分布式村鎮有機污染物綜合處置途徑與建設模式

李耀中，席北斗，張波，劉永紅

1.西安工程大學環境與化工學院 2.中國環境科學研究院 3.上海交通大學環境科學與工程學院 4.陜西新立本環保科技有限公司

由于多種原因，長期以來我國農村的環境污染治理技術研發和相關標準制定相對滯后，沒有像城鎮環境污染治理那樣在政策、資金和實施上得到有效的落實和保障[1]。我國村鎮環境污染物具有以下特點：1)收集困難。表現在人口居住地分散，管網建設成本高或不具備現實性[2]。2)季節性強。由于種植業、養殖業缺乏系統統籌，區域經濟發展差異帶來的村鎮人口周期性流動，使得村鎮生活污染的種類和總量呈季節性變化。3)便于資源化利用。農村生活污水、畜禽糞便、餐廚垃圾及作物秸稈等為易于生物降解的有機污染物，處理后的污水可就近作為湖塘景觀、農田灌溉水等被利用；部分有機固體廢物的降解產物可就近用作有機肥，有助于防止土壤的板結和機能退化。

根據國家發展和改革委員會、財政部、銀保監會等九部門聯合印發的《關于推進農村生活污水治理的指導意見》(中農發〔2019〕14號)，農村生活污水治理是農村人居環境整治的重要內容，是實施鄉村振興戰略的重要舉措，是全面建成小康社會的內在要求。2018年印發的中共中央國務院《關于實施鄉村振興戰略的意見》中明確指出，要實現廢物資源化，推進有機肥替代化肥、畜禽糞污處理、農作物秸稈綜合利用。《2020年新型城鎮化建設和城鄉融合發展重點任務》也提出，要推進以縣城為重要載體的新型城鎮化建設，抓緊補上新冠肺炎疫情發生后暴露出來的短板弱項，推進環境衛生設施提級擴能、市政公用設施提擋升級。2020年4月新修訂的《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》指出,固體廢物污染環境防治堅持減量化、資源化和無害化的原則，促進固體廢物的綜合利用，降低固體廢物的危害性。這些政策的頒布為當前和相當一段時間內提升鄉村人居環境，促進我國美麗鄉村建設指明了發展路徑。

發達國家經過多年的探索和實踐，已形成較完善的農村污染物治理體系。如德國農村分散污水治理具有以下特點：1)裝備化，可現場安裝或組合；2)標準化，頒布了相應的歐洲或德國的技術和安全標準；3)規范化，處理設備需經專門的認證機構按照標準嚴格檢測。對于農村垃圾，德國主要采用集中收運、統籌處理的方式進行城鄉一體化處理[3]。日本在20世紀90年代開發了適用于農村的凈化槽裝置，主要采用厭氧濾池與接觸曝氣池、生物濾池或移動床接觸濾池的組合工藝，具有集成度高、成本低、運行簡單的特點。在建設和管理上，日本村落以上的污水設施大多具有公營性質，總務省和農林水產省負責管理村落公營的污水處理工程；國家給予一定的財政支持，各級自治體負責籌集建設費用，用戶負擔基礎水價加階梯水價補貼運營和部分建設成本。日本強制采用的第三方服務方式也已形成了一個完善的技術服務體系，在保證設施的正常運行、改善水質、促進農村污水處理的市場化方面發揮了巨大的作用[4-5]。

在借鑒發達國家經驗的同時，需兼顧我國農村在城鎮化程度、基礎設施水平、人口密度、生活方式等方面的差異。國內常見農村污水處理工藝包括生物接觸氧化、膜生物反應器(MBR)、生物轉盤、人工濕地和序批式活性污泥法(SBR)等，由于缺乏高效的針對農村村落規模小水量污水專門開發的處理工藝，運行和處理效果常常不甚理想[6-13]。農村有機固體廢物處置目前較為推崇的厭氧發酵工藝，具有能耗低，產生的沼氣可作為能源利用，沼渣和沼液可作為肥料等優點[14-15]，但由于對工藝涉及的技術、裝備、安全的要求較高，在村鎮級規模應用的成功推廣受到一定限制。

