党的十九大报告提出乡村振兴战略，要着力解决突出环境问题，开展农村人居环境整治行动，其中农村生活污水治理是一个重要方向。随着生活水平的提高，农村生活污水排放量逐年加大，但目前我国大多数农村并没有完善的污水收集和处理设施。据住建部《2016年城乡建设统计年鉴》数据，中国乡镇集中供水率达到81.44%，但污水平均处理率只有11.38%，集中处理率仅有6%，我国96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统^[1]。污水直接排放，严重污染纳污水体和土壤，并且会严重威胁地下水安全和农村居民的身体健康^[2]。由于农村污水面广分散，不能直接照搬城镇污水处理技术或方式，必须建立适合农村特点的处理方法^[3-4]。我国干旱寒冷地区主要包括内蒙古大部、宁夏、甘肃、新疆等地，这些地区的农村占地面积较大，具有干燥少雨、温差大、太阳辐射强、蒸发量大、雨热同季等显著的气候特征，自然条件严酷。同时这些农村污水处理设施建设滞后，常用的污水处理工艺推广比较难。因此，本文介绍一种无动力·蒸发式污水处理系统，可有效地利用干旱寒冷地区农村面积大、气候干燥、蒸发量大等自然条件，能很好地处理农村生活污水。

1 材料与方法 1.1 无动力·蒸发式污水处理系统

无动力·蒸发式污水处理系统主要包括前期处理装置、精密滤水处理装置、蒸发装置、检水槽，见工艺流程图 1。无动力·蒸发式污水处理系统采用污水进阶式处理。前处理装置由第一消化槽、第二消化槽、预备过滤室构成。预备过滤室主要由过滤布和鹅卵石过滤材料组成。污水前处理主要是在第一消化槽里停留56 h被固液分离，再经过第二消化槽，高分子有机物得到氧化分解，然后通过预备过滤室进行初步过滤。污水经前期处理后，进入精密滤水处理装置进行二次精密过滤，同时利用散水布将水体送入特殊性土壤蒸发装置处理。土壤净化组件由下层的特殊土壤和上层的植被层组成，特殊土壤层由孔隙率在60%~75%的火山岩和炼钢炉渣构成。检水槽里的水位通常和精密滤水装置的水位相同，用于定期抽出水样监测水质。该系统的剖面如图 1所示。

无动力·蒸发式污水处理工艺采用二级厌氧消化+精密过滤+土壤毛细作用和蒸发作用处理农村污水，适用于分散农户家庭或者集中处理规模。污水主要经过二级消化槽、预备过滤室、精密滤水装置、土壤处理装置、蒸发装置、检水槽。设计进水水质：化学需氧量（COD_Cr）≤350 mg∙L^-1，100 mg∙L^-1≤五日生化需氧量（BOD₅）≤250 mg∙L^-1，氨氮≤80 mg∙L^-1，悬浮物≤ 100 mg∙L^-1，总磷≤7 mg∙L^-1，要求经处理后出水指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级标准。工艺流程如图 2所示。

1.2 无动力·蒸发式污水处理系统工程应用

（1）集中污水处理模式。呼和浩特市和林格尔县盛乐新区台基营村的公共卫生间污水处理采用该无动力·蒸发式污水处理系统（图 3，由内蒙古克澜尔环保科技有限公司提供），系统采用地埋式，埋藏深度为1.6 m（冻土层以下）。进水方式为自流式进水，日处理量为3 t，占地面积60 m²，2018年9月建成，整个冬天可以正常运行。系统运行稳定后，2019年4月在第一消化槽和监测井分别采样检测水质指标。

（2）分散式污水处理模式。赤峰市松山区大庙镇小庙子村单户生活污水处理采用该无动力·蒸发式系统（图 4，由内蒙古克澜尔环保科技有限公司提供），日处理量为0.3 t，占地面积20 m²，2018年5月建成，建设规模为100户。系统采用地埋式，埋藏深度为1.8 m（冻土层以下）。2018年10月在第一消化槽和监测井采样检测水质指标。

1.3 水质指标测定方法

COD_Cr采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）；BOD₅采用稀释与接种法（HJ 505—2009）；悬浮物测定采用重量法（GB/T 11901—1989）；石油类和动植物油类的测定采用红外分光光度法（HJ 637—2012）；阴离子表面活性剂测定采用亚甲蓝分光光度法（GB/T 7494—1987）；总氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）；氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）；总磷测定采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）；色度测定采用稀释倍数法（GB/T 11903—1989）。

2 结果与分析

呼和浩特市和林格尔县盛乐新区台基营村的公共卫生间污水处理采用该无动力·蒸发式污水处理系统。建成后运行1个月出水稳定，系统运行半年后从第一消化槽和监测井采样并进行水质指标测定，结果见表 1。结果表明无动力·蒸发式污水处理系统处理农村生活污水效果好，出水水质指标均可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。其中，氨氮、总磷、BOD₅、COD_Cr、悬浮物的去除率均超过90%，分别为99.6%、90.5%、96.0%、91.3%、90.2%，总氮的去除率可以达到81%，净化后的水质较清澈。

