创新引领 构建污染治理体系 科技支撑 改善农村生态环境——水专项

精准发力 焦聚区域污染重点 辽河流域是我国七大河流之一，位于我国东北地区的西南部，由辽河、浑河、太子河三大水系构成。

辽河流域在辽宁省境内是经济较为发达的工业集聚区和都市密集区，形成了以石化、冶金、装备制造业为核心的产业集群，在振兴东北老工业基地方面有着举足轻重的作用。

然而，因为长期的不合理开发、资源破坏，尤其是工农业及生活污水大量涌入，致使辽河流域水质污染严重，是我国重点治理的流域之一。

根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》要求设立的水体污染控制与治理科技重大专项（以下简称“水专项”），是国家重大科技专项之一，旨在为我国水体污染控制与治理提供强有力的科技支撑。

“十一五”期间，水专项围绕流域水环境管理技术体系建设目标，相关主题组织实施顺利，在流域水生态功能分区、水环境基准标准、水质目标管理、水环境监测、水环境风险评估与预警和水污染防治技术评估等方面的关键共性技术也取得了重要的阶段性进展。

“辽河上游水污染控制及水环境综合治理技术集成与示范”（2012ZX07202003）是水专项的重点课题之一，由辽宁省环境科学研究院牵头，辽宁大学、东北大学、大连理工大学、辽宁工业大学、中国环境科学研究院共同参与完成。

该课题针对辽河上游区域内的村镇生活污水、农村固体废弃物、农副产品加工废水等重要污染源，开展水质污染治理与控制技术的研究，以期建设和恢复辽河水环境。

课题的主要目标为攻克农村地区集中式、分散式污水处理关键技术，建立农村地区有机固体废物资源化技术体系，确立农村典型污染核算识别技术；形成辽河流域农村污染控制及综合治理技术体系和技术指南，为辽河流域水质的根本改善提供成功的工程示范和技术支撑。

该课题以辽河上游区域内的典型支流为示范区域，按照“调查分析研究—关键技术创新与集成—分区综合示范”的研发思路，课题主要研究任务设置如下：乡镇集中式污水处理技术研究及示范、农村分散式生活污水处理技术研究及示范、农副产品加工行业污染防治技术研究及示范、农村有机固体废物综合资源化利用技术研究及示范、北方农村水污染控制及水环境治理技术体系研究（图1）。

创新引领 构建污染治理体系——水专项“辽河上游水污染控制及水环境综合治理技术 “辽河上游水污染控制及水环境综合治理技术集成与示范”课题以辽河上游区域内的典型支流为示范区域，结合“十一五”水专项研究成果，攻克农村地区集中式、分散式污水处理关键技术，并进行工程示范；突破农村有机固体废物资源化与农副产物深度利用关键技术和工程示范；形成北方农村水污染控制及水环境治理综合技术体系。

科技支撑 改善农村生态环境集成与示范”课题综述[] 本课题组图1　课题主要研究任务图2　辽河上游农村污水分级技术体系由点及面 构建农村污染治理体系 课题组在“十一五”水专项研究成果的基础上，通过对辽河上游地区近200个村镇的实地调查，结合水专项的技术研究成果，基本建立了辽河上游农村污水分级技术体系，形成了《辽宁省农村生活污水处理技术规范》。

根据农村规模和环境，进行分级处理，将农村污水治理归纳为四种模式：一是城镇周边的村庄，采用城乡一体化方式，并入已建城镇污水处理厂；二是污水可形成径流村庄，以村或自然屯为单位建设集中式污水处理设施；三是对于水量较少、居住分散、管网铺设难度大的地区，以独户或联户为单位，采用就地处理；四是针对特定点源，例如饭店、学校、办公楼等，根据具体污水排放特征选择不同类型的一体化污水处理装置、隔油+MBBR等。

