一種生態復合型微循環污水處理方法與流程

本發明涉及環境保護，即一種生態復合型微循環污水處理方法。（Treatment Technology of Ecological Compound Microcirculation，以下簡稱“ECM技術”），是一種用于綜合性的處理農村生活污水的技術方案。

背景技術：

傳統的無動力式厭氧反應技術、高能耗的MBR（生物膜）技術、純人工濕地技術及小型化工業循環技術等工藝方案，它們雖然也能進行污水處理，但是其共同點是污水處理能力不強、用電能耗大、運行維護費用高，與所在地的生態和景觀結合差，很難有可持續性。

ECM技術方案屬于綜合性多種專業技術的生態組合疊加，所涉及的專業多達10個以上，包括給排水、土建、機電、生物化學、微生物、人工濕地、香根草技術、新能源、生態、園林、環保及動植物等專業學科。既可以在居民集中（污水量大到1000m³/天）的村寨進行綜合多重單元系統的自由組合疊加應用（如貴州普定縣財新村的示范點及鎮寧縣馬鞍山村的應用），又可以在單家獨院（污水量少到0.2m³/天）的分散住戶進行單元系統的選擇性拆分使用（如選擇香根草系統或人工濕地系統的單一應用），為山區農村污水處理提供一種效果良好、經濟實惠的新技術。

技術實現要素：

ECM技術主要由6大系統所組成：1）污水管網收集系統；2）立體微循環生化反應系統；3）人工濕地系統；4）香根草過濾系統；5）微動力系統；6）生態園林、田園風光系統；其技術核心是立體微循環生化反應系統、人工濕地系統和香根草過濾系統，它們是污水處理的三重保證體系，分別都具有處理污水的能力；而污水管網收集系統、微動力系統和生態園林、田園風光系統則是該技術的補充與配套設計。

ECM技術主要是利用立體微循環生化反應系統與人工濕地及香根草技術進行疊加組合，形成多重處理，一方面利用地形地勢和微動力的反推作用，降低能耗；另一方面利用Ca、Mn、Cu、Fe等礦物質對生物菌種和厭氧顆粒污泥的調控與特種植物的高吸收與強降解功能，多次處理及過濾污水，實現污水治理達標的目的。同時，利用風-光互補供電和生態景觀的配置，實現生態型的綜合治理與農村大自然的完美結合。

立體微循環生化反應器是在上流式厭氧污泥床（UASB）與循環活性污泥系統（CASS）的基礎上，針對循環曝氣管及布水管系的物理性改造和厭氧顆粒污泥及菌群載體的調整，使污水的循環處理主要集中在設定的水層中間位置進行，以保持微生物菌群的穩定活性和持續性。同時，在一個可變容積的池子即反應器中所完成的進水、厭氧-缺氧-好氧的鏈式生化反應綜合程序，是一個以完成微動力跌水曝氣、沉淀、推流排水等立體循環過程，所采用的方法是多種技術與材料的集成，包括立體微循環厭氧復合菌床系統、鏈式生物膜反應器、多功能輕質介孔復合材料和異味氣體生物除臭體系工藝。

人工濕地則是對生化反應器處理后的進一步處理，一方面利用選擇性的水生植物對N、P及SS（懸浮物）進行二次過濾，另一方面則是景觀搭配的另一種生態功能體現。

由于土地資源的局限性，因此利用香根草技術的高吸附、高吸收和強降解性進行第三次處理，特別是香根草的特殊品種——“華香1號”，對N-NH₄、TN、TP、SS及油脂類有很高的吸附、吸收或降解能力。不僅如此，“華香1號”在冬季也能保持常綠，因此還可在冬季進一步凈化污水中過剩的N、P等物質，最終實現污水治理的終極目標。

