試論基于碳中和背景下的幾種農村污水處理節能技術運用

摘要：為了有效整治農村居住環境，貫徹落實鄉村振興戰略，應重視農村生活污水治理工作，改變農村水環境污染的現狀。隨著我國各個地區逐步有效貫徹落實黨中央、國務院的環境治理決策部署，農村生活污水治理取得了積極進展，但仍然存在治理模式不精準、治理成效不穩固等突出問題。因此，考慮到農村地區污水排放的主要特點，根據不同地區農村區域地貌特征以及污水污染情況以及污水處理總量等，研究新型污水處理系統的設計與構建，因地制宜選擇資源化利用，合理選擇技術工藝，既能滿足農村污水水質凈化處理要求的同時，又能夠達到處理系統節能運行的目標。基于此，本文結合我國農村地區污水處理的特點以及系統節能降耗的運行要求，在日常農村污水巡查監管中工作思考，提出了幾種農村污水處理節能技術的應用，確保農村地區污水處理滿足碳中和政策要求。

關鍵詞：碳中和；農村地區；污水處理；節能技術

為全面貫徹落實黨的二十大和全國生態環境保護大會精神，全面推進城鄉人居環境整治，加快美麗鄉村建設的步伐，從整體上提升農村生活污水治理能力和水平，補齊農村人居環境短板，加快建設美麗鄉村，農村污水治理成為我國生態環境保護，當前和今后的一項重要工作。我國農村地區污水排放具有隨意性、未集中收集或未完全收集處理的特點，且污水排放的規律和總量也具有不確定性，導致農村生態環境存在污水橫流和公共空間生活污水亂倒亂排的狀況，老百姓怨言頗多。要立足農村實際，以污水減量化、分類就地處理、循環利用為導向，健全治理機制，就需要積極探索新型污水治理模式及節能技術的應用，提高農村地區污水處理效率和質量，降低能源消耗，符合碳中和的發展要求。

1 農村生活污水處理特點分析

農村地區污水的主要類型包括廚房污水、洗滌污水、沖廁污水以及畜牧業產生的清潔用水和糞水等，同時也包括農村畜牧業養殖過程中的清潔用水和糞水等。污水總量占全國生活污水排放總量的1/4左右，同時具有間歇性排放的特點。在污水水質方面：污水中含有的污染物包括化學需氧量（COD）、氮、磷元素等物質，污水可生化性較高。污水收集方面：對于距離城鎮較近且人口集中的村莊，采取納入城鎮污水管網（廠）的治理模式，對于距離城市較遠人口集中或相對集中的村莊，一般采取集中式處理或相對集中式模式。從現實情況來看，這種模式存在污水管網設計過程中的難度較大，管網易損壞，進而增加了污水收集的難度，對污水處理效率產生了不良影響，同時一些地區污水并未集中收集和凈化處理，直接排放到自然環境中。污水處理方面：我國農村地區污水處理模式還未統一建立，污水處理技術還相對落后，農村污水排放量大，污水處理率低。在借鑒國外先進污水處理技術的基礎上，現代化的污水處理技術在農村地區污水處理中獲得了積極的推廣應用。在污水處理系統運營管理方面：農村地區污水處理設施投入的成本較高，系統建設數量較多，由于處于分散的分布狀態，在不同地區的管理模式也并未統一，同時由于污水處理系統技術人員和管理人員的能力不足，系統運行缺乏完善的保障體系，導致污水處理效果不佳，且水質監測評價體系不夠完善，并未獲得理想的農村地區污水治理成效[1]。

2 農村地區污水處理能耗分析

隨著現代化污水處理技術的應用，農村污水處理過程中產生的能源消耗量增多，污水處理的成本也相對較高，直接影響農村地區污水處理系統和設施運行的持續性。對于農村地區的污水處理站（廠）來說，能源消耗主要為電力資源，在污水處理動力設施運行中損耗量較大。污水處理站（廠）在設計過程中相比城市污水處理系統的整體運行能力不足，在能耗設備性能方面也相對較弱，但是由于農村污水排放總量具有不穩定性，因此在處理過程中設備使用中消耗較多的能耗，為了達到碳中和的運行要求，對農村污水處理系統中能耗設備的節能性能開展深入研究至關重要。

