國家“十二五”水專項成果助力農村生活污水治理
生活污水收集難、處理效果差是長期以來農村地區環境治理面臨的問題。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%，但在農村，對生活污水進行處理的行政村比例僅為20%。部分鄉村污水處理設備因缺乏資金和專業化管理養護人才，未能正常運行。而大多數農村污水仍就地排放，黑水漫流現象屢見不鮮，水環境遭到明顯破壞，農村地區發展受到制約。
農村生活污水處理面臨的問題遲遲得不到解決，其中一個重要的原因就是缺乏可行有效的技術支撐。近年來，隨著公民環境意識逐步增強，農村生活污水處理問題逐步走入了公眾視野，而現有技術大多關注的是城鎮污水處理工藝和管理技術，移植到農村則很容易出現“水土不服”。與城鎮污水相比，農村生活污水排放分散，基礎設施落后，技術儲備匱乏。同時，農村生活污水處理工藝不僅要保證穩定高效，還要做到“低投資、易管理”，才能真正具備可行性。
由東南大學牽頭的“竺山灣農村分散式生活污水處理技術集成研究與工程示范課題（2012ZX07101-005）”是聚焦農村生活污水處理技術的國家“十二五”“水體污染控制與治理”科技重大專項課題。針對小型分散式農村生活污水處理、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，課題組創新地提出了生物生態組合工藝，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“污染凈化型農業”農村生活污水處理體系。同時，課題組選取了太湖流域這一典型區域進行研究，緊密聯系“三農”，建成了一批具有示范意義的項目，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，多級攔截顯成效
不同于城市相對完善的污水管網體系，農村的基礎設施建設，尤其是管網建設較為落后，不具備城市雨污分離的處理條件，降雨和無序排放的生活污水自然混合，或者溶解農田面源污染物，形成無序排放污水，進入當地水環境中。呂錫武教授介紹，無序排放污水一般都富含氮磷，直接排入河道會對水環境產生不利的影響，完全可以通過種植蔬菜、水生植物變廢為寶，發展污水凈化型農業，不給處理留尾巴。
為了解決這個問題，課題組以“攔截、凈化、利用”為研究理念，以改進的O-A-O水生蔬菜型人工濕地為核心技術，成功研發出“村落無序排放污水收集處理及氮磷資源化利用技術”。這項技術充分利用農村的地形地勢及地域特征，構建包含地表徑流生態攔截溝、生態凈化塘、水生蔬菜型人工濕地等組成的多級攔截系統，通過生物及生態的多重作用，在有效削減村落無序排放污水有機物及氮磷等污染負荷的同時，實現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調研和靈活思路。課題組發現，在農村的田間地頭常見到水渠，縱橫交錯，用于農田灌溉，于是巧妙利用既有水渠，改造成生態溝渠，攔截匯聚降雨初期徑流，作為第一級攔截。生態溝渠沿程攔截技術采用生態護坡，重建植物群落，恢復水生植物的生物多樣性，利用生物、生態作用實現水質的凈化。流出生態攔截溝渠的污水進入生態凈化塘進一步攔截處理。生態凈化塘中包括挺水植物、生態浮床和沉水植物，層次豐富，能有效調蓄和預處理雨水。生物單元作為第三級攔截裝置，可以通過設置“好氧/厭氧/好氧三段式基質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物質。
根據課題組的示范工程數據，整體來看，無序排放生活污水及降雨初期徑流經收集和生物生態處理后，COD、TP、TN去除率達到62%左右。O-A-O水生蔬菜濕地這一處理環節在水力負荷為0.3m3/(m2·d)時，對COD、TN、TP的去除率分別可達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并鎮進程的加快，類似城鎮的村落、保留村等集中居住社區迅速發展，但其生活污水收集和處理率較低。而現有的城鎮污水處理工藝和管理技術不適應村落、保留村等農村社區的發展需求，主要原因是城鎮污水處理廠工藝復雜，需要專業化管理，無法照搬應用于農村生活污水的治理中。
