基于碳中和背景下的幾種農(nóng)村污水處理節(jié)能技術(shù)運(yùn)用

廖秋陽

摘 要：我國農(nóng)村污水處理與城市污水處理相比有其特殊性，結(jié)合不同地區(qū)的差異性和農(nóng)村污水的特性，研究農(nóng)村污水處理的特點(diǎn)，采用高效的節(jié)能技術(shù)手段，開發(fā)利用低碳新能源，降低農(nóng)村污水處理的能耗，減少碳的排放，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理過程從節(jié)能降耗到能源的自給自足，是“碳中和”背景下對(duì)農(nóng)村污水處理中的新要求。

關(guān)鍵詞：碳中和;農(nóng)村污水;無動(dòng)力;新能源;節(jié)能

中圖分類號(hào)：TG333 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(yè)革命以來世界各地開始大量使用化石能源，產(chǎn)生了大量的CO、CH等溫室氣體，導(dǎo)致地球表面變熱，形成溫室效應(yīng)。為應(yīng)對(duì)全球面臨的氣候變化問題，有效緩解地球變暖的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)世界綠色可持續(xù)發(fā)展，共同保護(hù)我們生存的地球村，在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論大會(huì)上，中國向全世界宣布將提高國家自主力度，采取更加有力的政策和措施，CO排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。所謂的碳中和，就是將全球溫升穩(wěn)定在一定的水平限度內(nèi)，意味著“凈”溫室氣體排放量需要大致下降到零，即大氣中排放和吸收的溫室氣體之間達(dá)到平衡[1]。傳統(tǒng)的污水處理是利用各種復(fù)雜的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)污水中污染物質(zhì)的分離、降解和轉(zhuǎn)移，雖然污水處理行業(yè)只占社會(huì)總體經(jīng)濟(jì)的0.1%左右，但是碳排放量可以達(dá)到1%～2%，是一種消耗能源的高碳排放過程[2]，這顯然與碳中和目標(biāo)相悖[3]。為了實(shí)現(xiàn)綠色低碳的重要目標(biāo)，加快發(fā)展培育綠色低碳經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新動(dòng)能，降低污水處理過程中的能源消耗和污染物排放，實(shí)現(xiàn)污水處理過程中的碳中和目標(biāo)意義重大[4]。目前針對(duì)污水處理碳中和的節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用主要集中在城市污水處理廠，對(duì)農(nóng)村污水處理的應(yīng)用推廣相對(duì)較少，而我國農(nóng)村人口5.64億人，行政村約70萬個(gè)，污水處理數(shù)量大[5]，污水處理能耗需求高，在碳中和背景下將節(jié)能技術(shù)應(yīng)用推廣到農(nóng)村污水處理中是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要保障。

1 我國農(nóng)村污水處理現(xiàn)狀

我國農(nóng)村人口多，近年來隨著農(nóng)村生活水平的提高，生活用水量呈遞增趨勢(shì)，生活污水產(chǎn)量也越來越多。

1.1 農(nóng)村生活污水處理的特點(diǎn)

農(nóng)村生活污水除了日常生活中的廚房污水、生活洗滌污水、洗浴污水和沖廁水等，還包括農(nóng)戶家中散養(yǎng)家禽、畜牧洗滌用水、糞水等。水量方面，農(nóng)村人口以戶為單位居住分散，污水分布也分散，單戶污水產(chǎn)量少，但是總量巨大，占全國生活污水排放總量的25%左右，并且間歇排放，污水水量日變化系數(shù)大，其中以早晨、中午、傍晚污水排放量最多，夜晚排放較少。水質(zhì)方面，農(nóng)村污水水質(zhì)波動(dòng)大，主要污染物為COD、N、P等物質(zhì)及病菌，很少含工業(yè)有毒物，可生化性強(qiáng)[6]。污水收集方面，因農(nóng)村人口居住分散，污水排放量不集中，污水收集節(jié)點(diǎn)多，管網(wǎng)建設(shè)困難，導(dǎo)致農(nóng)村污水收集困難，污水處理率極低，大量的污水未經(jīng)收集、處理直接排放，給農(nóng)村生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。處理技術(shù)方面，我國農(nóng)村污水處理技術(shù)的研究相對(duì)西方發(fā)達(dá)國家，起步較晚。但近年來，隨著生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展，國家越來越重視農(nóng)村水環(huán)境污染問題，在借鑒國外技術(shù)和自主創(chuàng)新基礎(chǔ)上，各種形式多樣的農(nóng)村污水處理技術(shù)在我國得到了應(yīng)用與推廣。主要分為生物處理技術(shù)（凈化槽、A/O工藝、慢速濾池等），生態(tài)處理技術(shù)（人工濕地、蚯蚓生態(tài)濾池、生態(tài)塘法等），組合式處理技術(shù)（厭氧生物濾池與人工濕地組合、人工浮床和其他生物生態(tài)組合等）。運(yùn)營(yíng)管理方面，農(nóng)村污水處理設(shè)施建造數(shù)量巨大，相對(duì)分散，運(yùn)營(yíng)管理模式多樣，加之管理人員技術(shù)力量相對(duì)薄弱、缺乏保障長(zhǎng)期運(yùn)行效果的水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系和有效監(jiān)管體制，導(dǎo)致污水處理設(shè)施運(yùn)行情況不理想。

