農村生活污水處理與資源化利用及新污染物控制探討

顧 浩, 梁文伯, 李永木, 楊小麗, 宋海亮, *

(1. 南京師范大學 環境學院, 江蘇 南京 210023;2. 東南大學 土木工程學院, 江蘇 南京 211189)

0 引 言

根據《2021城鄉建設統計年鑒》的數據顯示,我國2021年對生活污水進行處理的鄉村僅占36.94%。大量未經處理的生活污水無序排放到農村地表水中,給當地生態環境和村民身體健康帶來了嚴重威脅[1]。隨著鄉村振興戰略和建設宜居宜業鄉村目標的持續推進,農村生活污水治理已經成為了農村人居環境整治提升的突出短板,亟待解決?！丁笆奈濉蓖七M農業農村現代化規劃》中重點提出“以鄉鎮政府駐地和中心村為重點梯次推進農村生活污水治理,積極探索資源化利用方式”[2]。

農村生活污水主要來源于村民日常生活中的廚房用水、廁所用水、洗滌用水和沐浴用水[3]。與城市生活污水不同,農村生活污水的特殊性在于排放來源多且分散、水質水量波動較大、收集難度大[4]等。這些特殊性導致農村生活污水的治理更加困難,傳統的污水處理模式沒有針對農村的實際情況,處理效果不穩定,遠不能達到預期效果。隨著實踐的深入,越來越多的人意識到農村生活污水的治理不能簡單套用城鎮污水處理廠的工藝和方法,要拓展更加細化、適應性更強的污水治理模式,要按照簡單、經濟、可持續運行的原則去規劃,因地制宜,利用為先。

近年來,就地就近資源化利用的理念被不斷提出且得到廣泛認可。農村生活污水的處理目的逐漸從減少污染物負荷過渡到資源化利用,污水回用等資源化利用方式已經成為了很多地區污水治理的最佳選擇。國家發展改革委和生態環境部等十部委聯合印發了《關于推進污水資源化利用的指導意見》(發改環資〔2021〕13號),其中明確提到“要穩妥推進農業農村污水資源化利用,積極探索符合農村實際、低成本的農村生活污水治理技術和模式”[5]。因此,資源化利用已經成為了農村生活污水治理的有效舉措和未來發展的必然趨勢。然而現階段我國農村生活污水資源化利用的模式才剛剛起步,資源化利用路徑尚不清晰,綜合利用率不高,還難以實現全面推廣和落實[6]。另外,近些年的研究中,農村生活污水中也檢測到一些新污染物,如抗生素和微塑料等,對其資源化利用存在潛在的生態風險。在資源化利用過程中,有關新污染物的研究還相對缺乏,新污染物產生的具體影響還需要進一步分析。因此,本文梳理了農村生活污水資源化利用的理念,總結了當前我國農村生活污水資源化利用的模式,介紹了其中相關的工藝技術和應用模式。最后,本文分析了新污染物帶來的生態風險和資源化利用未來發展方向,以期為推動農村生活污水治理實現資源化利用提供參考思路。

1 農村生活污水資源化利用理念

污水資源化利用理念不同于傳統意義上污水處理思路,它將污水視作一種可再生資源,將污水治理的目的由減少污染負荷轉變為資源回收,體現可持續和循環利用的理念[7]。目前,污水處理中常見的資源化利用方式集中在回收能源、水和營養物質三個方面。在能源方面,厭氧消化技術可以生產沼氣燃料。在水回收方面,雨水可以收集回用,再生水可以作為工業、農業、林業和景觀用水等,不同類型的水回用需要達到不同的水質標準[8]。污水中氮、磷、鉀等營養物質,可通過堆肥等方式重新利用到種植業中。

在農村地區,生活污水資源化利用的方式更加簡單,可以和當地農業緊密結合。呂錫武[9]提出,農村生活污水治理應該結合農業生產,將污水中氮、磷資源變廢為寶,作為農田肥料實現資源化利用。侯懷恩等[10]認為農業灌溉是農村生活污水資源化利用的適宜途徑。這種將污水處理和農業生產結合的農村生活污水資源化利用模式,在我國具有較高的可行性。首先,我國農村地區有豐富的土地資源和發達的種植業,具備強大的氮、磷營養鹽接納能力。其次,農村生活污水成分簡單,氮、磷濃度較高[4],處理后的尾水滿足灌溉的水質條件,更易實現資源化利用。將生活污水的治理和農村當地農業種植業相融合,可以更好地實現污水就地就近處理和資源化利用,緊密結合當地的生態環境,達到人與自然可持續的良性循環。

