農村生活污水資源化利用技術模式及工程示范

李 瑜

(上海市水利管理事務中心,上海 200002)

農村生活污水具有有機污染物含量高的特點,與城市工業污水不同的是幾乎不涉及有毒有害物質的引入,因此,具有良好的資源化利用潛能[1-2]。污水資源化利用是指污水經過無害化處理達到特定水質標準后,作為再生水以代替常規水源,用于工業生產、市政雜用、生態補水和農業灌溉等,對促進水資源集約節約、節能降碳、推動我國經濟高質量發展具有重要意義。國家發改委等九部委在2021年1月頒發的《關于推進污水資源化利用的指導意見》中明確要求穩妥推進農業農村污水資源化利用,推廣種養結合、以用促治方式,促進解決水資源短缺、水環境污染、水生態損害問題。上海在深入推進農村生活污水治理過程中,充分考慮農村地區地理自然條件、環境消納能力等,把資源化利用作為重要的農污治理模式,力爭到2030年,農村生活污水資源化利用得到長足發展,使農村生活污水以自然綠色生態的方式得到治理,助力實現國家“雙碳”目標。

1 農村生活污水資源化利用背景

1.1 農村生活污水治理的主要問題

1.1.1 較高的出水標準要求導致建設運行成本較高

為保障農村小微水體的水環境,滿足現行農村生活污水處理出水水質排放標準,多地采用較高等級的生化、生物多級處理工藝。截至2022年年底,上海共有就地處理設施4 152座,其中以膜生物反應器(MBR)、厭氧-缺氧-好氧(AAO)以及接觸氧化為主體工藝的站點共計2 869座,占比約70%。這些工藝某種程度上為出水水質達標提供了保障,但建設成本較高,設施運行過程中電耗、藥耗、配件消耗以及人工成本均較高,給地方財政帶來不小的壓力[3]。

1.1.2 較高的運維要求導致出水水質不夠穩定

相對市政污水廠,農村生活污水具有分布分散、水量波動大及水質差異大等特點[4-5],對污水處理站的日常運行維護的技術要求較高。但農污設施運維市場還不完善,部分企業人員沒有運維養護污水處理設施的專業知識背景,不具有實時調整處理設施相關技術參數的技能。運營管理能力的不足易導致污水處理設施運行狀態不穩定,進而影響出水水質。

1.1.3 主流處理工藝和國家生態低碳要求尚有差距

目前農村生活污水采用的處理工藝,主要以滿足達標排放為終極目的,未能充分利用農村生活污水中的氮、磷資源,與國家相關部委要求的綠色低碳發展和資源化利用要求尚有差距。上海地區農村土地資源緊張、設施農業發達、農村生活污水資源化利用的需求迫切,但實施的技術路線和配套管理要求亟待完善。

1.2 上海市農村生活污水治理現狀

上海市農村污水治理工作自開展至今共經歷3個階段。第一階段(2007年—2010年)為試點摸索階段,此階段采用納管和就地處理兩種技術路線,以土壤滲濾等生態型就地處理工藝為主;第二階段(2011年—2016年)為全面鋪設階段,工藝選擇更為多元化,主要采用生物濾池、接觸氧化、AAO、MBR、人工濕地和土壤滲濾六大類工藝,在此期間建成的設施以生物型處理工藝與組合型處理工藝為主;第三階段(2017年至今)為高速發展階段,MBR與一體化AAO等出水水質易穩定達標、占地面積少的生態型工藝占就地處理工藝的50%以上[6]。

根據調查,截至2022年年底,上海市已完成84.32萬農戶的生活污水處理,處理率達94.7%,其中,約36.83萬戶以就地分散的方式進行處理。

目前,上海市農村生活污水率雖然總體較高,但各區的污水處理率仍具有一定差別,例如嘉定區和奉賢區的農村污水處理率仍然不足90%,較其他地區偏低,擁有廣闊的發展提升空間。此外,上海市農村地區生活污水仍然以納管集中處理的方式為主,分散式就地處理規模相對較小,而資源化利用只進行了試點探索。

