孙凌波，胡明忠，梁明明，吴永娟，刘立影，侯兴顺
(长春工业大学化学工程学院，吉林长春 130000)
随着乡村振兴战略的不断推进，农村居民的生活水平已得到极大改善，污水产生量逐年攀升，其中大多数污水未经处理即排放至水体环境，导致水体污染形势愈发严峻。农村水体环境较为脆弱，一旦超过其自身净化能力，将会对农村水源地以及居民的身心健康产生严重威胁。自《农村人居环境整治三年行动方案》颁布以来，农村地区水体污染防治已取得了阶段性的胜利，各水体流域水质朝着总体向好的方向发展，然而，位于我国东北地区的松花江流域以及辽河流域的部分河流仍处于污染状态。2020年《中国生态环境状况公报》显示，松花江流域除黑龙江水系为轻度污染外，其余水体水质均达到良好以上水平；
相较而言，辽河流域的总体水质较差，除了大凌河水系、鸭绿江水系以及大辽河水系水质较好之外，干流和主要支流均为轻度污染[1]。
东北地区冬季寒冷而漫长，气候是影响农村污水处理技术选择的重要因素。同时，复杂多样的地形地貌、分布分散的村屯以及居民聚集程度的差异增加了污水收集的难度。另外，东北农村地区较为落后的经济水平导致大部分农村并没有足够的经济实力来建设完善的污水处理设施[2]。农村居民淡薄的环保意识、相关政策以及法律法规的缺失也使农村污水治理事业受到阻碍。本文结合东北地区农村生活污水处理现状以及水质特征，提出当前农村地区污水治理所存在的难点和困境，并针对性地提出适用于该地区的污水处理技术，为东北农村污水治理事业的长效推进提供参考。
国外从很早就开始针对农村污水进行相关处理技术的开发与研究，经过半个多世纪的发展，已经形成了较为完善的农村污水治理体系，发明了许多先进的技术并积累了大量成熟宝贵的经验，如日本JARUS模式净化槽[3]、美国分散型污水处理系统[4]、韩国湿地污水处理系统[5]、荷兰一体化氧化沟[6]、德国百乐克(BIOLAK)污水处理系统[7]、澳大利亚非尔脱(FILTER)污水处理系统[8]、美国高效藻类塘(HRAP)[9]以及Living Machine System[10]等。在此基础上，这些发达国家还制定了相关法律法规以保证农村污水治理朝着标准化和规范化方向不断发展[11]。与发达国家相比，我国对于农村污水处理的研究仍处于起步阶段，尚未形成能够面向农村地区大范围推广与普及的研究成果，目前仅在部分经济较为发达的南方地区如江苏、浙江、上海等地建设农村污水治理示范工程，而在东北寒冷地区仍缺少相关示范工程的有力指导。表1显示了东北地区对农村污水处理情况的统计数据分析，由此可知，东北地区未对生活污水进行处理的乡镇仍占极大比例，再加上国家和地方针对农村污水治理的相关规范以及法律法规尚不完善，导致在农村污水处理的技术开发和管理上均远落后于世界发达国家[12]。
表1 东北地区农村污水处理统计Tab.1 Statistics of Rural Wastewater Treatment in Northeast China
我国东北地区农村生活污水主要表现出以下特征：(1)农村生活污水一般分为黑水和灰水，黑水由尿液、粪便、冲厕污水以及圈舍冲洗污水组成，而灰水则由洗涤和洗浴污水、餐厨污水等组成，黑水的污染物浓度远高于灰水；
(2)生活污水中N、P以及有机物含量较高，同时还存在着大量病原微生物，一般不含重金属等高毒性物质[13]；
(3)农村地区人口规模较小，稍大一些的村庄有一二百户，而小的仅有10户左右，故产生的污水总量相对较少，一般低于500 m3/d[14]；
(4)居民生活习惯较为接近，污水一般呈间歇排放且时间段相对集中，具有一定的规律性，通常在早中晚出现排水高峰，而其他时间段则较少甚至零排放，日变化系数较大，可达3～5[15]；
(5)由于村落分布状况以及人口聚集程度的差异性，同时大部分农村地区经济仍处于欠发达水平，尚未建设完善的污水收集系统，也无法充分、有效地利用市政管网系统，污水仅通过简单的明渠或暗沟排放甚至随意泼洒，污水排放呈现出较强的随机性和分散性[16]；
(6)东北地区多样的地形地貌以及不同农村的人口规模、生活习俗、经济水平等因素导致农村地区的污水水量、水质均存在一定程度的区域性差异。
我国东北寒冷地区农村污水治理主要存在以下几个难点。