目前我國農村生活污水資源化利用的研究和工程實踐仍然處在探索和起步階段。董麗偉等[11]統計了1999—2019年農村生活污水治理的相關論文發表情況,資源化利用相關論文只占其中的5.5%。梁文伯等[12]對2001—2021年主題為農村生活污水的核心期刊進行了數據分析,顯示資源化、保氮保磷等關鍵詞在2018—2021年才頻繁出現。這說明與農業生產相結合的農村生活污水資源化利用雖然得到不少的關注,但相關的研究還十分匱乏,資源化利用的模式和技術還有待完善和創新。

2 農村生活污水資源化利用模式

目前,常見的農村生活污水資源化利用模式主要分為三類:尾水灌溉模式、經濟作物種植模式、灰黑分離模式。

2.1 尾水灌溉模式

尾水灌溉模式是指農村生活污水經過簡單處理后,尾水達到《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021),作為農業灌溉用水使用,典型工藝流程如圖1所示。這種模式通過尾水灌溉的方式將生活污水轉變為農業生產需要的灌溉水和肥料,實現了變廢為寶的過程,符合資源化利用的要求。美國、日本和俄羅斯等國家,很多鄉村地區污水處理后的尾水都應用在農業灌溉領域。在我國北方缺水干旱地區,污水灌溉也已經被大面積采用。張佳杰等[13]在安徽農村地區構建資源化示范工程,處理裝置的尾水就用于農田灌溉。馬如龍等[14]通過尾水灌溉的田間試驗,發現尾水灌溉可以改良土壤,增加土地肥力。然而尾水灌溉也存在一些問題,如污水連續產生和間歇農業灌溉形成的時間差異。另外,尾水灌溉對農田環境安全性的影響還不明確,張丹丹等[15]研究發現尾水中的鹽分會影響土壤水分的有效性和微生物群落的多樣性。

圖1 尾水灌溉模式流程示意圖Fig. 1 Schematic diagram of tail water irrigation mode

2.2 經濟作物種植模式

經濟作物種植模式的核心是將污水處理中生態單元的植物用經濟作物替代,構建污染凈化型農業,典型工藝流程如圖2所示。前段的生物處理單元主要承擔去除農村生活污水中有機物和氨氮等還原性污染物,后段的生態處理單元可以利用上一階段保留的氮磷資源種植蔬菜和花卉等多種經濟作物。在處理生活污水的同時,也能產生經濟效益,一定程度上降低了農村生活污水處理設施運行的成本。陶昱明等[16]研究的“AO濾池+人工濕地”生物生態組合工藝,在濕地種植水生蔬菜的方式同步實現污水處理和資源化利用。這種模式優勢明顯,可以根據農村生活污水資源化利用需求將多種處理技術組合,因地制宜,形成一套生態效益和經濟效益完善結合的污水處理流程[17-18]。另外,這種模式還可以將組合工藝和農業灌溉相結合,更加安全且可以精確滿足農業需求的灌溉用水。目前,這種模式下面臨的普遍問題是生態單元冬季運行效果較差,一般解決方法是添加保溫措施,搭建塑料暖棚可以有效地保證出水達到處理標準。另外,組合工藝中生物單元和生態單元如何更高效地耦合以及生態處理單元中經濟作物的選擇,都值得進一步探索。

圖2 經濟作物種植模式流程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of cash crop planting mode

2.2.1 生態處理單元

農村生活污水處理的生態單元通常有人工濕地、穩定塘、生態溝渠和土壤滲濾等,其中應用最廣泛的是人工濕地技術。ZHONG等[19]對農村生活污水的文獻進行可視化關鍵詞分析時發現,人工濕地是處理技術中使用頻率最高的。人工濕地技術基于農村當地的自然環境處理生活污水,在資源化利用模式中可以與農業相結合,用農村當地的經濟作物代替傳統濕地植物,實現污水中氮、磷資源化利用的同時獲得一定經濟效益。環境效益和經濟效益充分融合的人工濕地技術與農村簡單、經濟和可持續的技術需求高度契合。

