生態復合型微循環污水處理技術研究與應用

馮子元 李曉作 賴佑賢

(1.廣州市香根生態科技有限公司，廣東 廣州 510665；2.廣州珞珈環境技術有限公司，廣東 廣州 510600；3.廣州市水電建設工程有限公司，廣東 廣州 510600)

1 概 述

中國農村或小型社區，生活污水處理技術方案多種多樣，但幾乎都是從城市的大型技術方案中復制縮小而形成。主要包含了“無動力式厭氧反應技術”“高能耗的MBR(生物膜)技術”“人工濕地”“穩定塘”“消化池”及“小型化工業循環技術(AO法或A2O法)”等工藝方案。這些工藝很多都是老舊的、傳統的，而農村的生活污水中混雜有養殖廢水、農田污染物，甚至部分礦場開采后的重金屬污染，因此，其治理效果并不明顯。

同時，由于農村的經濟條件限制，居民住宅分散，地形和氣候落差較大(西南地區)，因此，在污水收集、建設成本及后期維護運行方面，都具有明顯的不足。如果僅采用上述某種單一的技術處理模式，要么處理水質不能達標，要么維護成本極高，要么缺乏生態環保效應；都不具備可持續發展。

因此，尋找一種多功能、高效率、低成本、低維護及環保型的綜合技術方案成為了小型化農村污水處理項目的一個重要發展趨勢。而香根草植物修復技術(Vetiver Phytoremediation Technology，VPT)恰好可以成為這種綜合技術方案的一個重要組成部分。

2 傳統的污水處理模式

2.1 “純生物濕地”處理技術

“純生物濕地”技術模式，主要是純植物吸附技術的應用，其代表性的有“人工濕地”“穩定塘”及“消化池”等工藝技術。它們幾乎都是以普通的多個水生植物品種，在一定范圍內與田螺或藻類進行混合配置處理。這類技術相對簡單、取材方便、成本較低，但占用面積較大、處理能力低、效果緩慢。

2.2 “厭氧池+水生植物”處理技術

“厭氧池+水生植物”處理技術，以“無動力式厭氧反應”技術為主，即在三級厭氧反應的基礎上配置部分水生植物，再利用地形落差進行簡單的過濾處理[2]。這是“純生物濕地”技術的加強版，即在水生植物的前端增加無動力的三級化糞池進行厭氧處理。其特點是占地面積減少、無動力傳輸；但成本有所提高、處理效果僅能達到二級標準。

2.3 “小型化工業+生物膜”處理技術

“小型化工業+生物膜”處理技術，是大型工業化處理污水技術的縮小版，是在高能耗的循環處理基礎上添加“生物膜”進行過濾處理，代表性的有“AO法(Anoxic Oxic process)”“A2O法(Anaerobic-anoxic-oxic)”和“生物膜反應器(Membrane bio-reactor)”幾種工藝技術[3]。其特點是占地面積大大縮小，僅100～200m2左右，處理能力高，處理效果能夠達到一級排放標準；但同時，其建設成本也大幅上升，維護成本高，缺乏生態效益。

上述幾種類型各具優勢與缺陷(見表1)。

表1 幾種小型化農村和社區的污水處理技術方案對比

3 “ECM”污水處理系統的組成

“生態復合微循環(Ecological Compound Micro-circulation，ECM)”處理系統是一種以“香根草植物修復”為關鍵“技術”的多種技術組合配置工藝，全稱為“生態復合型微循環污水處理技術”。共由7個部分組成：“分散式、模塊化的立體微循環生化反應”“人工或自然濕地”“香根草浮島過濾”“土壤自然循環再滲透”“生態園林(田園風光)”“低功耗微動力”以及“實時運行數據采集監控”。其技術核心“分散式、模塊化的立體微循環生化反應”“人工或自然濕地”“香根草浮島過濾”和“土壤自然再循環滲透”是污水處理的四重保證體系(分別都具有處理污水的能力)；而“生態園林(田園風光)”及“低功耗微動力”則是該技術方案的補充與配套設計[4]。

該技術方案屬于綜合性多種專業技術的“大數據+”實用型生態組合疊加應用。所涉及的專業多達20個以上，包括了給排水、土建、機電、生物化學、微生物學、流體力學、材料學、生態學、環保、園林景觀、人工或自然濕地、香根草技術、新能源、遙測遙控及動植物學等專業學科。既可以在居民集中(污水量大到2000m3)的農村與社區進行多重單元系統的自由組合疊加應用，又可以在單家獨院(污水量少到0.2m3)的分散住戶進行單一單元系統的選擇拆分使用(如單選“香根草浮島”“濕地”或“土壤自然再循環滲透”的應用)，為廣大的農村或社區污水處理方案提供了又一種技術性的選擇。

