高素坤,齐 磊,吕明亮,王莺莺,姚久星,徐学东,2*

1.山东农业大学水利土木工程学院,山东 泰安 271000

2.山东省村镇住宅工程技术研究中心,山东 泰安 271000

太阳能微动力组合式一体化污水处理设备在农村地区的应用

高素坤1,齐 磊1,吕明亮1,王莺莺1,姚久星1,徐学东1,2*

1.山东农业大学水利土木工程学院,山东 泰安 271000

2.山东省村镇住宅工程技术研究中心,山东 泰安 271000

针对目前农村生活污水日均排放量小、水质比较稳定、排放相对分散等特点，研发了太阳能微动力组合式一体化污水处理设备，可有效解决农村生活污水污染问题，极大的改善农村的人居环境。该设备占地面积小、处理效率高、安装布置灵活、操作管理方便、适用范围广、节能环保，并通过在示范点的安装示范，证明该设备具有较好的推广和利用价值。

太阳能;组合式;一体化;污水处理设备;应用

1 农村生活污水特点

随着我国经济的快速发展和“美丽乡村”建设的大力推进，我国农村居民的生活水平大大提高，人们对水的依赖越来越大，随之而来的污水排放量也越来越多。不少农村地区污水到处乱排，使得生态环境遭到严重破坏，不仅污染着当地地下水，而且威胁着老百姓的居住环境和身心健康[1]。

我国农村污水的主要特点有：（1）日均排放量小。农村大部分相对都比较独立，缺乏比较完善的污水收集系统，一般农村的生活污水量都比较小[2]；（2）水质比较稳定。农村生活污水的性质相差不大，水质相对稳定，氮、磷及COD等营养物含量较高；（3）排放相对分散。我国农村人口数量众多，居住比较分散，基础设施建设严重不足，污水随意排放，大部分农村地区均未采取污水的收集和处理措施，生活污水难于收集处理[3]。

2 设备基本性能

2.1 组成

太阳能微动力组合式一体化污水处理设备是以生化反应为基础，依次经过调节池、水解池（厌氧池）、好氧池（曝气泵供氧或自然通风）、沉淀池、污泥回流管、消毒室，通过多个污水处理桶的组合连接将厕所污水、淋浴污水、洗衣污水、厨房污水一并处理使其达标排放的污水处理装置（图1）。该装置是在充分考察学习国内外最先进的污水处理技术的基础上，研制开发的污水处理最新设备，主要是由太阳能曝气系统、电路系统、污水管道系统和污水处理系统组成（图2实物图），其中污水处理系统包括主体外壳、隔板、滤料及其他设备内部件、曝气鼓风机、人孔盖及框架、管道连接处部件等。

图1 空间布置图Fig.1 Spatial arrangement

图2 实物图Fig.2 Physical map

2.2 工艺流程

太阳能微动力组合式一体化污水处理设备主要工艺为A／O（厌氧－好氧活性污泥法），所有的厕所污水、淋浴污水、洗衣污水、厨房污水一并经进水口流入该设备，先后经过沉淀分离池、厌氧过滤池、好氧曝气池、沉淀池、污泥回流管和消毒池处理（图3），最后处理达标的水可以直接排放或流入排水管网。

图3 工艺流程图Fig.3 Process flow diagram

2.3 工作原理

家庭中所有的污水经进水口首先进入沉淀分离池，然后进入厌氧过滤池，污水有机物浓度很高，通过吸附在弹性填料上的兼氧细菌的吸附水解，将大分子的有机物水解为小分子有机物，减少了污泥总量及固体悬浮物，并将污水中的有机氮转化分解成NH3-N，最终将NO2-N、NO3-N转换成N2，同时依靠活性污泥中的聚磷菌将污水中的BOD大幅度降低。经过厌氧池进入好氧池后，有机物中的磷依靠微生物和不断地回流反硝化作用慢慢被分解。然后污水进入沉淀池，底部没有被分解完的有机沉淀物经曝气回流管流回沉淀分离池，在厌氧过滤池与回流的泥水混合液混合并进行反硝化之后再进入好氧区，处理完的污水经消毒池直接达标排放[4]。

2.4 处理能力

农村各个家庭中人口数量都不一样，每人每日厕所冲水量与生活污水量之和按200L/cap.d计算，每户人数不足2人的按2人计算。污水处理设施可以单独使用，也可以几户共用，多户共用时其有效容积按照服务总人数确定，通过不同个数的污水处理桶组合处理不同家庭人口数的污水量（表1）。

