我国农村生活污水资源化利用现状及模式分析

董丽伟，张伟，白璐，许春莲*，王冠淳

1.中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心

2.北京建筑大学环境与能源工程学院

农村生活污水治理是农村人居环境改善的重点，自2008 年中央财政设立农村环境综合整治专项资金以来，大量的农村生活污水治理项目落地，我国农村污水处理率得到显著提升[1]。但由于我国农村污水治理前期忽视了农业农村背景条件，导致在治理思路和方法上走了弯路，经验表明，对于农村生活污水治理来说，先进工艺不一定是最适合的，单纯地追求污水达标排放不符合农村的实际情况。为实现农村生活污水治理设施的可持续运行，必须综合考虑农村排水条件及用水需求，按照技术有效、经济可行、管理简便的原则，做到因地制宜，因需治理。近年来，农村生活污水资源化利用、就地消纳的理念不断加深，截至目前，全国31 个省（区、市）相继出台了农村生活污水处理排放标准，部分省（区、市）对前期发布的地方标准进行了修订[2]，明确鼓励氮磷资源化与尾水利用。2021 年1 月，国家发展和改革委员会等九部委联合印发了《关于推进污水资源化利用的指导意见》（发改环资〔2021〕13 号）[3]，进一步强调“稳妥推进农业农村污水资源化利用”。因此，新形势下农村生活污水治理要在“资源化利用优先”的前提下开展。笔者对我国农村生活污水资源化利用现状及技术模式进行了深入分析，以期为有效解决我国农村生活污水问题提供治理思路和决策支撑。

我国农村生活污水来源包括居民生活过程中粪尿、洁具冲洗、洗浴、洗衣、厨房及房间清洗所排放的污水[4]，污染物种类简单，有机物和氮磷浓度较高，基本不含重金属和有毒有害物质。根据污染物来源，农村生活污水可以分为黑水和灰水，其中黑水来自厕所，水量占污水总量的15%～20%[5]，但污染物浓度高，生活污水中80%～90%的氨和50%～57%的磷来自黑水[6]。根据GB 51347—2019《农村生活污水处理工程技术标准》，混合污水中化学需氧量（COD）为150～400 mg/L，BOD5为100～200 mg/L，氨氮浓度为20～40 mg/L，总氮浓度为20～40 mg/L，总磷浓度为2～7 mg/L。由于各地区的人口规模、居民用水习惯及经济条件不同，用水量有显著差别，总体测算，目前我国农村每年产生的生活污水量约为130 亿t[7]，随着生活水平的提高、厕所革命的开展及排水体系的完善，农村污水产生量仍会增加。

农村生活污水产生的主要特点是点多、面广、量小，特别是在广大山区，管网铺设困难，难以集中收集。此外，污水排放受传统生活习惯的影响严重，大多就近泼洒于房前屋后的自留地或沿道路边沟排放至就近的水体。随着农村人居环境整治的推进，目前我国农村生活污水排放去向占比表现为其他途径>直排入水体>直排入农田>进入农村集中式处理设施>进入市政管网>排入户用污水处理设备[8]。已建设收集管网的排水系统，根据污染物来源分为混合排水系统和源分离排水系统。

2.1 农村生活污水资源化利用存在的问题

资源化利用率低是农村生活污水资源化利用存在的主要问题。地方标准出台前已建的农村生活污水处理设施出水以满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》为主，有研究对我国2000—2016 年共计119 项小于1 000 m3/d 的农村生活污水处理实际工程案例文献进行统计，出水水质主要执行城镇污水处理厂污染物排放标准的文献占比为74.99%[9]，与此同时，统计1999—2019 年20 年间中国知网（CNKI）与科学引文索引拓展版（SCI-E）中有关我国农村生活污水治理技术方面论文发表情况，其中关于资源化利用技术的文章占比仅为5.5%。由此可见，从技术模式研究到实际工程建设，农村生活污水在资源化利用方面都相对欠缺。

导致农村生活污水资源化利用率低的原因是多方面的。首先，我国的农村污水治理起步晚，经验不足，在治理模式的探索过程中，过于参照城市治理模式，对农村的实际情况了解不充分，对污水资源化利用认识不足，过度追求达标排放；
其次，各省农村生活污水排放标准自2019 年才陆续发布，标准引导的缺失导致农村生活污水治理思路受到很大局限，缺少对资源化利用模式的研发与实践；
配套设施建设不完善也是制约农村生活污水资源化利用的主要因素，我国农村大多数村庄居住较分散，且老龄化严重，粪污回田等劳动强度大，但大部分农村地区经济基础又比较薄弱，尾水、粪污储存、输送等资源化利用配套设施不能满足需求，资源化利用项目难以落地；
最后，缺乏激励机制，特别是南方丰水地区，对污水资源化利用需求不大，在没有一定激励机制的情况下，回用积极性不高。

