農(nóng)村生活污水生物生態(tài)耦合治理模式與單元關(guān)鍵技術(shù)
呂錫武
東南大學(xué)（南京，210096）
自2012年起，在中央“農(nóng)村連片環(huán)境整治”、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)以及農(nóng)村改廁等一系列項(xiàng)目及其治理專(zhuān)項(xiàng)資金的推進(jìn)下，全國(guó)農(nóng)村生活污水治理發(fā)展迅速。長(zhǎng)三角的浙江省、上海市以及江蘇的太湖流域等地農(nóng)村生活污水治理普及率已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。
但2017年江蘇省的一項(xiàng)調(diào)研報(bào)告表明，太湖流域已建工程的67.89%處于非正常運(yùn)行或未運(yùn)行狀態(tài)，處理裝置出水水質(zhì)總體達(dá)標(biāo)率很低。
已建設(shè)的裝置不能正常運(yùn)行原因包括：
（1）生搬硬套城鎮(zhèn)污水處理廠規(guī)�；�(zhuān)業(yè)化管理的工藝，把復(fù)雜的城鎮(zhèn)污水處理技術(shù)簡(jiǎn)單小型化，沒(méi)有考慮農(nóng)村生活污水排放分散，不具備配備專(zhuān)業(yè)化人才管理的農(nóng)村實(shí)際，存在嚴(yán)重的水土不服；
(2)忽略了農(nóng)村豐富的土地資源及農(nóng)業(yè)對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的強(qiáng)大需求和消納能力。而這一點(diǎn)恰恰是農(nóng)村所特有的，是小型分散式農(nóng)村污水治理實(shí)現(xiàn)無(wú)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(guó)其它地方包括浙江、上海等地，以及正在實(shí)施的農(nóng)村污水處理PPP項(xiàng)目，大多存在以上問(wèn)題的嚴(yán)重隱患。主要的問(wèn)題有：農(nóng)村污水處理設(shè)施排放標(biāo)準(zhǔn)制定不合理，污水處理工藝設(shè)計(jì)不切合農(nóng)村實(shí)際，管理復(fù)雜，建設(shè)和運(yùn)行成本高昂，成為各級(jí)政府財(cái)政的沉重負(fù)擔(dān)。目前的這種農(nóng)村污水治理模式是不可持續(xù)的，希望能引起各級(jí)政府的高度重視。
中央農(nóng)辦（中農(nóng)發(fā)〔2019〕14號(hào)）等九部委“關(guān)于推進(jìn)農(nóng)村生活污水治理的指導(dǎo)意見(jiàn)”提出農(nóng)村生活污水治理應(yīng)遵循的原則是：“因地制宜、尊重習(xí)慣，應(yīng)治盡治、利用為先，就地就近、生態(tài)循環(huán)，梯次推進(jìn)、建管并重，發(fā)動(dòng)農(nóng)戶(hù)、效果長(zhǎng)遠(yuǎn)”。
針對(duì)我國(guó)農(nóng)村的特點(diǎn)和農(nóng)村生活污水治理的需求，將污水處理與農(nóng)業(yè)種植業(yè)相結(jié)合，采用“生物—生態(tài)”耦合工藝，將處理技術(shù)設(shè)計(jì)成“生物單元處理有機(jī)污染物，生態(tài)單元資源化利用氮磷”的模式，既實(shí)現(xiàn)了生物單元的大幅度簡(jiǎn)化，易于管理，還通過(guò)生態(tài)單元種植經(jīng)濟(jì)型植物資源化利用水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽，構(gòu)建污染凈化型農(nóng)業(yè)，形成可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水生物生態(tài)組合處理成套技術(shù)體系。
我國(guó)農(nóng)村生活污水治理的有利條件是：污水沒(méi)有有毒有害物質(zhì)，且富含氮磷。如果把農(nóng)村生活污水治理融入到農(nóng)業(yè)之中，則農(nóng)村生活污水中的氮磷則可變廢為寶，成為農(nóng)業(yè)種植所需的寶貴肥料資源，農(nóng)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(qiáng)大能力。從這立場(chǎng)出發(fā)的農(nóng)村生活污水治理的戰(zhàn)略選擇應(yīng)該是：源于三農(nóng)，融入三農(nóng)，服務(wù)于三農(nóng)。農(nóng)村污水處理應(yīng)該瞄準(zhǔn)“因地制宜、高技術(shù)、低投資與運(yùn)行成本、易維護(hù)、資源化利用氮磷”的目標(biāo)，體現(xiàn)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(tuán)隊(duì)承擔(dān)的國(guó)家水專(zhuān)項(xiàng)和省部級(jí)多項(xiàng)相關(guān)課題多年持續(xù)研究和開(kāi)發(fā)的成果為基礎(chǔ)，提出可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水生物生態(tài)耦合治理的模式及其關(guān)鍵單元技術(shù)。
一、生物生態(tài)耦合治理模式：
1.分流制生活污水管網(wǎng)+生物生態(tài)組合工藝
2.單戶(hù)或相鄰多戶(hù)分散處理+尾水綠地利用+排入生態(tài)溝渠或雨水管網(wǎng)
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(jī)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(guān)鍵單元技術(shù)
1.生物單元
1.1多級(jí)串聯(lián)大深徑比高效厭氧反應(yīng)器
