农村生活污水中处理太阳能一体化的应用
各类化工产品的生产使用给环境带来了较大的影响，环境问题逐渐得到全球广泛关注。水资源是全球最重要的资源之一，我国作为全球13个人均水资源最贫乏的国家之一，保护水资源、改善水环境刻不容缓。根据住建部《2020城乡建设统计年鉴》数据，截至2020年我国城市污水处理率为97.53%、县城处理率为95.05%，而截至2021年我国农村地区生活污水处理率仅为28%，农村和城镇地区污水处理率之所以相差悬殊，主要是由于城乡发展不均衡、农村地区污水处理起步较晚、农村居民居住分散，建设收集管网成本较高，且后续运维管理体系不完善等原因造成。为了改善这一情况，推动社会主义新农村和美丽乡村建设，打好农业农村污染治理攻坚战，党和国家制定了一系列政策及方案，推动农村生态文明建设。《农村人居环境整治提升五年行动方案(2021~2025年)》确定了“十四五”期间农村环境整治的目标，农村人居环境整治提升工作将迈入新的征程。为了改善目前农村生活污水处理难题，本文以广东某农村地区产生的生活污水为研究对象，探究利用太阳能供能的不同一体化设备在农村生活污水中的实际处理效果及运营成本，分析适用于农村生活污水处理的技术。
1、农村生活污水特点及处理工艺
1.1 农村生活污水来源及特点
农村生活污水主要来源可以分为黑水(包括粪尿及厕所冲洗水)和灰水(洗衣、沐浴和厨房产生的水)两类，黑水主要含有NH3-N、TN、TP、SS、COD、BOD5，灰水中还含有LAS、动植物油等，基本都不含重金属元素及有毒有害物质。
我国幅员辽阔，不同农村地区的水资源量与农户生活条件、生活方式、用水习惯不同，因此污水排放量与排放规律等特点上也有很大差异，且污水日变化系数较高。由于农村居民居住分散，导致管网收集困难，统一收集处理管网成本高，并且农村居民运行管理能力相对较低，无法承担高的运行费用，但污水可生化性较好，宜采用小型一体化设备处理。
1.2 农村生活污水处理工艺
农村生活污水的分散处理技术，主要包括生态处理及生物处理两类。其中土地渗滤系统、稳定塘、人工湿地等都属于生态处理系统。通常来说，生态技术在处理生活污水时，需要较低的水力负荷和有机负荷、较长的水力停留时间和较大的场地，且存在对N、P污染物去除效果不高的问题。生物处理法包括A/O、A2/O等活性污泥法，还有例如膜生物反应器(MBR)和生物膜污水处理工艺，包括生物滤池、生物转盘、接触氧化等。与生态处理法相比，生物处理法占地面积小、对污染物处理效率高、处理后出水水质稳定、耐候性强，但基础设施投资和运行成本均高于生态处理系统。
污水处理一体化设备是将污水处理过程中的各工艺集成为一体，与常规污水处理设施相比，一体化设备前期投资成本和运营成本低、后续运行和操作都更简便；设备高度集成所需用地面积更小，且可以进行地埋；处理效果稳定且便于检修拆卸，十分适用于农村分散式污水处理。
1.3 太阳能在农村生活污水中的应用
在能源日益紧缺的当代，污水处理的高能耗已引起人们的关注，低能耗污水处理工艺的开发一直是研究热点之一。在生物法处理污水时，有机物好氧生物降解量与需氧量之间存在一定的比例关系，生物反应器内活性污泥悬浮也是通过鼓风或设备扰动。虽然改进曝气装置和污水处理设备可以提高对氧气的利用率，但对设备能耗的减少作用有限，并不能从根本上减少电能的消耗。近年来，国内外均在开发新能源，太阳能是公认最具有前途的新能源之一，利用其作为污水处理系统的驱动能源，可以有效减少对常规电能的需求。
2、材料与方法
2.1 污水水质与水量
本研究以广东某地区不同村作为研究对象，村内暂未建设污水收集管网和污水处理设施。村内污水乱排、加上雨水的未及时排出，导致路面坑洼积水严重，道路堆积淤泥严重。村民未经处理的生活污水排放至附近的河流、灌溉渠等，造成严重的污染。目前，该地区村民的环境保护意识也逐渐形成，对生活环境质量提高意愿强烈，作为农村环境治理有一定的基础。设计治理范围内村庄的污水来源主要以生活污水为主，无工业废水，属于典型的生活污水，主要污染物为COD、BOD5、氨氮及TP等。乡镇农村技术经济发展水平相对落后，污水处理设施应采用成熟可靠、经济适用的工艺技术，不仅可以降低工程投资，还有利于污水处理设施的运行管理以及减少污水处理设施的常年运行费用，保证处理设施出水水质。本研究采用MBR与人工湿地(CWS)一体化设备对该区域农村生活污水进行处理，表1为研究范围内村庄的污水处理设计情况统计。