人工濕地主要通過濕地植物、微生物和基質三者的共同作用實現污水的處理凈化[20]。根據濕地中水流的分布和流動形式,人工濕地主要分為表面流人工濕地、水平潛流濕地、垂直潛流濕地和復合人工濕地等。表面流人工濕地發展最早,有較淺的自由水面。水平潛流人工濕地中添加了多孔透水基質,污水在基質中水平方向流動,植物在表面生長。垂直潛流人工濕地從表面進水,底部排水,縱向上增加深度,延伸了污水處理流程。單一形式的濕地處理污水存在一定的局限性,因此探索出了多種形式人工濕地聯合的復合人工濕地,如硝化較好的下行潛流濕地和反硝化較好的上行潛流濕地串聯組合形成的復合垂直流人工濕地,使用簡單,脫氮效果具有明顯優勢[21]。

2.2.2 人工濕地經濟作物的選擇

人工濕地經濟作物的選擇在資源化利用中有至關重要的作用,決定了一部分的生態效益和大部分的經濟效益。濕地中經濟作物可以直接吸收利用污水中的氮、磷營養鹽,也可以通過根系影響微生物的群落結構[22],主要的經濟效益就是收割的經濟作物。人工濕地經濟植物的選擇可以從多個方面進行考慮,如營養鹽吸附能力、植物的環境適應力、根系發達程度和作物經濟價值等。篩選出具有高氮磷吸附能力和高經濟價值的濕地植物是提高經濟作物種植模式資源化利用效率的關鍵。何俊樂等[23]研究指出,篩選濕地植物時,在考慮一定生態效應的基礎上,應優先挑選生物量大、根系發達、收獲次數多、經濟效益高的作物。徐麗等[24]在研究種植型人工濕地時發現,由于潛流濕地內污染物的去除集中在濕地前端,可以將糧食作物如水稻、小麥等種植在濕地前端來保證糧食作物的收成,而將根系發達、生物量大的其他植物種植于濕地后端,保證出水水質達標。結合農村當地的實際情況,在土地資源豐富的地區,濕地內適宜種植生物量大、經濟效益高的水生蔬菜,而在耕地較為緊張的地區,濕地植物可以更多地選擇糧食作物。

種植水生蔬菜型的人工濕地,可種植水芹、韭菜、番茄、茼蒿、空心菜等。研究者們對水生蔬菜的氮磷吸收效果進行研究,以期在濕地中得到更好的植物搭配。陶昱明等[16]研究發現,生菜、水芹、韭菜、番茄為喜硝類植物,小葉茼蒿、空心菜、菠菜為喜銨類植物。另外,濕地植物也可以選擇經濟性花卉。檀香逸等[25]在用人工濕地處理農村生活污水時,選擇了種植綠蘿、白掌、觀音竹和發財樹,污水處理效果良好。飼草型作物在近年來也被選擇用于人工濕地,如菌草、皇竹草、甜象草等[26]。本文對長三角地區種植不同濕地植物類型的人工濕地進行了梳理,比較了氮磷處理效果和經濟收益,見表1。

表1 不同植物類型濕地的比較

2.3 灰黑分離模式

農村生活污水中黑水主要來自農戶廁所的沖廁水,包含尿液、糞便等污染物的混合液,灰水則是黑水之外的其他生活排水,包含廚房、洗衣、淋浴等日常產生的生活污水[27]。黑水、灰水的水質水量特征對比見表2。黑水部分水量較小,卻是生活污水中有機物和氮磷的主要來源,還含有大量病原微生物,而灰水部分受污染程度較輕,水量占生活污水總量的70%以上[28-29]。農村生活污水黑灰分離后,單獨收集的黑水可因地制宜的進行資源化利用。通過厭氧發酵無害化的處理方式,將黑水轉化成高效有機肥,實現化肥的部分替代,起到改良土壤和農業增產的作用。受污染程度較輕的灰水則可以進入簡單的污水處理設施,再進行灌溉或回用。