3 碳中和背景下幾種農村污水處理節能技術

3.1 污水處理黑灰分離技術

農村地區生活污水主要分為黑水和灰水兩大類，黑水成分是糞便和尿液，包括人們日常生活以及畜牧養殖過程中產生的大量糞水，黑水在污水中占比總量較少，在污水中COD及生化需氧量（BOD）物質的含量較多，同時還含有病原菌和臭氣污染等。灰水污染主要是人們日常生活中產生的，具體包括廚房污水和生活洗滌污水等，在農村污水排放總量中，灰水的占比較高，通過對灰水污染物種類以及含量的分析，并且灰水中存在的活性劑等能夠進行生物降解的污染成分，在對灰水進行處理的過程中，如果能夠對灰水進行循環利用，可以降低污水處理的總量，進而降低污水處理過程中的電力能源消耗。結合當前我國不同地區農村污水水質污染以及排放的實際情況，為了提高污水處理效率和質量，應采取黑灰和灰水分離處理方式，從而減少污水處理的總量，減少污水處理系統運行所產生的能耗。在農村地區生活污水處理設施建設過程中，將污水分離和分質處理以及資源化利用的理念引入到污水收集和處理環節中，可以提高黑水和灰水分離的效率，實現灰水的生物化處理，提高循環利用效率，并降低污水處理總量[2]。相關研究人員對污水處理技術開展了深入研究，從節能降耗的角度考慮，設計了污水生物處理工藝技術方式，有效分離了黑水和污水。根據黑水和灰水水質污染的類型以及有害物質等，制定水質達標排放的具體標準，有效發揮出高效厭氧折流板反應器設備的作用與優勢，黑水進行水質達標處理。達標的黑水與分離出的灰水共同流入缺氧—好氧—人工濕地單元實施凈化處理，達到了降耗和節能的運行要求，同時也減少了污水處理成本投入。

3.2 組合式無動力處理技術

組合式無動力處理技術在農村污水處理中的應用，有效節約了電力資源，達到了農村污水水質達標排放的要求，對改善農村地區水質環境提供了技術支撐。相關研究人員通過對生活污水凈化池以及人工濕地等多種無動力污水處理工藝開展深入研究，論證了工藝應用的有效性，同時也根據實踐結果證明了無動力農村污水處理工藝在生活污水處理中所發揮的效用，對于明顯改善水質，并有效處理污水中含有的CODCr、SS、NH3-N和TP等污染物，達到了水質凈化的要求。還有相關研究人員根據農村地區所處的地貌特征和地質環境等特點，構建了無動力級聯生物濾池系統，經過系統處理的生活污水達到了水質達標排放的要求，且無需投入能源，符合我國特定農村地區污水處理中的應用。組合式污水處理技術的實際應用獲得了良好的效果，通過將不同類型的處理工藝進行組合應用，能夠達到污水排放的具體標準和要求。其中，厭氧—跌水接觸氧化—植物濾床等組合式處理技術的應用，能夠進行適當的調整，并設計更新組合方式，結合農村地區污水排放情況以及地理位置等，達到無動力污水處理系統的運行要求，具體運行原理（如圖1）。

圖1 厭氧—跌水接觸氧化—植物濾床

處理技術運行原理圖

以上兩種無動力組合式污水處理技術的應用，能夠滿足農村污水處理節能的需求。充分利用厭氧預處理的方式，對污水中含有的多種污染物濃度進行降低，為緩解后續污水氧化處理環節面臨的高負荷提供保障，污水接觸氧化階段要想達到預期的處理要求，還應有效發揮出地勢差的作用，通過將污水在高空飛濺充氧，為污水處理過程中提供微生物充足的需氧量提供幫助，有效去除污水中污染物的同時也達到了節能的效果。同時，結合接觸氧化階段污水處理后的水質達標情況，可以適當采用植物處理技術，將污水中含有的氮磷等營養物質進行吸附，進一步提高水質凈化效果。組合式污水處理技術在污水處理中的應用具有一定的靈活性且工藝復雜性較低，能夠根據農村地區不同階段污水排放的總量以及污染物的特征等做靈活調整。同時，可根據農村地區的地理位置、環境條件以及水質達標要求等因素，靈活組合應用不同的工藝方式。這樣不僅能夠充分發揮不同設備和單元的運行優勢，還能實現各個處理單元之間的高效配合與互補，確保處理系統運行達到最佳穩定性狀態。