1.3 農村生活污水資源化利用可行性分析

首先,我國提出了實現“碳達峰、碳中和”的時點目標,這是我國推進經濟高質量發展,全面建成社會主義現代化強國的重大決策。在國家“雙碳”目標背景下,農村生活污水資源化利用、就地消納的理念不斷加深,國家與地方推進并鼓勵農村生活污水資源化利用的政策陸續推出。2019年7月,中央農辦、農業農村部和生態環境部等9部門聯合印發《推進農村生活污水治理的指導意見》,其中強調農村生活污水治理的基本思路為“因地制宜、尊重習慣,應治盡治、利用為先,就地就近、生態循環,梯次推進、建管并重,發動農戶、效果長遠”,以污水減量化、分類就地處理、循環利用為導向。2022年6月,生態環境部等發布《減污降碳協同增效實施方案》,針對農村生活污水提出“以資源化、生態化和可持續化為導向,因地制宜推進農村生活污水集中或分散式治理及就近回用”的方略。因此,實現農村生活污水資源化是促進“雙碳”目標順利實現、推動我國經濟綠色協調發展的重要措施和必然要求。

其次,農村生活污水本身具有氮、磷含量高及有機質含量高的特點,如果將其直接排放至水體中,則會有引起水體富營養化,產生黑臭水體的風險,而若以適當的方式進行處理便可變為良好的田間灌溉水資源,其富含的氮、磷元素可成為作物生長的營養源。農村地區擁有豐富的土地資源,具備強大的氮、磷接納能力,并且農村生活污水水量小、排放分散,具備良好的可生化性。同時,有別于市政污水的是,農村生活污水中的重金屬等有毒有害物質含量極少,所以在安全性上考慮,農村生活污水也具有巨大的資源化利用潛能。若將治理目的由達標排放改為生態利用,既可大大緩解農村污水處理設施出水氮、磷難以穩定達標的問題,促進其長效運行,又可節約污水處理設施建設成本、運行成本,還可節約水資源和各類添加肥料等額外成本,同時還可減少由各類污水調理劑帶來的環境次生污染。

最后,雖然農村生活污水治理率不斷提高,但在處理模式確定、工藝技術選擇等方面存在不匹配、不夠生態綠色以及不太符合農村實際需求的現象,再加上運維養護專業性不強、資金量偏少,與實際運維成效之間還有差距。目前,據統計上海有46個行政村、4萬余農戶未實施農村生活污水治理,有1 600余座老舊低標設施需要更新改造,應優先采用還林、還田灌溉或尾水排入周邊濕地等資源化利用方式開展治理工作。對于正常運行的設施,可開展資源化利用可行性調查,綜合評估設施使用年限、運行能耗、維養成本和資源化利用改造投入的經濟效益和環境效益,為農污治理提供決策依據。綜上,上海仍具有很大的資源化利用潛能。

2 農村生活污水資源化利用基本原則

根據農村生活污水的水質特征、用水需求以及農村農業環境質量的要求,選擇最佳的資源化利用方式,應遵循以下基本原則。

2.1 因地制宜原則

根據當地水資源稟賦、水環境承載力、發展需求和經濟技術水平、農民生產生活習慣、污水資源化利用條件等因素分區分類開展污水資源化利用,實施差別化措施,合理確定農村生活污水資源化利用方案、污水處理工藝流程、建設與運行模式。

2.2 以用促治原則

對已有的農村生活污水處理設施進行更新改造,盡量有效利用農村生活污水中的潛在物能資源,通過原料回收、無害化處理后,可實現低功能使用或生物營養利用及水資源回補等資源化利用途徑,也可幾種利用模式進行組合。

2.3 經濟合理原則

考慮到農村地區的經濟條件有限,在農村生活污水資源化利用的過程中應遵守經濟效益最優化,不應產生負效益,選擇建設成本低、運行穩定、低碳節能和維護簡單的技術措施,鼓勵結合老舊低標設施提標增效改造工作開展,實現污水生態循環利用,保證其經濟合理性和可持續性。

2.4 生態安全原則

污水治理和資源化利用需要始終把握以人為本的思想,一切工作都需要以改善人民生活質量為出發點和落腳點,對農村生活污水的任何資源化利用方式都必須滿足區域生態環境目標的要求,不得出現水體、土壤和農產品等遭受污染及危害人體健康等現象。

3 農村生活污水資源化利用技術模式研究

全國已有多地開展了農村生活污水資源化利用試點建設,根據農村不同的地理自然條件、環境消納能力(包含水環境容量、土地消納能力),經過無害化處理,總結分析了多種資源化利用方式。根據分析,適合上海地區的3種主要處理模式包括:灌溉利用、生態消納和分散就地利用。根據各個試點的應用情況,3種利用模式具有不同的適用條件、技術要點,但污水資源化利用流程均涵蓋了預處理和輸送兩個環節。

