關中農村生活污水減污降碳協同治理技術研究

摘"要：協同推進農村生活污水減污降碳是當前農村水環境整治的關鍵。在分析陜西關中地區農村污水排放特征的基礎上，結合關中渭北旱塬、中部平原、秦嶺北麓淺山區農村空間布局、經濟發展和生態環境實際狀況，分別提出了適宜的污水綠色低碳收集、處理與利用技術，以期為關中整縣推進農村污水治理，建設美麗鄉村提供參考和技術支撐。

關鍵詞：減污降碳；農村生活污水；美麗鄉村；關中地區

中圖分類號：X799.3""文獻標識碼：A""文章編號：0488-5368（2025）03-0082-05

Cooperative Treatment Technology of Pollution and Carbon Reduction of """""""""""""""""""""""""""""""""""""Rural Domestic Sewage in Guanzhong Region

ZHU Haibo1，MEI Fanmin2，JING Zhenjing3

（1.Yangling Vocational and Technical College， Yangling，Shaanxi "712100， China；2. Xi’an Polytechnic University，

Xi’an 710048， China; 3. Shaanxi Binuo Environmental Protection Technology Co.， Ltd， Yangling，Shaanxi "712100， China）

Abstract： The coordinated reduction of pollution and carbon emissions in rural domestic sewage is a key aspect of improving the rural water environment. This study examines the characteristics of rural sewage discharge in the Guanzhong region of Shaanxi. Based on the spatial distribution， economic conditions， and ecological environment of different rural areas—including the Weibei dryland plateau， the central plain， and the shallow mountain areas at the northern foot of the Qinling Mountains—this study suggests green and low-carbon methods for sewage collection， treatment， and reuse. These methods aim to support large-scale rural sewage treatment and help build a cleaner and more beautiful countryside in the Guanzhong region.

Key words：Pollution and carbon reduction; Rural domestic sewage; Beautiful countryside; """"""""""""Guanzhong region

2024年1月，《中共中央國務院關于全面推進美麗中國建設的意見》[1]指出，要扎實推進農村廁所革命，有效治理農村生活污水、垃圾和黑臭水體，建設美麗鄉村。陜西關中地區的行政村數量占到全省的42.3%，人口占到全省農村人口的58.4%[2]。近年來，隨著關中人居環境整治和鄉村生態振興工作的扎實開展，污水治理率達到32%，農村水環境質量持續改善[3]。2022年5月，《陜西省農業農村污染治理攻堅戰實施方案（2021-2025年）的通知》[3]指出，到2025年全省農村生活污水治理率達到40%，富平、三原、涇陽等10縣實施農村生活污水治理“整縣推進”試點，行政村污水治理率達到90%。污水處理過程能耗高、碳排放量大，總用電量占全社會用電量的0.36%，碳排放量占全社會碳排放量的2%，是十大碳排放行業之一[4]。污水處理行業已被列為減排和實現“碳中和”的優先行業。據測算，鄉村污水處理系統的碳排放將會成為污水處理系統碳排放的增長極[5]。在碳達峰、碳中和、美麗鄉村建設的雙重背景下，協同推進農村污水減污降碳迫在眉睫[6]。基于此，在分析污水排放特征的基礎上，提出了關中農村生活污水源頭資源化分離、減污降碳協同處理技術，以期為關中縣市全面推進農村污水綠色低碳治理，建設美麗鄉村提供技術支撐。

1關中農村污水排放特征

1.1關中地區概況

關中地區位于陜西省中部，包括西安市、寶雞市、咸陽市、銅川市和渭南市，面積約5.56×104 km2，地理位置如圖1所示。關中北側是渭北山系，地貌以黃土丘陵和沖擊平原為主；南側緊接秦巴山脈，地貌以沿山丘陵為主；中部是平原，地勢平坦開闊。關中地區地處黃河流域下游，渭河水系及其支流橫貫東西，屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候， 年平均溫度9～13℃，年均降雨量500～800 mm，多集中在7～9月。

