农村污水无动力复合生态净化技术及其工程应用

弓辉

（上海国惠环境技术有限公司，上海 200021）

2019 年1 月印发的《中共中央 国务院关于坚持农业农村优先发展做好“三农”工作的若干意见》将农村生活污水治理作为实施乡村振兴战略、改善农村人居环境的重要任务[1]。截止到2020 年年底，建制镇污水处理率达到70%，而村镇污水处理能力仅为214.77 万m3/d，污水处理率仅有18.75%[2]。村镇污水处理相对滞后，大量污水未经处理直接排入附近水域，严重影响水体环境[3,4]。农村居住人口较少且地理位置较为分散，难以通过集中模式进行污水处理，因为集中式污水处理强烈依赖于排水管网收集系统，投资大、运行成本高，并不完全适用于农村污水处理[5,6]。分散式污水治理通过小型污水处理设备或设施可对小范围内污水进行就近处理，高度适用于污染源分散的乡镇农村[7-11]。

无动力复合生态净化技术经过不断探索与试验，已经高度适用于农村污水的处理。可针对完全分散的1—2 户设置，也可针对相对集中的几十到几百户设置。系统建成后可连续运行10 年以上，实现“无设备、无动力、无能耗、无药剂、无耗材、无维护”的节能生态绿色处理，尾水可直接排放或者资源化利用。本文介绍了农村污水无动力复合生态净化技术及其工程应用情况，以期为农村生活污水处理提供技术参考。

1 农村生活污水的特点及存在的问题

1.1 农村生活污水的特点

农村生活污水主要由餐厨污水、粪尿和洁具冲洗用水、沐浴洗涤用水组成，水质主要有以下特点：

（1）分布面广且较为分散，大部分村落无排污管网，无法集中收集。

（2）污水浓度高，水质波动大，氮、磷含量高，不含重金属元素，五日生化需氧量/重铬酸盐指数（BOD5/CODCr）的比值（0.39—0.92）比城镇污水高，可生化性强[12]。

（3）排水量变化系数大，一天中早晚比其他时间段排放量大，水量排放不连续。

（4）大部分无污水集中排放管网，多采取就地排放或者明沟排放。

（5）处理率低，大部分地区缺乏污水处理装置，多数地区还在使用传统的旱厕，有水冲厕所的地区大多是三格化粪池设施，其污水中所含污染物浓度依然很高。

1.2 农村污水处理面临的问题

虽然我国城乡一体化建设逐步加快，但农村污水处理仍存在较多的问题，我国农村生活污水处理刚刚起步，还没有形成系统化、规范化、标准化，处理过程中主要面临以下几种问题：

（1）缺少适宜不同区域特点的实用技术。我国农村地区存在着明显的区域差异性特征，导致常规技术在不同地域运用时会出现大量问题[13]。

（2）污水处理标准、规范尚未建立。目前，农村污水处理直接套用城镇的污水处理标准体系，因为除了少数地区规定了农村污水的处理标准外，大部分地区没有统一的农村污水处理标准。农村污水氮、磷含量高，水体富营养化严重，单位处理吨水技术成本高，完全参考城市污水处理的标准不是非常合理[14]。

（3）缺乏长效的运行管理机制。对于建成的污水处理设备，运行维护资金短缺、无保障，缺乏专业人员进行运行及维护管理，设备故障时得不到及时维护，长期处于废弃状态，工程管理水平普遍较低[15]。

（4）居民环保意识薄弱。农村居民环境保护意识薄弱，大多数不愿承担污水处理设备费用，村镇政府对污水处理可支配资金较少，导致农村污水处理政策推进困难。

2 农村污水无动力复合生态净化技术

2.1 农村污水无动力复合生态净化技术工艺流程

针对农村生活污水污染负荷高、排水量变化系数大的特点，开发了无动力复合生态净化技术，利用人工基质、定向选择和培育的功能微生物及净水植物，通过填料吸附过滤、微生物转化与降解、植物吸收转化，实现生活污水的深度处理和资源化利用。工艺流程见下图。

经过统一收集的农村生活污水通过管道输送至调节池，在调节池内通过重力自然沉降去除泥沙和大颗粒污染物。调节池内污水与厌氧反应池内微生物充分混合，通过微生物代谢降解去除有机污染物。前端处理后的污水通过重力流入生态净化床，结合基质吸附、植物根系物质交换与光合作用，对污水进行进一步的净化和蒸发。出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准。

对于单户处理：采用一体化集成装备，只需将管路与每户常用的排水口对接进入装备入口即可。装备入口设过滤网以拦截大颗粒污染物。微生物、基质、植物集成在一个装置系统中，利用基质—微生物—植物的复合生态系统，经物理、化学和生物的联合作用达到高效净化污水的目的。实际运行中只需定期清洗、更换滤网即可。

