農村生活污水生物生態(tài)耦合治理模式與單元關鍵技術
呂錫武
東南大學（南京，210096）
自2012年起，在中央“農村連片環(huán)境整治”、美麗鄉(xiāng)村建設以及農村改廁等一系列項目及其治理專項資金的推進下，全國農村生活污水治理發(fā)展迅速。長三角的浙江省、上海市以及江蘇的太湖流域等地農村生活污水治理普及率已經達到了很高的水平。
但2017年江蘇省的一項調研報告表明，太湖流域已建工程的67.89%處于非正常運行或未運行狀態(tài)，處理裝置出水水質總體達標率很低。
已建設的裝置不能正常運行原因包括：
（1）生搬硬套城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)�；�、專業(yè)化管理的工藝，把復雜的城鎮(zhèn)污水處理技術簡單小型化，沒有考慮農村生活污水排放分散，不具備配備專業(yè)化人才管理的農村實際，存在嚴重的水土不服；
(2)忽略了農村豐富的土地資源及農業(yè)對氮磷營養(yǎng)鹽的強大需求和消納能力。而這一點恰恰是農村所特有的，是小型分散式農村污水治理實現無害化和氮磷資源化利用的有利條件。
不僅僅是蘇南太湖流域，全國其它地方包括浙江、上海等地，以及正在實施的農村污水處理PPP項目，大多存在以上問題的嚴重隱患。主要的問題有：農村污水處理設施排放標準制定不合理，污水處理工藝設計不切合農村實際，管理復雜，建設和運行成本高昂，成為各級政府財政的沉重負擔。目前的這種農村污水治理模式是不可持續(xù)的，希望能引起各級政府的高度重視。
中央農辦（中農發(fā)〔2019〕14號）等九部委“關于推進農村生活污水治理的指導意見”提出農村生活污水治理應遵循的原則是：“因地制宜、尊重習慣，應治盡治、利用為先，就地就近、生態(tài)循環(huán)，梯次推進、建管并重，發(fā)動農戶、效果長遠”。
針對我國農村的特點和農村生活污水治理的需求，將污水處理與農業(yè)種植業(yè)相結合，采用“生物—生態(tài)”耦合工藝，將處理技術設計成“生物單元處理有機污染物，生態(tài)單元資源化利用氮磷”的模式，既實現了生物單元的大幅度簡化，易于管理，還通過生態(tài)單元種植經濟型植物資源化利用水中的氮磷營養(yǎng)鹽，構建污染凈化型農業(yè)，形成可持續(xù)發(fā)展的農村生活污水生物生態(tài)組合處理成套技術體系。
我國農村生活污水治理的有利條件是：污水沒有有毒有害物質，且富含氮磷。如果把農村生活污水治理融入到農業(yè)之中，則農村生活污水中的氮磷則可變廢為寶，成為農業(yè)種植所需的寶貴肥料資源，農村豐富的土地資源和種植業(yè)也完全具備消納生活污水氮磷的強大能力。從這立場出發(fā)的農村生活污水治理的戰(zhàn)略選擇應該是：源于三農，融入三農，服務于三農。農村污水處理應該瞄準“因地制宜、高技術、低投資與運行成本、易維護、資源化利用氮磷”的目標，體現可持續(xù)發(fā)展的污水治理原則。
本文基于以上的理念，以作者及其團隊承擔的國家水專項和省部級多項相關課題多年持續(xù)研究和開發(fā)的成果為基礎，提出可持續(xù)發(fā)展的農村生活污水生物生態(tài)耦合治理的模式及其關鍵單元技術。
一、生物生態(tài)耦合治理模式：
1.分流制生活污水管網+生物生態(tài)組合工藝
2.單戶或相鄰多戶分散處理+尾水綠地利用+排入生態(tài)溝渠或雨水管網
3.灰黑分離模式：
3.1黑水集中收集+秸稈異位發(fā)酵床制取有機肥+灰水直接生態(tài)凈化
3.2黑水高效化糞池+灰水生態(tài)凈化
二、關鍵單元技術
1.生物單元
1.1多級串聯大深徑比高效厭氧反應器
