摘要:污水生态处理技术具有低能耗、低成本、运行管理简单、无二次污染等优点，在美国得到了极为广泛的应用。分析总结了美国污水生态技术发展历程及其作为“革新/替代技术”写入《清洁水法》的技术背景，重点介绍农村污水就地处理系统(OWT)在美国的应用，并在此基础上，对我国农村污水建设提出思考和建议。
1污水生态技术概述
所谓污水生态技术，是利用自然系统的基础组分：水、土壤、细菌、高等植物和阳光组成的污水自然净化系统。与常规污水处理技术比较，生态技术具有以下优点：
①不需要大规模的钢铁、水泥和投加化学药剂，基本没有二次污染;
②造价和运行成本低廉，分别为传统处理技术的1/3~1/8和1/6~1/17;
③低能耗或无能耗运行，有效去除污水中的氮磷营养物，而能耗只有传统技术的1/10左右;
④耐冲击负荷能力强;处理效果比较稳定，适用于农村污水量昼夜波动大的特点;
⑤操作管理简单，一般可以不需要专业技术人员;
⑥可以营造成生态景观，改善村镇环境，农田灌溉或种植蔬菜也可以获得经济收益。
其最大的缺点是：单位污水量需要较多的土地，在污水量大而地价昂贵的城市地区难以推广。
但有专家则认为，既然城市可以从数百公里以外引水，为何不能把城市污水输送到容易获得土地的农村地区处理或者灌溉农田?例如，美国有“沙漠城”之称的凤凰城严重缺水，就采用城市污水作为农业灌溉用水，同时换取另一地区的优质地下水，双方都获得满意的生态经济效益。
我国寿光市利用距市区约35km的废弃盐场地，建造成芦苇湿地作为污水高级处理系统，处理规模达10万m3/d。
2美国污水生态技术再兴起历史背景
其实污水生态技术并不新鲜，已有几百年的历史。早在1650年苏格兰就有污水农场(sewage farms)在运行;19世纪中叶美国采用化粪池+土壤吸附系统处理分散的农村家庭污水;1901年美国建成了第一个城市污水稳定塘处理系统;1907年澳大利亚的沃瑞比农场投入使用，利用废水塘灌溉约1万hm2的土地;
1938年英国41个城市系统的污水采用土地处理技术，同期美国有94个城市污水农场和污水土地处理系统在运行。
之后，由于城市化的发展以及日渐昂贵的城市地价，这些污水生态处理场地逐步被侵占，城市污水处理代之以机械性、化学品处理技术。
到了20世纪70年代初，美国通过实践证明“传统的污水末端处理技术救不了我们的环境”，这是生态技术再次兴起的历史背景。
3美国污水生态技术的应用概况
3.1氧化塘系统
美国1901年就建成了第一个城市污水氧化塘处理工程，1983年全国城市污水氧化塘处理系统达7000座，比1968年增加一倍多，是1988年城市污水处理厂系统总数15 591座的45%，是当年城市污水二级处理厂8536座的82%。1990年全国氧化塘系统达2万个，占全国城市污水处理系统的25%。90%的氧化塘用于城市人口1万或小于1万的小城镇污水处理。
3.2农村家庭污水就地处理系统
在美国污水就地处理系统(OWTS)有上百年的历史，最早用于没有污水收集系统分散居住的农村家庭污水处理，其典型的处理工艺是《化粪池-土壤吸附系统》(ST/SAS)。这种方法的基础是化粪池和土壤吸附，处理系统改造简单，化粪池出水经过一个配水井分配到埋于地下的穿孔管，形成渗滤土壤场地(见图1)。由于不要能耗和运行费用，被称之为“革新/替代技术”，实际是一种生态技术，同时由于费用低和管理简单，处理设施均埋于地下,不妨碍环境卫生条件，所以成为美国分散的农村家庭污水最常用的处理方法。
图1美国农村家庭废水就地处理系统
随着生态技术的研究和应用，又发展了以化粪池或沉淀池为预处理的潜流人工湿地系统，一般用于社区居民污水处理，同时这种系统可以打造成庭院花园或绿地。
3.2.1应用情况
就地处理系统在美国得到政府的支持而得到广泛应用。19世纪中叶，美国有1800万个化粪池/土壤就地处理系统，占全国住宅总数的25%;1970年全国29%的家庭(1950万)污水采用了就地处理系统;1970~1980年，全国平均每年新建约50万个就地处理系统。有的州这种系统的服务人口比例很大：其中有10个州高达40%， 22个州为25%~40%，14个州小于25%。1978~1984年弗罗里达州每年平均建成56 327个就地处理系统;1986年北卡罗林那发放57835个ST/ SAS处理系统执照，1986年对该州11207个系统发放了改建许可证，1988年全州有1500万个在运行。1988年全国建成2300万个化粪池-土壤处理系统，其服务人口约占全国总人口的25%;1999年达2465万个。
