國家“十二五”水專項(xiàng)成果助力農(nóng)村生活污水治理
生活污水收集難、處理效果差是長期以來農(nóng)村地區(qū)環(huán)境治理面臨的問題。資料顯示，2016年年末我國城市共有污水處理廠2039座，年污水處理總量448.8億立方米，處理率為93.44%，但在農(nóng)村，對生活污水進(jìn)行處理的行政村比例僅為20%。部分鄉(xiāng)村污水處理設(shè)備因缺乏資金和專業(yè)化管理養(yǎng)護(hù)人才，未能正常運(yùn)行。而大多數(shù)農(nóng)村污水仍就地排放，黑水漫流現(xiàn)象屢見不鮮，水環(huán)境遭到明顯破壞，農(nóng)村地區(qū)發(fā)展受到制約。
農(nóng)村生活污水處理面臨的問題遲遲得不到解決，其中一個(gè)重要的原因就是缺乏可行有效的技術(shù)支撐。近年來，隨著公民環(huán)境意識(shí)逐步增強(qiáng)，農(nóng)村生活污水處理問題逐步走入了公眾視野，而現(xiàn)有技術(shù)大多關(guān)注的是城鎮(zhèn)污水處理工藝和管理技術(shù)，移植到農(nóng)村則很容易出現(xiàn)“水土不服”。與城鎮(zhèn)污水相比，農(nóng)村生活污水排放分散，基礎(chǔ)設(shè)施落后，技術(shù)儲(chǔ)備匱乏。同時(shí)，農(nóng)村生活污水處理工藝不僅要保證穩(wěn)定高效，還要做到“低投資、易管理”，才能真正具備可行性。
由東南大學(xué)牽頭的“竺山灣農(nóng)村分散式生活污水處理技術(shù)集成研究與工程示范課題（2012ZX07101-005）”是聚焦農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的國家“十二五”“水體污染控制與治理”科技重大專項(xiàng)課題。針對小型分散式農(nóng)村生活污水處理、村落（保留村）生活污水相對集中處理和村落無序排放污水處理3種排放類型，課題組創(chuàng)新地提出了生物生態(tài)組合工藝，形成了“工藝簡單，操作管理方便，氮磷資源化，整體景觀化、園林化”的“污染凈化型農(nóng)業(yè)”農(nóng)村生活污水處理體系。同時(shí)，課題組選取了太湖流域這一典型區(qū)域進(jìn)行研究，緊密聯(lián)系“三農(nóng)”，建成了一批具有示范意義的項(xiàng)目，為太湖流域的水污染防治工作提供了科技支撐。
無序排放污水，多級(jí)攔截顯成效
不同于城市相對完善的污水管網(wǎng)體系，農(nóng)村的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其是管網(wǎng)建設(shè)較為落后，不具備城市雨污分離的處理?xiàng)l件，降雨和無序排放的生活污水自然混合，或者溶解農(nóng)田面源污染物，形成無序排放污水，進(jìn)入當(dāng)?shù)厮h(huán)境中。呂錫武教授介紹，無序排放污水一般都富含氮磷，直接排入河道會(huì)對水環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，完全可以通過種植蔬菜、水生植物變廢為寶，發(fā)展污水凈化型農(nóng)業(yè)，不給處理留尾巴。
為了解決這個(gè)問題，課題組以“攔截、凈化、利用”為研究理念，以改進(jìn)的O-A-O水生蔬菜型人工濕地為核心技術(shù)，成功研發(fā)出“村落無序排放污水收集處理及氮磷資源化利用技術(shù)”。這項(xiàng)技術(shù)充分利用農(nóng)村的地形地勢及地域特征，構(gòu)建包含地表徑流生態(tài)攔截溝、生態(tài)凈化塘、水生蔬菜型人工濕地等組成的多級(jí)攔截系統(tǒng)，通過生物及生態(tài)的多重作用，在有效削減村落無序排放污水有機(jī)物及氮磷等污染負(fù)荷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)部分氮磷的資源化利用。
這一方案的誕生得益于課題組的扎實(shí)調(diào)研和靈活思路。課題組發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)村的田間地頭常見到水渠，縱橫交錯(cuò)，用于農(nóng)田灌溉，于是巧妙利用既有水渠，改造成生態(tài)溝渠，攔截匯聚降雨初期徑流，作為第一級(jí)攔截。生態(tài)溝渠沿程攔截技術(shù)采用生態(tài)護(hù)坡，重建植物群落，恢復(fù)水生植物的生物多樣性，利用生物、生態(tài)作用實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化。流出生態(tài)攔截溝渠的污水進(jìn)入生態(tài)凈化塘進(jìn)一步攔截處理。生態(tài)凈化塘中包括挺水植物、生態(tài)浮床和沉水植物，層次豐富，能有效調(diào)蓄和預(yù)處理雨水。生物單元作為第三級(jí)攔截裝置，可以通過設(shè)置“好氧/厭氧/好氧三段式基質(zhì)型水生蔬菜人工濕地（簡稱O-A-O水生蔬菜濕地）”，一方面利用蔬菜來吸收水中的氮磷，另一方面也為蔬菜提供了所需的營養(yǎng)物質(zhì)。