1.2 農(nóng)村污水處理能耗分析

污水處理的高能耗一直引起社會(huì)的廣泛關(guān)注，而且能耗隨著處理水質(zhì)的提高而增加，高能耗是污水處理設(shè)施運(yùn)行成本高的主要原因[7]，直接關(guān)系著污水處理設(shè)施是否能夠長(zhǎng)效運(yùn)行。污水處理廠屬于耗能大戶，主要能源為電力，大量的能耗主要集中在動(dòng)力能耗，耗能設(shè)備主要分布在進(jìn)水提升設(shè)備、鼓風(fēng)曝氣設(shè)備、回流泵、污泥處理設(shè)備等，對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行節(jié)能技術(shù)提升意義重大。

2 碳中和背景下的幾種農(nóng)村污水處理節(jié)能技術(shù)

污水處理廠耗能高，且會(huì)排放溫室氣體，在碳中和的背景下，污水處理廠的節(jié)能減排勢(shì)在必行。但與城市生活污水相比，農(nóng)村生活污水具有分散、規(guī)模小、排放不穩(wěn)定且區(qū)域差異大等特點(diǎn)，因此，農(nóng)村生活污水處理的節(jié)能技術(shù)應(yīng)在借鑒城市污水處理廠成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件，在因地制宜地的選取污水處理工藝的同時(shí)[8]，將相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用推廣到農(nóng)村污水處理中，以達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)“碳中和”。其中比較有效的農(nóng)村污水處理節(jié)能技術(shù)應(yīng)用大概有4種。

2.1 污水處理黑灰分離技術(shù)

一般意義上所說的生活污水為人類所有生活起居活動(dòng)產(chǎn)生的污水，可以分為黑水和灰水兩大類[9]。黑水是指?jìng)鹘y(tǒng)的便器排水，也就是糞便尿液及沖廁混合水、畜牧養(yǎng)殖糞水等，黑水具有水量少、COD及BOD等指標(biāo)高、含大量病原菌且臭氣污染嚴(yán)重的特點(diǎn);灰水包括廚房污水、生活洗滌污水、洗浴污水等，灰水水量占生活污水的80%～85%，灰水中通常含有高濃度的油脂、其他烹飪有機(jī)物、肥皂殘余物以及清潔劑中所含的表面活性劑等可生物降解的物質(zhì)，若能夠有效回用灰水，則可以減少將近50%的污水處理水量，節(jié)省大量的污水處理能耗[10]。根據(jù)農(nóng)村污水水質(zhì)的這些特點(diǎn)，將生活污水進(jìn)行黑、廢分離，從源頭上對(duì)污水處理量進(jìn)行縮減，以減少污水處理能耗，達(dá)到節(jié)能目的。在農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的建設(shè)中，將污水水源分離、分質(zhì)處理及資源化理念引入污水收集和處理過程中，從污水收集的源頭進(jìn)行黑水與灰水分離，對(duì)黑水、灰水進(jìn)行分質(zhì)處理利用，不僅能減少農(nóng)村用水總量，還可以降低污水處理量，節(jié)能潛力巨大。

袁園利用高效厭氧折流板反應(yīng)器—缺氧反應(yīng)器—水車式生物轉(zhuǎn)盤組成的生物處理工藝分離處理農(nóng)村黑灰水取得了較好的效果，采用高效厭氧折流板反應(yīng)器單獨(dú)處理黑水，而經(jīng)反應(yīng)器處理后的厭氧黑水出水與分離出的灰水混合進(jìn)入后續(xù)缺氧—好氧—人工濕地單元進(jìn)行處理，不僅減少初期建設(shè)和后期運(yùn)行成本，節(jié)約了能源消耗，還提高了氮磷資源化利用率[10]。

2.2 組合式無動(dòng)力處理技術(shù)

