得到了广泛应用。笔者通过文献调研，综述了厌氧消化技术在农村生活污水处理中的研究进展及应用现状，重点分析了各类型厌氧消化技术工艺特点及处理效果，最后对厌氧消化技术在农村生活污水处理中的应用提出建议，以期为厌氧消化技术的科学合理应用提供参考。

　　1 厌氧消化技术

　　1.1 化粪池

　　化粪池是一种利用沉淀和厌氧发酵的原理去除生活污水中悬浮性有机物的初级处理设施。1860年，法国的 Mouras 和Moigno 建造了最早的单格式化粪池，并称之为“MOURAS 池”。1895 年，英国研究人员对其进行了工艺改进，并申请了专利，称之为化粪池，随后，化粪池在世界范围内得到广泛的传播与应用。化粪池原理是下层的固形物在池底得到分解，轻的浮渣悬浮在上层，确保中间层清液进入管道而流走，防止了管道堵塞，给固形物体(粪便等垃圾)充足的水解时间。生活污水中含有大量粪便、纸屑、病原虫，污水进入化粪池经过12~24 h 的沉淀，可去除50%~60% 的悬浮物。沉淀后污泥经过 3 个月以上的厌氧消化，污泥中的有机物分解成稳定的无机物，易腐败的生污泥转化为稳定的熟污泥，改变了污泥的结构，降低了污泥的含水率。定期将污泥清掏外运，填埋或用作肥料。

　　近年来，随着全国各地农村人居环境整治工作的推进，化粪池因具有结构简单、成本低、维护管理简便等优点而受到广泛的青睐。根据建造材质，化粪池分为砖砌化粪池、钢筋混凝土化粪池、玻璃钢化粪池、沉管化粪池、预制装配式化粪池等。因化粪池并不能使污染物彻底矿化，其出水仍含有较高浓度的污染物，例如COD 去除率约为50%。化粪池适用于农村生活污水前端预处理。近年来，研究者对化粪池进行改进，取得了较好的应用效果，如改为厌氧生物池或对传统的三格化粪池进行结构优化改造，在第一格室的中下部进水，沿第一格室高度方向设置多层孔板，在第二格室设置折流板，第三格室内置陶粒填料，第四格室收集出水回用于农田灌溉或连接后续装置做进一步处理。试验结果表明，孔板的有效设置使得第一格室对COD 和BOD5 的去除率均超过50%，稳定运行后整个反应器对COD 和BOD5 的去除率分别为 72%~84%、80%~92%，出水的生化指标符合农田灌溉水质的要求。

　　1.2 农村户用沼气池

　　农村户用沼气池是一种在厌氧条件下处理农户人畜粪便并产生沼气和沼肥的设施。产生的沼气用于生活用能，沼肥用作农肥还田。农村户用沼气池特别适合处理农村生活污水中的黑水。沼气作为一种可再生的生物质能源，自新中国成立以后，就得到了党和国家的高度重视。截止到 2016 年底，全国户用沼气池数量已达4160 多万，但随着城镇化建设，部分农村人口搬迁或养殖习惯改变，造成原料缺乏、管理不到位等，致使部分沼气池闲置或报废。将部分闲置的户用沼气池改为厕所粪污处理池、化粪池和水窖等，是今后的发展方向。尤其2018 年以来，全国各地对农村生活污水治理推进力度加大，全国各地推行“沼”改“池”和“沼”改“厕”，即将闲置的户用沼气池改为农村生活污水处理池，或将户用沼气池改为三联通式沼气池式厕所，对粪便进行无害化处理，达到卫生厕所要求。户用沼气池对粪污无害化处理效果比较好，曾华梁等研究结果显示，沼气池出水寄生虫卵沉降率为99.76%~99.78%，蛔虫卵死亡率为98.00%~98.92%，粪大肠菌值为 10-4~10-3，基本上符合当时的国家标准《粪便无害化卫生标准》(GB 7959—1987)。