3.1 利用技術模式

3.1.1 灌溉利用模式

農戶生活污水經收集系統收集至處理設施后,經無害化處理達到《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021),通過灌溉系統輸送至周邊一定范圍內的農田、林地、草地、花圃等進行灌溉。通過植物生長吸收尾水中氮、磷等成分,不僅促進植物的生長,還有效降低了污水處理設施的處理能耗。當存在每日產生的尾水無法完全消納時,可將多余的水接入達標處理站,達到排放標準后排入自然水體。

灌溉利用技術模式完整的流程如圖1所示。該類模式下預計實現20%～100%的污水資源化利用率,并降低農村生活污水治理能耗物耗10%～50%。

圖1 灌溉利用模式流程

綜合考慮農污資源化利用的經濟合理原則,其收集運輸成本不宜過高。經分析計算,目標灌溉區域與污水設施的距離應保持在300 m以內,距離過長則會導致能耗過高。根據計算,以6 mm/(m2·d)為林地常規灌溉量,3 mm/(m2·d)為草地、苗圃常規灌溉量。有自然降雨時,當日灌溉水量應視降雨量減半[>6 mm/(m2·d)]至停止[>10 mm/(m2·d)];冬季蒸騰作用較低,灌溉量應調整至1/4～1/2。當用于農田灌溉時,要充分考慮灌溉季節性,需建設一定的蓄水空間或接入周邊站點,避免非灌溉期對農田造成污染。

3.1.2 生態消納模式

生態消納技術模式主要是指充分利用已建或擬建處理站周邊坑塘、濕地,經過生態化提升改造,利用坑塘、濕地水環境中的微生物、水生植物、水生動物的共同作用,實現污染物的消解和去除,進而達到深度處理的目的。根據處理站的排水量,以及坑塘的池容、季節、水體大小、水質狀況等邊界條件,可適當布置浮島、人工水草、納米曝氣等無動力或微動力輔助強化處理設施。經生態消納處理的污水進入外部河道等自然水體時,要達到相應排放標準。生態消納技術模式的應用優勢在于能夠充分利用污水處理站點周邊的生態資源,充分發揮農村地區的生態優勢和土地優勢,是立足于農村生活污水資源化利用和消納實際情況的低碳利用方式。

生態消納技術要充分勘查和調研周邊的土地環境、政策約束、鄉風民俗、土地性質、季節影響和地質水文等情況,要因地制宜、一站一策,根據水環境容量的計算結果,適當調整處理站出水的水質控制范圍,最大限度提升節能、減排、降碳的效果。生態消納技術模式流程如圖2所示。

圖2 生態消納技術模式流程

根據實際情況可將生態消納技術模式分為以下兩類。

第一類,當站點周邊用地不足、可利用土地資源較少時,需要建造占地面積小的適度強化人工濕地來滿足生態消納技術的要求。針對農村污水站點可采用“復合型人工濕地+生態強化”技術。傳統人工濕地主要分為表流式人工濕地、垂直流人工濕地和水平潛流人工濕地3種,而復合型人工濕地則是將以上多種工藝的有機組合[7]。例如垂直流人工濕地表面栽種改良型挺水植物,表面漫流人工濕地搭配掛膜型生態浮島,通過生物載體和微動力增氧,實現微生物的去除能力強化,再結合水生植物的共同作用,實現生物與植物的有機結合。

第二類,當站點附近存在面積合適的可利用坑塘、濕地等用地時,可按照標準生態凈化坑塘的消納能力設置。根據計算,1 m3排水需配置30 m2,其有效水深為0.5 m,水力停留時間為15 d。以處理站處理量為20 m3/d為例,需要坑塘水面面積為600 m2。自然化的生態坑塘采用水生動植物來自然降解去除污染物,建設成本和運行成本低廉,但是常存在占地面積大、站點周邊尋找有難度的問題。

坑塘或濕地在消納污水站出水的同時,不僅進一步改善水質,還有效降低污水處理站的處理負荷與運行能耗,延長原站點的使用壽命。但為保證生態消納系統的長期穩定與良好的污水凈化效果,其入水(即處理站點出水)需達到《上海市農村生活污水處理工程出水水質暫行規定》二級標準,出水需達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》一級A標準(DB 31/T 1163—2019),主要的水質指標限值如表1所示。

