太阳能微动力在农村污水治理中的应用

王军辉，官爱令，李林林，戴娟娟，王少俊

（杭州一达环保技术咨询服务有限公司，杭州 310006）

1 农村生活污水特点

长期以来，农村生活污水的治理没有得到应有的重视。由于农村人口居住分散，污水大部分未经治理就直接排入附近河道或渗入地下，村镇大多没有完善的排水管网，且缺乏配套的污水治理设施，给污水的收集和集中治理带来困难，一些已建污水治理设施也未尽其用。无序排放的农村生活污水已成为污染村镇水体的重要原因之一。

1.1 农村生活污水的水质特点

在不考虑农户畜禽散养和农家乐污水接入的情况下，农村生活污水中的污染物浓度相差不大。根据《农村生活污水处理技术规范》（GB33/T868-2012），污水浓度一般为：BOD5120～200mg/L，CODCr250～400mg/L，NH3-N30～60mg/L，pH值6～8，TP2.5～5mg/L，基本上不含重金属和其他有毒有害物质。当猪散养存栏量超过3头时，水中污染物浓度有较大增加。

1.2 水量特性

1）水量小。农村人口大多居住分散，人口密度相对小，产生的污水量也小；2）变化系数大。农村污水的排放量与居民生活规律相近，早晚比白天大，夜间排水量小，甚至可能断流；水量变化明显，污水排放呈不连续状态，具有变化幅度大的特点[1]。

2 农村污水处理工艺

生活污水中的污染物以有机物为主，其生化性较好，所以通常情况下生活污水的治理都是采用以生物治理为核心的工艺。目前国内外的农村生活污水处理工艺主要有以下几种。

2.1 生活污水净化沼气池治理技术

该治理工艺是采用厌氧发酵技术和兼性生物过滤技术相结合的方法，在厌氧和兼性厌氧的条件下将生活污水中的有机物分解转化成CH4、CO2和水，达到净化治理生活污水的目的。

工艺流程：污水 → 格栅 → 前治理区（厌氧发酵）→后治理区（生物滤池）→ 排放。

该技术将厌氧好氧污水治理技术与农村沼气能源相结合，治理效果稳定可靠；运行成本低，维护简便，二次污染少。

2.2 微动力厌氧好氧+景观绿地治理技术

该治理工艺利用生态系统治理的方法来净化污水，仅需微动力或少动力，运行成本较低，管理相对简便，同时兼具美化环境的效果。

工艺流程：污水 → 格栅 → 微动力厌氧好氧池 → 沉淀池 → 景观绿地 → 排放。

该技术将微动力厌氧好氧污水治理技术与景观建设相结合，与纯粹的生态治理工艺相比，对气候的适应性较强，治理效果稳定可靠；运行成本低，污泥产生量少，维护简便，景观绿地可美化周边环境，二次污染少。

2.3 厌氧生化池+生态小湿地治理技术

该技术可用于散户小型生活污水治理工程。

工艺流程：生活污水 → 厌氧生化池 → 生态小湿地 →过滤 → 排放。

将传统的厌氧生化工艺（如三格式化粪池），或其它厌氧工艺与生态小湿地相结合。只需定期清掏厌氧池内的污泥，无动力消耗，基本免维护，不需要运行成本。

3 太阳能微动力结合人工湿地方案设计

以浙江省中部某500人左右的自然村污水处理设计为例。工艺采用“太阳能微动力+人工湿地”方案设计。

3.1 设计水质参数

考虑平均每人排放水量约100L/d，设计水量为50m3/d。设计参数参考浙江省农村生活污水水质状况（见表1），出水水质要达到《城镇污水治理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A以上标准。

表1 设计水质参数表

3.2 污水处理工艺

（1）工艺流程

工艺方案为太阳能微动力结合人工湿地处理流程，详见下图。

工艺流程图

（2）工艺说明

集中收集而来的污水进入污水处理系统内的厌氧池，污水部分在厌氧池内完成降解过程，提高了污水的可生化性，从而加快了污水处理速度并节约了能耗。

经过厌氧池处理的污水进入兼氧池，兼氧池存在大量的反硝化菌，反硝化菌在兼氧池内利用生活污水中的大量有机物作为碳源进行反硝化反应，将回流混合液中的大量硝态氮和亚硝态氮还原为氮气，从而降低了污水中氮的含量。

随后污水进入生物接触氧化池，污水中的有机物得到进一步降解。设计采用生物膜法中的生物接触氧化法作为好氧处理的工序。生物接触氧化法又称淹没式生物滤池，是活性污泥法与生物滤池复合的生物膜法。池内设有填料，填料上长满生物膜，经过太阳能微动力曝气装置曝气的污水以一定的流速流过池内填料，通过与生物膜的不断接触，在好氧生化作用下，有机物被微生物进一步生化降解，污水浓度继续下降；氨氮被硝化，氨氮浓度显著下降，随着硝化过程的进行，污水中硝态氮的浓度增加；活性污泥中的聚磷菌在好氧条件下大量吸收污水中的磷，并将其转化为不溶性多聚正磷酸盐在体内贮存起来，最后通过沉淀池排放的剩余污泥达到系统除磷的目的。

