农村生活污水生物生态耦合治理模式与单元关键技术
吕锡武
东南大学（南京，210096）
自2012年起，在中央“农村连片环境整治”、美丽乡村建设以及农村改厕等一系列项目及其治理专项资金的推进下，全国农村生活污水治理发展迅速。长三角的浙江省、上海市以及江苏的太湖流域等地农村生活污水治理普及率已经达到了很高的水平。
但2017年江苏省的一项调研报告表明，太湖流域已建工程的67.89%处于非正常运行或未运行状态，处理装置出水水质总体达标率很低。
已建设的装置不能正常运行原因包括：
（1）生搬硬套城镇污水处理厂规模化、专业化管理的工艺，把复杂的城镇污水处理技术简单小型化，没有考虑农村生活污水排放分散，不具备配备专业化人才管理的农村实际，存在严重的水土不服；
(2)忽略了农村丰富的土地资源及农业对氮磷营养盐的强大需求和消纳能力。而这一点恰恰是农村所特有的，是小型分散式农村污水治理实现无害化和氮磷资源化利用的有利条件。
不仅仅是苏南太湖流域，全国其它地方包括浙江、上海等地，以及正在实施的农村污水处理PPP项目，大多存在以上问题的严重隐患。主要的问题有：农村污水处理设施排放标准制定不合理，污水处理工艺设计不切合农村实际，管理复杂，建设和运行成本高昂，成为各级政府财政的沉重负担。目前的这种农村污水治理模式是不可持续的，希望能引起各级政府的高度重视。
中央农办（中农发〔2019〕14号）等九部委“关于推进农村生活污水治理的指导意见”提出农村生活污水治理应遵循的原则是：“因地制宜、尊重习惯，应治尽治、利用为先，就地就近、生态循环，梯次推进、建管并重，发动农户、效果长远”。
针对我国农村的特点和农村生活污水治理的需求，将污水处理与农业种植业相结合，采用“生物—生态”耦合工艺，将处理技术设计成“生物单元处理有机污染物，生态单元资源化利用氮磷”的模式，既实现了生物单元的大幅度简化，易于管理，还通过生态单元种植经济型植物资源化利用水中的氮磷营养盐，构建污染净化型农业，形成可持续发展的农村生活污水生物生态组合处理成套技术体系。
我国农村生活污水治理的有利条件是：污水没有有毒有害物质，且富含氮磷。如果把农村生活污水治理融入到农业之中，则农村生活污水中的氮磷则可变废为宝，成为农业种植所需的宝贵肥料资源，农村丰富的土地资源和种植业也完全具备消纳生活污水氮磷的强大能力。从这立场出发的农村生活污水治理的战略选择应该是：源于三农，融入三农，服务于三农。农村污水处理应该瞄准“因地制宜、高技术、低投资与运行成本、易维护、资源化利用氮磷”的目标，体现可持续发展的污水治理原则。
本文基于以上的理念，以作者及其团队承担的国家水专项和省部级多项相关课题多年持续研究和开发的成果为基础，提出可持续发展的农村生活污水生物生态耦合治理的模式及其关键单元技术。
一、生物生态耦合治理模式：
1.分流制生活污水管网+生物生态组合工艺
2.单户或相邻多户分散处理+尾水绿地利用+排入生态沟渠或雨水管网
3.灰黑分离模式：
3.1黑水集中收集+秸秆异位发酵床制取有机肥+灰水直接生态净化
3.2黑水高效化粪池+灰水生态净化
二、关键单元技术
1.生物单元
1.1多级串联大深径比高效厌氧反应器
国内外研究实践表明，常温厌氧处理低浓度污水的可行的，问题在于水力停留时间较长，往往难以满足实际要求。因此提高低浓度污水常温高效厌氧处理显得十分重要。生物生态组合体系中，厌氧段需要高效降解有机物，以降低好氧段有机负荷和需氧量，为后续好氧段实现低耗能提供保障。从反应器流态看，理论上推流厌氧反应器比完全混合反应器具有更高的处理效率和耐冲击负荷能力。多级串联大深径比高效厌氧反应器可以解决这一难题：以水动力学和反应器构造原理为基础，增加厌氧反应器的有效水深，形成“大深度，小内径”的特征构型，在其内部形成整体升流或降流的推流流态，而多级串联使水力停留时间更趋推流，保证厌氧反应的高效进行。反应器内填充无纺布或弹性填料，提高生物附着比表面积来提高厌氧反应效率。在相同容积负荷的情况下，较大的深径比也缩减了反应器的占地面积。该反应器适用于地下水水位较深、土地资源紧张的地区。
作为替代单元，折板高效厌氧反应池适用于地下水位浅，地质条件不好的地区，是采用特定填料的管道式或折流板式推流反应器装置，适合于小型分散生活污水就地处理，也可利用现有的化粪池进行改造。
1.2高适应性农村生活污水处理的低能耗好氧处理单元
