农村污水处理模式与工艺改进创新：技术-环境-经济分析

《Journal of Water Process Engineering》：Innovations in improvement of rural sewage treatment modes and processes: A techno–environmental–economic analysis

　　

• •
  开发了一套MBF-MVFCW系统，用于农村污水处理与资源化回收
• •
  表征了废水动态特征，并明确了适应性处理要求
• •
  证明了系统具有长期处理稳定性和对水力冲击的韧性
• •
  揭示了微生物分层特征及其功能性污染物去除机制
• •
  通过生命周期分析和技经分析量化了碳效益与经济效益

引言

改善农村人居环境已成为中国区域生态治理的关键优先事项，其中农村生活废水（RDW）管理在保障流域环境安全方面发挥着至关重要的作用。与城市集中式污水系统不同，农村废水处理面临着由分散的居住点、异质的经济条件、复杂的地形和基础设施发展不均等所带来的独特挑战[1]、[2]、[3]。农村地区的废水产生受家庭活动强烈影响，导致流量呈现显著的昼夜和季节波动[4]。同时，旱季污染物浓度偏高，而雨季降雨引发的稀释和水力冲击使得处理系统面临高度波动的负荷条件。此外，分散式排放模式增加了收集成本，而持续存在的碳氮比（C/N）失衡进一步限制了养分去除效率[5]、[6]。这些特征凸显了对具有高水力与污染物波动韧性、在复杂农村条件下保持持续运行稳定性的分散式处理技术的迫切需求。

在中国，农村污水处理项目大多采用了最初为城市应用而设计的集中式技术，如活性污泥法、A²/O工艺和膜生物反应器（MBR）工艺。然而，这些方法往往能耗高、运行与维护（O&M）成本高昂[7]，对专业操作人员依赖性强，在小规模条件下处理性能下降，并持续产生污泥[8]。与此同时，传统生态处理单元通常使用均质基质[9]，固体和微生物胞外聚合物（EPS）在孔隙中积聚，导致渐进性堵塞[10]。表面冲洗仅能去除沉积物，无法解决内部堵塞问题，并促进了优先流和水力劣化[11]。此外，均质基质为耦合硝化-反硝化和磷积累提供了有限的氧化还原异质性，限制了氮和磷的去除[12]。

生物滤池-人工湿地（BF-CW）集成系统因其低能耗、操作简单和生态兼容性，已被广泛认为是分散式农村污水处理的一项有前景的策略。近期的研究工作集中于通过基质改良和结构优化来提高处理性能[13]。例如，Peng等人[14]开发了一套生物滤池-人工湿地-生态池塘系统，实现了年均总氮（TN）去除率46.53%、氨氮（NH₄⁺-N）去除率52.18%、总磷（TP）去除率41.48%和化学需氧量（COD）去除率53.21%，表明在长期野外条件下养分去除能力有限；该研究还进一步指出，在水力条件和进水污染物负荷波动下，人工湿地的长期运行稳定性仍然具有挑战性，往往导致性能不稳定。Li等人[15]通过在中试规模地下水平流人工湿地中引入混合基质，将COD、TN和TP的去除率分别提高至61.5%、68.8%和70.5%，展示了基质优化在增强养分转化方面的积极作用。Zhai等人[16]通过使用混合垂直隔流与水平地下流人工湿地，进一步提高了处理效果，COD去除率为83.6%、NH₄⁺-N去除率为71.7%、TN去除率为64.5%、TP去除率为68.1%；与Peng等人开发的系统相比，该技术方案展现了更好的处理效率，然而增加的处理流程复杂性可能导致更高的运行成本和更大的长期运维需求。尽管取得了上述进展，当前BF-CW系统仍存在显著局限性，特别是在长期运行稳定性方面。此外，大多数现有系统依赖相对均质的基质配置，在水力调节和微生物功能分化的空间异质性方面提供有限支持。长期运行中出现的渐进性堵塞、优先流发展和水流分布不均匀进一步损害了处理稳定性[10]、[17]、[18]。

本研究在中国重庆一个典型的农村村庄中构建并运行了一套工程规模的改良生物滤池-分层基质垂直地下流人工湿地集成系统（MBF-MVFCW），该系统集成了就地水资源和养分回收策略，旨在解决因进水流量大幅波动导致的工艺运行不稳定、污染物去除效率低和经济效益差等问题。进行了为期415天的工程示范，以验证系统在不同气候条件下的启动性能、长期运行稳定性、水力冲击韧性以及污染物去除效率。进一步分析了微生物群落的时空分布和功能演替，以阐明氮磷增强去除的生物学机制。此外，将生命周期评价与技经分析相结合，量化了所提系统的环境影响和经济可行性。本研究为一种低成本、低维护、资源导向型的农村污水处理方案提供了工程验证，为山区分散式废水管理提供了实践见解和技术参考。

章节摘要

实验系统

在现场运行期间，使用翻斗式雨量计监测降雨。日降雨量≥5 mm的天被定义为雨季条件，其余天被归类为旱季条件。MBF-MVFCW系统针对旱季和雨季条件采用差异化水力分流策略，以适应进水流量波动。此处，Q₁和Q₂分别代表旱季和雨季条件下的总进水流量；q₁代表

水质特征

为了量化进水变异性及其对处理性能的潜在影响，我们对研究场地进水水质的变化进行了系统分析。2024年全年的监测数据显示，北碚实验场地进水水质受到明显的水文控制（图2-a）。旱季条件以偏高且高度波动的污染物浓度为特征，反映了未经稀释的生活污水的间歇性排放。COD、BOD₅、NH₄⁺-N、TN、TP，

结论与展望

本研究开发了一套工程规模的MBF-MVFCW系统，集成中空层分层基质配置，用于分散式农村污水处理与回用。中空层结构通过促进内部流再分配增强了水力调节能力，而分层介质建立了垂直氧化还原梯度并促进了微生物生态位分化，从而提高了系统在处理废水波动条件下的稳定性。在为期415天的现场运行期间

CRediT作者贡献声明

郭晓龙：写作——初稿、概念设计。李雅贤：概念设计。周婷：形式分析。霍冉冉：形式分析。李惠萍：写作——审阅与编辑。庞威海：软件、资源、项目管理。程守平：验证、监督、软件、资源、项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究受国家重点研发计划资助（项目编号：2021YFC3200805）。

Xiaolong Guo|Yaxian Li|Ting Zhou|Ranran Huo|Huiping Li|Weihai Pang|Shuiping Cheng