針對黨中央和各級政府改善農村環境的目標需求，從我國農業村鎮的實際情況出發，結合近年來的技術探索和工程實踐，筆者提出了一個農業村鎮有機污染物收集、處理、轉化和利用的分布式村鎮有機污染物處理系統及建設模式，旨在更合理地將村鎮有機污染物進行無害化處理并就近資源化利用，以顯著改善我國村鎮的衛生狀況及生態環境。

1 分布式村鎮有機污染物處理方式

村鎮有機污染物處理項目規模有限，對技術與工藝設備、建設和運營維護的要求高，實施難度大。分布式村鎮有機污染物處理方式綜合考慮了我國農業村鎮有機污染物的收集、轉化和利用現狀，實現了污染物的就地處理處置與集中管理的結合和統一(圖1)。該系統由3個層級構成：1)村落分散式生活污水處理單元。采用標準化、模塊化結構，能實現無人值守和遠程監控。2)鄉鎮級區域綜合處理中心。主要滿足相鄰的若干鄉鎮有機固體廢物(污水處理廠剩余污泥、餐廚垃圾、畜禽糞便、作物秸稈等)處置及區域處理中心周邊生活污水的處理。3)縣城管理中心。滿足對該縣各區域處理中心和各村落污水處理單元的技術支持、運營監控管理、物資調配等。

圖1 分布式村鎮有機污染物處理系統Fig.1 Distributed system for the treatment of organic contaminants in rural towns and villages

1.1 村落分散式生活污水處理單元

村落生活污水處理具有水量小，水質波動大，污水中有機物和氮、磷等營養物濃度較高，可生化性好，間歇式排放的特點[16]，由此要求村落污水處理系統需要對水質、水量的變化適應性強，運行方式靈活多樣；可進行標準化、模塊化設計；安裝和建設方便；操作、維護和管理簡單；可實現自動運行、遠程監控、無人值守；可分散式處理，以減少污水管網建設上的投資。

村落生活污水處理單元一般由預處理模塊、生物處理模塊、深度處理模塊、控制管理模塊組成。其中，預處理模塊為改良多格調節池，起到緩解水質、水量沖擊及初沉淀的效果；深度處理模塊由多介質過濾器和消毒器組成；控制管理模塊主要完成對整個處理系統的配電和控制，包含提供輔助電源的1套光伏系統及1套視頻監控系統。作為處理單元核心的生物處理模塊采用的是豎流式柔性懸浮填料移動床生物膜反應器(SC-MBBR-V)，SC-MBBR-V反應器克服了傳統移動床生物膜反應器(MBBR)的剛性填料比表面積不高、填充比高，掛膜量少，填料易磨損，流化不充分的缺陷，采用高比表面積和孔隙率的PBGTM(Porous Bio-gel)柔性懸浮填料，掛膜快，流化效果好，載體微生物量高且種類多，可實現有機污染物的充分降解和高效脫氮。SC-MBBR-V反應器在投資、能耗以及污泥減量、有機物降解、脫氮等方面具有優勢，并可通過專用控制系統改變運行方式來實現單級AO與多級AO工藝間的轉換，從而滿足不同的水質排放標準。單套處理單元的設計水量一般為100 m3d，更大水量的處理可通過并聯核心單元實現，處理單元產生的剩余污泥定期運至鄰近的鄉鎮級區域中心集中處置。

村落污水處理單元采用標準化設計的模塊裝置，標準化的施工及調試，提高了處理單元的集成度，使建設更快捷，并易于檢修和維護；模塊裝置穩定耐用，能達到全生命周期的投資和運行成本雙低。

1.2 鄉鎮級區域綜合處理中心

區域綜合處理中心主要承擔人口相對密集的中心鄉鎮污水，便于管網收集的周邊村落生活污水以及從鄰近若干鄉鎮收集的有機固體廢物的集中處置和處理。區域綜合處理中心主要設有污水處理車間、餐廚垃圾預處理車間、秸稈粉碎車間、物料混合車間、好氧發酵車間、配方肥加工車間、產品庫等(圖2)，一般設置在從若干鄉鎮中選取的一個中心鄉鎮，以便于將物流、管理、技術平臺按區域優化集中。

