太陽能微動力在農村污水治理中的應用

王軍輝，官愛令，李林林，戴娟娟，王少俊

（杭州一達環保技術咨詢服務有限公司，杭州 310006）

1 農村生活污水特點

長期以來，農村生活污水的治理沒有得到應有的重視。由于農村人口居住分散，污水大部分未經治理就直接排入附近河道或滲入地下，村鎮大多沒有完善的排水管網，且缺乏配套的污水治理設施，給污水的收集和集中治理帶來困難，一些已建污水治理設施也未盡其用。無序排放的農村生活污水已成為污染村鎮水體的重要原因之一。

1.1 農村生活污水的水質特點

在不考慮農戶畜禽散養和農家樂污水接入的情況下，農村生活污水中的污染物濃度相差不大。根據《農村生活污水處理技術規范》（GB33/T868-2012），污水濃度一般為：BOD5120～200mg/L，CODCr250～400mg/L，NH3-N30～60mg/L，pH值6～8，TP2.5～5mg/L，基本上不含重金屬和其他有毒有害物質。當豬散養存欄量超過3頭時，水中污染物濃度有較大增加。

1.2 水量特性

1）水量小。農村人口大多居住分散，人口密度相對小，產生的污水量也小；2）變化系數大。農村污水的排放量與居民生活規律相近，早晚比白天大，夜間排水量小，甚至可能斷流；水量變化明顯，污水排放呈不連續狀態，具有變化幅度大的特點[1]。

2 農村污水處理工藝

生活污水中的污染物以有機物為主，其生化性較好，所以通常情況下生活污水的治理都是采用以生物治理為核心的工藝。目前國內外的農村生活污水處理工藝主要有以下幾種。

2.1 生活污水凈化沼氣池治理技術

該治理工藝是采用厭氧發酵技術和兼性生物過濾技術相結合的方法，在厭氧和兼性厭氧的條件下將生活污水中的有機物分解轉化成CH4、CO2和水，達到凈化治理生活污水的目的。

工藝流程：污水 → 格柵 → 前治理區（厭氧發酵）→后治理區（生物濾池）→ 排放。

該技術將厭氧好氧污水治理技術與農村沼氣能源相結合，治理效果穩定可靠；運行成本低，維護簡便，二次污染少。

2.2 微動力厭氧好氧+景觀綠地治理技術

該治理工藝利用生態系統治理的方法來凈化污水，僅需微動力或少動力，運行成本較低，管理相對簡便，同時兼具美化環境的效果。

工藝流程：污水 → 格柵 → 微動力厭氧好氧池 → 沉淀池 → 景觀綠地 → 排放。

該技術將微動力厭氧好氧污水治理技術與景觀建設相結合，與純粹的生態治理工藝相比，對氣候的適應性較強，治理效果穩定可靠；運行成本低，污泥產生量少，維護簡便，景觀綠地可美化周邊環境，二次污染少。

2.3 厭氧生化池+生態小濕地治理技術

該技術可用于散戶小型生活污水治理工程。

工藝流程：生活污水 → 厭氧生化池 → 生態小濕地 →過濾 → 排放。

將傳統的厭氧生化工藝（如三格式化糞池），或其它厭氧工藝與生態小濕地相結合。只需定期清掏厭氧池內的污泥，無動力消耗，基本免維護，不需要運行成本。

3 太陽能微動力結合人工濕地方案設計

以浙江省中部某500人左右的自然村污水處理設計為例。工藝采用“太陽能微動力+人工濕地”方案設計。

3.1 設計水質參數

考慮平均每人排放水量約100L/d，設計水量為50m3/d。設計參數參考浙江省農村生活污水水質狀況（見表1），出水水質要達到《城鎮污水治理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A以上標準。

表1 設計水質參數表

3.2 污水處理工藝

（1）工藝流程

工藝方案為太陽能微動力結合人工濕地處理流程，詳見下圖。

工藝流程圖

（2）工藝說明

集中收集而來的污水進入污水處理系統內的厭氧池，污水部分在厭氧池內完成降解過程，提高了污水的可生化性，從而加快了污水處理速度并節約了能耗。

經過厭氧池處理的污水進入兼氧池，兼氧池存在大量的反硝化菌，反硝化菌在兼氧池內利用生活污水中的大量有機物作為碳源進行反硝化反應，將回流混合液中的大量硝態氮和亞硝態氮還原為氮氣，從而降低了污水中氮的含量。

隨后污水進入生物接觸氧化池，污水中的有機物得到進一步降解。設計采用生物膜法中的生物接觸氧化法作為好氧處理的工序。生物接觸氧化法又稱淹沒式生物濾池，是活性污泥法與生物濾池復合的生物膜法。池內設有填料，填料上長滿生物膜，經過太陽能微動力曝氣裝置曝氣的污水以一定的流速流過池內填料，通過與生物膜的不斷接觸，在好氧生化作用下，有機物被微生物進一步生化降解，污水濃度繼續下降；氨氮被硝化，氨氮濃度顯著下降，隨著硝化過程的進行，污水中硝態氮的濃度增加；活性污泥中的聚磷菌在好氧條件下大量吸收污水中的磷，并將其轉化為不溶性多聚正磷酸鹽在體內貯存起來，最后通過沉淀池排放的剩余污泥達到系統除磷的目的。