課題組在充分調研的基礎上，準確識別了當地村落（保留村）生活污水相對集中處理的需求，有針對性地研發了“功能強化型生化處理+階式生物生態氧化塘村落污水組合處理技術”，有效融合了生物處理和生態處理技術，采用“農村污水-格柵-初沉調節池-生物處理-階式功能強化型生物生態氧化塘”工藝流程，利用功能強化型的生物處理單元去除有機物及部分氮磷，出水緊接著進入功能強化型階式生物生態氧化塘，在微生物硝化反硝化及植物的作用下進一步削減氮、磷等污染物。
雖然都是生物和生態手段相結合，但這個技術與農村小型分散式生活污水處理技術有一定的區別。本技術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，能夠實現“一碳兩用”，有效降低污水處理的能耗；改進型氧化溝工藝則是在一體化氧化溝的基礎上，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區域，進而提高脫氮除磷效率，工藝流程短，不必設立初沉池、污泥消化池和二沉池，節省占地，節約投資。生態處理單元則優化組合多種技術，構建兼氧塘、好氧塘、水生植物塘等功能明確的階式功能強化型生物生態氧化塘，達到深度去除氮磷的目的。
本技術在環保性、成本控制和處理效果方面表現也頗為亮眼。相比傳統生化工藝，本技術運行程中無需投加化學藥劑，基本無需排泥，更加安全環保。處理成本主要為生態塘內動力設備能耗費用，平均噸水處理成本為0.104元。成本更低的同時，處理效果并沒有打折扣。當水力停留時間為兩天時，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個月可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準，其余時間達到一級B標準，能夠較好地實現污水凈化及節能降耗的目標。
生物生態結合，構建污染凈化型農業
課題組取得的標志性成果之一就是成功研發了“厭氧-好氧-濕地生物生態組合技術”，為解決農村分散式生活污水處理問題提供了思路。
課題負責人呂錫武教授介紹，太湖流域村落星羅棋布，農村地區人口分散，相對城市而言，污水不宜集中收集處理，統稱分散式生活污水。隨著人口增加，用水量增大，大量分散式生活污水直排，造成流域污染負荷不斷增加，加快了流域水環境惡化，污水中的氮磷等物質加劇了湖泊水體富營養化，對流域水環境質量造成了巨大影響。因此，有效處理農村分散式生活污水勢在必行。
面對農村生活污水處理問題的不止中國，放眼國際社會，不乏技術成熟的國家和地區，但其技術均有局限性。
國際上的技術主要分為生物處理和生態處理兩大類。生物技術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用技術，但是建設及運行成本高，對管理人員專業素質要求也較高，且不具備除磷功能，在現階段我國廣大農村地區難以大規模推廣應用。生態處理技術由于所需占地較大，處理效果受季節影響明顯，主要在澳大利亞、美國等土地資源豐富、環境容量大的地區使用，而我國有相當一部分農村地區受土地資源和地理位置的雙重制約，不具備應用條件。
課題組充分結合我國國情，本著“因地制宜、高技術、低投資與運行成本、資源化利用”的可持續發展原則，另辟蹊徑，研發了可以規避國外方案弊端的新技術。在保證出水穩定達標的基礎上，規模化城市污水處理廠需要專業化管理，不適用于農村分散式污水，針對此問題，課題組秉承“生物單元重點處理有機污染物，生態單元資源化利用氮磷”的理念，采用“農村污水-格柵-厭氧-缺氧-好氧-經濟型人工濕地”的工藝流程，生物單元不設計除磷脫氮功能，充分發揮其簡易高效降解有機物的特點，同時以跌水曝氣替代傳統鼓風曝氣方式，實現節能和工藝簡化；生態單元通過開發具有較高氮磷吸收能力和適于在人工濕地內種植的經濟型作物，實現氮、磷資源化，構建污染凈化型農業。
這一方案各單元分工明確，工藝可以靈活調整，既能較好地解決農村地區社會、經濟、環境等基本情況復雜、污水處理技術需求差異較大的問題，又能在控制成本的條件下達到良好的處理效果，還能帶來一定的經濟效益，具備較高的性價比。
經測算，農村小型分散式生活污水經過“厭氧-好氧-濕地生物生態組合技術”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、處理和運行三方面，建設成本低于1萬元/噸；直接水處理成本小于0.15元/噸；整個工藝系統全程僅需1個水泵自控運行，不需要混合液回流與污泥回流，不需要機械曝氣，較傳統生活污水處理工藝（以A/A/O工藝為例）節能50%以上，污水處理裝置可節地20%以上。如利用地形條件，甚至可免去水泵，進一步降低直接運行費用。