國(guó)內(nèi)外研究實(shí)踐表明，常溫厭氧處理低濃度污水的可行的，問(wèn)題在于水力停留時(shí)間較長(zhǎng)，往往難以滿(mǎn)足實(shí)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(jī)物，以降低好氧段有機(jī)負(fù)荷和需氧量，為后續(xù)好氧段實(shí)現(xiàn)低耗能提供保障。從反應(yīng)器流態(tài)看，理論上推流厭氧反應(yīng)器比完全混合反應(yīng)器具有更高的處理效率和耐沖擊負(fù)荷能力。多級(jí)串聯(lián)大深徑比高效厭氧反應(yīng)器可以解決這一難題：以水動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器構(gòu)造原理為基礎(chǔ)，增加厭氧反應(yīng)器的有效水深，形成“大深度，小內(nèi)徑”的特征構(gòu)型，在其內(nèi)部形成整體升流或降流的推流流態(tài)，而多級(jí)串聯(lián)使水力停留時(shí)間更趨推流，保證厭氧反應(yīng)的高效進(jìn)行。反應(yīng)器內(nèi)填充無(wú)紡布或彈性填料，提高生物附著比表面積來(lái)提高厭氧反應(yīng)效率。在相同容積負(fù)荷的情況下，較大的深徑比也縮減了反應(yīng)器的占地面積。該反應(yīng)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(yīng)池適用于地下水位淺，地質(zhì)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(yīng)器裝置，適合于小型分散生活污水就地處理，也可利用現(xiàn)有的化糞池進(jìn)行改造。
1.2高適應(yīng)性農(nóng)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(wú)機(jī)化和有機(jī)物的進(jìn)一步去除為主要功能，以求保證濕地出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。常規(guī)小型污水生物脫氮工藝中，曝氣動(dòng)力消耗一般占日常運(yùn)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(fù)式跌水、拔風(fēng)、水車(chē)驅(qū)動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤(pán)等自然充氧形式，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)生物處理曝氣方式，構(gòu)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(shì)能，分級(jí)跌落，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，形成水幕、水滴自然充氧，無(wú)需曝氣機(jī)設(shè)備。本技術(shù)包含多種不同構(gòu)型的充氧裝置，以應(yīng)對(duì)不同的農(nóng)村生活污水水質(zhì)變化的需求�？梢杂须A式和垂直交錯(cuò)跌水兩種類(lèi)型。垂直交錯(cuò)跌水充氧生物接觸氧化池接觸氧化池多級(jí)垂直交錯(cuò)分布，利用擋板使污水往復(fù)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(shí)現(xiàn)保溫，保證冬季污染物降解效率，可適應(yīng)寒冷的北方地區(qū)。
水車(chē)驅(qū)動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤(pán)利用水流跌落的動(dòng)能帶動(dòng)水車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)污水跌落充氧、濺水分散充氧和轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)面復(fù)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(lèi)型跌水裝置圖
脈沖多層復(fù)合濾料生物濾池無(wú)需曝氣，自然通風(fēng)供氧，水力負(fù)荷高，占地面積小，耐沖擊負(fù)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(fù)荷運(yùn)行，保證濾池中硝化反應(yīng)順利完成；又保證在布水時(shí)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(zhǎng)池蠅、產(chǎn)生臭味的問(wèn)題。此外在濾料填充層中可設(shè)“廢石膏充填區(qū)”，初步實(shí)現(xiàn)磷的去除。生物濾池整體呈塔狀，在寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)方便外加建筑保溫。
1.3反硝化除臭技術(shù)
生活污水中含有大量有機(jī)物，經(jīng)厭氧處理后易產(chǎn)生氨、硫化氫、甲硫醇、甲胺等致臭物質(zhì)，這些致臭物質(zhì)散逸至空氣中會(huì)嚴(yán)重影響污水處理設(shè)施周邊空氣質(zhì)量。目前污水廠除臭方法主要有：對(duì)已逸出到大氣中的臭氣進(jìn)行收集去除的被動(dòng)的除臭方法，代表技術(shù)有生物濾池過(guò)濾、植物提取液除臭、活性炭吸附、高能離子除臭、化學(xué)除臭和活性氧除臭等；以及通過(guò)投藥提高污水中氧化還原電位，避免含氮及含硫化合物產(chǎn)生的主動(dòng)除臭法。以上方法均需額外的動(dòng)力設(shè)施和化學(xué)藥劑，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，管理難度大，基本不可能在農(nóng)村地區(qū)推廣。創(chuàng)新型的反硝化除臭技術(shù)是利用好氧生物處理單元產(chǎn)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(zhì)，解決了臭味問(wèn)題。