2.2 农村生活污水资源化利用方向

与城市生活污水资源化利用方向不同，回用于农业生产是农村生活污水最佳的资源化利用途径。侯怀恩等[10]提出农村生活污水的资源化利用主要是发展灌溉；
吕锡武[11]提出把农村生活污水治理融入到农业之中，则农村生活污水中的氮磷可变废为宝；
中国人民大学低碳水环境技术研究中心主任王洪臣在专访中提出，农村污水可随同治理设施同步就地实现农业灌溉[12]。研究表明，生活污水直接灌溉会对土壤、农作物等带来不利的影响[13-16]，而经过适度处理后有助于农作物的生长[17-21]。此外，在我国将农村生活污水治理与农业种植相结合具有独特优势：1）农村生活污水水质指标与农田灌溉用水水质标准相差不大，是比较容易实现的资源化路径，在污染物浓度降低的同时，可为农作物提供优质肥源；
2）农村有广阔的农田和菜地，具有就地消纳污水的能力和地理优势；
3）农村生活污水处理至灌溉水质标准，处理工艺大大简化，处理费用和运维难度降低，有利于实现污水治理的长效落实。

在与农业结合的农村生活污水资源化利用项目中，应充分考虑污水排放与农业灌溉用水需求不平衡的问题。由于农田灌溉具有明显的季节性和非持续性，且农田对尾水的接纳量也有一定的限度，而污水的排放是持续不断的，超出农田自净化能力的污水直接排放，会造成周边环境的二次污染。因此，在资源化利用项目的实施过程中，应重视潜在风险，增设环境风险控制单元，做好防范措施。

结合农村生活污水特点及农业生产需求，在总结近年来我国农村生活污水治理技术成功案例的基础上，提出4 种适用于不同条件的资源化利用模式，分别是污染物削减与经济作物种植耦合模式、尾水灌溉模式、水质调控型按需排放模式及黑灰水分质资源化利用模式，以期为实现农村生活污染减量化、污水资源化及再利用提供参考。

3.1 污染物削减与经济作物种植耦合模式

（1）模式特点及处理技术

该模式的特点是直接将经济作物种植于污水处理单元[11,22]，在实现污水净化的同时，经济作物产生的收益能补偿水处理系统的运行费用，从而减轻农户及财政负担。筛选具有高氮磷吸收能力的农作物是实现污水净化及创收的关键。通过已有工程实践证明，采用该模式既能实现氮磷资源回收又能满足污水达标排放要求。

该模式的典型工艺流程如图1 所示。生活污水经预处理后，进入生物处理单元，生物处理单元将有机物转化为易于植物吸收的硝氮、氨氮以及磷酸盐等无机物，生态单元以生物单元处理后的生活污水作为滤床内经济作物的营养物质，通过作物吸收、土壤过滤、微生物降解等作用降低污水中COD、氮、磷等有机和无机物的浓度。生物处理的好氧单元可以采用跌水、拔风、自然通风等自然充氧形式，降低能耗；
生态单元可以采用经济型人工湿地、经济型土壤净化床等形式，也可依靠农村特有的优势，充分利用现有坑塘、农地，实现农村污水处理的田园化、生态化、景观化。

图1 污染物削减与经济作物种植耦合模式工艺流程Fig.1 Process flow chart of pollutant reduction and cash crop planting coupling mode

（2）适用范围

该模式主要针对出水要求较高，运维费用短缺，有经济作物需求的地区。该模式受气温影响严重，在南方地区尤其适用，在北方地区应用该模式需要做好保温措施，可以采取温室大棚的形式，在建设成本上相对南方地区偏高。

（3）应用分析

“厌氧+跌水曝气+经济型人工湿地”处理技术，生态单元采用人工湿地形式，种植水生蔬菜选择水芹和空心菜，根据植物生长情况定期收割，换季时换茬，COD 去除率≥85%，总氮去除率≥80%，氨氮去除率≥95%，总磷去除率≥85%。处理规模为10 t/d的设施，吨水投资约为1 万元，吨水占地面积20 m2，吨水直接运行成本约为0.15 元。该技术在江苏省宜兴市、常州市、南京市等多地有工程应用。

