農(nóng)村生活污水中處理太陽能一體化的應(yīng)用

各類化工產(chǎn)品的生產(chǎn)使用給環(huán)境帶來了較大的影響，環(huán)境問題逐漸得到全球廣泛關(guān)注。水資源是全球最重要的資源之一，我國作為全球13個人均水資源最貧乏的國家之一，保護(hù)水資源、改善水環(huán)境刻不容緩。根據(jù)住建部《2020城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù)，截至2020年我國城市污水處理率為97.53%、縣城處理率為95.05%，而截至2021年我國農(nóng)村地區(qū)生活污水處理率僅為28%，農(nóng)村和城鎮(zhèn)地區(qū)污水處理率之所以相差懸殊，主要是由于城鄉(xiāng)發(fā)展不均衡、農(nóng)村地區(qū)污水處理起步較晚、農(nóng)村居民居住分散，建設(shè)收集管網(wǎng)成本較高，且后續(xù)運(yùn)維管理體系不完善等原因造成。為了改善這一情況，推動社會主義新農(nóng)村和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，打好農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅戰(zhàn)，黨和國家制定了一系列政策及方案，推動農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)。《農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動方案(2021~2025年)》確定了“十四五”期間農(nóng)村環(huán)境整治的目標(biāo)，農(nóng)村人居環(huán)境整治提升工作將邁入新的征程。為了改善目前農(nóng)村生活污水處理難題，本文以廣東某農(nóng)村地區(qū)產(chǎn)生的生活污水為研究對象，探究利用太陽能供能的不同一體化設(shè)備在農(nóng)村生活污水中的實際處理效果及運(yùn)營成本，分析適用于農(nóng)村生活污水處理的技術(shù)。

1、農(nóng)村生活污水特點及處理工藝

1.1 農(nóng)村生活污水來源及特點

農(nóng)村生活污水主要來源可以分為黑水(包括糞尿及廁所沖洗水)和灰水(洗衣、沐浴和廚房產(chǎn)生的水)兩類，黑水主要含有NH3-N、TN、TP、SS、COD、BOD5，灰水中還含有LAS、動植物油等，基本都不含重金屬元素及有毒有害物質(zhì)。

我國幅員遼闊，不同農(nóng)村地區(qū)的水資源量與農(nóng)戶生活條件、生活方式、用水習(xí)慣不同，因此污水排放量與排放規(guī)律等特點上也有很大差異，且污水日變化系數(shù)較高。由于農(nóng)村居民居住分散，導(dǎo)致管網(wǎng)收集困難，統(tǒng)一收集處理管網(wǎng)成本高，并且農(nóng)村居民運(yùn)行管理能力相對較低，無法承擔(dān)高的運(yùn)行費用，但污水可生化性較好，宜采用小型一體化設(shè)備處理。

1.2 農(nóng)村生活污水處理工藝

農(nóng)村生活污水的分散處理技術(shù)，主要包括生態(tài)處理及生物處理兩類。其中土地滲濾系統(tǒng)、穩(wěn)定塘、人工濕地等都屬于生態(tài)處理系統(tǒng)。通常來說，生態(tài)技術(shù)在處理生活污水時，需要較低的水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷、較長的水力停留時間和較大的場地，且存在對N、P污染物去除效果不高的問題。生物處理法包括A/O、A2/O等活性污泥法，還有例如膜生物反應(yīng)器(MBR)和生物膜污水處理工藝，包括生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤、接觸氧化等。與生態(tài)處理法相比，生物處理法占地面積小、對污染物處理效率高、處理后出水水質(zhì)穩(wěn)定、耐候性強(qiáng)，但基礎(chǔ)設(shè)施投資和運(yùn)行成本均高于生態(tài)處理系統(tǒng)。

污水處理一體化設(shè)備是將污水處理過程中的各工藝集成為一體，與常規(guī)污水處理設(shè)施相比，一體化設(shè)備前期投資成本和運(yùn)營成本低、后續(xù)運(yùn)行和操作都更簡便；設(shè)備高度集成所需用地面積更小，且可以進(jìn)行地埋；處理效果穩(wěn)定且便于檢修拆卸，十分適用于農(nóng)村分散式污水處理。