2.生態(tài)單元
生態(tài)單元緊密結(jié)合農(nóng)村種植業(yè)，使之成為污染凈化型農(nóng)業(yè)。主要表現(xiàn)為兩方面：用經(jīng)濟(jì)作物替代傳統(tǒng)濕地植物并優(yōu)化濕地構(gòu)型；構(gòu)建污染凈化型農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)氮磷資源化利用的同時(shí)獲得一定經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)采用水耕蔬菜型過(guò)濾床、水位及浸潤(rùn)度可控型潛流人工濕地等專(zhuān)門(mén)技術(shù)，有效提高人工濕地的處理效率。人工濕地生產(chǎn)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生蔬菜和花卉，可調(diào)動(dòng)農(nóng)民參與污水處理設(shè)施管理的積極性，利于工藝的推廣。另一方面，強(qiáng)化與提升污染物沿程凈化的理念，通過(guò)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)污染物削減的最大化。同時(shí)根據(jù)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(shù)、階式多功能強(qiáng)化生態(tài)凈化塘處理技術(shù)，多種構(gòu)型的生態(tài)混凝土支撐生態(tài)溝渠沿程降解技術(shù)。
2.1無(wú)土栽培與人工濕地集成優(yōu)化技術(shù)
水耕蔬菜人工濕地技術(shù)：開(kāi)創(chuàng)性地融合了人工濕地技術(shù)和蔬菜無(wú)土栽培技術(shù)，集成優(yōu)化提出在人工濕地內(nèi)培植空心菜、水芹、豆瓣菜、番茄、生菜等根系發(fā)達(dá)、生長(zhǎng)速率快的常見(jiàn)無(wú)土栽培蔬菜，以生物單元處理后的尾水作為人工濕地內(nèi)水生蔬菜的“營(yíng)養(yǎng)液”，而根系發(fā)達(dá)的水生蔬菜密植于人工水槽中，形成細(xì)密的根系墊層，以此充當(dāng)“基質(zhì)”，供微生物附著，同時(shí)通過(guò)攔截顆粒性污染物和水質(zhì)凈化作用，對(duì)后續(xù)浸潤(rùn)度可控人工濕地起保護(hù)作用。通過(guò)濕地出水堰的改良設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)人工濕地水位的控制，使得人工濕地適應(yīng)各種經(jīng)濟(jì)植物的生長(zhǎng)；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(yùn)行；在人工濕地內(nèi)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(rùn)度可控型潛流人工濕地技術(shù)是利用出水堰（閥）的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛流人工濕地內(nèi)水位的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)濕地濾床深度及基質(zhì)床層浸潤(rùn)程度。一方面引導(dǎo)人工濕地內(nèi)水生蔬菜根系縱向的充分發(fā)展，另一方面強(qiáng)化大氣復(fù)氧能力，改善濾床及基質(zhì)的氧環(huán)境。在北方寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)，可以搭建暖棚或通過(guò)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(jié)冰，保證人工濕地冬季的正常運(yùn)行。
2.2垂直潛流落干式濕地
實(shí)質(zhì)是垂直潛流生化濾床為核心的人工濕地技術(shù)，克服了潛流濕地易堵塞的缺點(diǎn)，使用周期可長(zhǎng)達(dá)20年以上�？蓱�(yīng)用在基于灰黑分離模式的混合污水的直接處理，通過(guò)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(jīng)過(guò)濾床砂層基質(zhì)內(nèi)無(wú)數(shù)微處理單元，在底部礫石排水層匯集，由環(huán)切孔排水管導(dǎo)流排放。
2.3階式多功能強(qiáng)化生態(tài)凈化塘處理技術(shù)：是針對(duì)村落周邊分布的小池塘、斷頭河等，利用軟圍隔導(dǎo)流、生態(tài)護(hù)岸、人工介質(zhì)、立體生態(tài)浮島等多種技術(shù)優(yōu)化組合而成。其依靠塘中的藻、菌共生原理來(lái)充分調(diào)動(dòng)水體的自?xún)裟芰�，達(dá)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(shù)是針對(duì)丘陵地區(qū)農(nóng)村的地形特征而開(kāi)發(fā)的生物生態(tài)高集約化技術(shù)。其利用地形落差，階梯式布置多級(jí)生態(tài)礫石床，床內(nèi)分級(jí)放置填料，利用級(jí)間高差跌水實(shí)現(xiàn)充氧；通過(guò)結(jié)構(gòu)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?chē)鷳B(tài)景觀相協(xié)調(diào)的水生花卉、水生蔬菜、水生牧草等。本技術(shù)將生物單元和生態(tài)單元合并，因地制宜、工藝實(shí)用，維護(hù)方便。
三、應(yīng)用舉例