表1 生態消納系統進水、出水水質指標限值

3.1.3 分散就地利用模式

當農戶居住分散、距離就地處理站或市政管網較遠,可以利用農戶周邊的“四小園”——菜園、果園、花園與公園進行回收利用。收集農戶化糞池中的上清液,通過聚氯乙烯(PVC)穿孔管或陶土管自流至滲濾溝,經布水系統,分配到園地的每條滲濾溝中;再通過礫石層的重新分布,污水中的營養成分被土壤中的微生物及根系吸收利用(圖3)。據計算,毛細管滲濾溝系統收集處理3～10戶的農戶生活污水,日處理污水量為1 m3以內,日處理負荷為0.03～0.04 m3/m2,處理裝置的噸水建設成本小于2 000元。該處理系統裝置置于地下,沒有改變地表土壤原有功能,適用于居住分散的單戶或多戶,具有運行維護成本較低的特點。

圖3 就地回用技術模式流程

分散就地利用模式工藝簡單、生態環保且建設運行成本低,適合處理農村生活污水戶數少、水量小、分布分散且不具備集中收集處理條件的農戶。該模式要充分結合當地農戶的實際情況選擇,待水質達到相應標準之后進行灌溉利用。

3.2 資源化利用流程分析

3.2.1 預處理環節

3種資源化利用模式無法直接利用直排的污水,對于灌溉利用和分散就地利用模式,一般情況下黑水先進入化糞池,與灰水在調節池進行混合。表2對調節池的水質進行分析,并與《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021)進行對比分析,生活污水中的懸浮物、BOD5和CODCr以及糞大腸菌群數存在超標風險,因此,需要先對其進行穩定及無害化處理,再用于灌溉。其中,污水中的固體懸浮物可通過格柵攔截、沉淀池和沉渣池的物理沉降等方式進行有效去除,而糞大腸菌群可通過紫外燈照射的方式進行滅殺。

表2 《農田灌溉水質標準》限值與農污處理站調節池水質均值對比

對于生態消納利用模式,農村生活污水進入就地處理站點進行處理后,再排入坑塘或濕地。污水處理過程,相當于完成了污水的預處理工作。

3.2.2 輸送環節

對于灌溉利用模式,宜采用管道灌溉、滴灌、微灌等灌溉方式,不宜漫灌、噴灌等方式,嚴禁直排。根據天氣、季節等情況調整灌溉用水量,避免林地、草地出現積水、板結等現象,多余尾水應經處理達標后排放。對于分散就地利用,除了對化糞池和排水管道進行改造,也要對“四小園”進行適度改造,增設毛細管滲濾系統以及滲濾坑等,提高土地滲水性以及凈化能力。生態消納模式必須建立站點至外部水體的排放通道,當末端消納水體水環境質量變差、出水不能達標排放時,站點出水須處理至達標水質,不得經末端消納水體排放。

3.3 示范案例

3.3.1 灌溉利用示范案例

金山區亭林鎮農村生活污水提標增效過程中,結合各污水處理設施的實際情況,選擇附近有林地、具備較好資源化利用條件的3座農村生活污水處理站進行試點,基本情況如表3所示。

表3 亭林鎮改造設施基本信息

該站點的主要資源化利用措施為:生活污水在經沉渣池、沉淀池,粗、細過濾格柵及紫外燈消毒系統處理后,在各項水質指標符合《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021)后,由加壓設備輸送至附近的林地內,通過微灌設施進行灌溉,污水資源化利用率約為55%。

該站點污水未完全利用,原有設施均為組合式生物濾池工藝,一定時間內污水處理量不足,也會導致濾料表面的生物菌群死亡,后續效果會偏差。因此,合理調整運行方式,污水需要定期經過生物濾池處理,以保證生物菌群活性。

3.3.2 生態消納示范案例

金山區水庫村1、2號MBR處理站作為生態消納技術模式的示范案例。以上兩座站點位于金山區漕涇鎮水庫村,建設于2017年,總處理能力為300 m3/d。兩座處理站出水匯集后進入深度凈化池,深度凈化池采用強化耦合生物膜(EHBR)和鐵碳微電解填料對總氮、氨氮、CODCr進行提標凈化,深度凈化池出水進入表流濕地(約2 000 m2),通過構造水底地形,結合多品種挺水、沉水植物的搭配種植和水生動物的投放,構建生態位豐富的生態系統。土壤和植物根系上附著的微生物對水中的污染物有良好的吸附、降解作用。在去除水體污染物的同時,使排放水更接近于自然水體。相對于潛流濕地而言,表流濕地不存在填料堵塞需要更換等維護問題,同時還有利于營造良好的親水景觀。經深度凈化池和人工濕地深度處理后出水水質由站點排放的一級A提升至Ⅲ類或Ⅳ類水,部分指標可以穩定達到Ⅲ類標準,資源化利用率為100%。