國內外研究實踐表明，常溫厭氧處理低濃度污水的可行的，問題在于水力停留時間較長，往往難以滿足實際要求。因此提高低濃度污水常溫高效厭氧處理顯得十分重要。生物生態(tài)組合體系中，厭氧段需要高效降解有機物，以降低好氧段有機負荷和需氧量，為后續(xù)好氧段實現低耗能提供保障。從反應器流態(tài)看，理論上推流厭氧反應器比完全混合反應器具有更高的處理效率和耐沖擊負荷能力。多級串聯大深徑比高效厭氧反應器可以解決這一難題：以水動力學和反應器構造原理為基礎，增加厭氧反應器的有效水深，形成“大深度，小內徑”的特征構型，在其內部形成整體升流或降流的推流流態(tài)，而多級串聯使水力停留時間更趨推流，保證厭氧反應的高效進行。反應器內填充無紡布或彈性填料，提高生物附著比表面積來提高厭氧反應效率。在相同容積負荷的情況下，較大的深徑比也縮減了反應器的占地面積。該反應器適用于地下水水位較深、土地資源緊張的地區(qū)。
作為替代單元，折板高效厭氧反應池適用于地下水位淺，地質條件不好的地區(qū)，是采用特定填料的管道式或折流板式推流反應器裝置，適合于小型分散生活污水就地處理，也可利用現有的化糞池進行改造。
1.2高適應性農村生活污水處理的低能耗好氧處理單元
組合工藝中好氧段以氮磷的無機化和有機物的進一步去除為主要功能，以求保證濕地出水穩(wěn)定達標。常規(guī)小型污水生物脫氮工藝中，曝氣動力消耗一般占日常運行成本的80%，是傳統(tǒng)生物處理的主要耗能單元。采用階式跌水、往復式跌水、拔風、水車驅動生物轉盤等自然充氧形式，簡化了傳統(tǒng)生物處理曝氣方式，構建了多種低能耗好氧處理裝置。
跌水曝氣充氧裝置利用污水提升獲得勢能，分級跌落，將勢能轉化為動能，形成水幕、水滴自然充氧，無需曝氣機設備。本技術包含多種不同構型的充氧裝置，以應對不同的農村生活污水水質變化的需求�？梢杂须A式和垂直交錯跌水兩種類型。垂直交錯跌水充氧生物接觸氧化池接觸氧化池多級垂直交錯分布，利用擋板使污水往復跌落，占地較梯式跌水充氧可節(jié)省50%以上，且由于占地集中，外圍可建房屋，實現保溫，保證冬季污染物降解效率，可適應寒冷的北方地區(qū)。
水車驅動生物轉盤利用水流跌落的動能帶動水車轉動，實現污水跌落充氧、濺水分散充氧和轉盤盤面復氧的三重充氧作用，充氧效果優(yōu)，適用于較高濃度的生活污水。
圖一 各類型跌水裝置圖
脈沖多層復合濾料生物濾池無需曝氣，自然通風供氧，水力負荷高，占地面積小，耐沖擊負荷。其采用虹吸脈沖布水的方式，既可以維持濾池以低平均負荷運行，保證濾池中硝化反應順利完成；又保證在布水時瞬間沖刷掉部分老化的生物膜，從而維持較高活性的生物膜，解決了傳統(tǒng)的生物濾池易于堵塞和生長池蠅、產生臭味的問題。此外在濾料填充層中可設“廢石膏充填區(qū)”，初步實現磷的去除。生物濾池整體呈塔狀，在寒冷地區(qū)應用時方便外加建筑保溫。
1.3反硝化除臭技術
生活污水中含有大量有機物，經厭氧處理后易產生氨、硫化氫、甲硫醇、甲胺等致臭物質，這些致臭物質散逸至空氣中會嚴重影響污水處理設施周邊空氣質量。目前污水廠除臭方法主要有：對已逸出到大氣中的臭氣進行收集去除的被動的除臭方法，代表技術有生物濾池過濾、植物提取液除臭、活性炭吸附、高能離子除臭、化學除臭和活性氧除臭等；以及通過投藥提高污水中氧化還原電位，避免含氮及含硫化合物產生的主動除臭法。以上方法均需額外的動力設施和化學藥劑，運行費用昂貴，管理難度大，基本不可能在農村地區(qū)推廣。創(chuàng)新型的反硝化除臭技術是利用好氧生物處理單元產生的硝化液和剩余溶氧回流至缺氧池，氧化并稀釋其中的還原性致臭物質，解決了臭味問題。
2.生態(tài)單元
