分散式污水處理設(shè)備在農(nóng)村污水資源化利用中的應(yīng)用

0引言

當(dāng)前，我國農(nóng)村地區(qū)普遍面臨污水處理設(shè)施覆蓋率低、排放管控不足等突出問題，大量未經(jīng)處理的污水直接排人周邊水體，引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。傳統(tǒng)集中式污水處理模式受限于基礎(chǔ)設(shè)施投資大、地形適應(yīng)能力弱等缺陷，難以滿足農(nóng)村地區(qū)分散居住情況下的污水處理實際需求。與此同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源短缺與化肥過度使用并存的現(xiàn)象，為污水資源化利用提供了現(xiàn)實應(yīng)用場景。將污水處理與農(nóng)業(yè)灌溉、有機肥生產(chǎn)相結(jié)合，既可以緩解生態(tài)壓力，又能創(chuàng)造經(jīng)濟價值。現(xiàn)有研究雖然在污水分散式處理方面取得了一定進展，但在系統(tǒng)集成度與資源轉(zhuǎn)化效率方面仍存在顯著短板。多數(shù)污水處理工藝存在能源消耗大、副產(chǎn)品利用率低等問題，制約了其推廣應(yīng)用。本研究立足于“處理一回用一資源化”協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)理念，通過創(chuàng)新工藝組合與利用路徑設(shè)計，致力于破解污水處理終端與資源回收環(huán)節(jié)的技術(shù)問題，為構(gòu)建低碳型農(nóng)村水循環(huán)體系提供理論支持與實踐參考。

1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域具有典型的丘陵地形特征，人口密度適中，村落布局分散。區(qū)域內(nèi)地形起伏較小，地勢相對平緩，地表水系縱橫交錯。受限于農(nóng)村污水處理設(shè)施覆蓋不足，該村生活污水主要通過自然溝渠或簡易化糞池進行排放。研究區(qū)域內(nèi)的污水主要來源于農(nóng)戶日常生活用水（如洗滌、沖廁）小型畜禽養(yǎng)殖廢水及部分廚余廢水，具有有機物濃度高、氮磷含量豐富的特點1。根據(jù)前期采樣分析，研究區(qū)域內(nèi)污水化學(xué)需氧量（COD）濃度范圍為 氨氮 濃度介于 ，總磷（TP）含量為 ，水質(zhì)受降雨量和季節(jié)性農(nóng)業(yè)活動影響顯著。研究區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年降水量 ，溫濕度變化對污水生物處理工藝的運行效能具有潛在影響。

2技術(shù)方案

2.1技術(shù)對比設(shè)計

針對研究區(qū)域的污水特征與資源化利用需求，本研究選取膜生物反應(yīng)器（MBR）、人工濕地和厭氧發(fā)酵罐三種分散式處理技術(shù)進行對比分析，見表1。MBR設(shè)備設(shè)計處理規(guī)模為 ，采用膜生物反應(yīng)器與紫外線消毒聯(lián)用工藝，通過微生物降解與膜分離技術(shù)實現(xiàn)高效固液分離，出水水質(zhì)達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)，資源化用途以景觀用水和蔬菜灌溉為主。人工濕地系統(tǒng)處理規(guī)模為 ，為潛流式結(jié)構(gòu)，填充沸石、礫石等多孔基質(zhì)，并種植香蒲、蘆葦?shù)犬?dāng)?shù)貎?yōu)勢水生植物，利用植物吸收、基質(zhì)吸附及微生物代謝的協(xié)同作用去除污染物，處理后的再生水用于稻田灌溉與地下水回補2。厭氧發(fā)酵罐處理規(guī)模為 ，采用升流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器與固液分離裝置結(jié)合工藝，通過厭氧消化將有機物轉(zhuǎn)化為沼氣，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)脫硫處理后供農(nóng)戶炊事使用，沼渣沼液經(jīng)腐熟處理制成有機肥，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 檢測指標(biāo)