為應(yīng)對(duì)不同農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況、人員素質(zhì)、地理氣候等多方面條件對(duì)污水治理的約束，滿(mǎn)足不同地區(qū)對(duì)出水水質(zhì)的需求，可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村污水治理技術(shù)已形成包含多種單元技術(shù)的可選組合技術(shù)系統(tǒng)，通過(guò)將前文所述的多種單元?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成和有機(jī)組合，形成最適合于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)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(jì)約87戶(hù)，人口約310人，設(shè)計(jì)污水處理流量30噸/天，工藝流程為“大深徑比厭氧反應(yīng)器-階梯式跌水充氧反應(yīng)器-水生蔬菜過(guò)濾床+潛流人工濕地”，主體工藝及現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行成本0.11元/噸水。該項(xiàng)目出水穩(wěn)定優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918－2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。污水處理設(shè)施建設(shè)投資每噸水在8000元左右。設(shè)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(chǎn)量約8000斤/畝，水芹菜1000斤/畝，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益高于18000元/畝。同時(shí)本設(shè)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(jìn)區(qū)新康村生活污水處理工程污水來(lái)源于村內(nèi)30戶(hù)村民，約100人，設(shè)計(jì)處理規(guī)模10噸/天，工藝流程為“折流板厭氧反應(yīng)器-缺氧反硝化-水車(chē)驅(qū)動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤(pán)-浸潤(rùn)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(hù)居民，人口約200。采用單戶(hù)或相鄰多戶(hù)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(shè)施+就近資源化利用”工藝
四、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)幅員遼闊，各地農(nóng)村地區(qū)情況差異較大。農(nóng)村生活污水治理受經(jīng)濟(jì)狀況、人員素質(zhì)、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(wú)法包打天下，也不可能適應(yīng)復(fù)雜農(nóng)村背景條件。可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)村生活污水生物生態(tài)耦合治理模式及其多種單元技術(shù)的可選組合技術(shù)系統(tǒng)，具有因地制宜的高適用性特色。其內(nèi)涵是將多種農(nóng)村生活污水單元?jiǎng)?chuàng)新處理技術(shù)進(jìn)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(hù)、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(nóng)村生活污水處理生物生態(tài)組合成套技術(shù)體系，以滿(mǎn)足不同農(nóng)村地區(qū)生活污水治理的不同需求。
5月15日直播預(yù)告|用國(guó)際視野打造上海市中心城雨水規(guī)劃
2020-05-11 12:21
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城市雨水排水規(guī)劃作為城市水務(wù)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(xué)性、可實(shí)施性等，直接反映著一個(gè)城市對(duì)雨水在自然、社會(huì)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(guó)際團(tuán)隊(duì)參加，旨在吸取國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，尋求全球創(chuàng)意，破解城市雨水排水難題，體現(xiàn)了上海市政府海納百川的胸懷和高瞻遠(yuǎn)矚的境界。
主題
用國(guó)際視野打造上海市中心城雨水規(guī)劃
直播時(shí)間
2020年5月15日（周五） 14:00—16:00
主持人
王領(lǐng)全《中國(guó)給水排水》雜志副主編
主講人
唐建國(guó)， 上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 總工程師、教授級(jí)高工
住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科技委員會(huì)城鎮(zhèn)水務(wù)專(zhuān)家委員會(huì)委員
國(guó)家水專(zhuān)項(xiàng)城市水環(huán)境主題專(zhuān)家組成員
中國(guó)供水排水協(xié)會(huì)科技發(fā)展戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)委員
《中國(guó)給水排水》編委會(huì)成員
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