2.2 工艺流程
2.2.1 MBR一体化设备
MBR一体化设备为钢结构主体，内外衬三布五油玻璃钢防腐加工而成，具体尺寸为D×L×H=2.0m×4.0m×2.7m，MBR一体化设备基于AO工艺和膜分离技术结合而成，具有同步硝化反硝化和同步脱氮除磷功能。图1和表2分别为MBR一体化设备处理流程和主要技术参数，污水排入污水处理系统，先经过格栅去除较大的漂浮物和悬浮物，防止阻塞机电设备；污水经格栅后进入调节池，对水质水量进行调节后进入MBR一体化设备，MBR膜设置于好氧池中，MBR膜池中的膜为中空纤维膜好氧池底部采用微孔曝气器充氧。污水通过提升泵进入缺氧池中，随后进入好氧池及MBR膜池，MBR出水流入景观池后外排至收纳水体，设计出水水质为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。
MBR一体化设备采用太阳能供电系统，太阳能发电量为3.0kW，结合组件板型尺寸选取型号SYK200-36M，功率为300W，尺寸为1580*808mm的太阳能组件，安装方式为2排，每排5片。由于污水处理设施断电后会造成未经处理的污水直接进水水体造成污染，故供电模式采用离网光伏系统-市电互补，本系统太阳能充电与为负载供电同步进行，减少太阳能为蓄电池充电再由蓄电池为负载供电时产生的二次电能损耗；同时市政供电作为备用电源，防止雨季或夜间蓄电池耗尽电力时造成设备断电，图2为MBR一体化设备光伏供电系统示意图。
2.2.2 人工湿地(CWS)一体化设备
CWS一体化设备为不锈钢结构主体，具体尺寸为B×L×H=2.5m×4.0m×1.4m，CWS一体化设备基于缺氧-厌氧-缺氧-好氧的原理，内部填充填料由下至上分别形成缺氧1、厌氧、缺氧2和好氧环境，高度比为1∶2∶1∶3。通过使用垂直潜流人工湿地技术，采用下进上出的水流方式，在底部设置布水管，在一定程度上保持下层基质的溶解氧，同时在中部增加曝气系统，利用鼓风机供气和单孔膜曝气器曝气，保持中上层基质的溶解氧浓度，有效去除污水中的有机物、氮磷等污染物质。图3和表3分别为CWS一体化设备处理流程和主要技术参数，污水排入污水处理系统，先经过格栅去除较大的漂浮物和悬浮物，防止阻塞机电设备；污水经格栅后进入调节池，对水质水量进行调节后进入CWS一体化设备，CWS出水流入景观池后外排至收纳水体，设计出水水质为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
CWS一体化设备采用太阳能供电系统，太阳能发电量为1.8kW，结合组件板型尺寸选取型号SYK200-36M，功率为300W，尺寸为1580*808mm的太阳能组件，安装方式为2排，每排3片。由于污水处理设施断电后会造成未经处理的污水直接进水水体造成污染，故供电模式采用离网光伏系统-市电互补，CWS中的机电设备选用直流电机，太阳能发电的直流电可以直接为设备供电，使电路设计更简单，更高效，本系统太阳能充电与为负载供电同步进行，减少太阳能为蓄电池充电再由蓄电池为负载供电时产生的二次电能损耗；同时市政供电作为备用电源，防止雨季或夜间蓄电池耗尽电力时造成设备断电，图4为CWS一体化设备光伏供电系统示意图。
2.3 研究方法
本研究在广东某地区A村和B村中进行，进水为当地农村生活用水，MBR及CWS一体化设备运行时间为20h/d，设计进水流量为0.27L/s。MBR一体化设备中污泥接种某城镇污水处理厂二沉池污泥，在驯化期间，定时观察设备内微生物状态和菌胶团长势，当出水中COD去除率稳定在70%，视为驯化完成；CWS中水生植物选取美人蕉及菖蒲平均种植，栽种4周后，出水中COD去除率稳定在60%以上。本研究在MBR和CWS一体化设备稳定运行30d后开展。
3、运行效果
3.1 MBR处理效果