水質(zhì)檢測涵蓋化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（ $＼mathrm{BOD}_{＼mathfrak{s}}$ ）、總氮（TN）、總磷（TP）及pH值等核心指標(biāo)，采樣與檢測嚴(yán)格遵循《污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ91.1—2019），使用哈希DR3900分光光度計進行實驗室測定，每天采集3組平行樣，以減少實驗誤差。資源化產(chǎn)物檢測指標(biāo)包括沼肥的氮、磷含量及重金屬殘留量，依據(jù)《有機肥料》（NY525—2021）標(biāo)準(zhǔn)，采用凱氏定氮法測定全氮，采用鉬銻抗分光光度法測定全磷，采用原子吸收光譜法檢測鉛、鎘等重金屬。在再生水的微生物學(xué)指標(biāo)中，重點檢測總大腸菌群和糞大腸菌群，參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18918—2002），采用濾膜法結(jié)合選擇性培養(yǎng)基進行定量分析。所有檢測數(shù)據(jù)均通過SPSS26.0進行統(tǒng)計學(xué)處理，采用t檢驗驗證組間差異顯著性，確保結(jié)果的科學(xué)性與可靠性。研究同步記錄設(shè)備能耗、維護成本等經(jīng)濟性參數(shù)，為技術(shù)比選提供多維度依據(jù)[3]。

3結(jié)果分析

3.1污染物去除效能

本研究通過對比三種污水處理技術(shù)的污染物去除效能，揭示不同工藝對水質(zhì)凈化的貢獻差異。MBR系統(tǒng)憑借其高效的膜分離與生物降解協(xié)同作用，對病原菌的滅活率超過 99.9% ，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)消毒工藝（如氯消毒的 ）。此外，MBR對COD和 -N的去除率分別達(dá)到 94.2% 和 91.6% 出水COD穩(wěn)定在 低于 5mg/L 滿足景觀用水和蔬菜灌溉的水質(zhì)要求。其優(yōu)勢在于膜組件對懸浮物和微生物的截留作用，但在長期運行中需要關(guān)注膜污染問題，通過周期性化學(xué)清洗（每月1次）可將跨膜壓差控制在 30kPa 以內(nèi)。人工濕地在水力停留時間為 48h 時，TN去除率高達(dá)78.4% ，TP去除率為 82.3% ，主要歸因于植物吸收（貢獻約 35% 的氮磷去除）基質(zhì)吸附（沸石對氨氮的離子交換作用）及反硝化菌的脫氮過程。然而，濕地對低溫敏感，冬季（氣溫 ）TN去除率下降至 58% ，需通過增設(shè)保溫層或調(diào)整植物組合（如增加耐寒植物）以提升穩(wěn)定性。厭氧發(fā)酵罐在有機物轉(zhuǎn)化方面表現(xiàn)突出，COD去除率為 ，且UASB反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣甲烷含量為 ，但脫氮效果有限（TN去除率僅 20%～30% ），需后續(xù)耦合人工濕地或化學(xué)脫氮工藝。綜合來看，MBR適用于對出水微生物指標(biāo)要求嚴(yán)格的場景，人工濕地在低碳氮比污水脫氮中更具優(yōu)勢，而慶氧發(fā)酵罐則以能源回收為核心價值。污水處理技術(shù)污染物去除效能對比見圖1。