“經濟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，每年空心菜產量可達8000斤/畝，水芹菜1000斤/畝，可產生的經濟收益不低于1萬元/畝。”課題負責人呂錫武教授介紹。
真金不怕火煉，成果應用廣泛
太湖流域農村生活污水入湖污染負荷高、收集和處理率較低。據統計，太湖流域水環境治理區內農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%，且呈現逐年升高的趨勢。
課題組選取太湖流域這一典型區域進行研究，圍繞有效削減農村生活污水污染負荷，建成了一批示范工程，為太湖流域乃至全國農村生活污水治理提供技術支撐。
課題示范工程按照“污染物排放特征-氮磷削減-資源化利用-優化集成-技術與裝置標準化-管理機制保障”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，建立了節能高效治理的技術體系。
據了解，在太湖流域建成的小型分散式農村生活污水處理示范工程已近272座，總規模5230m3/d。其中，常州市武進區建設生物生態組合處理設施30套，總規模892m3/d；南京市高淳區建設生物生態組合處理設施216套，總規模3715m3/d；無錫江陰市建成小型分散式農村生活污水處理設施4套，規模155m3/d；無錫宜興市建成小型分散式農村生活污水處理設施22套，規模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。課題組根據單戶居民生活污水時間分布不均的特點（污水主要產生于一日三餐時間，且晚間用水量較大），提出了“高效折板厭氧反應器—調節池—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，處理出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級A標準，可回用于廁所便器沖洗、小區綠化、水景觀用水等。同時，污水中的碳源產生沼氣，氮磷用作肥料，構建生態景觀，使多種污染物質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工藝更加復雜，課題組目前已建成27座示范工程，總規模3066m3/d，位于常州市武進區、南京市高淳區等地，服務人口近4萬人。其中，常州市武進區橫山橋鎮新安社區生活污水處理工程于2014年11月30日竣工，處理單元處理規模為480m3/d。自建成后，新安社區及周邊村莊1300余戶村民約5000人受益，改善了百姓居住環境，增強了百姓的幸福感。
同時，課題組結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、昆山市巴城鎮等地建成了3套示范工程，集成了生態攔截溝、生態凈化塘、水生蔬菜型人工濕地、泵房、計量槽等多項技術，形成具有節能、節地、高效、低維護、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荷，改善徑流水質，還能種植空心菜和多種水生植物，經濟效益和景觀效果明顯。昆山市小橋灣村的村民就實實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，針對目前農村污水處理技術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，集成了自主設計的生態溝渠和新型水生蔬菜濕地，污染物攔截效率高、凈化效果好，實現了污水中的氮磷資源化利用，氮磷資源化利用率高、建設成本低，適于在農村地區推廣建設運行。
從“十五”到“十二五”，課題組開展了長達十幾年的持續研究與工程應用，已申請發明專利50余項（獲授權30項），已獲授權實用新型5項；在全國范圍內共建成工程568處，設計處理水量14630噸/天，可實現污染物年削減COD1869.0噸，TN160.2噸，TP18.7噸。在低建設、低運行成本、易維護的前提下，課題實現了污水處理生態化、景觀化、園林化和氮磷資源化，為太湖流域水質改善乃至全國農村生活污水治理提供了技術支撐。
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