分散式污水处理设备在农村污水资源化利用中的应用

0引言

当前，我国农村地区普遍面临污水处理设施覆盖率低、排放管控不足等突出问题，大量未经处理的污水直接排人周边水体，引发一系列生态环境风险。传统集中式污水处理模式受限于基础设施投资大、地形适应能力弱等缺陷，难以满足农村地区分散居住情况下的污水处理实际需求。与此同时，农业生产中水资源短缺与化肥过度使用并存的现象，为污水资源化利用提供了现实应用场景。将污水处理与农业灌溉、有机肥生产相结合，既可以缓解生态压力，又能创造经济价值。现有研究虽然在污水分散式处理方面取得了一定进展，但在系统集成度与资源转化效率方面仍存在显著短板。多数污水处理工艺存在能源消耗大、副产品利用率低等问题，制约了其推广应用。本研究立足于“处理一回用一资源化”协同优化的技术理念，通过创新工艺组合与利用路径设计，致力于破解污水处理终端与资源回收环节的技术问题，为构建低碳型农村水循环体系提供理论支持与实践参考。

1研究区域概况

研究区域具有典型的丘陵地形特征，人口密度适中，村落布局分散。区域内地形起伏较小，地势相对平缓，地表水系纵横交错。受限于农村污水处理设施覆盖不足，该村生活污水主要通过自然沟渠或简易化粪池进行排放。研究区域内的污水主要来源于农户日常生活用水（如洗涤、冲厕）小型畜禽养殖废水及部分厨余废水，具有有机物浓度高、氮磷含量丰富的特点1。根据前期采样分析，研究区域内污水化学需氧量（COD）浓度范围为 氨氮 浓度介于 ，总磷（TP）含量为 ，水质受降雨量和季节性农业活动影响显著。研究区域属亚热带季风气候区，年降水量 ，温湿度变化对污水生物处理工艺的运行效能具有潜在影响。

2技术方案

2.1技术对比设计

针对研究区域的污水特征与资源化利用需求，本研究选取膜生物反应器（MBR）、人工湿地和厌氧发酵罐三种分散式处理技术进行对比分析，见表1。MBR设备设计处理规模为 ，采用膜生物反应器与紫外线消毒联用工艺，通过微生物降解与膜分离技术实现高效固液分离，出水水质达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级标准，资源化用途以景观用水和蔬菜灌溉为主。人工湿地系统处理规模为 ，为潜流式结构，填充沸石、砾石等多孔基质，并种植香蒲、芦苇等当地优势水生植物，利用植物吸收、基质吸附及微生物代谢的协同作用去除污染物，处理后的再生水用于稻田灌溉与地下水回补2。厌氧发酵罐处理规模为 ，采用升流式厌氧污泥床（UASB）反应器与固液分离装置结合工艺，通过厌氧消化将有机物转化为沼气，产生的沼气经脱硫处理后供农户炊事使用，沼渣沼液经腐熟处理制成有机肥，并满足相关标准要求。

2.2 检测指标

水质检测涵盖化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（ $＼mathrm{BOD}_{＼mathfrak{s}}$ ）、总氮（TN）、总磷（TP）及pH值等核心指标，采样与检测严格遵循《污水监测技术规范》（HJ91.1—2019），使用哈希DR3900分光光度计进行实验室测定，每天采集3组平行样，以减少实验误差。资源化产物检测指标包括沼肥的氮、磷含量及重金属残留量，依据《有机肥料》（NY525—2021）标准，采用凯氏定氮法测定全氮，采用钼锑抗分光光度法测定全磷，采用原子吸收光谱法检测铅、镉等重金属。在再生水的微生物学指标中，重点检测总大肠菌群和粪大肠菌群，参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB/T18918—2002），采用滤膜法结合选择性培养基进行定量分析。所有检测数据均通过SPSS26.0进行统计学处理，采用t检验验证组间差异显著性，确保结果的科学性与可靠性。研究同步记录设备能耗、维护成本等经济性参数，为技术比选提供多维度依据[3]。

3结果分析

3.1污染物去除效能

本研究通过对比三种污水处理技术的污染物去除效能，揭示不同工艺对水质净化的贡献差异。MBR系统凭借其高效的膜分离与生物降解协同作用，对病原菌的灭活率超过 99.9% ，显著优于传统消毒工艺（如氯消毒的 ）。此外，MBR对COD和 -N的去除率分别达到 94.2% 和 91.6% 出水COD稳定在 低于 5mg/L 满足景观用水和蔬菜灌溉的水质要求。其优势在于膜组件对悬浮物和微生物的截留作用，但在长期运行中需要关注膜污染问题，通过周期性化学清洗（每月1次）可将跨膜压差控制在 30kPa 以内。人工湿地在水力停留时间为 48h 时，TN去除率高达78.4% ，TP去除率为 82.3% ，主要归因于植物吸收（贡献约 35% 的氮磷去除）基质吸附（沸石对氨氮的离子交换作用）及反硝化菌的脱氮过程。然而，湿地对低温敏感，冬季（气温 ）TN去除率下降至 58% ，需通过增设保温层或调整植物组合（如增加耐寒植物）以提升稳定性。厌氧发酵罐在有机物转化方面表现突出，COD去除率为 ，且UASB反应器产生的沼气甲烷含量为 ，但脱氮效果有限（TN去除率仅 20%～30% ），需后续耦合人工湿地或化学脱氮工艺。综合来看，MBR适用于对出水微生物指标要求严格的场景，人工湿地在低碳氮比污水脱氮中更具优势，而庆氧发酵罐则以能源回收为核心价值。污水处理技术污染物去除效能对比见图1。