“厌氧+经济型土壤净化床”处理技术，生态单元采用土地渗滤形式，种植水芹和茭白，COD 去除率约80%，总氮去除率约70%，氨氮去除率约70%，总磷去除率约60%。处理规模为10 t/d 的设施，吨水投资不高于0.8 万元，吨水占地面积为10 m2，吨水直接运行成本不高于0.2 元。该技术在北京市顺义区、安徽省合肥市等多地有工程应用。

3.2 尾水灌溉模式

（1）模式特点及处理技术

该模式的特点是工艺简单，维护管理难度低，建设及运行费用少，出水只需满足GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》即可，在出水排放要求较高的地区需要增设蓄水池或深度处理单元，避免过量污水造成二次污染。

该模式的典型工艺流程如图2 所示。农村生活污水经预处理后，进入生态处理系统，出水用于农业灌溉。根据设施所在地区农村的实际情况，可选择稳定塘、人工湿地、沼气净化池和土地渗滤等技术。参照住房和城乡建设部发布的《农村生活污水处理技术指南》，对生态技术的分类、优缺点、适用范围及造价汇总如表1 所示。为保证人工湿地、土地渗滤等系统正常运行，一般在生态处理工艺前增设厌氧单元。

图2 尾水灌溉模式工艺流程Fig.2 Process flow chart of tail water irrigation mode

表1 尾水灌溉模式技术对比Table 1 Technical comparison of tail water irrigation mode

（2）适用范围

适用于进水污染物浓度较低、气候条件适宜、土地资源相对丰富或有天然存储条件的村落。特别适合住户分散、地形复杂、地广人稀的村落，对单户或多户污水实现就地处理。

（3）应用分析

采用“厌氧+潜流人工湿地”工艺处理农村生活污水，COD 去除率为40%～80%，SS 去除率为60%～90%。处理规模为10 t/d 的设施，吨水投资0.65 万～0.85 万元，吨水占地10～30 m2，运行成本主要是水力提升泵消耗的电费及植物收割费用，吨水运行费为0.05～0.15 元。该技术在湖北十堰、浙江桐庐等多地有工程应用。

采用“沼气净化池+人工湿地”工艺处理农村生活污水，COD 去除率为40%～85%，SS 去除率为70%～90%。处理规模为10 t/d 的设施，吨水投资1.2 万～1.5 万元，吨水占地5～8 m2，运行成本主要是水力提升泵消耗的电费、污泥定期清理及植物收割费用，吨水运行费低于0.15 元，产生的沼渣无害化处理后可用于制备营养土及有机肥等，按照NY/T 2065—2011《沼肥施用技术规范》的要求，可回用于农业生产。该技术在四川省乐至县、重庆市巴南区等多地有工程应用。

3.3 水质调控型按需排放模式

（1）模式特点及处理技术

该模式是根据农业生产用水特点，通过调控污水处理设备的运行频率、曝气强度、污泥回流量等工艺条件，控制污染物的去除率，实现出水水质可调的目的。该模式在灌溉季节满足种植业用水需求，在非灌溉季节满足达标排放要求，解决了污水排放与农业用水需求不平衡的问题。

该模式的典型工艺流程如图3 所示。农村生活污水经预处理后，进入A/O 一体化设施，出水用于灌溉或排放。A/O 一体化设施通过内部结构的巧妙设计，将缺氧、好氧、沉淀等单元有机结合，达到在去除污染物的同时，减小占地面积，且运输方便、安装灵活，适合在农村地区使用。在灌溉季节通过减小曝气量，停止污泥回流等方式降低处理效率，使出水满足灌溉水标准即可。

图3 水质调控型按需排放模式工艺流程Fig.3 Process flow chart of water quality control type ondemand discharge mode

（2）适用范围

该模式适用于有季节性灌溉需求、人口密集、污水排放相对集中、对排放水质要求较高，且可利用土地紧张的村落。

（3）应用分析

集缺氧、好氧、沉淀处理于一体的A/O 一体化设备，COD 去除率约90%，总氮去除率约70%，氨氮去除率约80%，满足达标排放要求。处理规模为10 t/d 的设施，吨水建设成本约2 万元，吨水运行成本约0.3～0.5 元，设备吨水占地面积约0.4～1.5 m2。在灌溉期，通过改变运行条件，节约能耗，吨水运行费用降低，约0.2～0.35 元。目前，在太湖流域、辽河流域均有A/O 一体化污水处理设备的应用，可通过调节运行条件，实现节能、降耗、资源再利用。

