農村污水無動力復合生態凈化技術及其工程應用

弓輝

（上海國惠環境技術有限公司，上海 200021）

2019 年1 月印發的《中共中央 國務院關于堅持農業農村優先發展做好“三農”工作的若干意見》將農村生活污水治理作為實施鄉村振興戰略、改善農村人居環境的重要任務[1]。截止到2020 年年底，建制鎮污水處理率達到70%，而村鎮污水處理能力僅為214.77 萬m3/d，污水處理率僅有18.75%[2]。村鎮污水處理相對滯后，大量污水未經處理直接排入附近水域，嚴重影響水體環境[3,4]。農村居住人口較少且地理位置較為分散，難以通過集中模式進行污水處理，因為集中式污水處理強烈依賴于排水管網收集系統，投資大、運行成本高，并不完全適用于農村污水處理[5,6]。分散式污水治理通過小型污水處理設備或設施可對小范圍內污水進行就近處理，高度適用于污染源分散的鄉鎮農村[7-11]。

無動力復合生態凈化技術經過不斷探索與試驗，已經高度適用于農村污水的處理。可針對完全分散的1—2 戶設置，也可針對相對集中的幾十到幾百戶設置。系統建成后可連續運行10 年以上，實現“無設備、無動力、無能耗、無藥劑、無耗材、無維護”的節能生態綠色處理，尾水可直接排放或者資源化利用。本文介紹了農村污水無動力復合生態凈化技術及其工程應用情況，以期為農村生活污水處理提供技術參考。

1 農村生活污水的特點及存在的問題

1.1 農村生活污水的特點

農村生活污水主要由餐廚污水、糞尿和潔具沖洗用水、沐浴洗滌用水組成，水質主要有以下特點：

（1）分布面廣且較為分散，大部分村落無排污管網，無法集中收集。

（2）污水濃度高，水質波動大，氮、磷含量高，不含重金屬元素，五日生化需氧量/重鉻酸鹽指數（BOD5/CODCr）的比值（0.39—0.92）比城鎮污水高，可生化性強[12]。

（3）排水量變化系數大，一天中早晚比其他時間段排放量大，水量排放不連續。

（4）大部分無污水集中排放管網，多采取就地排放或者明溝排放。

（5）處理率低，大部分地區缺乏污水處理裝置，多數地區還在使用傳統的旱廁，有水沖廁所的地區大多是三格化糞池設施，其污水中所含污染物濃度依然很高。

1.2 農村污水處理面臨的問題

雖然我國城鄉一體化建設逐步加快，但農村污水處理仍存在較多的問題，我國農村生活污水處理剛剛起步，還沒有形成系統化、規范化、標準化，處理過程中主要面臨以下幾種問題：

（1）缺少適宜不同區域特點的實用技術。我國農村地區存在著明顯的區域差異性特征，導致常規技術在不同地域運用時會出現大量問題[13]。

（2）污水處理標準、規范尚未建立。目前，農村污水處理直接套用城鎮的污水處理標準體系，因為除了少數地區規定了農村污水的處理標準外，大部分地區沒有統一的農村污水處理標準。農村污水氮、磷含量高，水體富營養化嚴重，單位處理噸水技術成本高，完全參考城市污水處理的標準不是非常合理[14]。

（3）缺乏長效的運行管理機制。對于建成的污水處理設備，運行維護資金短缺、無保障，缺乏專業人員進行運行及維護管理，設備故障時得不到及時維護，長期處于廢棄狀態，工程管理水平普遍較低[15]。

（4）居民環保意識薄弱。農村居民環境保護意識薄弱，大多數不愿承擔污水處理設備費用，村鎮政府對污水處理可支配資金較少，導致農村污水處理政策推進困難。

2 農村污水無動力復合生態凈化技術

2.1 農村污水無動力復合生態凈化技術工藝流程

針對農村生活污水污染負荷高、排水量變化系數大的特點，開發了無動力復合生態凈化技術，利用人工基質、定向選擇和培育的功能微生物及凈水植物，通過填料吸附過濾、微生物轉化與降解、植物吸收轉化，實現生活污水的深度處理和資源化利用。工藝流程見下圖。

經過統一收集的農村生活污水通過管道輸送至調節池，在調節池內通過重力自然沉降去除泥沙和大顆粒污染物。調節池內污水與厭氧反應池內微生物充分混合，通過微生物代謝降解去除有機污染物。前端處理后的污水通過重力流入生態凈化床，結合基質吸附、植物根系物質交換與光合作用，對污水進行進一步的凈化和蒸發。出水水質可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A標準。

對于單戶處理：采用一體化集成裝備，只需將管路與每戶常用的排水口對接進入裝備入口即可。裝備入口設過濾網以攔截大顆粒污染物。微生物、基質、植物集成在一個裝置系統中，利用基質—微生物—植物的復合生態系統，經物理、化學和生物的聯合作用達到高效凈化污水的目的。實際運行中只需定期清洗、更換濾網即可。