3.2 资源化利用效率

污水资源化利用的经济效益与生态效益在本研究中得到充分验证。再生水用于大棚滴灌系统后，较传统灌溉方式节水 35.7% ，且番茄产量提升12.4% ，果实中维生素C含量增加 8.2% 。这一结果源于再生水中残留的氮磷（TN含量 ，TP含量 ）可作为缓释营养源，减少化肥施用量，同时膜工艺的病原菌控制保障了灌溉安全性（粪大肠菌群 <10CFU/L ）。长期监测显示，再生水灌溉未引起土壤盐渍化（电导率 $<0.8＼mathrm{mS/cm}＼$ ，但需要防范重金属（如Cd、As累积风险。沼液替代 30% 化肥后，土壤有机质含量提高 0.8g/kg ，速效磷和速效钾分别增加 12.4% 和 9.6% ，且番茄根系活力提升18.3% 。这表明沼液中的腐殖酸与微量元素（Zn、Fe等）对土壤改良和作物生长具有协同效应。沼肥的施用使化肥成本降低 24% ，但需注意其氨挥发损失（约 ），可通过沟施覆土减少氮素损失。资源化利用路径的优化需结合区域需求。再生水灌溉适用于设施农业密集区，沼液农用契合有机种植导向，而沼气能源化在燃料成本高的偏远村落效益更显著。

3.3全生命周期成本分析

基于全生命周期成本（LCC）模型进行分析（详见表2），发现三种技术的经济性呈现显著差异。MBR设备建设成本最高，主要源于进口膜组件和自动化控制系统，但其模块化设计使运行成本降至0.52元/t，低于传统活性污泥处理法。然而，8.2a的投资回收期限制了其推广，需要通过延长膜寿命或政府补贴提升可行性。人工湿地建设成本仅5.2万元，运行成本最低，但其占地面积为MBR设备的6＼～8倍，在土地资源紧张区域的适用性受限。其6.5a回收期可通过资源综合利用缩短，如香蒲茎叶用于编织可增加农户收益。厌氧发酵罐因沼气收益实现最短回收期，且有机肥销售可实现进一步增收，但其处理规模有限，原料不足时产气率下降 。敏感性分析结果表明，沼气价格波动对回收期影响显著，而人工湿地对电价变化不敏感。综合技术一经济一环境指标，推荐小型村落采用“厌氧发酵 + 人工湿地"组合工艺，中型社区优选MBR，而土地资源丰富区域可通过扩大人工湿地规模以实现低成本长效运维[5]。在政策层面，需要完善再生水定价机制和沼肥产品认证体系，以提升资源化利用市场接受度。

4技术优化建议

4.1 模块化设计

模块化设计是提升污水处理技术适应性与经济性的关键路径。针对MBR、人工湿地及厌氧发酵罐的运行痛点，开发可扩展处理单元能够有效匹配不同区域的水质、水量和资源化利用需求。例如，MBR系统可通过模块化膜组件（如单个膜箱处理能力 实现处理规模的线性扩展，当污水量从 增至 时，仅需要增加膜箱数量，无须重建生化池，建设成本可降低 23% ；进一步整合光伏供电模块，如每 处理量配置 5kW 光伏板，可使系统能耗自给率提升至 40%～60% ，在光照资源充足地区（年辐射量 运行成本下降0.15元/t[6。人工湿地的模块化则体现为基质-植物单元的标准化预制，采用沸石-陶粒分层填充（每层厚度 30cm ）和耐污植物（如芦苇、香蒲）的模块化种植，可在 48h 内完成 湿地的快速组装，且通过增减并联模块可灵活调节水力停留时间0 ，使TN去除率波动范围从 ±15% 收窄至15% 。对于厌氧发酵罐，模块化设计聚焦于反应器容积与热交换系统的匹配。例如， 罐体可拆分4个 独立发酵单元，通过温控系统（ ）分阶段处理高/低浓度污水，产气效率提升 18%～22% 。此外，模块间的智能切换功能（如物联网控制阀门）可实现故障单元隔离与备用单元启用，将系统停机维护时间缩短 70% 。模块化设计的推广需配套标准化接口协议（如管道直径、电压等级）和区域性预制中心布局，以降低运输与安装成本。