基于碳中和背景下的几种农村污水处理节能技术运用

廖秋阳

摘 要：我国农村污水处理与城市污水处理相比有其特殊性，结合不同地区的差异性和农村污水的特性，研究农村污水处理的特点，采用高效的节能技术手段，开发利用低碳新能源，降低农村污水处理的能耗，减少碳的排放，最终实现整个污水处理过程从节能降耗到能源的自给自足，是“碳中和”背景下对农村污水处理中的新要求。

关键词：碳中和;农村污水;无动力;新能源;节能

中图分类号：TG333     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0124-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.029

Application of Energy-saving Technologies in Rural Sewage Treatment Based on Carbon Neutralization

LIAO Qiuyang

（Wuhan Optical Valley Chinese Sci-Tech City Investment Co. ， Ltd， Wuhan  430200，China）

Abstract：Compared with urban sewage treatment， rural sewage treatment in our country has its particularity. Combining the difference of different areas and the characteristics of rural sewage， the characteristics of rural sewage treatment are studied， and high-efficient energy-saving technology is adopted， developing and utilizing new low-carbon energy， reducing the energy consumption of rural sewage treatment， reducing carbon emission， and finally realizing the whole sewage treatment process from energy saving to energy self-sufficiency， it is a new requirement for rural sewage treatment under the background of "Carbon Neutrality".

Keywords：carbon-neutral; rural sewage; no power; new energy; energy conservation

0 引言

工業革命以来世界各地开始大量使用化石能源，产生了大量的CO、CH等温室气体，导致地球表面变热，形成温室效应。为应对全球面临的气候变化问题，有效缓解地球变暖的现状，实现世界绿色可持续发展，共同保护我们生存的地球村，在第75届联合国大会一般性辩论大会上，中国向全世界宣布将提高国家自主力度，采取更加有力的政策和措施，CO排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。所谓的碳中和，就是将全球温升稳定在一定的水平限度内，意味着“净”温室气体排放量需要大致下降到零，即大气中排放和吸收的温室气体之间达到平衡[1]。传统的污水处理是利用各种复杂的技术手段来实现污水中污染物质的分离、降解和转移，虽然污水处理行业只占社会总体经济的0.1%左右，但是碳排放量可以达到1%～2%，是一种消耗能源的高碳排放过程[2]，这显然与碳中和目标相悖[3]。为了实现绿色低碳的重要目标，加快发展培育绿色低碳经济增长新动能，降低污水处理过程中的能源消耗和污染物排放，实现污水处理过程中的碳中和目标意义重大[4]。目前针对污水处理碳中和的节能技术的应用主要集中在城市污水处理厂，对农村污水处理的应用推广相对较少，而我国农村人口5.64亿人，行政村约70万个，污水处理数量大[5]，污水处理能耗需求高，在碳中和背景下将节能技术应用推广到农村污水处理中是实现经济高质量发展的重要保障。

1 我国农村污水处理现状

我国农村人口多，近年来随着农村生活水平的提高，生活用水量呈递增趋势，生活污水产量也越来越多。

1.1 农村生活污水处理的特点

农村生活污水除了日常生活中的厨房污水、生活洗涤污水、洗浴污水和冲厕水等，还包括农户家中散养家禽、畜牧洗涤用水、粪水等。水量方面，农村人口以户为单位居住分散，污水分布也分散，单户污水产量少，但是总量巨大，占全国生活污水排放总量的25%左右，并且间歇排放，污水水量日变化系数大，其中以早晨、中午、傍晚污水排放量最多，夜晚排放较少。水质方面，农村污水水质波动大，主要污染物为COD、N、P等物质及病菌，很少含工业有毒物，可生化性强[6]。污水收集方面，因农村人口居住分散，污水排放量不集中，污水收集节点多，管网建设困难，导致农村污水收集困难，污水处理率极低，大量的污水未经收集、处理直接排放，给农村生态环境带来严重风险。处理技术方面，我国农村污水处理技术的研究相对西方发达国家，起步较晚。但近年来，随着生态文明建设发展，国家越来越重视农村水环境污染问题，在借鉴国外技术和自主创新基础上，各种形式多样的农村污水处理技术在我国得到了应用与推广。主要分为生物处理技术（净化槽、A/O工艺、慢速滤池等），生态处理技术（人工湿地、蚯蚓生态滤池、生态塘法等），组合式处理技术（厌氧生物滤池与人工湿地组合、人工浮床和其他生物生态组合等）。运营管理方面，农村污水处理设施建造数量巨大，相对分散，运营管理模式多样，加之管理人员技术力量相对薄弱、缺乏保障长期运行效果的水质监测评价体系和有效监管体制，导致污水处理设施运行情况不理想。