根據(jù)課題組的示范工程數(shù)據(jù)，整體來看，無序排放生活污水及降雨初期徑流經(jīng)收集和生物生態(tài)處理后，COD、TP、TN去除率達(dá)到62%左右。O-A-O水生蔬菜濕地這一處理環(huán)節(jié)在水力負(fù)荷為0.3m3/(m2·d)時(shí)，對COD、TN、TP的去除率分別可達(dá)51%、69%、76%。
高效脫氮除磷，村落集中處理
隨著太湖流域城市化水平的提高和撤鄉(xiāng)并鎮(zhèn)進(jìn)程的加快，類似城鎮(zhèn)的村落、保留村等集中居住社區(qū)迅速發(fā)展，但其生活污水收集和處理率較低。而現(xiàn)有的城鎮(zhèn)污水處理工藝和管理技術(shù)不適應(yīng)村落、保留村等農(nóng)村社區(qū)的發(fā)展需求，主要原因是城鎮(zhèn)污水處理廠工藝復(fù)雜，需要專業(yè)化管理，無法照搬應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的治理中。
課題組在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確識(shí)別了當(dāng)?shù)卮迓洌ūＡ舸澹┥钗鬯鄬刑幚淼男枨螅嗅槍π缘匮邪l(fā)了“功能強(qiáng)化型生化處理+階式生物生態(tài)氧化塘村落污水組合處理技術(shù)”，有效融合了生物處理和生態(tài)處理技術(shù)，采用“農(nóng)村污水-格柵-初沉調(diào)節(jié)池-生物處理-階式功能強(qiáng)化型生物生態(tài)氧化塘”工藝流程，利用功能強(qiáng)化型的生物處理單元去除有機(jī)物及部分氮磷，出水緊接著進(jìn)入功能強(qiáng)化型階式生物生態(tài)氧化塘，在微生物硝化反硝化及植物的作用下進(jìn)一步削減氮、磷等污染物。
雖然都是生物和生態(tài)手段相結(jié)合，但這個(gè)技術(shù)與農(nóng)村小型分散式生活污水處理技術(shù)有一定的區(qū)別。本技術(shù)的生物處理單元采用改良型A2/O一體化活性污泥工藝或改進(jìn)型氧化溝工藝，改良型A2/O一體化工藝耦合同步硝化反硝化與反硝化除磷技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)“一碳兩用”，有效降低污水處理的能耗；改進(jìn)型氧化溝工藝則是在一體化氧化溝的基礎(chǔ)上，通過控制溶解氧濃度在裝置中形成“厭氧-低氧-缺氧-好氧”等不同條件下的反應(yīng)區(qū)域，進(jìn)而提高脫氮除磷效率，工藝流程短，不必設(shè)立初沉池、污泥消化池和二沉池，節(jié)省占地，節(jié)約投資。生態(tài)處理單元?jiǎng)t優(yōu)化組合多種技術(shù)，構(gòu)建兼氧塘、好氧塘、水生植物塘等功能明確的階式功能強(qiáng)化型生物生態(tài)氧化塘，達(dá)到深度去除氮磷的目的。
本技術(shù)在環(huán)保性、成本控制和處理效果方面表現(xiàn)也頗為亮眼。相比傳統(tǒng)生化工藝，本技術(shù)運(yùn)行程中無需投加化學(xué)藥劑，基本無需排泥，更加安全環(huán)保。處理成本主要為生態(tài)塘內(nèi)動(dòng)力設(shè)備能耗費(fèi)用，平均噸水處理成本為0.104元。成本更低的同時(shí)，處理效果并沒有打折扣。當(dāng)水力停留時(shí)間為兩天時(shí)，平均出水COD、TN、TP去除率相對于生物處理的尾水分別為30%、40%、37%左右，出水至少8個(gè)月可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其余時(shí)間達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)污水凈化及節(jié)能降耗的目標(biāo)。
生物生態(tài)結(jié)合，構(gòu)建污染凈化型農(nóng)業(yè)
課題組取得的標(biāo)志性成果之一就是成功研發(fā)了“厭氧-好氧-濕地生物生態(tài)組合技術(shù)”，為解決農(nóng)村分散式生活污水處理問題提供了思路。