1.2農村污水排放特征

農村生活污水主要來源于做飯、洗漱、洗衣、沖澡和沖廁。據調查，關中村民家中95％以上有洗滌盆、洗衣機，90％以上有洗浴間，50％以上有室內衛生間，無害化廁所覆蓋率達到80％以上。做飯、洗漱、洗衣過程排放的污水濃度低，稱為灰水；廁所的糞尿污水濃度較高，稱為黑水。城中村或近郊村莊黑水灰水混合排放，離城較遠村莊黑水、灰水分開排放。由于學生上學、成人打工的作息時間安排，污水排放集中在早中晚三餐。污水量是其它時段的2～3倍，日變化系數1.5～2.5。污水排放量一般為50～80L/人/d，單村排放量在20～300 m3/d[3]，渭北旱塬、秦嶺淺山相對中部平原區農村排放量較少。污水成分簡單，主要是泥砂、有機物、氮磷，基本不含重金屬和有毒有害物質。關中農村生活污水水質與排放標準如表1所示。

2污水源分離與資源化

2.1灰黑水分離

生活污水一般分為兩類，一類是做飯、洗衣和洗漱等產生的灰水；一類是糞便、尿液和沖廁水的混合物，黑灰水的水質特征見表2。雖然黑水水量只占到生活污水總量的5%，但是黑水污染物濃度大，化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）分別達到污水總量的61%、85%、86%[9]。將黑水、灰水從源頭分離，單獨收集分質處理，一方面可以實現黑水的資源化；另一方面N、P濃度降低，使得灰水處理工藝可適度簡化，降低藥耗能耗，減少碳排放。

2.2糞尿分離

將黑水中的尿液與糞便進一步分離收集，可進一步降低黑水污染物濃度。當尿液分離率達到65%時，污水中的氮、磷負荷可分別降低55%和33%；當尿液分離率達到100%時，出水中的氮濃度可降低80%～ 85%，磷濃度可降低50%[10]。

糞尿進一步分離，還會產生可觀的碳補償。尿液貯存后的土地利用減少了氮肥和磷肥的施用，糞便厭氧發酵產生的甲烷用于發電實現碳補償。曹睿等[11]研究表明，單戶、聯戶和納管灰黑水混合收集方案的凈碳排放量（以CO2 計）分別為1.21 kg/m3 、3.37 kg/m3和2.69 kg/m3，單戶、聯戶和納管源分離方案的凈碳排放量（以CO2 計）分別為0.50 kg/m3、0.04 kg/m3和0.54 kg/m3，均實現了零碳排放甚至是負碳排放。

2.3黑水的資源化利用

目前，關中地區農村改廁率達到70%左右，計劃在2025年末達到85%[3]。農村改廁，不但提升了農村人居環境質量，而且實現了污染源頭分離。農村廁所的主要類型有三格式化糞池、雙翁漏斗化糞池和完整上下水道水沖式廁所。在關中地區，對于經濟條件較好且具備完整上下水條件的近郊村莊，可選用水沖式廁所，其他區域選用三格式化糞池。

三格化糞池先通過沉淀、過濾作用去除大部分非溶解態污染物，再經過微生物厭氧發酵作用降解部分溶解態污染物，實現糞污無害化，保留氮磷，處理后的糞污還田利用。三格化糞池3格之間的比例為2∶1∶3，結構簡單、造價低廉且無動力消耗，是一種資源型衛生廁所。糞渣堆肥后的有機肥可用于蘋果、獼猴桃、設施蔬菜生產。有機肥的施用，可降低農田碳排放。王曉嬌等[12]研究表明，相對于單施無機肥，有機無機配施用能顯著提高0～5 cm土層易氧化有機碳、微生物量碳氮、蔗糖酶活性，0～30 cm土壤碳庫管理指數提高127.41%，有機肥施用使旱地農田碳排放效率顯著降低41.10%。有機肥作的施用，為土壤微生物的活動提供了碳源，提高了土壤微生物的活性，促進了土壤中的氨氧化過程，降低了土壤NH+4-N的含量，從而增加了CH4的吸收通量；有機肥分解慢，而土壤微生物在參與養分礦質化的過程中會固定土壤的氮素，從而降低了土壤微生物可直接利用的無機氮含量，降低N2O 排放[13]。