组合工艺中好氧段以氮磷的无机化和有机物的进一步去除为主要功能，以求保证湿地出水稳定达标。常规小型污水生物脱氮工艺中，曝气动力消耗一般占日常运行成本的80%，是传统生物处理的主要耗能单元。采用阶式跌水、往复式跌水、拔风、水车驱动生物转盘等自然充氧形式，简化了传统生物处理曝气方式，构建了多种低能耗好氧处理装置。
跌水曝气充氧装置利用污水提升获得势能，分级跌落，将势能转化为动能，形成水幕、水滴自然充氧，无需曝气机设备。本技术包含多种不同构型的充氧装置，以应对不同的农村生活污水水质变化的需求。可以有阶式和垂直交错跌水两种类型。垂直交错跌水充氧生物接触氧化池接触氧化池多级垂直交错分布，利用挡板使污水往复跌落，占地较梯式跌水充氧可节省50%以上，且由于占地集中，外围可建房屋，实现保温，保证冬季污染物降解效率，可适应寒冷的北方地区。
水车驱动生物转盘利用水流跌落的动能带动水车转动，实现污水跌落充氧、溅水分散充氧和转盘盘面复氧的三重充氧作用，充氧效果优，适用于较高浓度的生活污水。
图一 各类型跌水装置图
脉冲多层复合滤料生物滤池无需曝气，自然通风供氧，水力负荷高，占地面积小，耐冲击负荷。其采用虹吸脉冲布水的方式，既可以维持滤池以低平均负荷运行，保证滤池中硝化反应顺利完成；又保证在布水时瞬间冲刷掉部分老化的生物膜，从而维持较高活性的生物膜，解决了传统的生物滤池易于堵塞和生长池蝇、产生臭味的问题。此外在滤料填充层中可设“废石膏充填区”，初步实现磷的去除。生物滤池整体呈塔状，在寒冷地区应用时方便外加建筑保温。
1.3反硝化除臭技术
生活污水中含有大量有机物，经厌氧处理后易产生氨、硫化氢、甲硫醇、甲胺等致臭物质，这些致臭物质散逸至空气中会严重影响污水处理设施周边空气质量。目前污水厂除臭方法主要有：对已逸出到大气中的臭气进行收集去除的被动的除臭方法，代表技术有生物滤池过滤、植物提取液除臭、活性炭吸附、高能离子除臭、化学除臭和活性氧除臭等；以及通过投药提高污水中氧化还原电位，避免含氮及含硫化合物产生的主动除臭法。以上方法均需额外的动力设施和化学药剂，运行费用昂贵，管理难度大，基本不可能在农村地区推广。创新型的反硝化除臭技术是利用好氧生物处理单元产生的硝化液和剩余溶氧回流至缺氧池，氧化并稀释其中的还原性致臭物质，解决了臭味问题。
2.生态单元
生态单元紧密结合农村种植业，使之成为污染净化型农业。主要表现为两方面：用经济作物替代传统湿地植物并优化湿地构型；构建污染净化型农业，实现氮磷资源化利用的同时获得一定经济效益。通过采用水耕蔬菜型过滤床、水位及浸润度可控型潜流人工湿地等专门技术，有效提高人工湿地的处理效率。人工湿地生产有经济价值的水生蔬菜和花卉，可调动农民参与污水处理设施管理的积极性，利于工艺的推广。另一方面，强化与提升污染物沿程净化的理念，通过相关技术的研发与集成创新，实现污染物削减的最大化。同时根据不同地区的条件，还因地制宜地研发了梯式生态砾石处理技术、阶式多功能强化生态净化塘处理技术，多种构型的生态混凝土支撑生态沟渠沿程降解技术。
2.1无土栽培与人工湿地集成优化技术
水耕蔬菜人工湿地技术：开创性地融合了人工湿地技术和蔬菜无土栽培技术，集成优化提出在人工湿地内培植空心菜、水芹、豆瓣菜、番茄、生菜等根系发达、生长速率快的常见无土栽培蔬菜，以生物单元处理后的尾水作为人工湿地内水生蔬菜的“营养液”，而根系发达的水生蔬菜密植于人工水槽中，形成细密的根系垫层，以此充当“基质”，供微生物附着，同时通过拦截颗粒性污染物和水质净化作用，对后续浸润度可控人工湿地起保护作用。通过湿地出水堰的改良设计来实现人工湿地水位的控制，使得人工湿地适应各种经济植物的生长；还可以在人工湿地上加盖暖棚，保证其冬季低温条件下的正常运行；在人工湿地内引入蚯蚓，改善湿地微环境，提高湿地的污染物去除效果。
水位及浸润度可控型潜流人工湿地技术是利用出水堰（阀）的优化设计，实现对潜流人工湿地内水位的控制，进而调节湿地滤床深度及基质床层浸润程度。一方面引导人工湿地内水生蔬菜根系纵向的充分发展，另一方面强化大气复氧能力，改善滤床及基质的氧环境。在北方寒冷地区应用时，可以搭建暖棚或通过控制水位使湿地冬季水位低于冰冻线，从而防止潜流人工湿地结冰，保证人工湿地冬季的正常运行。
2.2垂直潜流落干式湿地
实质是垂直潜流生化滤床为核心的人工湿地技术，克服了潜流湿地易堵塞的缺点，使用周期可长达20年以上。可应用在基于灰黑分离模式的混合污水的直接处理，通过污水泵提升，由管道布水喷流系统均匀分布到生态滤床表面；污水重力下渗，经过滤床砂层基质内无数微处理单元，在底部砾石排水层汇集，由环切孔排水管导流排放。