課題負(fù)責(zé)人呂錫武教授介紹，太湖流域村落星羅棋布，農(nóng)村地區(qū)人口分散，相對城市而言，污水不宜集中收集處理，統(tǒng)稱分散式生活污水。隨著人口增加，用水量增大，大量分散式生活污水直排，造成流域污染負(fù)荷不斷增加，加快了流域水環(huán)境惡化，污水中的氮磷等物質(zhì)加劇了湖泊水體富營養(yǎng)化，對流域水環(huán)境質(zhì)量造成了巨大影響。因此，有效處理農(nóng)村分散式生活污水勢在必行。
面對農(nóng)村生活污水處理問題的不止中國，放眼國際社會(huì)，不乏技術(shù)成熟的國家和地區(qū)，但其技術(shù)均有局限性。
國際上的技術(shù)主要分為生物處理和生態(tài)處理兩大類。生物技術(shù)以日本的凈化槽為代表，是一種大型污水處理工藝的小型集約化應(yīng)用技術(shù)，但是建設(shè)及運(yùn)行成本高，對管理人員專業(yè)素質(zhì)要求也較高，且不具備除磷功能，在現(xiàn)階段我國廣大農(nóng)村地區(qū)難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。生態(tài)處理技術(shù)由于所需占地較大，處理效果受季節(jié)影響明顯，主要在澳大利亞、美國等土地資源豐富、環(huán)境容量大的地區(qū)使用，而我國有相當(dāng)一部分農(nóng)村地區(qū)受土地資源和地理位置的雙重制約，不具備應(yīng)用條件。
課題組充分結(jié)合我國國情，本著“因地制宜、高技術(shù)、低投資與運(yùn)行成本、資源化利用”的可持續(xù)發(fā)展原則，另辟蹊徑，研發(fā)了可以規(guī)避國外方案弊端的新技術(shù)。在保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，規(guī)?；鞘形鬯幚韽S需要專業(yè)化管理，不適用于農(nóng)村分散式污水，針對此問題，課題組秉承“生物單元重點(diǎn)處理有機(jī)污染物，生態(tài)單元資源化利用氮磷”的理念，采用“農(nóng)村污水-格柵-厭氧-缺氧-好氧-經(jīng)濟(jì)型人工濕地”的工藝流程，生物單元不設(shè)計(jì)除磷脫氮功能，充分發(fā)揮其簡易高效降解有機(jī)物的特點(diǎn)，同時(shí)以跌水曝氣替代傳統(tǒng)鼓風(fēng)曝氣方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和工藝簡化；生態(tài)單元通過開發(fā)具有較高氮磷吸收能力和適于在人工濕地內(nèi)種植的經(jīng)濟(jì)型作物，實(shí)現(xiàn)氮、磷資源化，構(gòu)建污染凈化型農(nóng)業(yè)。
這一方案各單元分工明確，工藝可以靈活調(diào)整，既能較好地解決農(nóng)村地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等基本情況復(fù)雜、污水處理技術(shù)需求差異較大的問題，又能在控制成本的條件下達(dá)到良好的處理效果，還能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，具備較高的性價(jià)比。
經(jīng)測算，農(nóng)村小型分散式生活污水經(jīng)過“厭氧-好氧-濕地生物生態(tài)組合技術(shù)”工藝處理后，COD去除率大于85%，BOD5去除率大于90%，SS去除率大于90%，NH4+-N去除率大于95%，TN去除率大于80%，TP去除率大于85%，處理效果顯著。而處理成本主要包括建設(shè)、處理和運(yùn)行三方面，建設(shè)成本低于1萬元/噸；直接水處理成本小于0.15元/噸；整個(gè)工藝系統(tǒng)全程僅需1個(gè)水泵自控運(yùn)行，不需要混合液回流與污泥回流，不需要機(jī)械曝氣，較傳統(tǒng)生活污水處理工藝（以A/A/O工藝為例）節(jié)能50%以上，污水處理裝置可節(jié)地20%以上。如利用地形條件，甚至可免去水泵，進(jìn)一步降低直接運(yùn)行費(fèi)用。
“經(jīng)濟(jì)效益則主要由種植的植物決定，以空心菜和水芹菜輪種為例，每年空心菜產(chǎn)量可達(dá)8000斤/畝，水芹菜1000斤/畝，可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益不低于1萬元/畝?！闭n題負(fù)責(zé)人呂錫武教授介紹。
真金不怕火煉，成果應(yīng)用廣泛
太湖流域農(nóng)村生活污水入湖污染負(fù)荷高、收集和處理率較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太湖流域水環(huán)境治理區(qū)內(nèi)農(nóng)村污染排放量占所有排放源排放量的比例分別為：COD占23%，氨氮占38%，TN占40%，TP占38%，且呈現(xiàn)逐年升高的趨勢。