生態(tài)單元緊密結合農村種植業(yè)，使之成為污染凈化型農業(yè)。主要表現為兩方面：用經濟作物替代傳統(tǒng)濕地植物并優(yōu)化濕地構型；構建污染凈化型農業(yè)，實現氮磷資源化利用的同時獲得一定經濟效益。通過采用水耕蔬菜型過濾床、水位及浸潤度可控型潛流人工濕地等專門技術，有效提高人工濕地的處理效率。人工濕地生產有經濟價值的水生蔬菜和花卉，可調動農民參與污水處理設施管理的積極性，利于工藝的推廣。另一方面，強化與提升污染物沿程凈化的理念，通過相關技術的研發(fā)與集成創(chuàng)新，實現污染物削減的最大化。同時根據不同地區(qū)的條件，還因地制宜地研發(fā)了梯式生態(tài)礫石處理技術、階式多功能強化生態(tài)凈化塘處理技術，多種構型的生態(tài)混凝土支撐生態(tài)溝渠沿程降解技術。
2.1無土栽培與人工濕地集成優(yōu)化技術
水耕蔬菜人工濕地技術：開創(chuàng)性地融合了人工濕地技術和蔬菜無土栽培技術，集成優(yōu)化提出在人工濕地內培植空心菜、水芹、豆瓣菜、番茄、生菜等根系發(fā)達、生長速率快的常見無土栽培蔬菜，以生物單元處理后的尾水作為人工濕地內水生蔬菜的“營養(yǎng)液”，而根系發(fā)達的水生蔬菜密植于人工水槽中，形成細密的根系墊層，以此充當“基質”，供微生物附著，同時通過攔截顆粒性污染物和水質凈化作用，對后續(xù)浸潤度可控人工濕地起保護作用。通過濕地出水堰的改良設計來實現人工濕地水位的控制，使得人工濕地適應各種經濟植物的生長；還可以在人工濕地上加蓋暖棚，保證其冬季低溫條件下的正常運行；在人工濕地內引入蚯蚓，改善濕地微環(huán)境，提高濕地的污染物去除效果。
水位及浸潤度可控型潛流人工濕地技術是利用出水堰（閥）的優(yōu)化設計，實現對潛流人工濕地內水位的控制，進而調節(jié)濕地濾床深度及基質床層浸潤程度。一方面引導人工濕地內水生蔬菜根系縱向的充分發(fā)展，另一方面強化大氣復氧能力，改善濾床及基質的氧環(huán)境。在北方寒冷地區(qū)應用時，可以搭建暖棚或通過控制水位使?jié)竦囟舅坏陀诒鶅鼍�，從而防止?jié)摿魅斯竦亟Y冰，保證人工濕地冬季的正常運行。
2.2垂直潛流落干式濕地
實質是垂直潛流生化濾床為核心的人工濕地技術，克服了潛流濕地易堵塞的缺點，使用周期可長達20年以上�？蓱迷诨诨液诜蛛x模式的混合污水的直接處理，通過污水泵提升，由管道布水噴流系統(tǒng)均勻分布到生態(tài)濾床表面；污水重力下滲，經過濾床砂層基質內無數微處理單元，在底部礫石排水層匯集，由環(huán)切孔排水管導流排放。
2.3階式多功能強化生態(tài)凈化塘處理技術：是針對村落周邊分布的小池塘、斷頭河等，利用軟圍隔導流、生態(tài)護岸、人工介質、立體生態(tài)浮島等多種技術優(yōu)化組合而成。其依靠塘中的藻、菌共生原理來充分調動水體的自凈能力，達到去除氮、磷，深度凈化污水處理尾水、改善水體景觀的目的。
2.4 梯式生態(tài)礫石處理技術是針對丘陵地區(qū)農村的地形特征而開發(fā)的生物生態(tài)高集約化技術。其利用地形落差，階梯式布置多級生態(tài)礫石床，床內分級放置填料，利用級間高差跌水實現充氧；通過結構優(yōu)化，形成A/O/A/O流程，保證氮磷去除效率；礫石表面可種植與周圍生態(tài)景觀相協調的水生花卉、水生蔬菜、水生牧草等。本技術將生物單元和生態(tài)單元合并，因地制宜、工藝實用，維護方便。
三、應用舉例
為應對不同農村地區(qū)經濟狀況、人員素質、地理氣候等多方面條件對污水治理的約束，滿足不同地區(qū)對出水水質的需求，可持續(xù)發(fā)展的農村污水治理技術已形成包含多種單元技術的可選組合技術系統(tǒng)，通過將前文所述的多種單元創(chuàng)新技術進行系統(tǒng)集成和有機組合，形成最適合于當地的農村生活污水處理工藝。