1.3 太陽能在農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用

在能源日益緊缺的當(dāng)代，污水處理的高能耗已引起人們的關(guān)注，低能耗污水處理工藝的開發(fā)一直是研究熱點之一。在生物法處理污水時，有機(jī)物好氧生物降解量與需氧量之間存在一定的比例關(guān)系，生物反應(yīng)器內(nèi)活性污泥懸浮也是通過鼓風(fēng)或設(shè)備擾動。雖然改進(jìn)曝氣裝置和污水處理設(shè)備可以提高對氧氣的利用率，但對設(shè)備能耗的減少作用有限，并不能從根本上減少電能的消耗。近年來，國內(nèi)外均在開發(fā)新能源，太陽能是公認(rèn)最具有前途的新能源之一，利用其作為污水處理系統(tǒng)的驅(qū)動能源，可以有效減少對常規(guī)電能的需求。

2、材料與方法

2.1 污水水質(zhì)與水量

本研究以廣東某地區(qū)不同村作為研究對象，村內(nèi)暫未建設(shè)污水收集管網(wǎng)和污水處理設(shè)施。村內(nèi)污水亂排、加上雨水的未及時排出，導(dǎo)致路面坑洼積水嚴(yán)重，道路堆積淤泥嚴(yán)重。村民未經(jīng)處理的生活污水排放至附近的河流、灌溉渠等，造成嚴(yán)重的污染。目前，該地區(qū)村民的環(huán)境保護(hù)意識也逐漸形成，對生活環(huán)境質(zhì)量提高意愿強(qiáng)烈，作為農(nóng)村環(huán)境治理有一定的基礎(chǔ)。設(shè)計治理范圍內(nèi)村莊的污水來源主要以生活污水為主，無工業(yè)廢水，屬于典型的生活污水，主要污染物為COD、BOD5、氨氮及TP等。鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對落后，污水處理設(shè)施應(yīng)采用成熟可靠、經(jīng)濟(jì)適用的工藝技術(shù)，不僅可以降低工程投資，還有利于污水處理設(shè)施的運(yùn)行管理以及減少污水處理設(shè)施的常年運(yùn)行費用，保證處理設(shè)施出水水質(zhì)。本研究采用MBR與人工濕地(CWS)一體化設(shè)備對該區(qū)域農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理，表1為研究范圍內(nèi)村莊的污水處理設(shè)計情況統(tǒng)計。

2.2 工藝流程

2.2.1 MBR一體化設(shè)備

MBR一體化設(shè)備為鋼結(jié)構(gòu)主體，內(nèi)外襯三布五油玻璃鋼防腐加工而成，具體尺寸為D×L×H=2.0m×4.0m×2.7m，MBR一體化設(shè)備基于AO工藝和膜分離技術(shù)結(jié)合而成，具有同步硝化反硝化和同步脫氮除磷功能。圖1和表2分別為MBR一體化設(shè)備處理流程和主要技術(shù)參數(shù)，污水排入污水處理系統(tǒng)，先經(jīng)過格柵去除較大的漂浮物和懸浮物，防止阻塞機(jī)電設(shè)備；污水經(jīng)格柵后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，對水質(zhì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)后進(jìn)入MBR一體化設(shè)備，MBR膜設(shè)置于好氧池中，MBR膜池中的膜為中空纖維膜好氧池底部采用微孔曝氣器充氧。污水通過提升泵進(jìn)入缺氧池中，隨后進(jìn)入好氧池及MBR膜池，MBR出水流入景觀池后外排至收納水體，設(shè)計出水水質(zhì)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

MBR一體化設(shè)備采用太陽能供電系統(tǒng)，太陽能發(fā)電量為3.0kW，結(jié)合組件板型尺寸選取型號SYK200-36M，功率為300W，尺寸為1580*808mm的太陽能組件，安裝方式為2排，每排5片。由于污水處理設(shè)施斷電后會造成未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)水水體造成污染，故供電模式采用離網(wǎng)光伏系統(tǒng)-市電互補(bǔ)，本系統(tǒng)太陽能充電與為負(fù)載供電同步進(jìn)行，減少太陽能為蓄電池充電再由蓄電池為負(fù)載供電時產(chǎn)生的二次電能損耗；同時市政供電作為備用電源，防止雨季或夜間蓄電池耗盡電力時造成設(shè)備斷電，圖2為MBR一體化設(shè)備光伏供電系統(tǒng)示意圖。