對于集中處理：需要利用（鋪設）污水管道將污水集中排入無動力污水處理系統，利用系統中的基質、微生物、特定植物對污水進行凈化處理。在系統建設初期完成微生物接種、馴化，特定植物培育、移栽，后續根據運行情況補充少量微生物、植物，以保證系統處理效果。

2.2 農村污水無動力復合生態凈化技術優勢

（1）適用廣。可針對完全分散的1—2 戶設置，也可針對相對集中的幾十到幾百戶設置，系統可穩定運行10 年以上。

（2）生態集成化。農村污水無動力復合生態凈化技術在無動力情況下，將厭氧、好氧、多介質滲濾和人工濕地生態處理技術優化集成，優勢互補，多介質生態協同處理，實現“無設備、無動力、無能耗、無藥劑、無耗材、無維護”的節能生態綠色處理，尾水可直接排放或者資源化利用。

（3）資源化。裝備結構可采用3D 打印技術，使用城市、鋼廠、電廠、煤化工固體廢棄物作為原料，實現廢棄物再生利用，達到“以廢治廢”的目的。

（4）節能高效。使用無動力復合生態凈化處理系統每年可節約能耗100%，污水中CODCr和BOD5減少95%，總氮（TN）和總磷（TP）分別減少95%、90%，處理1t 生活污水，可減少二氧化碳（CO2）排放6.7kg。該處理系統占地面積為傳統生態系統占地面積的1/3。

農村污水無動力復合生態凈化技術工藝流程圖

2.3 農村污水無動力復合生態凈化技術原理

農村污水無動力復合生態凈化技術利用人工基質、定向選擇和培育的功能微生物及馴化的凈水植物，通過填料吸附過濾、微生物轉化與降解、植物吸收轉化實現生活污水的深度處理和資源化利用。

（1）CODCr、BOD5降解：農村生活污水中CODCr、BOD5的降解主要靠微生物的代謝活動，在厭氧池中，微生物形成微生物群落結構，污水中的有機污染物在厭氧細菌和兼性菌的處理下分解為小分子有機物、甲烷（CH4）、CO2和水（H2O）。隨后污水進入復合生態凈化床，填料的吸附、微生物的降解及植物的吸收作用使污水中的CODCr、BOD5得以去除。厭氧降解和復合生態凈化床的多級循環降解完成了有機物的深度脫除。

（2）懸浮物（SS）的脫除：農村生活污水所含SS較少。小顆粒有機物靠微生物的降解作用去除，而無機物主要依靠物理攔截、沉降和過濾作用去除[16]。

（3）氮的去除：農村污水無動力復合生態凈化技術的脫氮原理主要是微生物氨化、硝化和反硝化作用，植物吸收氮的比例約為10%[17]。

氨氮（NH3-N）的脫除：農村生活污中水NH3-N的脫除主要采用生物法。在好氧條件下，污水中的有機氮被分解成NH3-N，NH3-N 在亞硝化菌、硝化菌作用下經過硝化作用被氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽。其反應方程式如下：

總的反應為：

TN 的脫除：NH3-N 經過硝化作用轉化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，TN 的含量保持不變，TN 去除主要在反硝化菌的作用下，將硝酸鹽和亞硝酸鹽中的氮還原成氮氣（N2），完成脫氮過程。

TN 去除的反應方程式如下：

（4）TP 的脫除：農村生活污水中TP 的去除過程主要由植物和基質來完成，少量磷酸鹽被植物吸收合成自身所需要的營養成分[18,19]，基質以離子交換形式的化學吸附以及填料表面沉積過程實現對可溶性磷酸鹽的去除，有機磷與難溶性無機磷需要在微生物、植物與基質的協同作用下去除[20-22]。

3 農村污水無動力復合生態凈化技術的工程應用

安徽桐城無動力農村生活污水處理項目于2021 年建成并運行，處理化糞池出口污水及生活污水約10t/d。項目采用四級循環生活污水無動力復合生態凈化系統，利用水位差形成無動力水流條件，增加水流途徑，在復合生態凈化床內部與植物根系、微生物、基質充分接觸，實現污染物的深度凈化處理，出水可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A 標準。農村污水無動力復合生態凈化系統凈化效果見下表。

農村污水無動力復合生態凈化系統凈化效果

4 結語

（1）針對農村生活污水的特點及存在的問題，開發了農村污水無動力復合生態凈化技術，系統可針對完全分散的1—2 戶設置，也可針對相對集中的幾十到幾百戶設置。該項目不僅實現了建筑廢棄物再利用，達到“以廢治廢”的目的，而且占地面積小、適用范圍廣，整個處理過程無設備、無動力、無能耗、無藥劑、無耗材、無維護。

（2）農村污水無動力復合生態凈化處理系統每年節約能耗100%，污水中CODCr減少95%，TN 和TP分別減少95%、90%，處理1t 生活污水，可減少CO2排放6.7kg，該系統占地面積為傳統生態系統占地面積的1/3。

（3）在安徽桐城農村生活污水處理項目中，采用四級循環生活污水無動力復合生態凈化系統，出水可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A 標準。