課題組選取太湖流域這一典型區(qū)域進(jìn)行研究，圍繞有效削減農(nóng)村生活污水污染負(fù)荷，建成了一批示范工程，為太湖流域乃至全國農(nóng)村生活污水治理提供技術(shù)支撐。
課題示范工程按照“污染物排放特征-氮磷削減-資源化利用-優(yōu)化集成-技術(shù)與裝置標(biāo)準(zhǔn)化-管理機(jī)制保障”的總體思路，分別針對小型分散式生活污水、相對集中的村落污水以及無序排放污水等不同排放類型的污水，建立了節(jié)能高效治理的技術(shù)體系。
據(jù)了解，在太湖流域建成的小型分散式農(nóng)村生活污水處理示范工程已近272座，總規(guī)模5230m3/d。其中，常州市武進(jìn)區(qū)建設(shè)生物生態(tài)組合處理設(shè)施30套，總規(guī)模892m3/d；南京市高淳區(qū)建設(shè)生物生態(tài)組合處理設(shè)施216套，總規(guī)模3715m3/d；無錫江陰市建成小型分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施4套，規(guī)模155m3/d；無錫宜興市建成小型分散式農(nóng)村生活污水處理設(shè)施22套，規(guī)模468m3/d；
針對小型分散式生活污水，課題組選取常州市綠色建筑博覽園的未來屋建設(shè)了生活污水處理工程，解決未來屋中10名住戶的生活污水問題。課題組根據(jù)單戶居民生活污水時(shí)間分布不均的特點(diǎn)（污水主要產(chǎn)生于一日三餐時(shí)間，且晚間用水量較大），提出了“高效折板厭氧反應(yīng)器—調(diào)節(jié)池—水車跌水充氧接觸氧化—景觀型人工濕地”的組合式污水處理工藝，每天的處理能力為2.2m3，處理出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，可回用于廁所便器沖洗、小區(qū)綠化、水景觀用水等。同時(shí)，污水中的碳源產(chǎn)生沼氣，氮磷用作肥料，構(gòu)建生態(tài)景觀，使多種污染物質(zhì)均得到充分資源化利用。
不同于小型分散式生活污水，村落污水相對集中處理的技術(shù)工藝更加復(fù)雜，課題組目前已建成27座示范工程，總規(guī)模3066m3/d，位于常州市武進(jìn)區(qū)、南京市高淳區(qū)等地，服務(wù)人口近4萬人。其中，常州市武進(jìn)區(qū)橫山橋鎮(zhèn)新安社區(qū)生活污水處理工程于2014年11月30日竣工，處理單元處理規(guī)模為480m3/d。自建成后，新安社區(qū)及周邊村莊1300余戶村民約5000人受益，改善了百姓居住環(huán)境，增強(qiáng)了百姓的幸福感。
同時(shí)，課題組結(jié)合太湖流域村落無序排放污水的情況，選取了宜興市周鐵鎮(zhèn)、昆山市巴城鎮(zhèn)等地建成了3套示范工程，集成了生態(tài)攔截溝、生態(tài)凈化塘、水生蔬菜型人工濕地、泵房、計(jì)量槽等多項(xiàng)技術(shù)，形成具有節(jié)能、節(jié)地、高效、低維護(hù)、景觀化、園林化特征的可選工藝組合流程，不僅能有效削減村落面源流入太湖的氮磷負(fù)荷，改善徑流水質(zhì)，還能種植空心菜和多種水生植物，經(jīng)濟(jì)效益和景觀效果明顯。昆山市小橋?yàn)炒宓拇迕窬蛯?shí)實(shí)在在享受到了無序排放污水示范工程帶來的好處。課題組因地制宜，針對目前農(nóng)村污水處理技術(shù)無法有效收集攔截村落無序排放污水、凈化效果不高和氮磷資源損失等缺點(diǎn)，集成了自主設(shè)計(jì)的生態(tài)溝渠和新型水生蔬菜濕地，污染物攔截效率高、凈化效果好，實(shí)現(xiàn)了污水中的氮磷資源化利用，氮磷資源化利用率高、建設(shè)成本低，適于在農(nóng)村地區(qū)推廣建設(shè)運(yùn)行。
從“十五”到“十二五”，課題組開展了長達(dá)十幾年的持續(xù)研究與工程應(yīng)用，已申請發(fā)明專利50余項(xiàng)（獲授權(quán)30項(xiàng)），已獲授權(quán)實(shí)用新型5項(xiàng)；在全國范圍內(nèi)共建成工程568處，設(shè)計(jì)處理水量14630噸/天，可實(shí)現(xiàn)污染物年削減COD1869.0噸，TN160.2噸，TP18.7噸。在低建設(shè)、低運(yùn)行成本、易維護(hù)的前提下，課題實(shí)現(xiàn)了污水處理生態(tài)化、景觀化、園林化和氮磷資源化，為太湖流域水質(zhì)改善乃至全國農(nóng)村生活污水治理提供了技術(shù)支撐。
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