4 “ECM”功能

4.1 技術原理

利用改良后的生化反應器與濕地技術、香根草技術、土壤自然再循環進行疊加組合式多重處理，一方面利用地形地勢和微動力的反推作用，降低能耗；另一方面利用Ca、Cu、Fe等微量元素對生物菌種(厭氧顆粒污泥)的調控與特種植物的高吸附功能，多次處理及過濾污水，實現污水治理達標的目的。同時，利用清潔能源的風—光互補供電和生態景觀的配置，完成“生態型的綜合治理與農村大自然的天然融合”。

4.2 功能互補作用

4.2.1 立體微循環生化反應

在“UASB”與“CASS”的基礎上，通過循環曝氣管及布水管系的物理性改造和厭氧顆粒污泥及菌群載體的調整，使污水的循環處理主要集中在設定的水層中間位置進行，以保持生物菌群的穩定活性和持續性工作。

4.2.2 人工或自然濕地作用

人工或自然濕地是對微循環生化反應器處理后的補充，一方面利用選擇性的水生植物對N、P及SS進行二次過濾，另一方面則是景觀搭配的另一種生態體現。

4.2.3 利用香根草高吸附性進行第三次補充處理

由于土地資源的局限性，以及污水濃度過高，或有毒物質與重金屬的存在，或冬季微生物菌群活力下降及濕地植物的枯黃等因素影響，導致污水處理能力不穩定。因此，利用香根草的高吸附性進行第三次補充處理[5]，香根草的特殊矮化常綠品種，不僅對NH3-N、TN、TP、SS、油脂類及部分有毒物質或重金屬的吸附能力極高，而且在冬季也能保持常綠，可以在冬季再次吸附人工濕地產生的多余的N、P等物質。

4.2.4 “土壤自然再循環”

其利用地形條件與生態園林的配置，構造一種土地的自然循環滲透與過濾再次降解水質的過程。最終實現污水治理的終極目標。

4.3 功能特點

“ECM”方案最大特點是“污水處理能力強、占地面積小、電能耗用極少、運行維護費用低，系統穩定性強、無二次污染，生態環保與景觀耦合效應高，僅需要少量微動力設備(約0.75～1.5kW)，在智能控制及大數據監控情況下后續管護內容簡單，不需專職管護人員維護，后續管護要求極低。具有較高的可持續的發展性”。

4.4 技術應用參數

a.農村或社區生活污水進水水質參數見表2。

表2 進水水質指標 單位：mg/L

b.處理后的出水標準見表3。

表3 處理后的出水標準 單位：mg/L

達到國家《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A排放標準。

c.能耗參數。總裝機負荷0.75～1.5kW(按100m3污水計算)，每天運行12h，需要能耗9～18kW·h，相當于0.09～0.18kW·h/m3，折算為人民幣0.04～0.08元/m3；若采用風—光互補太陽能供電，則運行成本僅需要0.02～0.04元/m3。

d.運行維護參數。安排1個固定工人進行日常維護，工資約為6000元/年，另對植物及景觀系統進行春、夏、秋三次集中修剪維護，約需臨時工資2000元/年，合計8000元/年，折合為0.22元/m3。

e.效益分析。總運行維護成本：能耗+人工工資，折合0.24～0.26元/m3；使用壽命：可達20～25年以上。

5 應用案例

截至2019年12月，“ECM”方案應用最長時間已經4年，運行正常，全部達到治理目標，并且沒有進行過污泥清淤，維護成本很低，成本只有“小型化工業+生物膜”技術的1/2～1/5；同時，作為農村或社區的小型化公共休閑娛樂場所，受到居民和政府的青睞和推廣。

5.1 設計與概算

表4為5個社區的設計和規模情況。

2)非對稱孔隙壓力場模型在A2和A3連線方向上壓裂產生的位移量要大于不設控制水壓的模型，如圖9所示；分析該方向上最大主應力分布發現，控制水壓越大，在A2和A3連線方向上應力越小，這是由于增加A2和A3連線方向孔隙水壓時，裂隙沿該方向擴展所需水壓降低，并且在連線垂直方向上會產生拉伸應力，促使裂隙向著孔隙水壓較高的方向偏轉，當該方向煤體卸壓越充分，殘余應力則越小，如圖10所示，控制水壓為10 MPa的曲線位于最下端。