兩站點生態消納利用,不僅對出水進行了深化處理,還有效補充了周邊環境水量。生活污水經處理后,出水可達到現行地標,并未減輕前端處理的能耗和費用,生態效益遠大于經濟效益。對于兩個站點可進行運行模式調整,并開展長期觀測,在保證不影響自然水體水質的前提下,探索消納與處理、適度處理和高標準處理以及生物處理和生態處理等協同處理方式。

3.3.3 分散就地利用示范案例

江蘇蘇南、浙江湖州、福建漳州等地,對于特別分散的農戶,采用就地回用處理模式(圖4)。廁所糞污經三格式化糞池處理后,與廚房污水、洗滌污水等其他生活污水進行混合,然后進入人工濕地或生物凈化器處理,最后達標排放或澆灌利用。利用地形優勢,將人工濕地建在低洼處,化糞池出水,管道溢流入毛細管滲濾溝。村民根據自身需求,在滲濾溝上面種植小花園、小果園或者小菜園,系統無電力損耗,基本不需要養護,尾水資源化利用率幾乎達到100%。

圖4 毛細管滲濾溝土壤凈化系統

該案例將化糞池污水和廚房污水、洗滌污水進行混合,如進行灌溉利用,要合理調整灌溉水量和頻次,盡力降低對土壤、地下水和農作物的影響。建議后期利用時,有條件的地區可開展黑、灰分離處理,黑水用于灌溉、灰水用于庭院綠化或清掃等。

綜上,對3種資源化利用模式的6個參數進行比較,如表4所示。

表4 農村生活污水資源化利用模式

在實際應用中,應根據處理站點周邊條件,采用多種資源化技術模式優化組合的方式確定該站點的污水治理資源化利用具體方案。在最大化利用污水氮、磷資源的同時,最大程度降低污水治理過程中的能耗和物耗,實現低碳節能治理的目標。

3.4 上海地區應用前景分析

目前,上海農村生活污水處理率約為95%,位居全國前列。國家生態環境部2023年11月審議通過《關于進一步推進農村生活污水治理的指導意見》,提出了農村生活污水治理要遵循“應管盡管、應治盡治、應用盡用”的原則。上海農村生活污水資源化利用主要有以下3個方向。

針對尚未完成治理的農戶,一般為規劃不保留或居住分散農戶,建議結合房前屋后的自留地或小菜園、小果園或小花園,采用分散就地利用方式。

針對納入提標增效計劃的區域,原有站點處理標準偏低,氮、磷等指標未達到現行的出水水質地方標準,處理規模不大,如周邊有農田和林地等,可對原有設施設備進行適度改造,然后因地制宜優先選擇灌溉利用方式,以達到地方標準的要求。

針對目前正常運行且符合地方出水水質標準的設施,要對其開展全面評估,對位于非環境敏感區且周邊的自然、區位條件符合資源化利用條件的,在后續更新改造時,可根據三類資源化利用模式的適用范圍,科學選擇治理模式,促使農村生活污水治理更加低碳綠色生態,達到降本增效的目的。

4 結論

(1)農村生活污水資源化利用是通過低成本的處理方式對生活污水進行有效處理的同時,將其轉化為可供農業利用的寶貴資源,在一定程度上減少了農業中水資源及氮、磷的投入成本,體現了低碳背景下水污染治理中“節能減排”和“以用促治”的思想,可帶來巨大的生態環境、經濟和社會效益。

(2)農村生活污水資源化利用要從可行性出發,結合農村情況、排水特點、利用需求以及建設管理成本等,考慮采用污水分散利用還是尾水集中利用,并合理選擇還田、還林灌溉利用還是生態消納等。

(3)農村生活污水水質監測結果顯示,出水水質不達標的指標多為總氮、總磷和氨氮等,不能長期達標的工藝多為生物濾池為主的工藝,還有早期建設的MBR工藝。提標增效中可結合前端不能穩定達到現行地標的設施,結合周邊環境特點,均可考慮資源化利用模式。

(4)上海農村生活污水資源化利用開展了試點,積累了一定經驗,但市級層面缺乏統一的指導,需要抓緊編制農村生活污水資源化利用指導意見,形成部門合力,會同生態環境、農業農村、綠化市容等部門協同推進。同時,要抓緊研究相關導則和標準,具體指導資源化利用的規劃設計、建設施工以及設施管護等工作。

(5)要建立資源化利用后評估機制,重點評估村莊及周邊環境質量、資源化利用設施維護、村民滿意度等內容。區級主管部門每年開展一次資源化利用成效評估并報市級主管部門,市級主管部門對評估結果進行抽查復核,并將復核結果納入各區年度河長制考核,確保資源化利用取得實效。