采用無動(dòng)力農(nóng)村污水處理工藝在不需要耗費(fèi)大量能源的前提下，能夠有效處理農(nóng)村污水，并能使出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。唐勝強(qiáng)等對(duì)生活污水凈化池，凈化池+人工濕地兩種無動(dòng)力農(nóng)村污水處理工藝進(jìn)行了效果分析，分析結(jié)果表明無動(dòng)力生活污水凈化工藝可以應(yīng)用于農(nóng)村污水凈化，可以有效降低污水中的COD、SS、NH-N和TP等污染物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的作用[11]。韓陽等結(jié)合低山丘陵地形采用一套無動(dòng)力級(jí)聯(lián)生物濾池系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水，系統(tǒng)出水水質(zhì)可達(dá)標(biāo)排放，無須消耗外界能量，可在我國長(zhǎng)江上游山區(qū)農(nóng)村應(yīng)用[12]。組合式的污水處理技術(shù)應(yīng)用效果較好，將多種工藝進(jìn)行組合后的處理設(shè)施，在實(shí)際運(yùn)行中出水水質(zhì)可達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)或者準(zhǔn)地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)[13]。厭氧—跌水接觸氧化—植物濾床等組合式分散污水處理在結(jié)合山區(qū)地形特征的條件下，充分利用污水排放點(diǎn)的勢(shì)能，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)村污水無動(dòng)力處理，具體組成如圖1所示。

上述兩種無動(dòng)力組合式污水處理技術(shù)，通過厭氧預(yù)處理有效降低污水中有機(jī)污染物的濃度，以減少后續(xù)接觸氧化處理階段的負(fù)荷，接觸氧化階段充分利用地勢(shì)高差通過高空濺水充氧以及濾池底部空間自然通風(fēng)充氧，以提供污水處理過程中微生物所需的溶解氧，從而達(dá)到有效去除污染物的目的。同時(shí)還可根據(jù)接觸氧化階段出水水質(zhì)處理情況，將植物引進(jìn)到處理系統(tǒng)中，以吸收污水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，進(jìn)一步凈化水質(zhì)。組合式污水處理技術(shù)應(yīng)用靈活，可以根據(jù)污水的特性、當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、水質(zhì)處理要求等多種污水處理工藝自由組合，在充分發(fā)揮各單元功能的基礎(chǔ)上，各單位間相互配合補(bǔ)充，以達(dá)到最佳的處理狀態(tài)。

2.3 智能設(shè)備節(jié)能技術(shù)

農(nóng)村污水處理技術(shù)的設(shè)備節(jié)能措施主要是在污水處理設(shè)施設(shè)計(jì)階段，根據(jù)污水處理項(xiàng)目所在地的地理、地勢(shì)、污水特點(diǎn)等，優(yōu)先選用節(jié)能設(shè)備設(shè)計(jì)污水處理設(shè)施。污水處理的能耗大量消耗在泵類設(shè)備和鼓風(fēng)曝氣設(shè)備，這兩類設(shè)備的動(dòng)力核心在于電動(dòng)機(jī)，普通的電動(dòng)機(jī)只能以定速的方式能耗消耗大，采用合理變頻電機(jī)控制，可以有效降低使用能耗。由于泵類的電機(jī)轉(zhuǎn)速與流量呈正相關(guān)性，通過對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速和流量實(shí)施變速調(diào)節(jié)，使污水泵的運(yùn)行更加智能化，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。智能變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)可以按照污水處理過程工藝中的不同要求，根據(jù)污水處理各階段所要溶解氧的需求，通過智能控制系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)降低電動(dòng)機(jī)能耗的目的。

智能變頻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的原理：通過流量計(jì)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀等測(cè)出的數(shù)據(jù)計(jì)算出污水的進(jìn)水總量以及污水中所含污染物質(zhì)的總量，傳至智能控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)時(shí)的污水溫度、出水水質(zhì)預(yù)設(shè)要求等計(jì)算分析出所需溶解氧量目標(biāo)值，將該目標(biāo)值與污水處理裝置內(nèi)部的氧傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將對(duì)比結(jié)果反饋到變頻風(fēng)機(jī)，從而調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，已到達(dá)智能控制，智能變頻風(fēng)機(jī)控制原理見圖3。

以某小型AO+MBR分散式污水處理工藝為例，污水處理中的曝氣供氧由兩臺(tái)7.5 kW的羅茨風(fēng)機(jī)供應(yīng)，在引入智能變頻系統(tǒng)后，智能風(fēng)機(jī)通過精準(zhǔn)的溶氧量控制，實(shí)現(xiàn)了污水處理低負(fù)荷運(yùn)行，全年節(jié)電在1.1×10 kW·h以上，節(jié)能效果明顯[14]。