3.3 智能設備節能技術

農村地區污水處理過程中，能源消耗較多的環節為設備使用的設計階段，結合農村地區所處的地貌和地形特點以及污水處理總量等方面，應合理選擇污水處理系統中各個環節的設備，主要從設備的性能和運行工況等方面分析，確保設備設計與應用能夠滿足節能降耗的運行要求。在整個污水處理系統中，能源消耗量較大的環節為泵類設備和鼓風曝氣設備，這兩種設備的運行需要依靠電機作為動力支持，由于整個污水處理系統的規模較大，如果采用傳統的電動機只能進行定速設計，不能根據污水處理總量進行調節，進而增加了能源的消耗，所以，科學智能化的變頻電機控制，可以根據污水處理量對電機運行速率進行調整，達到了節能降耗的目標。在污水處理系統運行過程中，考慮到泵的電機轉動速度與流量指標之間存在正比例關系，通過對水泵轉動速度和流量的變頻調節，可以提高污水處理系統的智能化控制水平，通過設備智能化的調速運行，達到節約資源的目的。采用智能變頻調速風機設備時，應明確污水處理系統各個環節的控制要求以及溶解氧量要求，最大化地發揮出智能控制系統的優勢，對風機的轉動速度和頻率進行調整。智能變頻風機設備的運行原理為利用流量計設備和水質檢測儀器，對污水中含有的污染物種類以及含量等數據進行計算，并獲得污水處理的進水總量，并將采集的信息傳輸到智能控制系統中，將目標值與出水裝置中設置的傳感器進行連接，從而對比經過處理后的出水水質與達標水質的要求，將比對結果傳輸到變頻風機設備中，接收到數據達標指令后，變頻風機會自動調整轉動速度，實現智能化控制的目的。例如采用AO+MBR分散式污水處理工藝，在系統運行過程中，曝氣供氧需要選擇兩臺風機進行供應，并且風機的功率應達到7.5 kW，整體能耗較高，但通過引入智能化變頻風機設備后，可以根據污水處理總量情況，對風機的運行進行精準的調節，實現溶氧量的準確控制，促使污水處理系統處于低負荷的運行工況狀態，達到了理想的節能運行效果，智能變頻風機運行原理，（如圖2）。

圖2 智能變頻風機運行原理圖

3.4 新能源替代技術

在碳中和背景下，農村污水處理系統也應遵循碳中和政策的運行要求，對污水處理系統存在的高耗能情況進行改善和解決。我國國土資源遼闊，在不同地區都具有各自的能源優勢，包括風能和太陽能等自然資源也獲得了良好的利用，有效代替了傳統資源，對于改善生態環境發揮了重要作用。隨著太陽能光伏發電技術的日益成熟，太陽能發電系統的設計也更加科學完善，為傳統電力系統提供了補充電能的作用，風能發電系統也在我國不同地區獲得了普及建設。但是在這些清潔能源應用過程中，需要對電流的運行方式進行轉換處理，然后才能接入到農村污水處理系統中。太陽能驅動生物滴濾—人工濕地組合工藝的應用，在農村污水處理中獲得了良好的應用效果，工藝流程設計不復雜且操作便利，維護成本投入較低，能夠達到農村污水處理水質達標的基本要求。研究人員通過對農村地區太陽能光伏發電系統的科學調整與人工濕地技術進行聯合應用，構建了組合式的污水處理系統，在實踐應用過程中，污水處理的規模較大，且系統能夠保持長久的運行，有效節約了系統運行過程中煤炭資源和電力資源的用量，降低了二氧化碳的排放量。根據最新的研究來看，無蓄電池風和光能互補污水處理技術替代了系統中的蓄電池設備，根據不同季節環境下風能和太陽能的變化情況，融合污水處理技術應用的特點以及農村地區污水處理的不持續性等特點，構建了基于無蓄電池組的太陽能與風能互補的農村污水處理設施，將多種技術優勢進行集成應用，保證了污水處理系統的穩定運行，同時也提高了風能和太陽能等清潔能源的利用率，降低了污水處理系統日常運營和維護管理的成本投入。此外，還應結合農村地區的實際情況，科學地利用污水水流的勢能差，通過水力發電的方式為污水處理系統的穩定運行提供電力能源，此項技術在地勢高差差距明顯的農村地區具有良好的應用效果。

4 結語

農村地區污水在排放量以及污染物種類以及污染程度等方面與城鎮污水存在顯著的差異，因此，在農村地區進行污水處理時，不可機械地套用城鎮污水處理的工藝與運行模式，而是要根據農村地區的自然環境條件，通過開展實地調研，科學地選擇污水處理工藝和節能技術方式，最大化地發揮出節能技術和現代化設備的智能化控制優勢，達到節能降耗運行需求的同時，也促使污水處理水質滿足達標要求，降低污水處理系統運營管理以及維護的成本費用，滿足新時期提出的碳中和發展目標和要求，有效改善農村地區水質污染的現狀。

參考文獻

[1] 連劍斌，譚杞安，王奎.雙碳背景下城市污水處理廠清潔生產審核研究[J].中國資源綜合利用，2023，41（12）：246-248.

[2] 齊浩然，尹明山，唐兆國，等.城鎮污水處理廠節能減碳實現路徑與技術探討[J].凈水技術，2023，42（10）：16-27.