表1 人口及处理能力对照表Table 1 Table of population and processing power

2.5 设备优势

2.5.1 占地面积小 太阳能微动力组合式一体化污水处理设备采用树脂结构，结构紧凑，占地面积小，适应各种敷设要求，适用农村多变情况。安装可以根据现场实际情况，采用地埋处理，基本不占用地表面积，大幅度减少农村用地面积，缓解当前用地紧张的矛盾[2]。

2.5.2 处理效率高 太阳能微动力组合式一体化污水处理设备采用生物处理方法，有较强的耐冲击负荷能力，处理效率高，出水水质比较稳定，且能满足农村污水的处理要求，对环境无任何伤害[5]。同时经该设备处理过的污水可以经过回流管重新利用，有效实现中水回用，节约水资源。

2.5.3 安装布置灵活 太阳能微动力组合式一体化污水处理设备安装可以一户一套或多户一套，安装布置灵活，处理后的污水就近回用或者直接排入雨水管道，而不需经排水管网收集进行集中处理，既没有污染环境，也不会增加污水管道[6]。

2.5.4 操作管理方便 太阳能微动力组合式一体化污水处理设备操作和管理方便，整个装置运行过程都处在监控之下，实现了信息化自动控制，同时还有探测装置和自动报警装置，提高了系统运行的可靠性，减轻了劳动强度[7]，不需对操作人员进行专门培训，只需适时维护和保养设备[8]，运行费用大大降低。

2.5.5 适用范围广 农村每个家庭人口数各不相同，每天的污水排放量也不一样，如果采用同等处理量的污水处理设备势必会造成资源浪费或处理不达标，而太阳能微动力组合式一体化污水处理设备可以依据家庭人口数的不同确定污水处理桶的个数，自由组合方便灵活。同时污水处理桶上口专门设计了套圈，可以通过增加套圈的个数将污水处理桶深埋，彻底解决北方地区的防冻问题。

2.5.6 节能环保 太阳能微动力组合式一体化污水处理设备所需的电能均来自太阳能，不需要外接电源，符合节能环保的理念。（图4、5）

图4 安装成品图Fig.4 Installation finished picture

图5 安装成品图Fig.5 Installation finished picture

3 设备基本要求

3.1 设备的进水水质

以表1的进水水质为基准来设计、制造设备。

表2 原水水质（日平均值）Table 2 Raw water quality(daily average)

3.2 设备的出水水质

经一体化污水处理设备（设施）处理后的出水水质，应符合表2水污染物最高允许排放浓度要求。

表3 水污染物最高允许排放浓度（单位:mg/L）Table3 Maximum allowable concentration of water pollutants(Unit:mg/L)

位于重要水系源头、水库集水区、重要饮用水水源地等水环境功能重要地区和人口密度较高、水环境容量较小的平原地区的新建设施执行一级标准；位于其它地区的执行二级标准；执行一级标准的地域范围由县级人民政府确定。

4.3 设备的基本要求

（1）设备设有进水及出水管道的接口，以及进气口。设备顶部设有直径大于450 mm、用于清掏和巡检用的人孔及盖板；污水处理设施进水管道、出水管道应根据设计确定，管径应不小于100 mm。

（2）设备处理流程中应具备沉淀分离、厌氧滤床、填料流动、固液分离、消毒的功能。

（3）用耐水材料制造，不会发生漏水。在有可能发生腐蚀、变形等部位，应使用不易发生腐蚀、变形等问题的材料，或使用已经采取有效的防腐蚀措施、性能增强措施等的材料。

（4）在通常的安装及使用条件下，设备构造要足够安全，足以承受相关土压、水压、自重及其他载重。

（5）鼓风机在通常的设置及使用条件下，应能够长时间连续运转、不易发生故障、结构牢固，并且其构造不会因振动和噪音引发问题，噪音不应高于45 dB(A)。

（6）用于设备中的下述材料应具备耐水性、耐腐蚀性以及使用耐久性，或者材料通过包覆、电镀或其他处理后具备这些性能。

1）设备主体的外壳部分

2）隔板、滤料、人孔盖及其框架等需要足够强度的部件

3）增强材料、管材、滤料及管道支架部件

4）曝气鼓风机

（7）禁止雨水流入一体化污水处理设备。当厨房污水动植物油含量＞50 mg/L时，进入处理设施前应设除油装置，不得直接进入一体化污水处理设备。

（8）设备出厂时应具有详细的使用说明书、施工指导书和运行及维管理说明书。

4 应用案例

4.1 改造原则

结合当地自然条件及对环境保护的要求，提出卫生标准高，高效节能环保，管理维护方便，全面系统的农村厕所改造解决方案，实现粪便的无害化处理，基本消除农村厕所的环境污染问题，体现有机废弃物处理减量化、无害化的现代科学理念。