(1)农村地区居民文化水平有限，《中国农村统计年鉴2020》显示，80%以上的农村居民文化程度集中在小学及初中水平，接受过高中及以上教育程度的居民仅占11.2%，因而对污水治理的认知相对匮乏，环保意识和生态意识淡薄，缺乏治理污水以及保护农村环境的积极性和主动性[17]。此外，基层地方政府对于农村生活污水治理工作的宣传力度仍有待提升。
(2)由于农村和城镇地区在地理条件、经济发展水平、居民聚集情况、生活习惯以及污水处理规模等诸多方面均存在较大差异，现有较为成熟的城镇污水处理模式和工艺在农村地区污水处理中往往表现出较差的适应性[18]。
(3)东北地区冬季的严寒气候导致各类污水处理系统中的微生物以及植物活性受到抑制，严重影响污水处理设施的净化效果，甚至可能无法启动运行[19]。
(4)城镇与农村地区的环保资源配置严重失衡。在农村地区从事污水治理的相关专业技术人员极为稀缺，大多数农村污水处理设施建成后，仅对当地村民进行简单培训后即进行污水处理设施的日常运营和管理，导致污水处理设施的运行维护不理想，进而降低其处理效率[20]。
(5)农村地区污水治理工程资金缺口巨大，基础设施建设极度匮乏，污水治理事业的推进受到严重阻碍[21]。尽管东北地区农村居民人均可支配收入较往年已有显著提升，但仍难以承担污水处理设施建设所需的巨额费用，对于农村污水治理项目的建设还只能依靠政府的投资。此外，污水处理系统建成后还需要进行相应的维护和保养工作，产生运行和维护成本，缺乏持续的资金供给，使污水处理设施在农村地区维持长期良性运转面临挑战。
(6)尽管各省已相继发布了农村生活污水处理设施水污染物排放标准，但目前针对农村地区污水治理所制定的相关标准和法律体系尚未完善，在处理设施建设、具体工艺参数以及运行维护等方面的规定仍处于空白状态，导致农村地区污水处理设施在规划设计以及实际建设阶段缺乏科学的理论指导，运行效果难以得到保障。
(7)未建立有效的监管体制，农村污水治理工程存在管理主体不明的乱象，各级政府和职能部门权责归属模糊，同时还缺乏长期运行效果的监测评价体系[22]。
3.1 选择原则
针对东北寒冷地区农村生活污水处理技术的选择要充分结合当地情况，从实际出发，因地制宜地选择能够克服冬季寒冷气候、经济实用、操作简单的污水处理技术。
3.2 污水处理模式
东北地区农村分布广泛，一般来说，不同地域的地形地貌、居民聚集程度、经济发展水平以及污水特征等均存在一定差异，因此，适用于农村地区的污水处理模式也应随之表现出多样性。目前，农村污水处理模式主要可以分为集中处理、分散处理以及纳入市政管网统一处理3种类型，其适用条件如表2所示[23]。作为集中处理模式的补充，分散处理模式在布局以及工艺选取上更加灵活多变，有利于解决集中处理模式无法覆盖的农村地区的污水处理需求，在有效控制投资成本的同时仍能保持较为理想的处理效果[24]。
表2 农村污水处理模式Tab.2 Modes of Rural Wastewater Treatment
3.3 污水处理主要技术
结合上述分析，综合考虑东北地区的气候、地理条件及其农村地区的经济发展状况、人口分布、污水处理规模等多种因素，可以大致确定以下几类适用于东北农村地区的污水处理技术，如化粪池和厌氧沼气池、地下土壤渗滤、潜流人工湿地、稳定塘、一体化污水处理技术以及组合工艺等[25-26]。
(1)化粪池和厌氧沼气池。化粪池和厌氧沼气池作为典型的厌氧消化技术在我国农村地区的应用非常广泛，对于东北地区而言，通常采取地埋式以达到保温效果。通过微生物的厌氧发酵作用，污水、人畜粪便中的有机物发生转化，产生沼气和沼渣，分别可用作燃料和农家肥，在实现污染物降解的同时实现了资源循环利用的目的，是一种资源利用率极高的污水处理工艺[27-28]。数据表明，截至2019年，农村地区户用沼气池数量已超过3 380万个，表3显示了东北地区户用沼气池以及沼气工程的建设情况。化粪池和厌氧沼气池优势在于施工难度低、基建投资省、抗冲击负荷能力强、管理方便、运行过程中基本不消耗能量、具有极高的虫卵杀灭能力。然而，由于其停留时间长、污泥产量多、处理效果相对有限、出水难以达到污水排放标准，一般仅用于污水的预处理阶段。
表3 东北地区户用沼气池以及沼气工程建设统计Tab.3 Statistics of Household Biogas Digesters and Biogas Project Construction in Northeast China