3.4 黑灰水分质资源化利用模式

（1）模式特点及处理技术

该模式是基于源分离和分质处理的理念，将生活污水在源头进行分离，后续分别处理利用。黑水体积小、污染物浓度高，更容易实现资源化[23]；
灰水体积大，但污染物浓度低，处理工艺相对混合污水可适度简化，建设和运行费用降低。该模式通过源头减量，实现最大程度的污水资源与能源回收，特别适合我国农村生活污水分散处理的实际需求。

该模式的典型工艺流程如图4 所示，包括灰水处理和黑水处理2 个部分。灰水通过预处理后进入稳定塘、人工湿地等生态处理单元，出水直接用于农业灌溉。黑水收集后进入化粪池或沼气池。根据处理效果，达到无害化要求的上清液可输送至灰水生态处理系统，与灰水一并处理，达到农业灌溉要求，也可稀释后直接就近就地利用；
粪渣和沼渣可就地堆沤腐熟利用，也可集中收集转运至有机肥厂用于肥料生产。采用沼气池进行无害化处理时，黑水需要与畜禽粪便、农村秸秆等一并处理[24]。对于无收集管网的地区，可直接由抽粪车定期将粪污或沼液沼渣送至污水处理厂或发酵池等集中处理设施处理。近年来，随着乡村厕所革命的开展，合理利用无害化卫生厕所也可同时实现黑水的无害化处理与资源化利用。

图4 黑灰水分质资源化利用模式工艺流程Fig.4 Process flow chart of black water and grey water graded resource utilization mode

（2）适用范围

该模式适用于居住分散的农村地区或建设有收集管网和资源化回收利用条件的地区，特别适合已开展农村“厕所革命”的地区。

（3）应用分析

灰水采用“预处理+人工湿地”工艺处理时，COD去除率为40%～80%，SS 去除率为50%～80%，处理规模10 t/d 的设施，吨水投资为3 500～5 500 元，吨水占地15～50 m2，运行成本主要是水力提升泵消耗的电费及植物收割费用，吨水运行费为0.05～0.15 元；
黑水储存于化粪池定期外运，根据DB 21/T 2943—2018《农村生活污水处理技术指南》（试行），三格化粪池的造价为0.25～0.45 万元/户，根据实际调研，抽粪车抽吸费用约30～100 元/（次·户）。在河北省石家庄市、衡水市等地有灰水单独收集治理的应用项目，“厕所革命”在全国大范围内已组织开展。

综上，4 种模式的对比如表2 所示。

表2 农村生活污水资源化利用模式对比Table 2 Comparison of different rural sewage resource utilization modes

（1）提出的“污染物削减与经济作物种植耦合模式、尾水灌溉模式、水质调控型按需排放模式、黑灰水分质资源化利用模式”4 种农村生活污水资源化利用模式，适用于不同条件的农村生活污水处理及资源化利用。尾水去向方面，污染物削减与经济作物种植耦合模式、水质调控型按需排放模式尾水既能用于灌溉也能满足达标排放要求，尾水灌溉模式和黑灰水分质资源化利用模式尾水或黑水只能回用于农田；
建设成本方面，水质调控型按需排放模式最高，黑灰水分质资源化利用模式最低；
运行成本方面，水质调控型按需排放模式最高，尾水灌溉模式最低；
占地面积方面，水质调控型按需排放模式最小，黑水和灰水分质资源化利用模式最大。

（2）因地制宜选择资源化利用模式，推进农村生活污水资源化项目长效运行。充分考虑资源化项目所在村落的生产生活特点，选择可持续性的资源化利用模式，系统推进农村生活污水资源化项目与农业生产、农村改厕项目的有机衔接，完善农村生活污水收集、回用配套设施的建设，健全农村生活污水资源化利用引导和鼓励机制，提高资源化利用率。

（3）鼓励农村生活污水资源化利用，降低处理难度、减少处理成本、减少污染物向环境的排放量，是未来我国农村生活污水治理的重点方向。目前我国在农村生活污水回用于农业灌溉过程中，对生物安全性指标重视不够，建议加强对出水大肠杆菌的监测，在不能满足农灌标准要求时，增设消毒设施。

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