对于集中处理：需要利用（铺设）污水管道将污水集中排入无动力污水处理系统，利用系统中的基质、微生物、特定植物对污水进行净化处理。在系统建设初期完成微生物接种、驯化，特定植物培育、移栽，后续根据运行情况补充少量微生物、植物，以保证系统处理效果。

2.2 农村污水无动力复合生态净化技术优势

（1）适用广。可针对完全分散的1—2 户设置，也可针对相对集中的几十到几百户设置，系统可稳定运行10 年以上。

（2）生态集成化。农村污水无动力复合生态净化技术在无动力情况下，将厌氧、好氧、多介质渗滤和人工湿地生态处理技术优化集成，优势互补，多介质生态协同处理，实现“无设备、无动力、无能耗、无药剂、无耗材、无维护”的节能生态绿色处理，尾水可直接排放或者资源化利用。

（3）资源化。装备结构可采用3D 打印技术，使用城市、钢厂、电厂、煤化工固体废弃物作为原料，实现废弃物再生利用，达到“以废治废”的目的。

（4）节能高效。使用无动力复合生态净化处理系统每年可节约能耗100%，污水中CODCr和BOD5减少95%，总氮（TN）和总磷（TP）分别减少95%、90%，处理1t 生活污水，可减少二氧化碳（CO2）排放6.7kg。该处理系统占地面积为传统生态系统占地面积的1/3。

农村污水无动力复合生态净化技术工艺流程图

2.3 农村污水无动力复合生态净化技术原理

农村污水无动力复合生态净化技术利用人工基质、定向选择和培育的功能微生物及驯化的净水植物，通过填料吸附过滤、微生物转化与降解、植物吸收转化实现生活污水的深度处理和资源化利用。

（1）CODCr、BOD5降解：农村生活污水中CODCr、BOD5的降解主要靠微生物的代谢活动，在厌氧池中，微生物形成微生物群落结构，污水中的有机污染物在厌氧细菌和兼性菌的处理下分解为小分子有机物、甲烷（CH4）、CO2和水（H2O）。随后污水进入复合生态净化床，填料的吸附、微生物的降解及植物的吸收作用使污水中的CODCr、BOD5得以去除。厌氧降解和复合生态净化床的多级循环降解完成了有机物的深度脱除。

（2）悬浮物（SS）的脱除：农村生活污水所含SS较少。小颗粒有机物靠微生物的降解作用去除，而无机物主要依靠物理拦截、沉降和过滤作用去除[16]。

（3）氮的去除：农村污水无动力复合生态净化技术的脱氮原理主要是微生物氨化、硝化和反硝化作用，植物吸收氮的比例约为10%[17]。

氨氮（NH3-N）的脱除：农村生活污中水NH3-N的脱除主要采用生物法。在好氧条件下，污水中的有机氮被分解成NH3-N，NH3-N 在亚硝化菌、硝化菌作用下经过硝化作用被氧化成亚硝酸盐和硝酸盐。其反应方程式如下：

总的反应为：

TN 的脱除：NH3-N 经过硝化作用转化为硝酸盐和亚硝酸盐，TN 的含量保持不变，TN 去除主要在反硝化菌的作用下，将硝酸盐和亚硝酸盐中的氮还原成氮气（N2），完成脱氮过程。

TN 去除的反应方程式如下：

（4）TP 的脱除：农村生活污水中TP 的去除过程主要由植物和基质来完成，少量磷酸盐被植物吸收合成自身所需要的营养成分[18,19]，基质以离子交换形式的化学吸附以及填料表面沉积过程实现对可溶性磷酸盐的去除，有机磷与难溶性无机磷需要在微生物、植物与基质的协同作用下去除[20-22]。

3 农村污水无动力复合生态净化技术的工程应用

安徽桐城无动力农村生活污水处理项目于2021 年建成并运行，处理化粪池出口污水及生活污水约10t/d。项目采用四级循环生活污水无动力复合生态净化系统，利用水位差形成无动力水流条件，增加水流途径，在复合生态净化床内部与植物根系、微生物、基质充分接触，实现污染物的深度净化处理，出水可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A 标准。农村污水无动力复合生态净化系统净化效果见下表。

农村污水无动力复合生态净化系统净化效果

4 结语

（1）针对农村生活污水的特点及存在的问题，开发了农村污水无动力复合生态净化技术，系统可针对完全分散的1—2 户设置，也可针对相对集中的几十到几百户设置。该项目不仅实现了建筑废弃物再利用，达到“以废治废”的目的，而且占地面积小、适用范围广，整个处理过程无设备、无动力、无能耗、无药剂、无耗材、无维护。

（2）农村污水无动力复合生态净化处理系统每年节约能耗100%，污水中CODCr减少95%，TN 和TP分别减少95%、90%，处理1t 生活污水，可减少CO2排放6.7kg，该系统占地面积为传统生态系统占地面积的1/3。

（3）在安徽桐城农村生活污水处理项目中，采用四级循环生活污水无动力复合生态净化系统，出水可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A 标准。