3污水減污降碳協同處理

污水處理過程的碳排放量占全社會碳排放量的2%，是十大碳排放行業之一。泵、鼓風機、藥劑等設備與材料的使用會產生間接碳排放，污水中有機物和氨氮的生物降解會產生直接碳排放。間接碳排放占總碳排放的80%，其中電力、藥劑的排放分別占到43.2%和33.3%[14]。在碳中和、碳達峰的背景下，關中農村污水應選擇綠色低碳處理技術，以減少電能、藥劑消耗，降低碳排放，實現污水的減污降碳協同處理。

3.1一體化智能設備

一體化農村生活污水處理設備是將調節、生物凈化、沉淀等處理單元，機電設備，控制設備，管道系統等集成在一定空間結構內的成套污水處理裝置。生物處理單元主要選用厭氧/缺氧/好氧（A2O）、多級缺氧/好氧（AO）、生物接觸氧化、膜生物反應器（MBR）等工藝方法。設備外殼一般選擇碳鋼、玻璃鋼等材質，內外作防腐處理。由于一體化設備高度集成、模塊可移、即建即用，所以非常適合于居住集中、環境要求高的農村地區的污水處理。

關中平原的陳倉、武功、臨潼等縣區農村居住集中，小村有100戶，大村達到1 000戶，污水排放量在20～300 m3/d，灰水可以選用1組或多組一體化污水處理設備。渭北旱塬的旬邑、耀州、洛川，秦嶺北麓淺山的藍田、長安、周至等居住較為集中的村莊也可選用一體化污水處理設備。當出水要求達到一、二級排放標準時，可選擇A2O、多級AO、移動床生物膜反應器（MBBR）工藝；當出水要求達到特別限值，排入水源保護地周邊水系時，可選用A2/O-MBBR、MBR工藝。陜西蔚藍科技公司的“中大”一體化MBR處理設備集成活性污泥和超濾膜技術，脫氮除磷效果好，無需沉淀、砂濾環節，在西安長安區、延安市洛川縣等農村污水治理中得到廣泛應用，當進水CODcr=120～350 mg/L、BOD5≤180 mg/L、TN≤40 mg/l TP≤4.0 mg/L，出水CODcr≤50 mg/L、BOD5≤10 mg/L、TN≤15 mg/L 、TP≤0.5 mg/L，出水優于一級A，達到特別限值標準。對于經營農家樂的村莊，需在處理工藝的前段增添隔油池。

基于設備集成和生物處理要求，一體化處理設備需安裝泵、風機等裝置。由于機電裝置耗電，一方面直接增加設備運行成本；另一方面間接增加碳排放，所以節能減碳是一體化污水處理設備持續推廣應用的關鍵。孟凡坤[15]研發了日處理100 L 的光伏驅動農村生活污水一體化處理設備，在去除污染物的同時，每年可減少碳排放12 632.93 kg。錢明等[16]在農村污水處理站安裝在線氧化還原電位（ORP）檢測儀、網絡電表、變頻調節器和可編程邏輯控制器（PLC），通過耦合水質氧化還原電位、水量和風機功率等參數實現對處理設施的運行評估和動態調控，達到提高處理效率，降低能耗、碳排放的目的。1 a的測試中，13座污水站能耗可下降25.5%～43.4%，而檢測儀和控制器的成本不超過1萬元。隨著智能感知、自主控制和多目標動態優化等[17]人工智能技術的快速發展，以“互聯網+”為基礎建立的智慧農村污水管理平臺可以進一步實現一體化農村污水處理設備的遠程精確控制和及時故障響應，提升污水處理效果，降低能耗、碳排放。