4.2 改造方案

依托国家科技支撑计划课题“低成本村镇基础设施与环境建设技术研究与示范”，我们选取了四个不同地区的示范点对污水处理设备进行了示范，分别是山东省泰安市，河北省石家庄市，吉林省通化市及山东省莱芜市。

针对各个地区的地形和污水排放特点，采用太阳能微动力组合式一体化污水处理设备对其进行改造，每家每户单独设一个污水处理设备，根据人口数的多少确定污水处理桶的组合个数，将家庭中所有的厕所污水、淋浴污水、洗衣污水、厨房污水全部排放到该设备，处理达标的水经排水管网流出。

4.3 设备安装

农户需要提前将自家厕所内部清理干净，内部设施自己选择（图6、7），可以考虑蹲便式和坐便器，由技术人员指导提前埋好管道，并按照图纸挖好坑。

图6 蹲便器Fig.6 Squatting pan

图7 坐便器Fig.7 Toilet seat

1）土方开挖（图8）

按照污水处理设备尺寸将坑先挖好，周边留出100～200 mm,方便放入设备。

开挖长度=桶子长度*个数+200 mm

开挖宽度=桶子宽度+200 mm

开挖深度=桶内最高水面+当地最大冻土层厚度

2）整平（图9）

将坑底必须整平。

图8 挖土方Fig.8 Digging

图9 整平Fig.9 Leveling

3）基础垫层（图10）

为防止设备不均匀沉降导致设备不正常运行，在坑底必须做好基础垫层。

4）安装设备（图11）

待垫层具有一定强度，即可将污水处理桶放入事先挖好的坑内。

图10 打垫层Fig.10 Cushion layer

图11 设备安装Fig.11 Safety equipment

5）回填

待设备放好后，边回填土边往污水处理桶内加水。

4.4 示范点改造

4.4.1 山东省泰安市 泰安市位于山东省中部，气候属暖温带半湿润季风气候，雨热同季,寒暑适宜，四季分明，多年平均气温13.2℃，平均降雨量803.7 mm。泰安市最大冻土层深度为400 mm，为使污水处理设备内最高水位位于冻土层以下，设备顶部高出地面，我们设计的在污水处理设备上增设一个套圈（图11、12）。

图11 平面布置图Fig.11 Layout plan

图12 安装图Fig.12 Instructions

4.4.2 河北省石家庄市 石家庄市地处华北平原腹地，位于中纬度欧亚大陆东缘，气候为暖温带大陆性季风气候。四季分明，雨量集中，寒暑悬殊，干湿期明显。石家庄市最大冻土层深度为540 mm，为使污水处理设备内最高水位位于冻土层以下，设备顶部高出地面，我们设计的在污水处理设备上增设一个400 mm高的双壁波纹管或增设两到三个套圈（图13）。

图13 安装图Fig.13 Instructions

4.4.3 吉林省通化市 通化市位于吉林省东南部，属中温带湿润气候，多年平均降水量是870 mm，年平均气温为5.5℃，极端最低气温达-33℃。通化市最大冻土层深度为1330 mm，为使污水处理设备内最高水位位于冻土层以下，设备顶部高出地面，方便后期的管理与运行，我们设计的在污水处理设备上增设一个套脖。由于埋深较大，处理达标后的污水没法自然排放至下水道或排水管网，我们设计的是采用渗坑自然下渗（图14-16）。

图14 平面布置图Fig.14 Layout plan

图15 渗坑施工图Fig.15 Construction of the pit

图16 安装图Fig.16 Instructions

4.4.4 山东省莱芜市 莱芜市位于泰山东麓，属于暖温带半湿润季风气候，四季分明，春季温暖多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽晴朗，冬季寒冷干燥。莱芜市最大冻土层深度为400 mm，为使污水处理设备内最高水位位于冻土层以下，设备顶部高出地面，方便后期的管理与运行，我们设计的在污水处理设备上增设一个套脖。在莱芜市我们试点的是农家乐污水处理，采用先加沉淀隔油池，然后污水再通入设备。