表2 黑水、灰水水質水量特征

2.3.1 灰黑分離模式的典型工藝流程

灰黑分離模式是指農村生活污水中灰水和黑水通過源分離方式收集后,再根據水質差異和村民不同的實際需求選擇相應的凈化處理技術,最后進行合適的資源化利用,典型的工藝流程如圖3所示。農村生活污水源分離后,污染物濃度較高的黑水一般采用厭氧生物處理法,如進入沼氣池后可以產生沼氣、沼液和沼渣,進入化糞池后可以轉化為肥料;污染物濃度較低的灰水部分進行相對簡單的生物或生態處理后可以補充水源,也可以作為農、林、牧、漁業用水[30]。這種模式在污染源頭進行了分離收集,根據資源化利用的需求選擇相對應的污水處理凈化技術,既符合農村生活污水的實際特征,又提高了污水處理效率,可以科學高效地完成資源化利用目標,符合可持續發展的理念。目前這種基于資源化利用的農村生活污水源分離處理模式的研究還不夠深入,存在一些問題,如實際工程案例匱乏,標準和規范不夠完善,對當地污水源頭的管道收集系統要求較高等,導致該模式適用范圍有限,然而隨著我國“廁所革命”的開展,黑灰分離資源化利用模式將有較大的應用前景。

圖3 灰黑分離模式流程示意圖Fig. 3 Schematic diagram of gray black separation mode

2.3.2 灰黑分離模式的應用

灰黑分離模式可以同步實現黑水無害化后資源化利用和簡化灰水處理工藝,有利于農村生活污水的高效處理與資源化利用。針對目前農村實際情況,考慮住宅分布特性以及有無消納利用土地,可以分成三種應用模式,如圖4所示。

(1)單戶自用

針對人口密度較低,居住相對分散的村落,這一模式不需要修建集中式污水管網,如圖4(a)所示。黑水經過高效厭氧發酵后沼液還田進行資源化利用,而灰水可以簡單沉淀后,直接采用人工濕地或生態溝渠進行處理,大幅簡化了污水處理設施。

(2)集中生態處理(有消納用地)

針對村民居住相對集中,并且有一定消納土地的村落,黑灰分離資源化利用模式應用如圖4(b)所示。黑水可以進行無害化處理,用于自留地或菜地的施肥?；宜畡t集中收集,進入村莊的污水處理設施,統一進行排放或者再利用。

(3)集中收集處理(無消納土地)

針對村民居住集中密集,房屋前后缺乏消納用地的村落,黑灰分離資源化利用模式應用如圖4(c)所示。黑水和灰水分別進行集中收集處理,黑水進行堆肥發酵后可以回用到農業或者林業,灰水經過組合工藝處理后可以達標排放或再利用。

3 新污染物的產生與去除

目前,農村生活污水的治理主要關注COD和氮磷等常規污染物和病原體的去除,而對新污染物的研究較少。近年來,隨著農村生活水平提高,各種藥物、抗生素和化妝品等物品的使用增多,部分農村生活污水中有檢測到抗生素和微塑料等新污染物[31-32]。雖然這些新污染物在污水中含量不高,但是當它們隨污水排放入湖泊河流或回用至農田時,可能會對生態環境和人類身體健康構成威脅。YANG等[33]研究發現,污水處理廠排水口附近的卡馬西平、氧氟沙星和紅霉素等污染物會對大多數水生生物(如藻類、魚類和植物)造成較高的生態風險。

圖4 灰黑分離模式應用示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the application of gray black separation mode

在我國很多農村地區,三格式化糞池和沼氣池被廣泛應用于處理個人住宅的生活污水或糞便污水,但是它們對污染物的處理效果較差,會成為污染物、病原體、抗生素和抗生素耐藥基因(ARGs)的潛在來源[34-35]。人體中未被利用的抗生素會通過糞便和尿液排出體外進入污水處理系統,導致處理系統中ARGs的累積[36]。農村生活污水中抗生素類型與城市污水中的差異不大,但各種類型豐度不同,這可能是污水中抗生素來源不同導致的。城市污水中有較多氟喹諾酮類藥物,多數來源于醫院。對畜禽養殖業發達的農村地區來說,生活污水中用作飼料添加劑和抗菌藥物的四環素和磺胺類抗生素含量較多[35]。當農村生活污水進行資源化利用(農業肥料或灌溉用水)時,ARGs會一起被釋放到農田環境中,并通過食物鏈傳遞,給人類和動物帶來健康風險。因此,農村生活污水或化糞池出水應該避免直接用于農業灌溉。目前,很多農村生活污水處理設施都能對ARGs有一定去除能力,如曝氣生物濾池和人工濕地等。CHEN等[37]研究發現,人工濕地系統可以有效去除抗生素和抗性基因,去除率可以達到73%～94%,并且,人工濕地系統在去除污水中類固醇激素和殺蟲劑方面也非常有效,微生物、基質和植物是濕地去除污染物的主要貢獻者[38]。濕地中每個植物根系都被認為是一個微好氧/缺氧生物處理系統,可以促進ARGs的去除[39]。然而,濕地系統去除農村生活污水中ARGs的機理有待進一步研究。MA等[35]對農村生活污水中ARGs的影響因子進行相關性分析發現,總有機碳(TOC)與多數ARGs呈顯著相關。因此,盡可能消除生活污水中TOC可能是降低ARGs污染風險的有效途徑。