3.2 資源化利用效率

污水資源化利用的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益在本研究中得到充分驗證。再生水用于大棚滴灌系統(tǒng)后，較傳統(tǒng)灌溉方式節(jié)水 35.7% ，且番茄產(chǎn)量提升12.4% ，果實中維生素C含量增加 8.2% 。這一結(jié)果源于再生水中殘留的氮磷（TN含量 ，TP含量 ）可作為緩釋營養(yǎng)源，減少化肥施用量，同時膜工藝的病原菌控制保障了灌溉安全性（糞大腸菌群 lt;10CFU/L ）。長期監(jiān)測顯示，再生水灌溉未引起土壤鹽漬化（電導(dǎo)率 $lt;0.8＼mathrm{mS/cm}＼$ ，但需要防范重金屬（如Cd、As累積風(fēng)險。沼液替代 30% 化肥后，土壤有機質(zhì)含量提高 0.8g/kg ，速效磷和速效鉀分別增加 12.4% 和 9.6% ，且番茄根系活力提升18.3% 。這表明沼液中的腐殖酸與微量元素（Zn、Fe等）對土壤改良和作物生長具有協(xié)同效應(yīng)。沼肥的施用使化肥成本降低 24% ，但需注意其氨揮發(fā)損失（約 ），可通過溝施覆土減少氮素?fù)p失。資源化利用路徑的優(yōu)化需結(jié)合區(qū)域需求。再生水灌溉適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)密集區(qū)，沼液農(nóng)用契合有機種植導(dǎo)向，而沼氣能源化在燃料成本高的偏遠(yuǎn)村落效益更顯著。

3.3全生命周期成本分析

基于全生命周期成本（LCC）模型進行分析（詳見表2），發(fā)現(xiàn)三種技術(shù)的經(jīng)濟性呈現(xiàn)顯著差異。MBR設(shè)備建設(shè)成本最高，主要源于進口膜組件和自動化控制系統(tǒng)，但其模塊化設(shè)計使運行成本降至0.52元/t，低于傳統(tǒng)活性污泥處理法。然而，8.2a的投資回收期限制了其推廣，需要通過延長膜壽命或政府補貼提升可行性。人工濕地建設(shè)成本僅5.2萬元，運行成本最低，但其占地面積為MBR設(shè)備的6＼～8倍，在土地資源緊張區(qū)域的適用性受限。其6.5a回收期可通過資源綜合利用縮短，如香蒲莖葉用于編織可增加農(nóng)戶收益。厭氧發(fā)酵罐因沼氣收益實現(xiàn)最短回收期，且有機肥銷售可實現(xiàn)進一步增收，但其處理規(guī)模有限，原料不足時產(chǎn)氣率下降 。敏感性分析結(jié)果表明，沼氣價格波動對回收期影響顯著，而人工濕地對電價變化不敏感。綜合技術(shù)一經(jīng)濟一環(huán)境指標(biāo)，推薦小型村落采用“厭氧發(fā)酵 + 人工濕地\"組合工藝，中型社區(qū)優(yōu)選MBR，而土地資源豐富區(qū)域可通過擴大人工濕地規(guī)模以實現(xiàn)低成本長效運維[5]。在政策層面，需要完善再生水定價機制和沼肥產(chǎn)品認(rèn)證體系，以提升資源化利用市場接受度。

4技術(shù)優(yōu)化建議

4.1 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是提升污水處理技術(shù)適應(yīng)性與經(jīng)濟性的關(guān)鍵路徑。針對MBR、人工濕地及厭氧發(fā)酵罐的運行痛點，開發(fā)可擴展處理單元能夠有效匹配不同區(qū)域的水質(zhì)、水量和資源化利用需求。例如，MBR系統(tǒng)可通過模塊化膜組件（如單個膜箱處理能力 實現(xiàn)處理規(guī)模的線性擴展，當(dāng)污水量從 增至 時，僅需要增加膜箱數(shù)量，無須重建生化池，建設(shè)成本可降低 23% ；進一步整合光伏供電模塊，如每 處理量配置 5kW 光伏板，可使系統(tǒng)能耗自給率提升至 40%～60% ，在光照資源充足地區(qū)（年輻射量 運行成本下降0.15元/t[6。人工濕地的模塊化則體現(xiàn)為基質(zhì)-植物單元的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制，采用沸石-陶粒分層填充（每層厚度 30cm ）和耐污植物（如蘆葦、香蒲）的模塊化種植，可在 48h 內(nèi)完成 濕地的快速組裝，且通過增減并聯(lián)模塊可靈活調(diào)節(jié)水力停留時間0 ，使TN去除率波動范圍從 ±15% 收窄至15% 。對于厭氧發(fā)酵罐，模塊化設(shè)計聚焦于反應(yīng)器容積與熱交換系統(tǒng)的匹配。例如， 罐體可拆分4個 獨立發(fā)酵單元，通過溫控系統(tǒng)（ ）分階段處理高/低濃度污水，產(chǎn)氣效率提升 18%～22% 。此外，模塊間的智能切換功能（如物聯(lián)網(wǎng)控制閥門）可實現(xiàn)故障單元隔離與備用單元啟用，將系統(tǒng)停機維護時間縮短 70% 。模塊化設(shè)計的推廣需配套標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議（如管道直徑、電壓等級）和區(qū)域性預(yù)制中心布局，以降低運輸與安裝成本。