本發明的特點對比

“ECM”技術與其它幾種小型化農村污水處理技術對比。見表1。

附圖說明

圖1是本發明的香根草過濾池的平面圖

圖2是本發明的香根草過濾池的底板剖面圖

圖3是圖1中2-2剖面圖

圖4是圖1中1-1剖面放大圖

圖中1-4中：1、底板，2、隔墻，3、浮島，4、香根草，5、夯實土，6、圍墻，7、混凝土墊層，8、鋼筋混凝土層，9、水泥砂漿層，10、原土。

圖5是表1，圖6是表2，圖7是表3，圖8是表4，圖9是表5，圖10是表6，圖11是表7。

具體實施方式

一、貴州省的實例

（一）項目內容及設計

2015年8月，由貴州省農業委員會立項，貴州省安順市人民政府協助，廣州市香根草業科技有限公司負責設計與施工，中國科學院華南植物園給予部分技術指導，選址于普定縣的財新村為試點村寨進行首次ECM技術方案的示范應用，其項目名稱為“美麗鄉村——農村生活污水及垃圾環境整治”。

、項目設計理念

1〉技術工藝方面：克服傳統技術工藝的單一性和局限性，將改良后的UASB和CASS技術工藝與人工濕地技術、香根草技術及生態園林景觀充分結合，實現生態復合型微循環的多重處理效果；

2〉結構工藝方面：根據地理位置和地形條件，各種技術工藝系統采用地埋式、開放性建設，減少占地面積，不需要圍避，可供所有人員自由參觀；

3〉能源配置方面：利用地形高差，不采用動力提升裝置，使污水盡量自流；而生化反應系統中的污水回流則采用低能耗、維護少的不銹鋼非標污泥泵（約750KW）反推；日能耗總量僅7-8度左右，若再采用風-光互補供電系統后，外接耗電僅2-5度/天；

4〉生態園林景觀方面：采用多種植物（喬、灌、草）組合與廢棄物（如舊輪胎、松樹皮）的回收利用，進行具有鄉村特色的田園風光構造與景觀魚池的設計，體現多重的生態效應與環保設計理念。

、項目設計原則

⑴處理后生活污水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》 GB18918-2002 中的一級 A 排放標準。

⑵從生態環境的角度，科學論證污水量，優化系統布局，保護水環境。污水處理與綜合利用相結合，構建人與自然和諧發展的優美生態環境。

⑶以改善人居環境為目標，走生態化的可持續發展道路。

⑷設計布局與周邊環境相容，滿足人與自然和諧共生的要求。依據生態、景觀和高效處理的原則，盡量利用當地條件，降低污水處理的維護運行費，使其運行管理方便。

、項目設計參數

財新村總戶籍數為129戶，常住人口400人，旅店5家，農家樂5戶，流動人口日平均300人，總受益人口為700人，污水量按 75L/人.日計算，其中沖洗廁所用水量 20～30L/人.日，其他生活污水量為45～55L/人.日，故污水排放量為52～53m³左右；因此，按高峰期取值，設計最大污水排放量為60m³/日。

該項目地處沙灣園區的中心位置，距離引用水庫“夜郎湖”的上游僅500余米，同時有普定城關小河經過，其村前（園區內）已經種植大量的葡萄作物，并建設了5個垂釣魚塘。目前是安順市開發的一個生態旅游果園基地，已經有大量的游客觀光。

、項目設計內容

⑴污水收集管網（省略）

⑵污水處理終端

污水處理終端由預處理部分、主處理部分、人工濕地床、香根草浮島過濾池與田園風光景觀共計五個部分組成。其中預處理部分由隔油池和調節池組成，首先對不溶解較大物質進行過濾攔截，如布料、衛生巾及枯枝物質，防止系統管道被堵塞；主處理部分則是由立體微循環厭氧菌床反應池(器)及其構件所組成，該部分完全地埋式結構，污水滯留期為 24小時；人工濕地床是根據多種水生植物的綜合吸附功能與地形條件及景觀配置進行設計建造；香根草浮島過濾池則是對前面系統處理后殘留總N、總Ｐ的再次吸附處理，其處理水滯留期為 4天；而田園風光景觀則是在主處理系統周圍增加的生態與景觀喬灌木的技術性改造，使之與整個開發園區的生態效果融為一體，以實現污水處理的綜合生態效應。