2.4 新能源替代技術(shù)

在目前“雙碳”的背景下，“能耗雙控”的政策頻出，在污水處理行業(yè)利用新能源迫在眉睫。我國西北、東北西部、青藏高原等地區(qū)太陽能資源豐富，內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、黑龍江等省（自治區(qū)）風(fēng)能資源資源豐富，可以將太陽能、風(fēng)能資源利用到農(nóng)村污水處理中。常規(guī)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，由太陽能面板、控制器和蓄電池組成，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)別在于使用的是風(fēng)機(jī)發(fā)電。但太陽能面板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流一般是直流電，不能直接被交流電設(shè)備使用，需要通過交流逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，才能被污水處理設(shè)備利用。采用太陽能驅(qū)動(dòng)生物滴濾—人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便，處理效果較好，運(yùn)行成本低。王守中等研究康陵村的太陽能光伏獨(dú)立供電的簡(jiǎn)單預(yù)處理+人工濕地聯(lián)合處理工藝的農(nóng)村污水系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)處理規(guī)模為40 m/d，按20年使用期限計(jì)算，光伏供電系統(tǒng)可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約20 t，減排CO約480 kg[15]。最新研究的無蓄電池風(fēng)、光能互補(bǔ)污水處技術(shù)進(jìn)一步取消了常規(guī)太陽能、風(fēng)能利用中的蓄電池，通過監(jiān)測(cè)與分析不同季節(jié)的太陽能和風(fēng)能強(qiáng)度變化，研究太陽能與風(fēng)能的季節(jié)變化的規(guī)律和互補(bǔ)性，將太陽能輻射強(qiáng)度和風(fēng)能的變化周期性、農(nóng)村生活污水排放的不續(xù)性、農(nóng)村污水處理過程對(duì)溶解氧需求的差異三者融合，提出了無蓄電池組的太陽能與風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電驅(qū)動(dòng)農(nóng)村生活污水生物處理設(shè)施的集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電能的穩(wěn)定輸出，其中新能源的利用率可達(dá)到80%，大幅度降低農(nóng)村污水處理的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用[16]。除了太陽能、風(fēng)能的利用外，還可以利用污水處理過程中的水流勢(shì)能差，將污水處理過程中或處理后的重力勢(shì)能收集利用，采用水力發(fā)電的形式為污水處理設(shè)備供能，該方法在地勢(shì)高差變化較大的山區(qū)農(nóng)村利用前景較大。

3 結(jié)語

農(nóng)村污水的特性與城市污水有著較大的差異，不能照搬城市污水處理的方式，要結(jié)合農(nóng)村污水處理的實(shí)際情況，采取切合實(shí)際的有效技術(shù)手段處理農(nóng)村污水，通常農(nóng)村污水處理規(guī)模也不大，但常常出現(xiàn)運(yùn)行能耗比較高的情況，解決好農(nóng)村污水處理過程中高能耗任重道遠(yuǎn)。

①在碳中和背景下，農(nóng)村污水處理的節(jié)能降耗是我國未來經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要表現(xiàn)，農(nóng)村污水處理節(jié)能降耗勢(shì)在必行。②農(nóng)村污水處理必須結(jié)合農(nóng)村污水的特點(diǎn)，充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，采取行之有效的技術(shù)手段，不能生搬硬套，節(jié)能技術(shù)的優(yōu)用更是要建立在實(shí)地調(diào)研、全周期的分析論證的基礎(chǔ)上，確保污水處理設(shè)施能長(zhǎng)期有效低能耗地運(yùn)行。③污水源頭黑灰分離減量控制、采用無動(dòng)力污水處理技術(shù)和智能變頻節(jié)能設(shè)備，減少污水處理過程中能源消耗，是碳中和模式下農(nóng)村污水處理節(jié)能技術(shù)的重要手段，應(yīng)當(dāng)大力推廣。④開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能、水能等新能源，對(duì)農(nóng)村污水處理達(dá)到碳中和目標(biāo)意義重大，應(yīng)該充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，開發(fā)新能源為污水處理設(shè)施所用。

此外，實(shí)施“物聯(lián)網(wǎng)+”遠(yuǎn)程智能監(jiān)控的運(yùn)營(yíng)管理模式，加強(qiáng)農(nóng)村污水處理設(shè)施的節(jié)能運(yùn)行管理，促進(jìn)農(nóng)村污水處理工作的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用推廣，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村污水處理“碳中和”目標(biāo)的重要途徑。

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