2.2.2 人工濕地(CWS)一體化設(shè)備

CWS一體化設(shè)備為不銹鋼結(jié)構(gòu)主體，具體尺寸為B×L×H=2.5m×4.0m×1.4m，CWS一體化設(shè)備基于缺氧-厭氧-缺氧-好氧的原理，內(nèi)部填充填料由下至上分別形成缺氧1、厭氧、缺氧2和好氧環(huán)境，高度比為1∶2∶1∶3。通過使用垂直潛流人工濕地技術(shù)，采用下進(jìn)上出的水流方式，在底部設(shè)置布水管，在一定程度上保持下層基質(zhì)的溶解氧，同時在中部增加曝氣系統(tǒng)，利用鼓風(fēng)機(jī)供氣和單孔膜曝氣器曝氣，保持中上層基質(zhì)的溶解氧濃度，有效去除污水中的有機(jī)物、氮磷等污染物質(zhì)。圖3和表3分別為CWS一體化設(shè)備處理流程和主要技術(shù)參數(shù)，污水排入污水處理系統(tǒng)，先經(jīng)過格柵去除較大的漂浮物和懸浮物，防止阻塞機(jī)電設(shè)備；污水經(jīng)格柵后進(jìn)入調(diào)節(jié)池，對水質(zhì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)后進(jìn)入CWS一體化設(shè)備，CWS出水流入景觀池后外排至收納水體，設(shè)計出水水質(zhì)為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

CWS一體化設(shè)備采用太陽能供電系統(tǒng)，太陽能發(fā)電量為1.8kW，結(jié)合組件板型尺寸選取型號SYK200-36M，功率為300W，尺寸為1580*808mm的太陽能組件，安裝方式為2排，每排3片。由于污水處理設(shè)施斷電后會造成未經(jīng)處理的污水直接進(jìn)水水體造成污染，故供電模式采用離網(wǎng)光伏系統(tǒng)-市電互補(bǔ)，CWS中的機(jī)電設(shè)備選用直流電機(jī)，太陽能發(fā)電的直流電可以直接為設(shè)備供電，使電路設(shè)計更簡單，更高效，本系統(tǒng)太陽能充電與為負(fù)載供電同步進(jìn)行，減少太陽能為蓄電池充電再由蓄電池為負(fù)載供電時產(chǎn)生的二次電能損耗；同時市政供電作為備用電源，防止雨季或夜間蓄電池耗盡電力時造成設(shè)備斷電，圖4為CWS一體化設(shè)備光伏供電系統(tǒng)示意圖。

2.3 研究方法

本研究在廣東某地區(qū)A村和B村中進(jìn)行，進(jìn)水為當(dāng)?shù)剞r(nóng)村生活用水，MBR及CWS一體化設(shè)備運(yùn)行時間為20h/d，設(shè)計進(jìn)水流量為0.27L/s。MBR一體化設(shè)備中污泥接種某城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池污泥，在馴化期間，定時觀察設(shè)備內(nèi)微生物狀態(tài)和菌膠團(tuán)長勢，當(dāng)出水中COD去除率穩(wěn)定在70%，視為馴化完成；CWS中水生植物選取美人蕉及菖蒲平均種植，栽種4周后，出水中COD去除率穩(wěn)定在60%以上。本研究在MBR和CWS一體化設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行30d后開展。

3、運(yùn)行效果

3.1 MBR處理效果

在MBR一體化設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，對MBR進(jìn)出水連續(xù)進(jìn)行了約40d的監(jiān)測，研究MBR一體化設(shè)備對農(nóng)村污水處理的效果及穩(wěn)定性。圖5為農(nóng)村生活污水經(jīng)過MBR一體化設(shè)備處理后各污染物去除效果，有圖可知，經(jīng)過MBR處理后出水COD、BOD5、氨氮及TP等指標(biāo)均可以穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，其中MBR對COD、BOD5、氨氮及TP的平均去除率分別為85.34%、93.62%、90.10%和89.70%。

3.2 CWS處理效果

在CWS一體化設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，對CWS進(jìn)出水連續(xù)進(jìn)行了約40d的監(jiān)測，研究CWS一體化設(shè)備對農(nóng)村污水處理的效果及穩(wěn)定性。圖6為農(nóng)村生活污水經(jīng)過CWS一體化設(shè)備處理后各污染物去除效果，有圖可知，經(jīng)過CWS處理后出水COD、BOD5、氨氮及TP等指標(biāo)均可以穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)，其中CWS對COD、BOD5、氨氮及TP的平均去除率分別為72.21%、89.74%、66.70%及76.13%。