在MBR一体化设备稳定运行一段时间后，对MBR进出水连续进行了约40d的监测，研究MBR一体化设备对农村污水处理的效果及稳定性。图5为农村生活污水经过MBR一体化设备处理后各污染物去除效果，有图可知，经过MBR处理后出水COD、BOD5、氨氮及TP等指标均可以稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，其中MBR对COD、BOD5、氨氮及TP的平均去除率分别为85.34%、93.62%、90.10%和89.70%。
3.2 CWS处理效果
在CWS一体化设备稳定运行一段时间后，对CWS进出水连续进行了约40d的监测，研究CWS一体化设备对农村污水处理的效果及稳定性。图6为农村生活污水经过CWS一体化设备处理后各污染物去除效果，有图可知，经过CWS处理后出水COD、BOD5、氨氮及TP等指标均可以稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准，其中CWS对COD、BOD5、氨氮及TP的平均去除率分别为72.21%、89.74%、66.70%及76.13%。
3.3 太阳能发电效果
对不同气象条件下太阳能系统发电功率进行研究发现(见表4)，气象条件对太阳能发电功率的影响较大，主要是太阳强度的变化对输入电压和太阳能能板充电电流产生影响，在晴天时太阳能发电较稳定，且发电功率维持在较高水平，损失较小；在多云环境中，太阳能发电功率有一定的波动，且有较大损失，在阴天和有雨时，太阳能发电量有限，由此可以说明太阳能发电与天气状况密切相关。
3.4 效益分析
本研究利用MBR和CWS一体化设备对农村污水进行处理，设备使用太阳能发电系统供能，MBR和CWS一体化设备设计每日最大用电量分别为23.6kW・h和12kW・h，实际运行时，提升泵与鼓风机运行时间与耗电量均低于设计值，且用市电时间多为凌晨用电谷时，电价较低。MBR设备使用太阳能发电实际处理时吨水耗电晴天电约在0.1~0.2kW・h/t，多云约为0.2~0.3kW・h/t，阴雨天约为0.3~0.6kW・h/t；CWS设备使用太阳能发电实际处理时吨水耗电晴天电约在0~0.05kW・h/t，多云约为0.05~0.1kW・h/t，阴雨天约为0.1~0.3kW・h/t。以雨季为例，MBR月吨水耗电平均为0.4kW・h/t，整体吨水耗电成本为0.27元/t；CWS月吨水耗电平均为0.2kW・h/t，整体吨水耗电成本为0.13元/t，远低于单纯依赖市电供能的污水处理设施。
传统污水处理设施的正常运行依赖人员对其定期进行巡检、维护，一般污水运营费用在2~5元/t，对于经济基础较薄弱、且缺少相关技术人员的农村地区来说，难以承受较为高昂的运营费用。一体化污水处理设备可自动化运行，通过将污水处理数据传输到运维平台，每位技术人员可负责15~20台设备的日常监控与维护，大量减少人力成本投入，MBR吨水运营费用约0.5~0.8元，CWS吨水运营费用约0.2~0.4元。
利用一体化污水处理设备处理农村生活污水带来良好的环境效益，按照处理规模计算，MBR每年可削减COD、BOD5、氨氮和TP分别为1.06t、0.82t、0.19t和0.02t；CWS每年可削减COD、BOD5、氨氮和TP分别为0.84t、0.73t、0.09t和0.01t。有效改善当地环境条件，提高农村居民生活质量。图7为MBR和CWS一体化设备实际应用情况。
4、结论
本研究分别利用MBR和CWS对农村生活污水进行处理，通过对设备进出水水质的检测分析，对比不同设备对污水的处理效果。研究表明，MBR出水各指标能够稳定达到一级A标准，相较于MBR设备，CWS对污水中氮磷污染物去除效果较弱，但CWS所需运行费用及建设成本较低，适用于经济发展水平和出水排放要求相对不高的农村地区。
广东地区太阳能资源较丰富，本研究发挥农村地区土地优势，利用太阳能为污水处理设备供电，一方面可有效节省设备运行电耗费用，另一方面也可以在一定程度减少煤炭开采的生态破坏和燃煤发电的水资源消耗和对环境造成的污染，响应“美丽乡村”建设的号召。（来源：广东粤康环保股份有限公司）