1.2 农村污水处理能耗分析

污水处理的高能耗一直引起社会的广泛关注，而且能耗随着处理水质的提高而增加，高能耗是污水处理设施运行成本高的主要原因[7]，直接关系着污水处理设施是否能够长效运行。污水处理厂属于耗能大户，主要能源为电力，大量的能耗主要集中在动力能耗，耗能设备主要分布在进水提升设备、鼓风曝气设备、回流泵、污泥处理设备等，对这些设备进行节能技术提升意义重大。

2 碳中和背景下的几种农村污水处理节能技术

污水处理厂耗能高，且会排放温室气体，在碳中和的背景下，污水处理厂的节能减排势在必行。但与城市生活污水相比，农村生活污水具有分散、规模小、排放不稳定且区域差异大等特点，因此，农村生活污水处理的节能技术应在借鉴城市污水处理厂成功经验的基础上，结合当地条件，在因地制宜地的选取污水处理工艺的同时[8]，将相应的节能技术应用推广到农村污水处理中，以达到节能降耗的目标，最终实现“碳中和”。其中比较有效的农村污水处理节能技术应用大概有4种。

2.1 污水处理黑灰分离技术

一般意义上所说的生活污水为人类所有生活起居活动产生的污水，可以分为黑水和灰水两大类[9]。黑水是指传统的便器排水，也就是粪便尿液及冲厕混合水、畜牧养殖粪水等，黑水具有水量少、COD及BOD等指标高、含大量病原菌且臭气污染严重的特点;灰水包括厨房污水、生活洗涤污水、洗浴污水等，灰水水量占生活污水的80%～85%，灰水中通常含有高浓度的油脂、其他烹饪有机物、肥皂残余物以及清洁剂中所含的表面活性剂等可生物降解的物质，若能够有效回用灰水，则可以减少将近50%的污水处理水量，节省大量的污水处理能耗[10]。根据农村污水水质的这些特点，将生活污水进行黑、废分离，从源头上对污水处理量进行缩减，以减少污水处理能耗，达到节能目的。在农村生活污水处理设施的建设中，将污水水源分离、分质处理及资源化理念引入污水收集和处理过程中，从污水收集的源头进行黑水与灰水分离，对黑水、灰水进行分质处理利用，不仅能减少农村用水总量，还可以降低污水处理量，节能潜力巨大。

袁园利用高效厌氧折流板反应器—缺氧反应器—水车式生物转盘组成的生物处理工艺分离处理农村黑灰水取得了较好的效果，采用高效厌氧折流板反应器单独处理黑水，而经反应器处理后的厌氧黑水出水与分离出的灰水混合进入后续缺氧—好氧—人工湿地单元进行处理，不仅减少初期建设和后期运行成本，节约了能源消耗，还提高了氮磷资源化利用率[10]。

2.2 组合式无动力处理技术

采用无动力农村污水处理工艺在不需要耗费大量能源的前提下，能够有效处理农村污水，并能使出水水质达到排放标准。唐胜强等对生活污水净化池，净化池+人工湿地两种无动力农村污水处理工艺进行了效果分析，分析結果表明无动力生活污水净化工艺可以应用于农村污水净化，可以有效降低污水中的COD、SS、NH-N和TP等污染物质，起到净化水质的作用[11]。韩阳等结合低山丘陵地形采用一套无动力级联生物滤池系统处理农村生活污水，系统出水水质可达标排放，无须消耗外界能量，可在我国长江上游山区农村应用[12]。组合式的污水处理技术应用效果较好，将多种工艺进行组合后的处理设施，在实际运行中出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准或者准地表Ⅳ类水标准[13]。厌氧—跌水接触氧化—植物滤床等组合式分散污水处理在结合山区地形特征的条件下，充分利用污水排放点的势能，可实现农村污水无动力处理，具体组成如图1所示。

上述两种无动力组合式污水处理技术，通过厌氧预处理有效降低污水中有机污染物的浓度，以减少后续接触氧化处理阶段的负荷，接触氧化阶段充分利用地势高差通过高空溅水充氧以及滤池底部空间自然通风充氧，以提供污水处理过程中微生物所需的溶解氧，从而达到有效去除污染物的目的。同时还可根据接触氧化阶段出水水质处理情况，将植物引进到处理系统中，以吸收污水中的氮、磷等营养元素，进一步净化水质。组合式污水处理技术应用灵活，可以根据污水的特性、当地的自然环境、水质处理要求等多种污水处理工艺自由组合，在充分发挥各单元功能的基础上，各单位间相互配合补充，以达到最佳的处理状态。