3.2土壤滲濾

土壤滲濾是一種污水土地處理技術，利用土壤過濾、植物吸收和生物降解等作用凈化污水。土壤滲濾系統占地面積小，建設成本低，處理效果較好，COD、TN、TP的去除率一般可達到70％、50％、60％左右，出水可用于農作物、蔬菜和林木灌溉，實現水資源循環利用[18]。王淞民等[19]在農村庭院外建造三格化糞池+滲濾溝式土壤滲濾系統，同時在土壤滲濾系統上方建造菜園，研究表明，土壤滲濾系統不但顯著提高菜地土壤TN、TP含量，而且還促進了土壤細菌群落多樣性和豐富度，菜地土壤衛生學指標也均達到無害化要求，蔬菜食用安全。雖然土壤滲濾系統去除有機物、氮的過程會產生CO2、CH4、N2O等溫室氣體，但相比常規污水處理系統，土壤滲濾系統的能耗小，間接碳排放低，加之其上種植的植物有碳匯作用，總體來說，土壤滲濾系統是一種綠色低碳的污水處理技術。

麟游、旬邑、洛川等渭北旱塬區，灞橋、藍田、華州等秦嶺北麓淺山農村多單戶或10～50戶村民居住在一起，居住分散。當農戶家中改廁后，黑水通過化糞池收集處理，余下的洗衣、做飯、洗漱灰水流量小、濃度低，可選用土壤滲濾系統處理。土壤滲濾系統可建在農戶院中、門前或街道空地上。灰水通過管渠收集后先流經人工柵網，再流入沉淀池，最后流入土壤滲濾系統。柵網、沉淀池可有效攔截灰水中的菜葉、泥砂、飯粒等雜物，減少土壤滲濾系統堵塞幾率。在土壤滲濾系統中，灰水先通過穿孔管布水后流經配水層，均勻配水和進一步攔截大粒徑雜質，然后再到達土壤滲濾層，經土壤吸附、微生物降解凈化。配水管選用32 mm 的PE管，孔之間的距離為100 mm，孔徑為5 mm。配水層填料選用沸石、陶粒、礫石等，深約300 mm。土壤就地取用，深約1 000 mm左右。填料上方覆蓋約300 mm的土壤，可種植蔬菜、瓜果、花卉，打造家庭小花園。農戶灰水排放的時間周期性變化，使得土壤滲濾系統常處于干濕交替運行狀態，可以改善系統好氧-厭氧環境，強化處理效果，減少溫室氣體排放，同時可以緩解懸浮物沉積、有機物生長而造成的系統堵塞，保持系統土壤滲透性，延長系統使用時限。冬季時，可用玉米秸稈或塑料薄膜覆蓋在土壤滲濾系統表面，起到保溫作用，待春季溫度回升后，清理玉米秸稈或塑料薄膜。

3.3人工濕地

人工濕地是一種近自然的污水生態處理技術，利用基質、微生物和植物的沉淀、吸附與生化作用凈化污染物[20]。由于人工濕地工藝簡單、操作方便、運行成本低、景觀價值高，在污水廠尾水、河湖微污染水、農村生活污水處理中得到廣泛應用。

人工濕地中有機物的氧化，植物、微生物的呼吸產生CO2，有機物的厭氧分解產生CH4，N2O是則廢水中含氮物質不完全硝化和反硝化的產物。雖然人工濕地運行中會釋放CO2、CH4、N2O等溫室氣體，但是由于濕地植物的光合作用會固定大氣中的CO2，所以人工濕地總體表現為碳匯[21]。Hu等[22]對人工濕地長達50個月的監測后發現，人工濕地不僅有效實現了農村生活污水的治理，而且實現了碳匯，每年的增溫潛勢為-8.72 kg CO2-eq/m2。相對于活性污泥、生物膜等傳統污水處理技術，人工濕地的碳排放可減少50%[21]。

關中中部的陳倉、楊凌、臨潼、富平等縣區集中居住農村，渭北和秦嶺北麓淺山區的鳳翔、周至、華州等縣區分散居住農村的生活污水處理選用“預處理+人工濕地”工藝，進水CODcr=100～400 mg/L、