　　1.3 生活污水净化沼气池

　　生活污水净化沼气池，是中国科技工作者和推广人员在标准化粪池、农村户用沼气池的基础上，结合国际上污水厌氧处理新成果，通过不断的实践改进而发展起来的一项生活污水分散处理技术。生活污水净化沼气池主要利用厌氧微生物的作用将生活污水中污染物进行分解，并通过沉淀、过滤和兼性微生物处理，达到净化效果。生活污水净化沼气池是适合我国国情的分散处理乡镇、农村居民生活污水的有效技术，在全国(特别是南方各省市)中小城镇得到积极推广应用。尤其自 20 世纪 80 年代以来，我国各级农村能源部门对生活污水净化沼气池技术进行广泛推广。截至 2017 年，我国已有生活污水净化沼气池 184 473 处，取得了巨大的社会效益和环境效益。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　根据粪便污水和其他生活污水是否一同进入生活污水净化沼气池，可分为分流制和合流制两种工艺。其工艺流程见图1 和图2。陈玉谷等采用一级厌氧消化接二级兼性好氧处理的流程进行了生活污水处理研究，装置容积 15L，水力停留时间分别为2、2.5、3 d。一级厌氧消化池分三格，后两格装有填料，二级兼性好氧池也分三格，并安装滤料。结果表明，COD 去除率 73.8%~84.8%，BOD5 去除率 77.1%~84.4%，SS 去除率 96.8%，一级厌氧处理平均去除率超过70%，二级兼性好氧处理的平均去除率低于 10%。说明有机物主要在厌氧消化单元去除。另外，无害化卫生效果明显，出水中绝大多数未检出活虫卵，未分离出肠道致病菌。谢燕华等对四川阆中市净化沼气池的调查显示了相似的结果

　　COD 平均去除率 84.5%，BOD5 平均去除率 90.1%，SS去除率90.2%。

　　1.3 厌氧滤池

　　厌氧滤池是一种采用填充材料作为微生物载体的高效厌氧反应器，厌氧微生物在填料上附着生长形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成滤床，经过预处理的废水进入反应器内，逐渐被细菌水解、酸化，最终被产甲烷菌转化为甲烷。钱小青等[25]对降流式厌氧悬浮填料床处理生活污水进行研究，结果表明，在5—7 月，停留时间(HRT)6 h、进水平均COD 271 mg· L-1 条件下，COD 平均去除率为 57.6%。10 月底前反应器COD 的去除率大于 45%，但至 11 月下旬因环境温度下降加快，反应器的 COD 去除率约 34%。厌氧滤池多以组合工艺应用于农村生活污水处理，单一厌氧滤池应用不多。

　　1.4 组合处理工艺

　　随着生活污水处理要求的提高，单一的厌氧处理不能满足出水要求，如化粪池、生活污水净化池、厌氧滤池处理出水污染物浓度较高，不能完全达到国家排放标准。因此，厌氧处理技术作为生活污水预处理单元，结合不同的后期处理单元，衍生出很多不同工艺，如厌氧-人工湿地、厌氧-好氧处理工艺等。

　　在无动力组合处理工艺中，厌氧+人工湿地是较常见的组合处理工艺。高鹏等[26]采用厌氧消化+人工湿地工艺处理农村生活污水，结果表明，该系统适用于四川农村生活污水处理，且效果较好，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18919—2002)一级B 标准，对COD、TN、TP、氨氮的平均去除率分别达到了92.9%、71.8%、76.5%、77.8%。谭迪等[27]采用厌氧+人工湿地工艺处理生活污水，以长沙市望城区光明村3 户典型家庭为例，比较了冬、夏两季人工湿地对居民生活污水的净化效果。结果表明，构建的无动力人工湿地对农村生活污水净化效果明显，冬季生活污水COD、TP、TN、氨氮、SS 的平均去除率分别达71.83%、97.20%、83.52%、55.34%、71.79%;夏季 COD、TP、TN、氨氮、SS 平均去除率分别达91.52%、93.99%、83.22%、75.15%、65.04%。经人工湿地净化处理后，TP、TN、氨氮可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A 或一级B 标准，COD 可以达到二级标准。