在经过接触好氧反应后，污水中的有机物已经被微生物基本消解，进入沉淀池进行沉淀，再利用重力沉降将污水中的悬浮颗粒从水中去除，降低污水中悬浮物的浓度。

经沉淀池处理后的水最后进入湿地滤池进行深化处理，沉淀池产生的污泥采用人工定期清理的方法处理。

湿地处理技术依靠物理、化学、生物的协同作用完成水的净化过程，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的进一步深度处理。

当污水流经湿地床时，大量悬浮固体、不溶性的有机物被填料及根系截留，可溶解性的有机物通过生物膜的吸附和微生物的代谢过程得到降解，也有一部分有机物被植物吸收而去除。污水中的氨氮在湿地中一方面通过吸附、过滤、沉淀、植物及微生物作为营养吸收得以去除，另一方面，由于植物具有较强的输氧能力，可使根系周围依次出现好氧、缺氧、厌氧的环境，氨氮在硝化和反硝化反应中被去除。污水中的磷一部分作为植物的营养物质被吸收，另一部分与填料中含钙物质反应，生成磷酸钙沉淀下来[2]。另外，人工湿地对大肠杆菌也有较强的杀灭作用。

3.3 主要构筑物

根据初步设计，主要构筑物为进水井、厌氧池、兼氧池、好氧池、沉淀池和湿地滤池（见表2）。

4 投资及运行费用估算

4.1 投资估算

该方案投资估算仅为污水处理工程投资，不包括农户改厕费用、各农户污水收集管道费用以及污水工程涉及的土地拆迁等安置费用（详见表3）。

投资成本中，太阳能微动力站投资较大，投资估算采用PVWatts软件可以模拟计算光伏系统在典型气象年中每天、每小时的发电量，因此在给定负荷的情况下，可以计算光伏发电去向，即自发自用量和余电上网量。以发电收入与购电费用相抵为目标，可以估算最低光伏安装量。经计算，该方案1.5kW用电负荷，光伏装机容量6.5kW可达费用平衡，小型光伏系统成本约12元/W，光伏系统需7.8万元（不含自电网到污水处理设施架设线路的费用），考虑安装费、税费等，总计约12万元。

4.2 运行费用估算

由于日常运行过程无需人工现场管理，运行费用主要为电费和维修费。

（1）耗电费用

整个污水处理系统运行功率约为1.5kW，按保守连续24h运转计，负荷率按80%计，估算电价按0.5元/kW·h，则每天的电费为1.5×24×0.5×0.8=14.4元。

（2）发电收入

方案拟在厌氧池、兼氧池、好氧池、沉淀池等构筑物顶部配套建设光伏发电装置，池子合计面积约为54m2，按80%的利用率、单位面积装机120W/m2计，则光伏发电的装机容量为54×0.8×120/1000=5.18kW。根据当地近10年气象条件，有效光照时间为1000～1200h，按平均1100h计，则发电量为5698kW·h/年。上网电价按1元/kW·h，则每天的发电收入为5698/365=15.6元，与用电成本基本持平。

表2 主要构筑物一览表

（3）药剂费用

根据同类型处理设施调查，药剂费用约为0.18元/t，则每天处理的药剂费用估算约为9元。

（4）维修、保养费用：

动力设备折旧费按每年3000元计，折合每天的费用约为10元。

则每天处理直接成本预计为14.4+9+10-15.6=17.8元。

表3 投资估算

5 处理效果

项目运行后的生活污水监测结果见表4。

由表4可知，经处理后的农村生活污水排放浓度能达到《城镇污水治理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A以上标准要求。

表4 经工艺处理后的监测效果

6 总结

太阳能微动力污水处理工艺是以传统的A2/O工艺为基础，根据太阳能光伏发电的特点，吸纳A2/O工艺中的关键因素整合开发形成的一种全新工艺，该工艺采用现代先进技术与环保工程的有机结合，从整体上采用了自动化控制，自动运行，为农村污水处理工程的有效运行提供了有力的支持。其中，太阳能微动力站的电力供应，采用太阳能光伏发电+上网调蓄模式，即分布式光伏电站模式，白天自发自用多余上网，晚上由电网供电，阴雨天由电网补充，发电产生的经济效益用于抵消购电费用，实现零电费运行。

该项目采用太阳能绿色能源，符合国家产业政策。微电脑自动控制系统与远程在线监控系统的运用，解决了农村缺乏运行管理人员的现实问题，整个系统可以实现无人值守。系统结构紧凑、占地面积小，大大节省了土地资源。该工艺创新地提出了光伏发电+上网调蓄模式，实现了零电费运行。

[1]梁祝，倪晋仁.农村生活污水处理技术与政策选择[J].中国地质大学学报（社会科学版），2007（3）.

[2]单为为，刘欣，葛国炎，等.太阳能微动力污水处理技术与其它农村生活污水处理技术的比较[J].科学时代，2014（13）：39.