(2)地下土壤渗滤。地下土壤渗滤是一种污水土地处理系统，污水由距离地面一定深度的布水系统均匀投配至处理系统中，利用土壤基质、微生物以及植物的物理、化学、生物协同作用净化污水[29]。地下土壤渗滤技术基建投资少、运行耗能低、无需占用地表面积、受温度影响较小、运行管理方便，还能够通过自由调节土壤基质的构成成分及比例，以实现污水处理能力的最大化。但该工艺一般水力负荷小、对土地面积需求量较大、易发生土壤堵塞、如防渗不当易造成二次污染，适用于土地资源丰富但资金较为短缺的农村地区，出水经收集系统回收后可回灌作物，以达到水资源循环利用的目的[30]。田宁宁等[31]采用土壤毛细管渗滤技术处理小区生活污水，CODCr去除率可达80%以上，BOD5、氨氮、TP的去除率均达到90%以上，系统在冬季气温低至-13.5 ℃的环境条件下，仍能保持良好的处理效果。沈阳也建设有地下土壤渗滤系统示范工程，出水能够达到中水回用要求，这也证明了该技术在东北严寒地区的适用性[32]。
(3)潜流人工湿地。潜流人工湿地是一种仿照自然湿地功能并经过人工适当改造而设计的生态处理系统，按照布水方式可分为水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地，污水在湿地床表面以下流动，能够有效避免气温的影响[33]。湿地系统主要通过土壤基质、微生物以及水生植物三者的共同作用实现水体污染物的有效去除。人工湿地建设投资少、运行费用低、能耗低、维护管理简单、兼具景观效应，其劣势在于占用土地面积较大、污水处理水力负荷有限、基质易堵塞、处理效果受季节影响较大，适合在土地辽阔但资金相对匮乏的农村地区进行推广与应用[34]。
潜流人工湿地在东北地区的适用性已得到证实，目前已报道了沈阳满堂河人工湿地[35]、沈阳浑南人工湿地[36]、哈尔滨信义沟人工湿地[37]、辽河流域人工湿地面源污染治理[38]以及污水厂出水深度处理[39]等示范工程。这些工程在-30～-20 ℃的严寒气候下仍能保持较为理想的污水净化效果，与此同时，工程的建设及运行成本与传统污水处理工艺相比也得到了极大的削减。对于东北农村地区而言，可充分借鉴以上建设经验，通过采取一定的保温措施(如植物覆盖法、冰雪覆盖法、地膜保温法、温室保温法)或提升湿地系统内部溶解氧量(出水回流、人工曝气、多点进水、间歇运行)等方式保证潜流人工湿地的净化能力[40-41]。此外，还有研究者[42]提出在传统人工湿地的基础上进行结构改造，构建新型复合增强型双层潜流人工湿地，当气温较高时，采用上层湿地处理污水，而进入冬季后，底层湿地则进入工作状态，保证系统在低温期的正常稳定运行。
(4)稳定塘。稳定塘是一种利用水体自净过程净化污水的处理系统，能够充分依靠藻类及其他各类微生物的协同作用降解污染物。稳定塘设计简单，能够充分利用地形优势节省建设成本，同时，在运行过程中耗能低、管理方便，大大减少了运营成本。它的缺点是占地面积大、停留时间相对较长、仅能处理低浓度污水、污水处理效果受光照和温度等环境条件影响较为严重、易滋生蚊虫和臭味等[43]。稳定塘在东北农村地区使用时，可采用增加曝气或多塘串联的方式保证其正常运行，也作为临时储水塘使用，适合在经济条件有限、有天然低洼地或废弃塘的农村地区进行应用[44]。孙楠等[45]提出了以凹凸棒土作为填料，构建了凹凸棒土-稳定塘模式处理严寒地区农村生活污水，在最优运行条件下，系统对CODCr、氨氮、TP的平均去除率分别达到了91.5%、87.7%、84.1%，与单一稳定塘相比，污染物去除率均有所提升。辽宁省开原市庆云堡镇建设了由前置强化塘、自然塘和后置调节塘组成的生活污水处理工程，处理规模为2 000 m3/d，出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)二级标准，该工程为东北地区稳定塘系统的冬季低温运行提供了良好的示范作用[46]。