图17 安装图Fig.17 Instructions

4.5 效果分析

通过在试点建设区对太阳能微动力组合式一体化污水处理设备进行的试点建设，获得了很好的社会评价，老百姓对此设备提出一致好评。不仅能将厕所的粪便处理干净，同时也解决了家庭中所有的生活污水污染及排放问题，更重要的是具有很好的经济效益、环境效益和社会效益，政府部门对此也是连连称赞。

4.5.1 经济效益 虽然太阳能微动力组合式一体化污水处理设备前期成本稍高，但从长远角度来看，太阳能微动力组合式一体化污水处理设备才是真正意义的低成本，其全生命周期成本最低。全生命周期的费用主要包括设备费、安装费（人工费、管道费、土建材料费）、运行管理费（管理人员工资、机械设备工具费、动力费用、辅助材料费、维修费用、废弃物处理与转化）和环境修复费，太阳能微动力组合式一体化污水处理设备大大省去了管道材料费及后期的运行管理费和环境修复费，一次性投资改造，终生受益。

4.5.2 环境效益 太阳能微动力组合式一体化污水处理设备能够将家庭中的厕所污水、淋浴污水、洗衣污水、厨房污水全部处理达标，可以直接排放，不会对环境造成任何污染和破坏。而普通的改造中家庭生活污水没有任何处理，随机排放，污染着当地自然水体及土壤大气环境，威胁着地下水的安全；厕所的粪便需要定期抽取，抽走的粪便大部分都是直接排放到环境中，对环境造成极大的破坏。

4.5.3 社会效益 太阳能微动力组合式一体化污水处理设备有效的解决了农村污水的污染问题，彻底攻克了农村污水处理难、冬天设备不能用的难题，具有很好的社会效益。

5 结语

农村污水处理是美丽乡村建设中亟待解决的问题，农村生活污水已经成为目前农村环境污染的首要污染源，生活污水随意排放，不仅危及当地地下水和生态湖泊的水质安全，更威胁着农村居民的健康。因此，加强对污水处理设备的研发与推广，结合农村当地的实际情况，走出一条符合我国特色的农村污水治理之路，对我国水环境整体的持久改善有着极其重要的意义[9]。

[1]白晓龙,顾卫兵,沃 飞.农村生活污水处理技术与展望[J].农业环境与发展,2008(6):59-62

[2]曾观华.农村污水处理工艺浅析[J].江西建材,2016(11):126-128

[3]何新生,耿 颖,徐洪斌.我国农村生活污水处理技术评析[J].广东农业科学,2010(10):169-171

[4]姜进峰,李翠梅,张 燕.农村一体化生活污水处理设备评析与研究[J].安徽农业科学,2012,40(13):7872-7874,7878

[5]袁定浩,孔一江.村镇建设中农村污水处理设施的选择[J].环境科学与管理,2010,35(2):93-95

[6]赵 艳,赵英武,李风亭.一体化污水处理设备的应用与发展[J].环境保护科学,2004,30(125):16-19

[7]张耀邦,王春成.浅议一体化污水处理装置调试及日常维护保养[J].价值工程,2015(3):34-36

[8]董 景,翟宇超,周湘杰.一体化污水处理设备的研究现状[J].四川化工,2012,15(6):38-42

[9]孙兴旺,马友华,王桂苓.中国重点流域农村生活污水处理现状及其技术研究[J].中国农学通报,2010,26(18):384-388

Application of Solar Micro Power Modular Integrated Sewage Water Treatment Equipment in Rural Areas

GAO Su-kun1,QI Lei1,LV Ming-liang1,WANG Ying-ying1,YAO Jiu-xing1,XU Xue-dong1,2*
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China
2.Shandong Province Engineering Technology Research Center of Rural Housing,Tai’an271018,China

At present,the average daily discharge of rural sewage is small,the water quality is relatively stable,and the emission is relatively dispersed,solar micro power modular integrated sewage treatment equipment was researched and developed,it can effectively solve the problem of sewage pollution in rural areas and greatly improve the living environment in rural areas.The equipment has the advantages of small floor space,high efficiency,flexible installation and arrangement,convenient operation and management,wide application range and environmental protection,it is proved that the equipment has better popularization and utilization value through the demonstration.

Solar energy;combined type;integration;sewage treatment

U664.9+2

A

1000-2324(2017)05-0678-07

2017-02-28

2017-03-12

“十二五”国家科技支撑计划课题:低成本村镇基础设施与环境建设技术研究与示范(2014BAL04B05)

高素坤(1990-),男,在读硕士,研究方向为村镇建设技术及农村厕所改造.E-mail:1146779662@qq.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:xdxu2007@163.com