表4 5個社區的設計和規模

5.2 建設成本比例

建設成本比例見表5。

表5 各種建設成本對比 單位：萬元

占比最大的成本是微循環生化系統(占32%～38%)和污水收集管網系統(占20%～28%)；香根草系統僅占8%～10%的比例；而香根草系統中浮島材料及安裝占了成本的97%以上，香根草在項目總成本中實際比例不到0.2%。

5.3 香根草用量與根系表面積

香根草用量與根系表面積見表6。

表6 香根草用量與根系表面積(90天)

香根草生長發育90天后，根系的表面積出現較大差異；每平方米浮島產生的根系表面積分別是2.5m2、3.7m2、5.0m2、4.2m2和11.4m2；差異主要與氣候條件、污水濃度及施工季節有關(詳細的分析有待更進一步的論證)。

5.4 能耗監測統計

能耗監測情況見表7。

表7 電網供電統計(截至2019年12月25日)

5.5 案例分析

在上述5個典型“ECM”應用案例中，選擇運行時間最長(1460天)的“財新村”(地理位置：東經105°75′，北緯26°37′)項目近三年運行情況進行分析。

5.5.1 建設成本分析

項目建設總費用為143萬元，其中微循環生化反應系統占比36%，污水收集系統占比19%，而香根草系統僅占6%的比例；而香根草系統中浮島材料及安裝占據了該成本的96%，香根草在項目總成本中實際比例只有0.16%。

5.5.2 香根草根系分析

圖1 財新村90天后的根系

5.5.3 項目能耗分析

5.5.3.1 運行初期

2015年12月25日—2016年4月30日，運行125天后(扣除停機檢修和調試等時間，實際運行約90天)，第一次對項目進行用電統計：項目總用電量為484kW·h，外接電網用電量322kW·h，風—光互補供電系統發電量162kW·h。

分析：每天運行用電量平均為5.4kW·h，其中風—光互補系統供電提供1.8kW·h，外接電網用電3.6kW·h；前期污水量較少，因此每天運行時間控制在6h左右；1—3月多處于陰雨天氣，陽光不足，因此風—光互補系統發電量少，主要是消耗外接的電網用電。進入4月以后，風—光互補系統供電的發電量逐漸上升達到8kW·h/d以上。

5.5.3.2 運行穩定期

至2016年10月15日止，運行約300天后，進行第二次用電統計：總耗電量為2785kW·h，平均日耗電量為9.3kW·h。其中風—光互補供電系統發電總量為2369kW·h，平均日發電量7.9kW·h；外接電網用電的耗電量為416kW·h，平均日耗外接電網用電量僅為1.4kW·h。

分析：日耗電量超過設計標準，是因為5—7月旅游人口大量增加，污水量也隨之增加，形成超負荷運行，每天的運行時間較長，許多時候超過12h/d，而后期使用時間是8～9h/d；風—光互補供電系統發電量增大，是因為4—10月正是春、夏、秋季節，陽光充沛、日照時間長，主要靠風—光互補發電供給污水處理系統的耗電用量；進入冬季后，情況相反：因為當地陰雨天氣較多，日照時間短，因此將主要依靠外接電網供給系統用電。

5.5.3.3 后續跟蹤

至2017年06月20日止，運行約550天后，進行第三次用電統計：總耗電量為4383kW·h，平均日耗電量為8kW·h。其中風—光互補供電系統發電總量為3095kW·h，平均日發電量5.6kW·h；外接電網的耗電量為1288kW·h，平均日耗電網電量僅為2.3kW·h。

分析：系統正常運行后，平均日耗電量維持在8kW·h，完全符合項目初期耗電量的微動力設計要求(7～8kW·h/d)，實現了微動力的基本條件；風—光互補供電系統發電總量為3095kW·h，證明本技術方案在春、夏、秋三個季節完全不需要外接電網就能正常運行；而外接電網的耗電量1288kW·h，正好是兩個冬季的用電量，冬季陽光發電條件差，需要外接電網進行補充。

5.5.4 項目運行成本分析

5.5.4.1 有償電費(電網)總成本

4711kW·h×0.45元/(kW·h)=2119.95元，折合為706.65元/年，平均污水處理的電費為706.65元/365天×60m3/天=0.03元/m3。

5.5.4.2 人工維護費用

2016年進行了三次人工維護(對植物進行保養和更換)，費用約4500元，2017年發生的人工費用為6000元；2018年發生人工費用9500元(主要是清理水生植物和香根草)，但同時銷售水生植物和香根草收入7800元，實際發生費用1700元(9500-8200=1700)；三年合計人工維護費用為12200元，折合為12200元/1100天×60m3/天=0.18元/m3。

