“十二五”水污染治理国家科技重大专项成果助力农村生活污水治理


日期:2018年09月11日    

   生活污水收集难、处理效果差是长期以来农村地区环境治理面临的问题。资料显示,2016年年末我国城市共有污水处理厂2039座,年污水处理总量448.8亿立方米,处理率为93.44%,但在农村,对生活污水进行处理的行政村比例仅为20%。部分乡村污水处理设备因缺乏资金和专业化管理养护人才,未能正常运行。而大多数农村污水仍就地排放,黑水漫流现象屡见不鲜,水环境遭到明显破坏,农村地区发展受到制约。
   针对上述突出问题,“十二五”水体污染控制与治理国家科技重大专项2012年设立了“竺山湾农村分散式生活污水处理技术集成研究与工程示范”课题。该课题聚焦农村生活污水处理技术,针对小型分散式农村生活污水处理、村落(保留村)生活污水相对集中处理和村落无序排放污水处理3种排放类型,课题组创新地提出了生物生态组合工艺,形成了“工艺简单,操作管理方便,氮磷资源化,整体景观化、园林化”的“污染净化型农业”农村生活污水处理体系。同时,课题组选取了太湖流域这一典型区域进行研究,紧密联系“三农”,建成了一批具有示范意义的项目,为太湖流域的水污染防治工作提供了科技支撑。
   无序排放污水,多级拦截显成效
   不同于城市相对完善的污水管网体系,农村的基础设施建设,尤其是管网建设较为落后,不具备城市雨污分离的处理条件,降雨和无序排放的生活污水自然混合,或者溶解农田面源污染物,形成无序排放污水,进入当地水环境中。课题负责人吕锡武教授介绍,无序排放污水一般都富含氮磷,直接排入河道会对水环境产生不利的影响,完全可以通过种植蔬菜、水生植物变废为宝,发展污水净化型农业,不给处理留尾巴。
   为了解决这个问题,课题组以“拦截、净化、利用”为研究理念,以改进的O-A-O水生蔬菜型人工湿地为核心技术,成功研发出“村落无序排放污水收集处理及氮磷资源化利用技术”。这项技术充分利用农村的地形地势及地域特征,构建包含地表径流生态拦截沟、生态净化塘、水生蔬菜型人工湿地等组成的多级拦截系统,通过生物及生态的多重作用,在有效削减村落无序排放污水有机物及氮磷等污染负荷的同时,实现部分氮磷的资源化利用。
   根据课题组的示范工程数据,整体来看,无序排放生活污水及降雨初期径流经收集和生物生态处理后, COD(化学需氧量)、TP(总磷量)、TN(总氮量)去除率达到62%左右。O-A-O水生蔬菜湿地这一处理环节在水力负荷为0.3 m3/(m2·d)时,对COD、TN、TP的去除率分别可达51%、69%、76%。
   高效脱氮除磷,村落集中处理
   随着太湖流域城市化水平的提高和撤乡并镇进程的加快,类似城镇的村落、保留村等集中居住社区迅速发展,但其生活污水收集和处理率较低。而现有的城镇污水处理工艺和管理技术不适应村落、保留村等农村社区的发展需求,主要原因是城镇污水处理厂工艺复杂,需要专业化管理,无法照搬应用于农村生活污水的治理中。
   课题组在充分调研的基础上,准确识别了当地村落(保留村)生活污水相对集中处理的需求,有针对性地研发了“功能强化型生化处理+阶式生物生态氧化塘村落污水组合处理技术”,有效融合了生物处理和生态处理技术,采用“农村污水-格栅-初沉调节池-生物处理-阶式功能强化型生物生态氧化塘”工艺流程,利用功能强化型的生物处理单元去除有机物及部分氮磷,出水紧接着进入功能强化型阶式生物生态氧化塘,在微生物硝化反硝化及植物的作用下进一步削减氮、磷等污染物。
   本技术在环保性、成本控制和处理效果方面表现也颇为亮眼。相比传统生化工艺,本技术运行程中无需投加化学药剂,基本无需排泥,更加安全环保。处理成本主要为生态塘内动力设备能耗费用,平均吨水处理成本为0.104元。成本更低的同时,处理效果并没有打折扣。当水力停留时间为两天时,平均出水COD、TN、TP去除率相对于生物处理的尾水分别为30%、40%、37%左右,出水至少8个月可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准,其余时间达到一级B标准,能够较好地实现污水净化及节能降耗的目标。
   生物生态结合,构建污染净化型农业
   课题组取得的标志性成果之一就是成功研发了“厌氧-好氧-湿地 生物生态组合技术”,为解决农村分散式生活污水处理问题提供了思路。
   课题组充分结合我国国情,本着“因地制宜、高技术、低投资与运行成本、资源化利用”的可持续发展原则,另辟蹊径,研发了可以规避国外方案弊端的新技术。在保证出水稳定达标的基础上,规模化城市污水处理厂需要专业化管理,不适用于农村分散式污水,针对此问题,课题组秉承“生物单元重点处理有机污染物,生态单元资源化利用氮磷”的理念,采用“农村污水-格栅-厌氧-缺氧-好氧-经济型人工湿地”的工艺流程,生物单元不设计除磷脱氮功能,充分发挥其简易高效降解有机物的特点,同时以跌水曝气替代传统鼓风曝气方式,实现节能和工艺简化;生态单元通过开发具有较高氮磷吸收能力和适于在人工湿地内种植的经济型作物,实现氮、磷资源化,构建污染净化型农业。
   经测算,农村小型分散式生活污水经过“厌氧-好氧-湿地 生物生态组合技术”工艺处理后,COD去除率大于85%,BOD5(生化需氧量)去除率大于90%,SS(悬浮物)去除率大于90%, NH4+-N(游离态氨)去除率大于95%,TN去除率大于80%,TP去除率大于85%,处理效果显著。而处理成本主要包括建设、处理和运行三方面,建设成本低于1万元/吨;直接水处理成本小于0.15元/吨;整个工艺系统全程仅需1个水泵自控运行,不需要混合液回流与污泥回流,不需要机械曝气,较传统生活污水处理工艺(以A/A/O工艺为例)节能50%以上,污水处理装置可节地20%以上。如利用地形条件,甚至可免去水泵,进一步降低直接运行费用。
   “经济效益则主要由种植的植物决定,以空心菜和水芹菜轮种为例,每年空心菜产量可达8000斤/亩,水芹菜1000斤/亩,可产生的经济收益不低于1万元/亩。”课题负责人吕锡武教授介绍。
   真金不怕火炼,成果应用广泛
   课题组选取太湖流域这一典型区域进行研究,围绕有效削减农村生活污水污染负荷,建成了一批示范工程,在太湖流域建成的小型分散式农村生活污水处理示范工程已近272座,总规模5230m3/d。
   同时,课题组目前已建成27座村落污水相对集中处理示范工程,总规模3066m3/d,位于常州市武进区、南京市高淳区等地,服务人口近4万人。课题组结合太湖流域村落无序排放污水的情况,选取了宜兴市周铁镇、昆山市巴城镇等地建成了3套示范工程。
   在低建设、低运行成本、易维护的前提下,课题实现了污水处理生态化、景观化、园林化和氮磷资源化,为太湖流域水质改善乃至全国农村生活污水治理提供了技术支撑。