分散式污水處理設備在農村污水資源化利用中的應用

0引言

當前，我國農村地區普遍面臨污水處理設施覆蓋率低、排放管控不足等突出問題，大量未經處理的污水直接排人周邊水體，引發一系列生態環境風險。傳統集中式污水處理模式受限于基礎設施投資大、地形適應能力弱等缺陷，難以滿足農村地區分散居住情況下的污水處理實際需求。與此同時，農業生產中水資源短缺與化肥過度使用并存的現象，為污水資源化利用提供了現實應用場景。將污水處理與農業灌溉、有機肥生產相結合，既可以緩解生態壓力，又能創造經濟價值。現有研究雖然在污水分散式處理方面取得了一定進展，但在系統集成度與資源轉化效率方面仍存在顯著短板。多數污水處理工藝存在能源消耗大、副產品利用率低等問題，制約了其推廣應用。本研究立足于“處理一回用一資源化”協同優化的技術理念，通過創新工藝組合與利用路徑設計，致力于破解污水處理終端與資源回收環節的技術問題，為構建低碳型農村水循環體系提供理論支持與實踐參考。

1研究區域概況

研究區域具有典型的丘陵地形特征，人口密度適中，村落布局分散。區域內地形起伏較小，地勢相對平緩，地表水系縱橫交錯。受限于農村污水處理設施覆蓋不足，該村生活污水主要通過自然溝渠或簡易化糞池進行排放。研究區域內的污水主要來源于農戶日常生活用水（如洗滌、沖廁）小型畜禽養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。根據前期采樣分析，研究區域內污水化學需氧量（COD）濃度范圍為 氨氮 濃度介于 ，總磷（TP）含量為 ，水質受降雨量和季節性農業活動影響顯著。研究區域屬亞熱帶季風氣候區，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技術方案

2.1技術對比設計

針對研究區域的污水特征與資源化利用需求，本研究選取膜生物反應器（MBR）、人工濕地和厭氧發酵罐三種分散式處理技術進行對比分析，見表1。MBR設備設計處理規模為 ，采用膜生物反應器與紫外線消毒聯用工藝，通過微生物降解與膜分離技術實現高效固液分離，出水水質達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》一級標準，資源化用途以景觀用水和蔬菜灌溉為主。人工濕地系統處理規模為 ，為潛流式結構，填充沸石、礫石等多孔基質，并種植香蒲、蘆葦等當地優勢水生植物，利用植物吸收、基質吸附及微生物代謝的協同作用去除污染物，處理后的再生水用于稻田灌溉與地下水回補2。厭氧發酵罐處理規模為 ，采用升流式厭氧污泥床（UASB）反應器與固液分離裝置結合工藝，通過厭氧消化將有機物轉化為沼氣，產生的沼氣經脫硫處理后供農戶炊事使用，沼渣沼液經腐熟處理制成有機肥，并滿足相關標準要求。

2.2 檢測指標

水質檢測涵蓋化學需氧量（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，采樣與檢測嚴格遵循《污水監測技術規范》（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。資源化產物檢測指標包括沼肥的氮、磷含量及重金屬殘留量，依據《有機肥料》（NY525—2021）標準，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指標中，重點檢測總大腸菌群和糞大腸菌群，參照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB/T18918—2002），采用濾膜法結合選擇性培養基進行定量分析。所有檢測數據均通過SPSS26.0進行統計學處理，采用t檢驗驗證組間差異顯著性，確保結果的科學性與可靠性。研究同步記錄設備能耗、維護成本等經濟性參數，為技術比選提供多維度依據[3]。