2002年，全美有1/4的家庭生活污水处理使用了OWT技术。每天有40多亿gal(1 gal(英)≈4.55 L) 的生活污水经该技术处理系统后进入地下水。在美国居民生活污水处理所使用的技术种类统计中，城镇污水集中处理率占74.8%(服务人口与总人口比)，就地处理技术占24.1%，其他技术为1.1%。
3.2.2就地处理系统的安全性问题
20世纪中期就地处理系统安全问题曾受到质疑，主要集中在污染地下水和化粪池失效两个问题，也曾一度将就地处理改造为集中处理系统。1950~1970年约有1000万个就地处理系统被改成了集中处理设施。
为了确认就地处理系统的安全性，美国环保局委托威斯康辛大学进行了考察研究，研究显示就地处理系统失效主要有以下几种原因;
①对处理场地的评价不够仔细;
②系统的设计不够合理;
③没有按设计要求施工;
④监管部门审查不力;
⑤缺乏合理的运行操作规程等。
笔者认为，其中缺乏合理的操作管理是特别重要的原因。化粪池系统的失效通常是由于人们的忽略，对化粪池不能定期进行清理，导致泥沙淤积且进入土壤吸附场，堵塞污水进入土壤。如果有合适的场地，严格的设计、施工和运行管理，化粪池系统的有效运行寿命与集中处理系统相同，可达30~40 a，其安全性是可以保证的。
3.2.3就地处理技术的优势
管理简单，运行方便;系统运行安全可靠;施工简单方便可以预制;造价和成本低廉;基本不耗能;不影响周围环境卫生。
3.2.4美国化粪池/土壤吸附处理的设计参考数据
(1)人均污水量：美国典型的农村家庭人均污水量为170 L/(人˙d)(北京农村地区为50~80 L/(人˙d))。
(2)化粪池容量：化粪池容量取决于服务人口数量及化粪池污泥清理的间隔时间。例如按每个家庭5口人，4个家庭20口人的污水进行联合处理时，需要化粪池容积约4 m3，预计化粪池污泥每3年清理一次。
(3)土壤处理部分：按每人占地面积约2 m2左右。
(4)穿孔管：连接化粪池出水与土壤的穿孔管埋设在土壤中，形成土壤渗滤场，其埋深根据地区的冰冻层而定。化粪池出水进入的土壤是处理系统的基础。由于处理设施均埋于地下,不影响环境卫生条件。
3.2.5发展前景
2007年美国环保局委托水环境协会召开中长期发展研讨会，制定至2025年研发计划。美国环保局制定了就地处理系统的长期发展战略。美国提出以现有稳定塘、沉淀池、化粪池作为3种预处理技术，与土壤为载体的土地处理、人工湿地和地下渗滤等组合，可根据当地条件作为社区生活污水就地处理系统的选择模式。
英国斯托夫著《水危机》(2000年)一书中，提出作为水污染解决办法的 “生态技术”。所谓生态技术就是基本全部依赖于土壤、水、植物、细菌和太阳的自然要素为基础，组成的低费用、低能耗、不加入化学药剂的自然处理系统。
书中介绍：“这项技术的兴趣已经从德国扩展到欧洲、北美、澳大利亚和全世界。如今，北至加拿大的育空地区和西北地区，南到澳大利亚和新西兰，数以百计的天然湿地和人工湿地用来处理废水和暴雨水。系统的规模从单门独户的家庭到10万人口污水的大系统。”
4我国农村污水处理工程建设的思考
根据住建部2013年城乡建设统计公报，全国自然村265万个，行政村53.72万个，总人口7.62亿。有关领导介绍“十二五”我国农村污水处理目标表示，目前我国农村污水处理率为8%，预计“十三五”将是小城镇和农村环境治理的重要时期，到2020年，农村污水处理率有望翻番，由目前的8%增至15%~20%。另据环保部研究，目前全国约有60万个行政村，按照其中1/3即20万个行政村迫切需要治理，每个行政村治理需要100万元，共需财政投入2 000亿元。
目前全国各个省市普遍积极地开展了农村污水处理技术方案的示范研究。据报道，山东文登市农村正在推广“化粪池—垂直式潜流人工湿地”组成的村庄污水就地处理系统。国家环保部在寿光市三元朱村示范了“OWT技术处理农村生活污水”，也就是本文所述美国农村普遍采用的“化粪池/土壤吸附”就地处理系统。该系统全部埋于地下，不影响环境卫生，地面还可以打造成绿地。由于不需要动力运行，实现了“零”成本，系统稳定运行寿命可达40年。有的地区在同时示范各种处理模式，例如浙江绍兴上虞西湖村一口气拿出了7套方案：“厌氧+湿地”模式、“厌氧+好氧+湿地”模式、“沉淀池+提升泵”模式、“小户型厌氧+湿地”模式，以及采用德国一体化设备、“厌氧+滴灌”模式和集中纳管进城市管网模式等。有传统的“土办法”，也有从德国引进来的先进技术。
值得提出的是，低能耗、低费用、以土壤为基础的生态技术应该成为农村污水处理的主导方向，例如利用“化粪池—土壤渗滤”、“化粪池—潜流人工湿地“组成的就地处理系统，以及储存污水的氧化塘系统与污水灌溉相结合的综合利用模式，可能是最佳的选择。应该吸取有些地区农村污水处理出现的“有钱建设，无钱运行”的教训。国家环保部和住建部应该联合起来及早地进行统一规划和指导。