4.2 智能運維

智能運維技術(shù)通過數(shù)據(jù)感知一分析一決策閉環(huán)，顯著提升污水處理系統(tǒng)的可靠性與資源化利用效率。在MBR系統(tǒng)中，安裝多參數(shù)IoT傳感器（跨膜壓差、污泥濃度、溶解氧），并結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法（如LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），可提前 72h 預(yù)測膜污染趨勢（預(yù)測精度 gt;90% ），指導(dǎo)化學(xué)清洗周期從固定30d優(yōu)化為動態(tài)28＼～37d，減少膜絲斷裂風(fēng)險并延長使用壽命 。人工濕地的智能運維則依托地下水位傳感器與無人機光譜巡檢，實時監(jiān)測基質(zhì)堵塞程度和植物生理狀態(tài)，當(dāng)TN去除率低于閾值時自動啟動反沖洗程序，使冬季脫氮效率穩(wěn)定在 65% 以上。對于厭氧發(fā)酵罐，智能調(diào)控系統(tǒng)通過pH值、揮發(fā)性脂肪酸在線監(jiān)測，動態(tài)調(diào)整進料速率與攪拌頻率，將甲烷產(chǎn)率波動范圍從 125% 縮小至 1% 。某示范項目數(shù)據(jù)顯示，智能運維使沼氣日產(chǎn)量從 提升至 ，有效增加年收益[7]。此外，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)全流程虛擬仿真。在山東省某園區(qū)項目中，通過孿生模型優(yōu)化曝氣量（從 降至 和碳源投加比例，使1t水能耗降低$0.3＼mathrm{＼kWh}$ ，年節(jié)約電費12萬元。智能運維的規(guī)?；涞匦枰黄茢?shù)據(jù)安全壁壘和跨平臺協(xié)議兼容性，并培養(yǎng)“技術(shù) + 管理”復(fù)合型人才。根據(jù)研究結(jié)果，建議建立污水處理智能運維云平臺，整合5000個以上站點數(shù)據(jù)，形成工藝優(yōu)化知識庫與故障診斷專家系統(tǒng)。

4.3 政策協(xié)同

推動污水處理與碳交易市場深度銜接，可破解項目經(jīng)濟性瓶頸，并加速低碳技術(shù)推廣。根據(jù)IPCC排放因子法，1t沼氣替代液化氣可減排 當(dāng)量1.83kg ，若將厭氧發(fā)酵項目納入全國碳市場，單個 規(guī)模的廠站年增收1.2萬＼～1.5萬元，投資回收期可縮短[8]。根據(jù)此進一步設(shè)計“污水處理 + 生態(tài)補償”組合政策，對達(dá)到IV類水標(biāo)準(zhǔn)的再生水0 $＼mathrm{COD}{＼leqslant}30＼mathrm{mg/L}＼ $ ，按0.2元 獎勵生態(tài)補水配額；將人工濕地碳匯納入CCER，每年每 可增加收益500＼～800元?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，在財政扶持方面，建議對模塊化設(shè)備實施增值稅即征即退，對智能運維項目給予設(shè)備投資額 20% 的補貼；建議明確再生水回用率底線（如缺水城市 330% ，并將沼肥重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)納入有機肥認(rèn)證體系。在區(qū)域?qū)嵺`中，浙江省已試點“污水處理碳普惠”制度，農(nóng)戶使用沼氣的碳積分可兌換農(nóng)資商品，帶動沼氣人戶率提升。