3結果分析

3.1污染物去除效能

本研究通過對比三種污水處理技術的污染物去除效能，揭示不同工藝對水質凈化的貢獻差異。MBR系統憑借其高效的膜分離與生物降解協同作用，對病原菌的滅活率超過 99.9% ，顯著優于傳統消毒工藝（如氯消毒的 ）。此外，MBR對COD和 -N的去除率分別達到 94.2% 和 91.6% 出水COD穩定在 低于 5mg/L 滿足景觀用水和蔬菜灌溉的水質要求。其優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注膜污染問題，通過周期性化學清洗（每月1次）可將跨膜壓差控制在 30kPa 以內。人工濕地在水力停留時間為 48h 時，TN去除率高達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% ，需通過增設保溫層或調整植物組合（如增加耐寒植物）以提升穩定性。厭氧發酵罐在有機物轉化方面表現突出，COD去除率為 ，且UASB反應器產生的沼氣甲烷含量為 ，但脫氮效果有限（TN去除率僅 20%～30% ），需后續耦合人工濕地或化學脫氮工藝。綜合來看，MBR適用于對出水微生物指標要求嚴格的場景，人工濕地在低碳氮比污水脫氮中更具優勢，而慶氧發酵罐則以能源回收為核心價值。污水處理技術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濟效益與生態效益在本研究中得到充分驗證。再生水用于大棚滴灌系統后，較傳統灌溉方式節水 35.7% ，且番茄產量提升12.4% ，果實中維生素C含量增加 8.2% 。這一結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 ）。長期監測顯示，再生水灌溉未引起土壤鹽漬化（電導率 $lt;0.8＼mathrm{mS/cm}＼$ ，但需要防范重金屬（如Cd、As累積風險。沼液替代 30% 化肥后，土壤有機質含量提高 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同效應。沼肥的施用使化肥成本降低 24% ，但需注意其氨揮發損失（約 ），可通過溝施覆土減少氮素損失。資源化利用路徑的優化需結合區域需求。再生水灌溉適用于設施農業密集區，沼液農用契合有機種植導向，而沼氣能源化在燃料成本高的偏遠村落效益更顯著。

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），發現三種技術的經濟性呈現顯著差異。MBR設備建設成本最高，主要源于進口膜組件和自動化控制系統，但其模塊化設計使運行成本降至0.52元/t，低于傳統活性污泥處理法。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。人工濕地建設成本僅5.2萬元，運行成本最低，但其占地面積為MBR設備的6＼～8倍，在土地資源緊張區域的適用性受限。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戶收益。厭氧發酵罐因沼氣收益實現最短回收期，且有機肥銷售可實現進一步增收，但其處理規模有限，原料不足時產氣率下降 。敏感性分析結果表明，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。綜合技術一經濟一環境指標，推薦小型村落采用“厭氧發酵 + 人工濕地\"組合工藝，中型社區優選MBR，而土地資源豐富區域可通過擴大人工濕地規模以實現低成本長效運維[5]。在政策層面，需要完善再生水定價機制和沼肥產品認證體系，以提升資源化利用市場接受度。

4技術優化建議

4.1 模塊化設計

模塊化設計是提升污水處理技術適應性與經濟性的關鍵路徑。針對MBR、人工濕地及厭氧發酵罐的運行痛點，開發可擴展處理單元能夠有效匹配不同區域的水質、水量和資源化利用需求。例如，MBR系統可通過模塊化膜組件（如單個膜箱處理能力 實現處理規模的線性擴展，當污水量從 增至 時，僅需要增加膜箱數量，無須重建生化池，建設成本可降低 23% ；進一步整合光伏供電模塊，如每 處理量配置 5kW 光伏板，可使系統能耗自給率提升至 40%～60% ，在光照資源充足地區（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為基質-植物單元的標準化預制，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 內完成 濕地的快速組裝，且通過增減并聯模塊可靈活調節水力停留時間0 ，使TN去除率波動范圍從 ±15% 收窄至15% 。對于厭氧發酵罐，模塊化設計聚焦于反應器容積與熱交換系統的匹配。例如， 罐體可拆分4個 獨立發酵單元，通過溫控系統（ ）分階段處理高/低濃度污水，產氣效率提升 18%～22% 。此外，模塊間的智能切換功能（如物聯網控制閥門）可實現故障單元隔離與備用單元啟用，將系統停機維護時間縮短 70% 。模塊化設計的推廣需配套標準化接口協議（如管道直徑、電壓等級）和區域性預制中心布局，以降低運輸與安裝成本。