項目運行總費用合計為14319.95元，折合污水處理費用為0.22元/m3。

5.5.5 水質監測分析

a.第一次監測情況見表8。

表8 第一次監測(2016年4月15日)情況

續表

分析：人工濕地植物、香根草、微生物菌種經過近110天的生長發育及培養和調試后，各級處理系統進入正常運行階段，此時的生活污水恒定進入ECM系統，經環境監測檢測，指標完全達到國家一級A標。

b.第二次監測情況見表9。

表9 第二次監測(2016年8月10日)情況

分析：進入5月以后，隨著旅游人口的增加，農家樂也隨之由原來的5家增加到10家，項目四周的臨時燒烤點規模最多時達到30余桌，污水濃度嚴重超標，特別是COD、TN及SS遠高于正常生活污水的濃度。在超負荷運行的情況下，本次的監測結果顯示：COD、TN、TP及SS均出現超標狀況。但是，從去除率來看，分別達到了91.0%、74.3%、51.2%及92.3%。這證明了“ECM”技術方案對農村生活污水的處理效果是顯著的，方案是可行的。

c.第三次監測情況見表10。

表10 第三次監測(2016年9月15日)情況

分析：隨著當地農村生態環境的整治，取消了周邊的臨時燒烤點，且夏季之后旅游人數減少，生活污水恢復正常排放。此時經環境檢測站再次檢測，污水處理后的各項指標再次達到國家一級A標準，且去除率平均達到90%以上。

d.第四次監測情況見表11。

表11 第四次監測(2018年10月16日)情況

分析：本次隨機抽檢，再次證明經過“ECM”方案處理后，污水水質穩定地實現了一級A的標準。

6 “ECM”案例總結

a.能耗方面。總能耗平均僅有0.16kW·h/m3(已屬于微循環范疇)，采用風—光互補清潔能源后，外接有償電網用電僅需要1/3～1/2，處理費用不足0.02元/m3，基本實現低能耗的環保標準。

b.運行費用方面。由于采用生化反應器與厭氧顆粒污泥改良及生態植物與香根草綜合運用技術，沒有淤泥的清掏和外運過程，因而維護保養費用極低，每年僅進行一些簡單巡查和冬季的植物修剪，費用可控制在6000～8000元范圍以內，實現了可持續性發展。

c.處理效果方面。4次環保監測數據顯示：正常情況下的生活污水，經ECM技術方案處理后，完全可以達到國家一級A的排放標準，而非正常情況下的高濃度污水，經處理后其去除率也能達到90%以上，基本實現了ECM技術方案的設計標準。

d.生態環保方面。項目中運用一些廢舊輪胎所做的擋墻、便道及工藝品，既減少了回填土方的工程量和土壤資源的浪費，又與生態園林景觀相結合而形成了獨特的田園風光；而廢棄松樹皮的再利用，則體現了農村與大自然的和諧統一。從生態環保的角度看，真正實現了陽光(太陽能)、空氣(風力發電)、水(污水處理)、微生物(厭氧顆粒污泥)及喬、灌、草(包含水生植物與香根草)等大自然的有機組合與利用。

e.經濟效益方面。項目建成運行后，其生態措施與園林景觀所形成的田園風光，創造了當地居民的就業機會，也帶動了當地的旅游資源開發，項目中的各種水生植物與香根草還可以作為種苗分蘗后銷售創造收入，從而實現了貧困落后地區的產業結構調整(原始農業轉化為旅游產業)。

f.示范效應方面。項目的實施，不僅治理了農村生活污水，體現了節能減排、生態扶貧的效果，更重要的是產生了示范推廣效應：隨著各地主管部門與同行業者的參觀學習，更多的污水處理項目中開始引用了香根草的浮島技術。香根草浮島技術在貴州乃至全國的應用得到了進一步的推廣。

7 結 論

“ECM”污水處理方案是一種多功能、多技術的組合應用，特別是添加“香根草浮島”技術與清潔能源的組合后，與傳統的處理技術工藝相比，不僅土地占用面積縮小、污水處理效果顯著和持久，而且運行和維護費用下降，還能創造一定的經濟效益(銷售分蘗出來的種苗)；同時，由于開放式的生態景觀配置和無臭味的排放效果，項目點成為了居民休閑、集會和游樂的場所。

因此，“ECM”方案是一種可以復制性的、具有生態和經濟效益的重要技術方案。當然，香根草在“ECM”中的應用和設計標準，還需要更多的科學實驗進行專門的論證，這里僅提出案例中的一些參數作為參考。