2.3 智能设备节能技术

农村污水处理技术的设备节能措施主要是在污水处理设施设计阶段，根据污水处理项目所在地的地理、地势、污水特点等，优先选用节能设备设计污水处理设施。污水处理的能耗大量消耗在泵类设备和鼓风曝气设备，这两类设备的动力核心在于电动机，普通的电动机只能以定速的方式能耗消耗大，采用合理变频电机控制，可以有效降低使用能耗。由于泵类的电机转速与流量呈正相关性，通过对水泵的转速和流量实施变速调节，使污水泵的运行更加智能化，从而达到节能降耗的目的。智能变频调速风机可以按照污水处理过程工艺中的不同要求，根据污水处理各阶段所要溶解氧的需求，通过智能控制系统，进行相应的风机转速输出调整，从而实现降低电动机能耗的目的。

智能变频风机系统的原理：通过流量计、水质监测仪等测出的数据计算出污水的进水总量以及污水中所含污染物质的总量，传至智能控制系统，智能控制系统结合当时的污水温度、出水水质预设要求等计算分析出所需溶解氧量目标值，将该目标值与污水处理装置内部的氧传感器测出的数据进行对比，将对比结果反馈到变频风机，从而调节变频风机的转速，已到达智能控制，智能变频风机控制原理见图3。

以某小型AO+MBR分散式污水处理工艺为例，污水处理中的曝气供氧由两台7.5 kW的罗茨风机供应，在引入智能变频系统后，智能风机通过精准的溶氧量控制，实现了污水处理低负荷运行，全年节电在1.1×10 kW·h以上，节能效果明显[14]。

2.4 新能源替代技术

在目前“双碳”的背景下，“能耗双控”的政策频出，在污水处理行业利用新能源迫在眉睫。我国西北、东北西部、青藏高原等地区太阳能资源丰富，内蒙古、新疆、甘肃、黑龙江等省（自治区）风能资源资源丰富，可以将太阳能、风能资源利用到农村污水处理中。常规太阳能光伏发电系统，由太阳能面板、控制器和蓄电池组成，风能发电系统的区别在于使用的是风机发电。但太阳能面板、风力发电机产生的电流一般是直流电，不能直接被交流电设备使用，需要通过交流逆变器将直流电转变成交流电，才能被污水处理设备利用。采用太阳能驱动生物滴滤—人工湿地组合工艺处理农村生活污水，操作简单，维护管理方便，处理效果较好，运行成本低。王守中等研究康陵村的太阳能光伏独立供电的简单预处理+人工湿地联合处理工艺的农村污水系统，工程设计处理规模为40 m/d，按20年使用期限计算，光伏供电系统可以节省标准煤约20 t，减排CO约480 kg[15]。最新研究的无蓄电池风、光能互补污水处技术进一步取消了常规太阳能、风能利用中的蓄电池，通过监测与分析不同季节的太阳能和风能强度变化，研究太阳能与风能的季节变化的规律和互补性，将太阳能辐射强度和风能的变化周期性、农村生活污水排放的不续性、农村污水处理过程对溶解氧需求的差异三者融合，提出了无蓄电池组的太阳能与风能互补发电驱动农村生活污水生物处理设施的集成系统，实现了电能的稳定输出，其中新能源的利用率可达到80%，大幅度降低农村污水处理的运行和维护费用[16]。除了太阳能、风能的利用外，还可以利用污水处理过程中的水流势能差，将污水处理过程中或处理后的重力势能收集利用，采用水力发电的形式为污水处理设备供能，该方法在地势高差变化较大的山区农村利用前景较大。

3 结语

农村污水的特性与城市污水有着较大的差异，不能照搬城市污水处理的方式，要结合农村污水处理的实际情况，采取切合实际的有效技术手段处理农村污水，通常农村污水处理规模也不大，但常常出现运行能耗比较高的情况，解决好农村污水处理过程中高能耗任重道远。

①在碳中和背景下，农村污水处理的节能降耗是我国未来经济高质量发展的重要表现，农村污水处理节能降耗势在必行。②农村污水处理必须结合农村污水的特点，充分利用当地的自然条件，采取行之有效的技术手段，不能生搬硬套，节能技术的优用更是要建立在实地调研、全周期的分析论证的基础上，确保污水处理设施能长期有效低能耗地运行。③污水源头黑灰分离减量控制、采用无动力污水处理技术和智能变频节能设备，减少污水处理过程中能源消耗，是碳中和模式下农村污水处理节能技术的重要手段，应当大力推广。④开发利用太阳能、風能、水能等新能源，对农村污水处理达到碳中和目标意义重大，应该充分利用当地的自然资源，开发新能源为污水处理设施所用。

此外，实施“物联网+”远程智能监控的运营管理模式，加强农村污水处理设施的节能运行管理，促进农村污水处理工作的节能技术应用推广，也是实现农村污水处理“碳中和”目标的重要途径。

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