3.1 宜興市周鐵鎮(zhèn)分散式生活污水處理工程共計約87戶，人口約310人，設計污水處理流量30噸/天，工藝流程為“大深徑比厭氧反應器-階梯式跌水充氧反應器-水生蔬菜過濾床+潛流人工濕地”，主體工藝及現場情況如圖四。工程占地面積240m2，其中濕地面積216m2，噸水濕地面積7.2m2，直接運行成本0.11元/噸水。該項目出水穩(wěn)定優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918－2002）的一級B標準。污水處理設施建設投資每噸水在8000元左右。設施較傳統(tǒng)生活污水處理工藝（以A2/O工藝為例）節(jié)能70%以上，節(jié)地20%以上。水生蔬菜型人工濕地每年以空心菜和水芹菜輪種，每年空心菜產量約8000斤/畝，水芹菜1000斤/畝，產生經濟效益高于18000元/畝。同時本設施大深徑比厭氧器還具備沼氣收集利用的條件。
3.2 常州武進區(qū)新康村生活污水處理工程污水來源于村內30戶村民，約100人，設計處理規(guī)模10噸/天，工藝流程為“折流板厭氧反應器-缺氧反硝化-水車驅動生物轉盤-浸潤度可控潛流人工濕地”，工程占地面積110m2，其中濕地面積100m2。
3.3 北京市通州區(qū)后青山村共有56戶居民，人口約200。采用單戶或相鄰多戶分散式處理，尾水就近消納的模式。
后青山村生活污水處理片區(qū)布置圖
“一體化處理設施+就近資源化利用”工藝
四、結束語
我國幅員遼闊，各地農村地區(qū)情況差異較大。農村生活污水治理受經濟狀況、人員素質、地形地貌、氣候條件等多方面條件約束，單一模式的污水處理工藝無法包打天下，也不可能適應復雜農村背景條件。可持續(xù)發(fā)展的農村生活污水生物生態(tài)耦合治理模式及其多種單元技術的可選組合技術系統(tǒng)，具有因地制宜的高適用性特色。其內涵是將多種農村生活污水單元創(chuàng)新處理技術進行系統(tǒng)集成和優(yōu)化組合，形成具有節(jié)能、節(jié)地、高效、低維護、景觀化、園林化、氮磷資源化特征的多種可選工藝流程，形成可持續(xù)發(fā)展的農村生活污水處理生物生態(tài)組合成套技術體系，以滿足不同農村地區(qū)生活污水治理的不同需求。
5月15日直播預告|用國際視野打造上海市中心城雨水規(guī)劃
2020-05-11 12:21
歡迎進入《中國給水排水》直播間
城市雨水排水規(guī)劃作為城市水務規(guī)劃和城市規(guī)劃的重要組成部分，其規(guī)劃的視野、理念、層次、科學性、可實施性等，直接反映著一個城市對雨水在自然、社會水循環(huán)系統(tǒng)中重要作用的理解水平。本次上海市中心城排水規(guī)劃方案采用吸納國際團隊參加，旨在吸取國際經驗，尋求全球創(chuàng)意，破解城市雨水排水難題，體現了上海市政府海納百川的胸懷和高瞻遠矚的境界。
主題
用國際視野打造上海市中心城雨水規(guī)劃
直播時間
2020年5月15日（周五） 14:00—16:00
主持人
王領全《中國給水排水》雜志副主編
主講人
唐建國， 上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司 總工程師、教授級高工
住房城鄉(xiāng)建設部科技委員會城鎮(zhèn)水務專家委員會委員
國家水專項城市水環(huán)境主題專家組成員
中國供水排水協會科技發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會委員
《中國給水排水》編委會成員
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