圖2 區域綜合處理中心平面圖Fig.2 Layout diagram of comprehensive treatment center of regional contaminants

區域綜合處理中心的污水處理車間采用的是推流式柔性懸浮填料移動床生物膜反應器(SC-MBBR-P)，其適用于300～2 000 m3d的農村污水處理規模。該反應器同樣采用PBGTM柔性懸浮填料，并設有專用填料分離器，能有效解決MBBR工藝常見的堵塞問題；SC-MBBR-P工藝采用專用曝氣系統和推流設備，顯著優化了載體的流化效果，在減少生物處理系統剩余污泥的同時，提高了對有機物的處理效率和脫氮能力。此外，針對碳氮比偏低的污水，可利用收集至區域綜合處理中心的有機固體廢物中遴選的物質(如秸稈)作為固態碳源，應用于污水處理系統，實現強化反硝化，提高整個系統的脫氮效果。

區域綜合處理中心的污水處理車間產生的剩余污泥與來自周邊村落的分散式村落污水處理系統的剩余污泥均被收集至區域綜合處理中心的污泥濃縮池進行統一處置。在餐廚垃圾預處理車間對送達的餐廚垃圾進行分離、粉碎；在物料混合車間，將剩余污泥、畜禽糞便、分離后的餐廚垃圾與粉碎后的秸稈按一定配比高效混合，使混合物料滿足好氧發酵的工藝要求；在好氧發酵車間，采用專用菌種對混合物進行發酵。產品可以直接用于區域內作為土壤改良劑，也可再加工為有機復合配方肥料。各車間生產過程所產生的臭氣經收集后統一處理。

在區域綜合處理中心，通過對現代成熟的工程技術和村鎮管理水平的較好結合，可降低建設和運行成本，確保系統長期安全穩定運行，最終實現固液廢物協同處理，就近資源化利用和無害化處置。

1.3 縣域管理中心

縣域管理中心位于縣城，一般設置一個監控中心(兼調度中心)和一個運維中心(含管理區域的藥劑、耗材及備品備件庫)，主要承擔監控、調度、運維管理的功能。

縣域管理中心三級管理網絡系統(圖3)采用的是物聯網管理技術，其可實現對縣城內村鎮有機污染物分散處理、集中管理；對于村落污水處理單元，通過管理中心的遠程監控，同時結合巡檢機制，可確保系統正常運行，實現廠區無人值守，大大降低處理系統的建設和運維費用。

圖3 縣域管理中心三級管理網絡系統Fig.3 Diagram of three-level management network system of county menagement centre

2 村鎮有機污染物處理項目建設與運營維護模式探討

《全國農村環境綜合整治“十三五”規劃》指出：“要推進縣域農村環保設施統一規劃、建設和管理；以縣級行政區為單元，實行農村生活垃圾和污水處理統一規劃、統一建設、統一管理。”為此，總結以往農村環保項目投資、工程建設、管理和運行經驗，開展我國村鎮有機污染物治理的投資、運營及維護機制研究，提出適合村鎮有機污染物治理的建設及長效管理機制，就顯得尤為重要。分布式村鎮有機污染物治理模式可以作為實現小康社會、補齊生態短板、解決資金需求、推行創新管理的一個重要嘗試。

2.1 總體規劃

國務院印發的《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》中提出，要實行最嚴格的生態環境保護制度，形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構、生產方式和生活方式。《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》要求國務院有關部門、縣級以上地方人民政府及其有關部門在編制國土空間規劃和相關專項規劃時，要保障轉運、集中處置等設施用地。根據相關文件精神，村鎮有機污染物處理總體規劃的制定須符合當地實際，兼顧未來發展，適度超前，減少重復建設。結合村鎮經濟活動和生活方式的特點，開展以縣城為管理中心，統籌村落分散處理和中心鄉鎮集中處置及資源化的做法，可能是現代村鎮有機污染物治理的一種值得推薦的模式。