辽河上游农村污水分级技术体系见图2。

是研发适合农村地区的兼顾效率与成本的治理技术；三是研发在辽河上游地区便于迅速推广的污水处理最佳实用技术。

经实验研究和实践证明，适用于辽河上游农村污水治理的技术主要有四种。

一是高效节能的氧化沟技术（图3）。

该技术针对乡镇级污水处理进行研发，围绕低投资、低运行成本和低温下稳定运行的要求，通过引进消化吸收日本北海道农村集落污水处理技术，研发关键设备新型纵轴曝气搅拌装置，形成了低温环境下高效节能的氧化沟技术。

曝气设备是氧化沟运行的关键设备，曝气设备的性能直接影响到氧化沟污水处理系统的处理效率、能耗以及其运行稳定性，决定着氧化沟处理系统的占地面积与投资费用。

课题通过曝气量、叶轮转速与氧转移速率等关键参数优化，有效控制氧化沟内部的溶解氧分布状态，从而根据不同水质，采用不同的参数组合，实现有机物的针对性处理；同时控制叶轮旋转产生的向下流切断鼓风机提供的空气而产生细微气泡送至氧化沟底部，形成该技术独特的氧气溶解方式；按照流体力学原理，设计新型充氧叶轮，纵轴曝气器充氧动力效率可达 3.3 kg/kW·h，纵轴曝气氧化沟有效水深最大可达6 m，结合封闭处理，可保证冬季低温条件下稳定运行；另外，通过改良提供空气的位置，鼓风机的选择更加小型化，进一步降低了能耗。

该技术能耗可比传统氧化沟工艺节能约1/3。

图3　高效节能的氧化沟技术 二是强化脱氮的地下渗滤技术。

该技术针对乡镇级污水处理进行研发，适用于原生土壤具有良好透水性能的地区，充分发挥生态土地处理技术低投资、低运行成本和易于管理的优势，以砂质土壤作为主要填料构建地下渗滤系统。

课题通过优化地下渗滤系统中基质层结构（图4），生物基质由活性污泥、砂土、炉渣和草炭土按体积比1:14:2:3混合而成。

新型基质层结构与砂土相比，生物基质的孔隙度提高了19.54%，有机质含量提高了4.02%，具有改善地下渗滤系统渗透性能、缩短启动时间以及提高污染物去除效率的特点。

为强化该技术的脱氮效果，从生物基质组成，分析理化、生化特性等因素考虑，测试硝化和反硝化强度，通过湿干比、水力负荷、布水方式等影响因素对系统污染物净化效果的研究，建立了基于强化脱氮的运行参数体系。

该技术氨氮处理效率可稳定达到90%以上。

图4　地下渗滤系统中基质层结构优化 三是污水生态处理组合塘技术（图5）。

该技术适用于村镇生活污水处理，针对目前传统的生物稳定塘缺乏必要的预处理措施以及人工强化措施、出水水质差等问题，采用人工强化技术，有效降低污水中有机物及悬浮物浓度。

该技术研发基于污水处理反应器原理，根据控制论的思想，结合各级单元塘的功能特性、各单元塘之间的互助性和互补性，层层递进、环环相扣，构建了组合塘系统。

人工构建前置强化塘，利用沉淀厌氧塘截流固体悬浮物，去除硝态氮和磷等污染物；研究了负载氮磷等营养元素的黏土矿物基质的土壤改良技术和肥料还田技术，实现合成材料就地资源化利用。

构建后置调节塘，利用曝气增氧技术和填料吸附、沉淀等作用进一步去除氮磷，保证冬季出水水质。

探索出系统的最优参数 HRT为17 d，C/N为11，粉煤灰+赤泥填料（7∶3）。

在此最优参数下，系统COD，NH -N，TP的平均去除率分别为93.94%，69.54%，79.95%，系统3出水水质稳定且满足《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918—2002）》二级标准。

图5　适用于村镇生活污水处理的生态组合塘技术 四是分散式生活污水治理技术。

该技术充分体现低能耗、低运行成本、管理简单的特点，并兼顾水质敏感地区的处理需求，共研发出适用于不同规模的农村分散式生活污水处理的三项单项技术：无（微）动力充氧技术强化组合工艺；生物移动床高效脱氮除磷技术；高效低耗小型一体化污水处理技术。