　　有动力组合处理工艺中，以A/O 为主，也有A2/O、多级A/O 工艺。如厌氧+好氧+人工湿地组合工艺中，熊仁等采用厌氧+跌水曝气+人工湿地组合工艺处理农村生活污水，结果表明，组合工艺对 COD、TN、TP、氨氮和 SS 的平均去除率分别为 74.5%、57.2%、59.5%、59.0% 和 91.6%。古腾等[29]采用厌氧+曝气生物滤池+人工湿地组合工艺对COD、氨氮、TN、TP 的平均去除率分别为90.05%、95.29%、67.65%、91.42%，出水水质较稳定，可达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A 标准。王田天等[30]采用AAO 一体化工艺处理农村生活污水，其出水COD、氨氮、TN、TP 的平均浓度分别为 19.79、2.66、8.82、0.47 mg·L-1，均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A 标准。日本的净化槽技术主要采用A2O 工艺，杨帆等[31]对户用净化槽出水进行了跟踪监测，结果表明，其氨氮、BOD5、浊度、TN、COD、TP 去除率分别为 94.9%、87.8%、82.8%、66.9%、59.4%、37.0%，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A 标准。净化槽曝气池结合膜生物反应器(MBR)处理结果表明，系统对COD、BOD5、氨氮、TP 和SS 的平均去除率分别为83.64%、84.46%、97.94%、94.13% 和93.95%。

　　通过厌氧消化处理，农村生活污水能达到三级排放要求。目前，全国各地已出台地方农村生活污水排放标准，大部分地方农村生活污水排放标准分为三级，其中三级标准对氮磷没有要求，主要是对出水卫生指标、悬浮物及COD 有要求。而一、二级排放标准增加对氮磷达标要求，其中二级排放标准主要对氨氮有要求，一级排放标准对氨氮、TN 和TP 都有要求。

　　2 厌氧消化处理工艺模式

　　农村生活污水厌氧消化处理工艺模式的对比见表1。

　　化粪池用于初级处理粪便污水，主要功能是杀灭病原微生物，达到卫生效果，其出水污染物浓度依然较高，需要进一步处理。户用沼气池通过降解人畜粪便产生沼气，最初建设目标以获取能源为主，但随着农村生活及经济形势的变化，逐渐改为以环保卫生为主。户用沼气池因停留时间长，生活污水充分厌氧消化，无害化效果好，处理后出水可作为肥料还田使用。生活污水净化沼气池功能是净化生活污水，出水水质相对较好，出水可以用于农田灌溉，或进一步处理可达标排放。厌氧滤池主要是厌氧条件下降解生活污水的部分污染物，因停留时间短，其出水需要进一步处理。厌氧滤池实际应用往往结合其他处理工艺，如厌氧滤池作为生活污水净化沼气池的一部分。组合处理工艺出水较好，可农用或排放。从建设成本来看，化粪池最低，厌氧组合工艺成本最高;从运行成本来说，无动力的厌氧消化处理模式，主要来源于还田产生的运费、人工费等，如果厌氧消化处理后由管道直接还田，则运行成本低于表1 所列。但对于有动力的组合工艺来说，运行成本除了人工费，还有设备运行费、维护费等，其运行成本明显高于其他处理模式。

　　3 结论

　　(1)厌氧消化技术在农村生活污水处理中能发挥重要作用，是对粪便污水进行无害化的经济处理方式。

　　(2)农村生活污水通过厌氧消化处理，可降解大部分污染物，并达到无害化标准。

　　(3)部分农村生活污水排放要求达地方标准一级或二级，则需组合其他处理工艺。厌氧消化技术对氮磷去除效果差，若需进一步去除氮磷，则需增加好氧工艺。

　　(4)以厌氧消化为预处理的组合处理工艺对农村生活污水的处理效果优于单一处理工艺，但建设和运行成本相对较高。

　　总之，随着全国农村人居环境整治的推进，农村生活污水治理越来越受到重视，应结合当地的特点和出水要求，因地制宜地选用处理技术与模式。(来源：农业农村部沼气科学研究所)