2.2 統籌建設

目前，多數鄉鎮仍沒有能力單獨建設和管理有機污染物治理設施；當前農村環境治理市場化機制也尚不成熟，社會資本參與度不高。如在廣東地區，目前污水收集和處理設施建設主要依靠政府，而運營維護費用的收取缺乏相應的法律政策依據[17]。所以，當務之急是培育出多種形式的農業村鎮環境治理市場主體，可采取城鄉統籌、整縣打包、一體化打包、分區域打包、多項目打包等多種形式，以及廠管一體和建運一體等多種方式，實現農村生活污水與有機固體廢物治理的專業化、規模化和社會化建設與運營，確保項目在投資和運營上實現盈利和永續。

建議采取多種方式拓寬環保資金的來源。如建立地方為主、中央補助的財政投入機制；充分發揮中央支持的農村節能減排“種子”資金的作用，引導地方各級財政加大投入力度；加強對涉農資金的整合力度，地方政府可統籌整合環保、城鄉建設、農業農村等方面的資金。同時，充分運用多種金融手段和鼓勵社會資本參與，探索可持續的資源化經濟模式[18]。金融手段方面，可運用股權融資、債權融資等方式，如地方政府可發行專項債券，按照市場化原則向符合支持范圍的農村環境治理企業項目提供融資貸款和融資擔保；通過政府購買服務、政府和社會資本合作(PPP)、建設—經營—移交(BOT)等形式吸引社會資本投入到環境保護的市場化運營，從而實現環境污染第三方治理[19]。此外，政府還可以采取優質資產置換的方式進行經營性補貼；還可通過建立資源環境產權交易機制來發展環保市場，積極推行節能量、碳排放權、排污權、水權交易制度。

技術和工藝上，鼓勵通過技術創新，開發和推廣更適用農業村鎮的污染物治理和資源化利用的新技術和裝備，保障治理的硬件條件；操作上，可結合美麗鄉村建設，先期進行項目試點，培育若干鄉鎮污染物綜合處理示范基地(如示范村、鎮、縣)，總結一批適合不同村莊規模、不同經濟條件、不同地理位置的典型模式，將驗證成功的技術、經驗和模式在全國適用地區逐漸規模化推廣。

2.3 統一管理

針對村鎮有機污染物處理設施的管理，首先需明確地方政府的責任部門，并建立有制度、有標準、有隊伍、有經費、有督查的運行管護機制；還需研究制定相關稅收、土地和電價等優惠政策，以及明確農村污染治理設施的產權歸屬和運行管護責任單位；通過引入競爭機制和建立以效付費制度，合理確定建設成本和運行維護價格。鼓勵在政府采購中優先選擇可被綜合利用的產品如有機固體廢物轉化生產的復合配方肥。對建成的污染治理項目，應積極推動采取第三方專業化運營模式，以發揮專業環境服務商的優勢，降低成本。此外，還可通過股權轉讓、資產交易、資產證券化等方式，豐富社會資本進入和退出渠道。

鼓勵將現代信息科技和智能化手段應用于治理設施的運營及管理。如可采用物聯網等技術手段對縣域污染治理設施和系統進行遠程監控、故障診斷，優化各設施和系統的運行；通過專門開發的管理系統和云平臺實現對水質、水量等運行數據的采集、統計、大數據計算和分析，從而最小化管理和現場人員的需要，實現基于智慧環保的統籌管理。

3 結論

分布式村鎮有機污染物綜合處理系統是根據我國農業村鎮不同地理位置、人口分布情況、處理規模和要求、社會經濟發展狀況，結合成熟、穩定和先進的污染物處理技術而提出的一個優化的就近處理處置、集中管理的技術途徑，可較好地解決當前農業村鎮污染物治理存在的管網建設難、污染物處理效果不佳或未得到處理、運營和維護管理難以有效落實等諸多難題。有效運用政府有關政策、法規以及金融創新工具等手段的分布式縣域有機污染物處理項目的打包投資和運營維護方式，將是未來村鎮有機污染物治理的一個主力模式。