无动力·蒸发式污水处理系统处理赤峰市松山区大庙镇小庙子村单户的生活污水的效果如表 2所示。系统对总磷、氨氮、BOD₅、COD_Cr的去除率均超过90%，出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。

3 讨论

无动力·蒸发式污水处理工艺对氨氮、总磷、BOD₅、COD_Cr、悬浮物具有较好的去除效果，出水水质均可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，这与系统的单元组成相关。前期处理主要包括前处理、二次过滤、土壤净化组件处理几个重要环节。前处理主要是污水在消化槽里停留56 h被固液分离，再经过二级消化槽，高分子有机物分阶段进行氧化分解。一级消化槽主要是将污水中高分子有机物通过厌氧菌群进行酸性发酵，分解成为低分子有机物后产生中间产物，如纤维素分解为醋酸、丁酸，碳水化合物分解为醋酸、丁酸、丙酮、乙醇等，蛋白质分解为氨基酸、脂肪酸等，脂肪分解为脂肪酸、甘油、乙醇等。第二阶段主要是将有机中间产物通过甲烷菌进行碱性发酵，变成气体使沉淀污泥量减少。过滤环节分为两个环节：预备过滤和精密过滤。预备过滤室主要由过滤布和鹅卵石过滤材料组成，沉淀分离后的污水自上而下经过过滤布和滤料，将污水进行一次大颗粒过滤；精密过滤室内填充生物膜，污水经过时，细微的浮游物被生物膜吸收去除，变成上澄水。土壤净化组件由下层的特殊土壤和上层的植被层组成。特殊土壤层由孔隙率为60%~75%的火山岩和炼钢炉渣构成，其透气性较高，大气蒸腾作用使土壤内部产生最大不超过-0.01 MPa的负压，蒸腾产生的拉力以负压的形式在土壤内部从上至下依次传递，水分在土壤中经受的吸附力、张力、毛管力、真空力等综合作用力大于水分蒸发所承受的重力时，会向上移动，最终蒸发。水分在上移过程中，给土壤间隙和土壤微生物提供氧气，污染物再次通过土壤微生物进行有氧性分解，使出水水质达到更高标准。植被层可以是绿草、经济作物或灌木等，实现土壤水分再次吸收，同时具有景观作用。

目前，干旱寒冷地区农村生活污水排放问题没有得到解决，对于居住比较分散的农村，大多农村日常生活污水不经过处理，随地乱排或通过一家一户式的渗坑排放。由于渗水井的临时性、不彻底性，其不仅污染地下水，而且污染周边环境，使得农村生活污水处理成为落实乡村振兴战略过程中迫切需要解决的问题^[5-6]。我国干旱寒冷地区气候干旱、多风、寒冷，村落规模较小，村落间的距离较远。各地经济发展水平不一、生活习惯差异大。区域地理、气候与经济状况等特征成为影响农村污水处理工艺技术和处理效能的重要因素。常规的污水处理方法^[7]在寒冷干旱地区运行存在一定的弊端，导致运行比较困难^[8-10]。无动力·蒸发式污水处理系统是一种分散型污水处理系统，适用于没有管网、农户分散的村落，干旱寒冷地区农村土地面积大和日照蒸发量大的条件，可满足干旱寒冷地区污水处理需要。无动力·蒸发式污水处理系统处理后的污水达标后均以气体状态蒸发，不存在污染地下水问题。无动力·蒸发式污水处理系统具有以下优点：（1）无动力、无排放、不渗透、污水净化后蒸发；（2）占地面积小，处理单户农村污水只需占地20 m²左右；（3）无需专人维护，后期无任何费用，使用寿命可达25年，且无臭味、无虫害；（4）整个处理装置安装在冻土层以下，不损害景观，不占用地表面积，冬季不怕上冻。另外该系统设计运行寿命为25年，系统的长期运行效果以及不同季节的运行效果，后续会继续跟踪研究。

4 结论

（1）无动力·蒸发式污水处理系统，由前处理装置、二次过滤装置、特殊土壤处理蒸发装置组成，整个系统采用地埋式，无需专人维护，可在我国北方干旱寒冷地区乡镇、农牧区等无城市管网和处理系统的条件下运行。该系统可处理集中式农村生活污水与分散式农村生活污水。

（2）系统出水水质指标均可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。氨氮、总磷、BOD₅、COD_Cr、悬浮物的去除率均超过90%。

（3）无动力·蒸发式污水处理系统的终端蒸发装置可将净化后水体全部蒸发，节能减排。该技术在内蒙古地区已有多处工程应用，具有良好的应用效果，适用于北方寒冷干旱地区，有很强的地域实用性。