4.2 智能運維

智能運維技術通過數據感知一分析一決策閉環，顯著提升污水處理系統的可靠性與資源化利用效率。在MBR系統中，安裝多參數IoT傳感器（跨膜壓差、污泥濃度、溶解氧），并結合機器學習算法（如LSTM神經網絡），可提前 72h 預測膜污染趨勢（預測精度 gt;90% ），指導化學清洗周期從固定30d優化為動態28＼～37d，減少膜絲斷裂風險并延長使用壽命 。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，實時監測基質堵塞程度和植物生理狀態，當TN去除率低于閾值時自動啟動反沖洗程序，使冬季脫氮效率穩定在 65% 以上。對于厭氧發酵罐，智能調控系統通過pH值、揮發性脂肪酸在線監測，動態調整進料速率與攪拌頻率，將甲烷產率波動范圍從 125% 縮小至 1% 。某示范項目數據顯示，智能運維使沼氣日產量從 提升至 ，有效增加年收益[7]。此外，數字孿生技術的應用可實現全流程虛擬仿真。在山東省某園區項目中，通過孿生模型優化曝氣量（從 降至 和碳源投加比例，使1t水能耗降低$0.3＼mathrm{＼kWh}$ ，年節約電費12萬元。智能運維的規模化落地需要突破數據安全壁壘和跨平臺協議兼容性，并培養“技術 + 管理”復合型人才。根據研究結果，建議建立污水處理智能運維云平臺，整合5000個以上站點數據，形成工藝優化知識庫與故障診斷專家系統。

4.3 政策協同

推動污水處理與碳交易市場深度銜接，可破解項目經濟性瓶頸，并加速低碳技術推廣。根據IPCC排放因子法，1t沼氣替代液化氣可減排 當量1.83kg ，若將厭氧發酵項目納入全國碳市場，單個 規模的廠站年增收1.2萬＼～1.5萬元，投資回收期可縮短[8]。根據此進一步設計“污水處理 + 生態補償”組合政策，對達到IV類水標準的再生水0 $＼mathrm{COD}{＼leqslant}30＼mathrm{mg/L}＼ $ ，按0.2元 獎勵生態補水配額；將人工濕地碳匯納入CCER，每年每 可增加收益500＼～800元。基于上述研究結果，在財政扶持方面，建議對模塊化設備實施增值稅即征即退，對智能運維項目給予設備投資額 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準納入有機肥認證體系。在區域實踐中，浙江省已試點“污水處理碳普惠”制度，農戶使用沼氣的碳積分可兌換農資商品，帶動沼氣人戶率提升。

5結論與討論

分散式污水處理技術通過“以用促治”的協同模式，將污染治理與資源循環利用有機整合，為生態環境改善與可持續發展提供了創新解決方案。研究表明，不同技術工藝在污染物去除與資源回收方面呈現互補特性。其中，膜生物反應器憑借其高效分離與生物降解能力，在保障出水水質安全性方面表現突出；人工濕地系統通過多介質協同作用，在低碳氮比污水脫氮領域展現顯著潛力；而厭氧發酵技術則通過能源轉化與有機肥生產，構建了物質循環的閉環體系。技術組合的優化可兼顧處理效能、運行穩定性與經濟可行性，為不同應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計需要緊密結合區域特征與終端需求，重點推進再生水的高效回用與有機廢棄物的能源轉化。研究提出通過智能感知與動態調控技術提升系統運維效率，通過模塊化設計進一步降低技術推廣的工程復雜度與資源消耗。未來研究需要著力突破低溫環境適應性、材料耐久性及資源回收效率等關鍵技術難題，同時深化多目標協同優化模型構建，為技術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.農村污水治理中分散式污水處理設備運用[J].農村科學實驗，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備處理效果快速檢驗技術[J.中國給水排水，2024，40（15）：23-27.

[3]李凱英，李兆華.淺析我國農村生活污水處理的技術特點及應用現狀[J].皮革制作與環保科技，2024，5（7）：127-128，131.

[4]劉莉，王欣，薛方勤，等.戶用SBR一體化設備處理農村分散式污水的應用[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備工藝分析[J].凈水技術，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備（MBR）電控設計與應用[J.廣州化工，2023，51（9）：138-140，146.

[7]嚴晨.基于PLC和物聯網的分散式污水處理設備自動化控制系統研究[J].科技風，2023（12） ： 7-9.

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

（欄目編輯：翟媛媛 劉 敏 王亦梁）