微塑料在我國水體環境中廣泛存在,不論是海洋還是內地城市和鄉村地區的湖泊河流[40]。部分塑料材料本身就含有毒性,并且微塑料吸附污水中有毒有害的化學物質,導致微塑料不僅是有毒有害物質的運輸介質,還是潛在的污染源[41-42]。當微塑料進入自然水體后,很容易被水生生物食用,嚴重危害其生長繁殖,甚至微塑料還可以通過食物鏈威脅人類身體健康[43-44]。微塑料對農作物也會造成很大危害。LI等[45]對聚苯乙烯微塑料在小麥幼苗中進行跟蹤試驗,發現微塑料會在根的木質部進行積累,然后沿莖部向上移動,并且微塑料還會降低小麥根系的水導率,抑制小麥根莖的生長,降低小麥的光合活性,造成嚴重的氧化損傷。因此,微塑料會對農業灌溉造成很大影響,提高微塑料的去除效率是農村生活污水資源化利用的必然要求。農村生活污水中微塑料主要來源是糞便污水和洗衣水,顯微鏡下的形狀多是纖維和片狀,顏色傾向于白色和藍色,顆粒尺寸偏小(<1 mm)[46]。微塑料的形狀、尺寸和類型在很大程度上影響污水處理設施對它的去除效率。大尺寸的微塑料在厭氧工藝中去除效果最好,片狀微塑料更容易被去除,纖維狀則較難被去除。農村地區微塑料的去除效率遠低于城市污水處理廠,兩者差異見表3。對于農村分散式生活污水處理設施,微塑料的去除效果更差。農村地區的人工濕地系統對微塑料的去除率只在50%左右[41]。同時,微塑料的存在還會影響濕地系統中的微生物和植物,導致濕地系統對污染物去除效果變差。目前,微塑料和抗生素在農村生活污水治理中還未得到足夠的關注,這些新污染物的生態毒性和去除機制可能是未來研究方向之一。

表3 不同地區城市與農村污水處理中微塑料去除差異

4 結論與展望

因地制宜,推進農村生活污水減量化、資源化、循環利用是必然趨勢。農村生活污水資源化利用的最佳途徑是與農村農業生產相結合,把污水治理和實際農業緊密結合,實現人與自然間的良性循環?；谵r村生活污水處理和資源化利用模式分析,本文歸納了如下的結論與展望。

(1)農村生活污水資源化利用的三種模式:尾水灌溉模式、經濟作物種植模式、灰黑分離模式。尾水灌溉模式工藝簡單,適用于農田廣闊的地區。經濟作物種植模式依賴于農村地區的自然生態,適用于氣候宜人,出水水質要求較高的地區?；液诜蛛x模式需要源分離的管道,適合基礎設施的建設較為完善的地區。

(2)灰黑分離模式與鄉村“廁所革命”相契合,可能成為農村高效低耗資源化治理的破題之策。黑水和灰水分離后,不僅可以簡化工藝,降低污水處理難度,還可以針對性進行資源化利用,提高利用效率。隨著我國農村改廁的進行,未來農村生活污水資源化利用可能優先采取灰黑分離這種模式。在灰黑分離模式下,前端如何對黑水進行更加高效的收集,降低黑水水量,終端資源化利用方式和產品處理都有必要進一步探索。

(3)抗生素和微塑料等新污染物的出現可能給生活污水資源化利用帶來了一些困難,特別是在尾水灌溉時。在對農村生活污水進行資源回收和廢水回用的過程中,新污染物對自然環境和人體健康的影響還需要長時間觀測和深層次研究。農村污水處理設施對新污染物的去除效果還有待優化,去除機制也需要進一步探索。