5結(jié)論與討論

分散式污水處理技術(shù)通過“以用促治”的協(xié)同模式，將污染治理與資源循環(huán)利用有機整合，為生態(tài)環(huán)境改善與可持續(xù)發(fā)展提供了創(chuàng)新解決方案。研究表明，不同技術(shù)工藝在污染物去除與資源回收方面呈現(xiàn)互補特性。其中，膜生物反應(yīng)器憑借其高效分離與生物降解能力，在保障出水水質(zhì)安全性方面表現(xiàn)突出；人工濕地系統(tǒng)通過多介質(zhì)協(xié)同作用，在低碳氮比污水脫氮領(lǐng)域展現(xiàn)顯著潛力；而厭氧發(fā)酵技術(shù)則通過能源轉(zhuǎn)化與有機肥生產(chǎn)，構(gòu)建了物質(zhì)循環(huán)的閉環(huán)體系。技術(shù)組合的優(yōu)化可兼顧處理效能、運行穩(wěn)定性與經(jīng)濟可行性，為不同應(yīng)用場景提供靈活適配的解決方案。污水資源化利用路徑的設(shè)計需要緊密結(jié)合區(qū)域特征與終端需求，重點推進再生水的高效回用與有機廢棄物的能源轉(zhuǎn)化。研究提出通過智能感知與動態(tài)調(diào)控技術(shù)提升系統(tǒng)運維效率，通過模塊化設(shè)計進一步降低技術(shù)推廣的工程復(fù)雜度與資源消耗。未來研究需要著力突破低溫環(huán)境適應(yīng)性、材料耐久性及資源回收效率等關(guān)鍵技術(shù)難題，同時深化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化模型構(gòu)建，為技術(shù)推廣提供更堅實的理論支撐與實踐模板。

參考文獻：

[1侯杰文，丁建明.農(nóng)村污水治理中分散式污水處理設(shè)備運用[J].農(nóng)村科學(xué)實驗，2024（15）：64-66.

[2]陳泊明，何星陽，魏斌，等.基于透明度的分散式污水設(shè)備處理效果快速檢驗技術(shù)[J.中國給水排水，2024，40（15）：23-27.

[3]李凱英，李兆華.淺析我國農(nóng)村生活污水處理的技術(shù)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].皮革制作與環(huán)?？萍?，2024，5（7）：127-128，131.

[4]劉莉，王欣，薛方勤，等.戶用SBR一體化設(shè)備處理農(nóng)村分散式污水的應(yīng)用[J].綠色科技，2023，25（22）：91-96，101.

[5]周如成，葉港歸，孫東曉，等.某一體化分散式污水處理設(shè)備工藝分析[J].凈水技術(shù)，2023，42（S2） ：47-52.

[6]王勝，何淼，劉芳，等.分散生活污水處理一體化設(shè)備（MBR）電控設(shè)計與應(yīng)用[J.廣州化工，2023，51（9）：138-140，146.

[7]嚴(yán)晨.基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)的分散式污水處理設(shè)備自動化控制系統(tǒng)研究[J].科技風(fēng)，2023（12） ： 7-9.

[8]李媛，陳英，黃潔瓊，等.分散式生活污水處理設(shè)備在蘇南某農(nóng)村應(yīng)用研究[J」.中國給水排水，2023，39（5）：88-93.

（欄目編輯：翟媛媛 劉 敏 王亦梁）