(5)一体化污水处理技术。一体化污水处理技术是一种将预处理、生化处理以及污泥处理等流程集于一体的污水处理工艺，在东北农村地区常采用地埋式，当建于地面上时，应采取适当的保温措施。一体化污水处理技术所包含的污水处理工艺更为多样化，但其主体工艺基本为生物处理法，如生物接触氧化法、AO或AAO、序批式活性污泥法(SBR)、膜生物反应器(MBR)以及其他变形、组合工艺等[47]。该技术可以充分依据其服务区域的水量、水质进行针对性设计，具有灵活性高、空间占用少、运行费用低、处理效率高、易于实现自动化、管理方便等诸多优点，但是相应的工程建设及维护成本与传统生态处理工艺有所提升，因而适用于污水处理规模较小、有一定的经济实力且对出水水质要求较高的农村地区[48-49]。辽宁省某村庄采用兼氧MBR一体化设备处理生活污水，设备整体埋于地下以起到保温效果，监测时段内各项水质指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B标准，卫生条件也得到极大提升，在北方农村有着良好的应用前景和推广价值[50]。辽宁省盘锦市大洼区清水河流域的周边村镇采取一体化接触氧化污水处理设施处理农村生活污水，出水水质达到一级A标准，能够有效减少河流污染，改善水体环境[51]。谷成国等[52]针对东北地区的村镇污水提出了AAO+MBR+MBBR一体化污水处理集成化设计工艺，与单项工艺相比，集成工艺具有更强的稳定性以及更高的污染物处理效率，对CODCr和氨氮的去除率分别达到92.85%和97.19%，满足辽宁省地方标准《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》中的一级标准，但是工艺成本也相应提升，其大规模应用受到制约。
(6)组合工艺。一般而言，单一类型的污水处理技术由于其自身局限性通常不能达到理想的预期治理效果，此时需要结合实际情况对多种污水处理工艺进行灵活组合与优化，从而实现污水处理效果最大化的目的，如生态组合工艺、生物组合工艺以及生态-生物组合工艺等。组合工艺将其包含的各类单一工艺的优势集于一身，因而具有更强的稳定性和抗冲击负荷能力，出水水质也更加优良，适用性也更为广泛，但是其建设及运行成本也相对增加，适用于有一定经济基础且对出水水质要求较高的地区[53]。宋铁红等[54]构建了厌氧折流板反应器(ABR)酸化预处理+两级人工湿地组合工艺净化生活污水，采取珍珠岩作为保温材料，在室外气温低至-30 ℃的条件下，工艺仍能保持稳定的去除效果，结果表明，低温对酸化过程产生的影响远小于湿地，当系统温度保持在5 ℃以上时，湿地对CODCr的去除率与夏季水平相当，而当温度低于5 ℃时，CODCr的去除率则降低至50%以下。吴迪等[55]探究了两级回流生物膜工艺对农村生活污水的处理效果，设计处理规模为100 m3/d，结果表明，工艺对CODCr、BOD5、氨氮、TN、TP、SS的平均去除率分别可达到75.7%、84.8%、69.2%、68.0%、58.9%、87.9%，除TP达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)中的二级标准外，其余指标均符合一级B标准。表4列举了一些组合工艺在东北地区农村污水处理的应用案例，从表中可以看出生物+生态组合工艺在达到高净化效率的同时还能保持较低的投资成本，因此，这种处理工艺较为符合东北农村地区的实际情况。
表4 组合工艺在东北农村污水处理案例Tab.4 Application Cases of Combined Processes in Rural Wastewater Treatment in Northeast China
针对东北地区农村污水处理存在的问题，可采取以下措施：(1)研发农村污水处理新工艺，降低污水处理成本，加强专业技术人才的培训规模与力度；
(2)大力推广操作以及维护简单的工艺；
(3)加快制定相关政策、标准以及法律规范，明确主体责任，积极推动农村生活污水治理的规范化发展；
(4)从实际出发，因地制宜，针对不同农村的现场情况制定相应的污水处理工艺路线；
(5)国家和地方各级政府应针对污水处理设施的后期运行与维护制定相应的政策并提供资金支持，同时拓宽资金渠道；
(6)加大环保宣传力度，积极转变农村居民对于污水处理的认知和态度，提升农民的认同感和参与感。
东北农村地区特殊的地理及气候特征使污水处理技术的应用受到限制。因此，在选取适用于该地区的污水处理技术时，要综合考虑农村地区的客观条件，遵循因地制宜的原则，对于当前已存在的污水处理技术，未来应着眼于进一步拓宽其应用范围、提升其处理能力，如经过适当的技术改良或采取一定的保温措施使其达到满意的净化效果。农村污水治理是创造农村宜居环境，提升农民群众幸福感的重要一环，能够产生诸多综合效益，对实现乡村振兴、改善农村人居环境具有极为重要的意义。
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