NH+4-N=30～50 mg/L、TP=1～6 mg/L mg/L，出水CODcr≤80 mg/L、NH+4+-N≤15 mg/L、TP≤2 mg/L。預處理主要去除進水中泥砂、紙屑、碎葉等，以減少渠道、濕地的堵塞。堵塞會降低濕地復氧能力，內部形成更強的厭氧環境，增加了CH4和N2O的排放，也阻礙了CH4向CO2的轉化，CH4、N2O增溫潛勢分別是CO2的25、296倍[23]，所以預處理是非常重要。常用的預處理有格柵、沉砂、厭氧水解等單元。對于10～20戶的村組，預處理只需在每家污水的出戶管端設置篩網、沉泥井，從源頭減少渣物。為防止油脂的堵塞，經營農家樂的村組、農戶應再增添隔油池。

若將CH4和N2O 折算成CO2當量后，水平潛流、表面流和垂直流濕地釋放通量分別是358 mgCO2/（m2·h）、257、162 mg CO2 /（ m2·h） [23]，可見垂直流濕地溫室氣體的釋放通量最小，這主要源于垂直流的復氧速率較高。由于組合濕地可以提供良好的氧氣輸送，提升微生物的豐度，增強微生物的活性，所以還會進一步減少溫室氣體的排放。結合不同濕地污染物減排效果、碳排放大小，以及區域環境、社會發展特征，關中中部農村選用垂直潛流+水平潛流工藝，渭北村組選用垂直潛流+表流工藝，秦嶺淺山村組選用二級垂直潛流工藝。

基質不但支撐濕地植物的生長，也是微生物生長的場所。基質的理化性質影響濕地內部的微環境和生化條件，進而影響溫室氣體的排放。考慮植物生長、O2（氧氣）的傳輸，基質選用礫石、碎石、沸石等。當需要提升脫氮效果，出水排入環境敏感區域時，可增加鋼渣、爐渣等功能性基質。減少溫室氣體排放，可選用鐵錳基填料。鐵錳基填料上鐵錳氧化物通過競爭有機物，并通過提供電子受體促進甲烷厭氧氧化作用，減少CH4排放量[24]。為減少堵塞，水平潛流人工濕地主體段基質的粒徑為10～50 mm，垂直潛流的為10～50 mm，表層可以不覆蓋黏土，植物直接生長在砂、礫石上。

植物是人工濕地生態凈化的關鍵，通過吸收、降解、轉化、儲存等作用去除水中污染物。不同植物凈化污染物的同時所排放的溫室氣體是有所差異的，例如，莎草比蘆葦的CH4釋放量要高出20%～51%，美人

蕉的CH4和N2O的釋放量小于蘆葦和風車草，其全球增溫潛勢最低，這可能源于美人蕉根部具有相對較強的泌氧能力，能將更多的CH4氧化，也促進完全反硝化，減少N2O排放，是優良的碳匯植物[25]。結合關中鄉村氣候、景觀等因素，關中人工濕地植物選用美人蕉、蘆葦、菖蒲、黑麥草等植物。

4結語

在“美麗中國”和“碳中和”的新時代背景下，要協同推進污水收集、處理全過程的污染物消減和溫室氣體減排，實現減污降碳協同增效。農村污水具有排放分散、水量間斷、水質波動等特點，所以因地制宜，科學合理的綠色低碳收集和處理技術是實現農村污水減污降碳增效的關鍵。綜合考慮陜西關中農村空間布局、經濟發展、生態環境狀況，渭北塬區農村污水優先選用單戶或單村收集模式，土壤滲濾、人工濕地處理技術；中部平原區優先選用集中納管、單村或聯村收集模式，一體化設備、人工濕地處理技術；南部的秦嶺北麓淺山區優選單戶或單村收集模式，土壤滲濾、一體化設備處理。鐵錳新填料、碳匯新植物、人工智能新技術的應用會進一步提升農村污水處理效果，減少碳排放。

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