在經過接觸好氧反應后，污水中的有機物已經被微生物基本消解，進入沉淀池進行沉淀，再利用重力沉降將污水中的懸浮顆粒從水中去除，降低污水中懸浮物的濃度。

經沉淀池處理后的水最后進入濕地濾池進行深化處理，沉淀池產生的污泥采用人工定期清理的方法處理。

濕地處理技術依靠物理、化學、生物的協同作用完成水的凈化過程，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的進一步深度處理。

當污水流經濕地床時，大量懸浮固體、不溶性的有機物被填料及根系截留，可溶解性的有機物通過生物膜的吸附和微生物的代謝過程得到降解，也有一部分有機物被植物吸收而去除。污水中的氨氮在濕地中一方面通過吸附、過濾、沉淀、植物及微生物作為營養吸收得以去除，另一方面，由于植物具有較強的輸氧能力，可使根系周圍依次出現好氧、缺氧、厭氧的環境，氨氮在硝化和反硝化反應中被去除。污水中的磷一部分作為植物的營養物質被吸收，另一部分與填料中含鈣物質反應，生成磷酸鈣沉淀下來[2]。另外，人工濕地對大腸桿菌也有較強的殺滅作用。

3.3 主要構筑物

根據初步設計，主要構筑物為進水井、厭氧池、兼氧池、好氧池、沉淀池和濕地濾池（見表2）。

4 投資及運行費用估算

4.1 投資估算

該方案投資估算僅為污水處理工程投資，不包括農戶改廁費用、各農戶污水收集管道費用以及污水工程涉及的土地拆遷等安置費用（詳見表3）。

投資成本中，太陽能微動力站投資較大，投資估算采用PVWatts軟件可以模擬計算光伏系統在典型氣象年中每天、每小時的發電量，因此在給定負荷的情況下，可以計算光伏發電去向，即自發自用量和余電上網量。以發電收入與購電費用相抵為目標，可以估算最低光伏安裝量。經計算，該方案1.5kW用電負荷，光伏裝機容量6.5kW可達費用平衡，小型光伏系統成本約12元/W，光伏系統需7.8萬元（不含自電網到污水處理設施架設線路的費用），考慮安裝費、稅費等，總計約12萬元。

4.2 運行費用估算

由于日常運行過程無需人工現場管理，運行費用主要為電費和維修費。

（1）耗電費用

整個污水處理系統運行功率約為1.5kW，按保守連續24h運轉計，負荷率按80%計，估算電價按0.5元/kW·h，則每天的電費為1.5×24×0.5×0.8=14.4元。

（2）發電收入

方案擬在厭氧池、兼氧池、好氧池、沉淀池等構筑物頂部配套建設光伏發電裝置，池子合計面積約為54m2，按80%的利用率、單位面積裝機120W/m2計，則光伏發電的裝機容量為54×0.8×120/1000=5.18kW。根據當地近10年氣象條件，有效光照時間為1000～1200h，按平均1100h計，則發電量為5698kW·h/年。上網電價按1元/kW·h，則每天的發電收入為5698/365=15.6元，與用電成本基本持平。

表2 主要構筑物一覽表

（3）藥劑費用

根據同類型處理設施調查，藥劑費用約為0.18元/t，則每天處理的藥劑費用估算約為9元。

（4）維修、保養費用：

動力設備折舊費按每年3000元計，折合每天的費用約為10元。

則每天處理直接成本預計為14.4+9+10-15.6=17.8元。

表3 投資估算

5 處理效果

項目運行后的生活污水監測結果見表4。

由表4可知，經處理后的農村生活污水排放濃度能達到《城鎮污水治理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A以上標準要求。

表4 經工藝處理后的監測效果

6 總結

太陽能微動力污水處理工藝是以傳統的A2/O工藝為基礎，根據太陽能光伏發電的特點，吸納A2/O工藝中的關鍵因素整合開發形成的一種全新工藝，該工藝采用現代先進技術與環保工程的有機結合，從整體上采用了自動化控制，自動運行，為農村污水處理工程的有效運行提供了有力的支持。其中，太陽能微動力站的電力供應，采用太陽能光伏發電+上網調蓄模式，即分布式光伏電站模式，白天自發自用多余上網，晚上由電網供電，陰雨天由電網補充，發電產生的經濟效益用于抵消購電費用，實現零電費運行。

該項目采用太陽能綠色能源，符合國家產業政策。微電腦自動控制系統與遠程在線監控系統的運用，解決了農村缺乏運行管理人員的現實問題，整個系統可以實現無人值守。系統結構緊湊、占地面積小，大大節省了土地資源。該工藝創新地提出了光伏發電+上網調蓄模式，實現了零電費運行。

[1]梁祝，倪晉仁.農村生活污水處理技術與政策選擇[J].中國地質大學學報（社會科學版），2007（3）.

[2]單為為，劉欣，葛國炎，等.太陽能微動力污水處理技術與其它農村生活污水處理技術的比較[J].科學時代，2014（13）：39.