无（微）动力充氧技术强化组合工艺研发的目的是通过无（微）动力充氧技术部分代替机械曝气来降低农村分散式污水处理的能耗。

无（微）动力充氧技术包含“跌水+拔风”和滴滤两种方式。

采用“跌水+拔风”技术时，跌水有效地保证了水流与空气的接触时间和接触面积，拔风可进一步提高空气的流动性，两项组合后的自然充氧效果更好。

采用“两级跌水+拔风”（图6），经过自然充氧后，DO值可提高2~3 mg/L。

时间/d图6　“跌水+拔风”的DO值跌水高度50 cm；跌水宽度 40 cm；跌水深度10 cm 采用滴滤塔工艺（图7），污水在低落过程中与空气形成对流，不同滤料条件下均有较好的充氧效果。

自然充氧可作为主要或辅助充氧措施在污水处理中应用。

污水由布水器分布均匀地喷洒在天然沸石或呼吸生物陶环等填料上，污水在低落过程中与空气形成对流，利用空气传氧，通过附着在填料上的微生物降解有机物。

当塔高在1 m的情况下， DO浓度可达5 mg/L以上。

生物移动床高效脱氮除磷技术主要是根据生物移动床膜反应器可同时提供好氧和厌氧环境，宏观上由于池体的设计缺陷，填料不能全部移动，形成厌氧或缺氧区；微观上氧的扩散由外向内逐渐降低，填料个体形成一个外层好氧内层厌氧的环境条件。

利用该项特征，生物移动床工艺在同一个反应器内可实现生物脱氮除磷，对COD的容积负荷有较强的抗冲击力。

该技术通过优化水力停留时间、曝气条件、填料填充率关键参数，氨氮去除率可达70%，总氮去除率达50%，总磷去除率达60%。

高效低耗小型一体化污水处理技术的研发目的是研发既可用于独家独户，也适用于多人区域性污水处理的小型分散式污水处理装置。

考虑农村地区的适用性，工艺设计在保证处理效果的基础上，着重减少整体的动力消耗，减轻后期的维护管理负担。

工艺以厌氧为主、好氧为辅，好氧单元通过自然充氧与机械充氧相结合，降低运行成本，生物反应池填充填料，便于启动和运行，并对装置的运行参数进行了优化。

出水可根据环境要求，通过工艺选择达到不同的排放标准。

变废为宝 促进农村固体废弃物循环利用 课题在“十一五”水专项研究中，形成了以高效厌氧发酵为核心的农村有机物利用体系（图8），“十二五”时期课题对体系进行进一步地完善研究，分别从有机肥重金属钝化技术、制取有机成型原料技术、秸秆制活性炭技术、完全混合厌氧发酵技术等方面进行了技术研究，完成《辽宁省农村生活垃圾气化工程技术规范》。

图8　以高效厌氧发酵为核心的农村有机物利用体系滴滤塔直径90 mm；高1 000 mm；填料层高度770 mm图7　滴滤塔工艺DO值（1#为填料天然沸石，2#为填料生物陶环）时间/d 为在示范区形成集畜禽养殖、农田及经济作物种植、有机肥、沼气、成型燃料、活性炭生产以及饮用水及污水处理于一体的循环经济产业链条，同时解决多环境因素污染问题，实现农村有机固体废弃物的资源化、能源化和循环利用，课题研发了系列农村有机固体废弃物资源化技术，并在示范区域内集成应用。

一是养殖废水高效厌氧反应器技术。

课题组针对养殖废水高有机物浓度、高悬浮物等特点，开发了畜禽养殖废水高效厌氧发酵产沼气技术（图9）。

畜禽养殖粪污经过调质再去除砂石的处理后，进入成套装置中核心设备厌氧反应器，在厌氧反应器内部进行的厌氧发酵反应产生沼气与发酵液，沼气经脱硫和脱水处理，得到比较纯净的可燃气体，而沼液经过处理得到污泥（肥料）和有机质低的废液。