2.3阶式多功能强化生态净化塘处理技术：是针对村落周边分布的小池塘、断头河等，利用软围隔导流、生态护岸、人工介质、立体生态浮岛等多种技术优化组合而成。其依靠塘中的藻、菌共生原理来充分调动水体的自净能力，达到去除氮、磷，深度净化污水处理尾水、改善水体景观的目的。
2.4 梯式生态砾石处理技术是针对丘陵地区农村的地形特征而开发的生物生态高集约化技术。其利用地形落差，阶梯式布置多级生态砾石床，床内分级放置填料，利用级间高差跌水实现充氧；通过结构优化，形成A/O/A/O流程，保证氮磷去除效率；砾石表面可种植与周围生态景观相协调的水生花卉、水生蔬菜、水生牧草等。本技术将生物单元和生态单元合并，因地制宜、工艺实用，维护方便。
三、应用举例
为应对不同农村地区经济状况、人员素质、地理气候等多方面条件对污水治理的约束，满足不同地区对出水水质的需求，可持续发展的农村污水治理技术已形成包含多种单元技术的可选组合技术系统，通过将前文所述的多种单元创新技术进行系统集成和有机组合，形成最适合于当地的农村生活污水处理工艺。
3.1 宜兴市周铁镇分散式生活污水处理工程共计约87户，人口约310人，设计污水处理流量30吨/天，工艺流程为“大深径比厌氧反应器-阶梯式跌水充氧反应器-水生蔬菜过滤床+潜流人工湿地”，主体工艺及现场情况如图四。工程占地面积240m2，其中湿地面积216m2，吨水湿地面积7.2m2，直接运行成本0.11元/吨水。该项目出水稳定优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的一级B标准。污水处理设施建设投资每吨水在8000元左右。设施较传统生活污水处理工艺（以A2/O工艺为例）节能70%以上，节地20%以上。水生蔬菜型人工湿地每年以空心菜和水芹菜轮种，每年空心菜产量约8000斤/亩，水芹菜1000斤/亩，产生经济效益高于18000元/亩。同时本设施大深径比厌氧器还具备沼气收集利用的条件。
3.2 常州武进区新康村生活污水处理工程污水来源于村内30户村民，约100人，设计处理规模10吨/天，工艺流程为“折流板厌氧反应器-缺氧反硝化-水车驱动生物转盘-浸润度可控潜流人工湿地”，工程占地面积110m2，其中湿地面积100m2。
3.3 北京市通州区后青山村共有56户居民，人口约200。采用单户或相邻多户分散式处理，尾水就近消纳的模式。
后青山村生活污水处理片区布置图
“一体化处理设施+就近资源化利用”工艺
四、结束语
我国幅员辽阔，各地农村地区情况差异较大。农村生活污水治理受经济状况、人员素质、地形地貌、气候条件等多方面条件约束，单一模式的污水处理工艺无法包打天下，也不可能适应复杂农村背景条件。可持续发展的农村生活污水生物生态耦合治理模式及其多种单元技术的可选组合技术系统，具有因地制宜的高适用性特色。其内涵是将多种农村生活污水单元创新处理技术进行系统集成和优化组合，形成具有节能、节地、高效、低维护、景观化、园林化、氮磷资源化特征的多种可选工艺流程，形成可持续发展的农村生活污水处理生物生态组合成套技术体系，以满足不同农村地区生活污水治理的不同需求。
5月15日直播预告|用国际视野打造上海市中心城雨水规划
2020-05-11 12:21
欢迎进入《中国给水排水》直播间
城市雨水排水规划作为城市水务规划和城市规划的重要组成部分，其规划的视野、理念、层次、科学性、可实施性等，直接反映着一个城市对雨水在自然、社会水循环系统中重要作用的理解水平。本次上海市中心城排水规划方案采用吸纳国际团队参加，旨在吸取国际经验，寻求全球创意，破解城市雨水排水难题，体现了上海市政府海纳百川的胸怀和高瞻远瞩的境界。
主题
用国际视野打造上海市中心城雨水规划
直播时间
2020年5月15日（周五） 14:00—16:00
主持人
王领全《中国给水排水》杂志副主编
主讲人
唐建国， 上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 总工程师、教授级高工
住房城乡建设部科技委员会城镇水务专家委员会委员
国家水专项城市水环境主题专家组成员
中国供水排水协会科技发展战略咨询委员会委员
《中国给水排水》编委会成员
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