3.3 太陽能發(fā)電效果

對不同氣象條件下太陽能系統(tǒng)發(fā)電功率進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)(見表4)，氣象條件對太陽能發(fā)電功率的影響較大，主要是太陽強(qiáng)度的變化對輸入電壓和太陽能能板充電電流產(chǎn)生影響，在晴天時太陽能發(fā)電較穩(wěn)定，且發(fā)電功率維持在較高水平，損失較小；在多云環(huán)境中，太陽能發(fā)電功率有一定的波動，且有較大損失，在陰天和有雨時，太陽能發(fā)電量有限，由此可以說明太陽能發(fā)電與天氣狀況密切相關(guān)。

3.4 效益分析

本研究利用MBR和CWS一體化設(shè)備對農(nóng)村污水進(jìn)行處理，設(shè)備使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)供能，MBR和CWS一體化設(shè)備設(shè)計每日最大用電量分別為23.6kW?h和12kW?h，實際運(yùn)行時，提升泵與鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時間與耗電量均低于設(shè)計值，且用市電時間多為凌晨用電谷時，電價較低。MBR設(shè)備使用太陽能發(fā)電實際處理時噸水耗電晴天電約在0.1~0.2kW?h/t，多云約為0.2~0.3kW?h/t，陰雨天約為0.3~0.6kW?h/t；CWS設(shè)備使用太陽能發(fā)電實際處理時噸水耗電晴天電約在0~0.05kW?h/t，多云約為0.05~0.1kW?h/t，陰雨天約為0.1~0.3kW?h/t。以雨季為例，MBR月噸水耗電平均為0.4kW?h/t，整體噸水耗電成本為0.27元/t；CWS月噸水耗電平均為0.2kW?h/t，整體噸水耗電成本為0.13元/t，遠(yuǎn)低于單純依賴市電供能的污水處理設(shè)施。

傳統(tǒng)污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行依賴人員對其定期進(jìn)行巡檢、維護(hù)，一般污水運(yùn)營費用在2~5元/t，對于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較薄弱、且缺少相關(guān)技術(shù)人員的農(nóng)村地區(qū)來說，難以承受較為高昂的運(yùn)營費用。一體化污水處理設(shè)備可自動化運(yùn)行，通過將污水處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭\(yùn)維平臺，每位技術(shù)人員可負(fù)責(zé)15~20臺設(shè)備的日常監(jiān)控與維護(hù)，大量減少人力成本投入，MBR噸水運(yùn)營費用約0.5~0.8元，CWS噸水運(yùn)營費用約0.2~0.4元。

利用一體化污水處理設(shè)備處理農(nóng)村生活污水帶來良好的環(huán)境效益，按照處理規(guī)模計算，MBR每年可削減COD、BOD5、氨氮和TP分別為1.06t、0.82t、0.19t和0.02t；CWS每年可削減COD、BOD5、氨氮和TP分別為0.84t、0.73t、0.09t和0.01t。有效改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件，提高農(nóng)村居民生活質(zhì)量。圖7為MBR和CWS一體化設(shè)備實際應(yīng)用情況。

4、結(jié)論

本研究分別利用MBR和CWS對農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理，通過對設(shè)備進(jìn)出水水質(zhì)的檢測分析，對比不同設(shè)備對污水的處理效果。研究表明，MBR出水各指標(biāo)能夠穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，相較于MBR設(shè)備，CWS對污水中氮磷污染物去除效果較弱，但CWS所需運(yùn)行費用及建設(shè)成本較低，適用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和出水排放要求相對不高的農(nóng)村地區(qū)。

廣東地區(qū)太陽能資源較豐富，本研究發(fā)揮農(nóng)村地區(qū)土地優(yōu)勢，利用太陽能為污水處理設(shè)備供電，一方面可有效節(jié)省設(shè)備運(yùn)行電耗費用，另一方面也可以在一定程度減少煤炭開采的生態(tài)破壞和燃煤發(fā)電的水資源消耗和對環(huán)境造成的污染，響應(yīng)“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)的號召。（來源：廣東粵康環(huán)保股份有限公司）