⑶動力裝置配備

該處理系統涉及反應器中的2臺微循環泵（按一備一用配置）與配電室的模糊控制系統用電。污水處理系統日總耗電約7-8度/天。本方案中設計安裝風-光互補獨立供電系統提供電能，以實現后期最大限度減少電費的目的。

“生態復合型微循環污水處理方法”中的微循環是指采用最低功率的電機（微循環泵）進行污水回流的反推，使之循環于微生物的厭氧、耗氧和兼氧處理過程中；而模糊控制系統用電是指水位進出變化過程中智能調控系統運行過程中的繼電器耗電狀況。

傳統的污水處理技術工藝需要動力比較大，少則幾千千瓦/小時，多則幾十千瓦小時，其每年的耗電量達到2萬度以上，每年的維護成本也就高達萬元以上。

具體的做法是：首先將所有設備（反應系統、人工濕地及香根草過濾池）都建立在村寨的最低點，利用地理位置的落差，讓污水自流，減少動力提升裝置；其次，利用多種微生物的活性并通過低速的微型泵緩慢運行，以降低污水的流動速率，達到生化反應的最長時間化，從而高效處理污水的目的。

而本技術方案中設計的電機總能耗僅僅為0.75千瓦/小時，每天運行10-12個小時，用電量為8-9度。

風-光互補獨立供電系統設計為：單晶硅太陽能板4快，250w/快，風力發電機為一臺，為500w，合計總量1500w；鉛酸蓄電池4快，380v逆變器一臺；平均發電量為1.5度。

由于當地的日照時間年平均為4.2小時，因此再采用風-光互補獨立供電系統提供電能后，每天平均發電6-7度左右，實際上每天使用外電僅僅2度左右，按當地電價計算，每天僅需要支付0.9-1.0元的電費，每年的維護費用不到400元；從而大大降低了后期設備運行的維護成本。這是傳統污水處理技術不可比擬的成本費用。

事實上，本技術方案采用后的第一年（2015年12月25日-2016年12月8日），總用電量才3056度，其中外電使用416度，費用是187.20元，而風-光互補發電為2640度，與設計完全相符。

⑷人工濕地床設計

人工濕地由8個結構相同、面積相等的區域組成“水平流潛流式人工濕地床”。8個區域分別種植經過論證和挑選的具有極強過濾與吸附功能，且適合當地氣候特點的景觀性的多種不同水生植物。濕地床占地面積為250m²，設計污水停留時間為2天。

⑸香根草過濾池規格

根據財新村的污水排放量與處理終端系統的地形條件，香根草過濾池設計為地陷式，其具體規格為：1200cm×1000cm×150cm，內用120磚砌隔墻分隔成6個分池，呈“井”字結構。總容積為180m³，占地面積為200m²。設計污水停留時間為4天。香根草對污水的吸附處理是讓污水緩慢經過其龐大根系進行過濾，而且污水與根系的接觸面越大、停留時間越長，其處理效果就越好。經過精確計算，污水至少需要3天的停留時間，才能被香根草充分過濾。為此，首先確定香根草過濾池的大小（污水停留時間），其次是確定香根草的根系面積（與污水接觸面），再次是確定污水的流速，以保證其過濾的效果，最后是確定香根草發揮功能作用的時間長短（考慮個季節的生長發育情況）。

在圖1-4中，由于該點的污水處理量是60m³/天，因此，3天的總量為180m³，為使香根草根系最大面積化，且增加其有效功能，本方案在設計中采取了地陷式結構，為1200cm×1000cm×150cm，周圍砌有圍墻6并用120cm的磚砌隔墻2分隔成6個分池，呈“井”字結構。總容積為180m³，占地面積為200m²。

過濾池建設標準：建設在污水收集地區的最低部位，長12米、寬為10米，深1.5米，并用磚砌隔墻2分隔成6個分池；四周圍墻6的內外墻面用M7#水泥砂漿抹平后，涂二遍防水涂料，外再抹3cm M10#水泥砂漿保護，底板1從下至上依次為原土層10、夯實土層5、混凝土墊層7、鋼筋混凝土層8和水泥砂漿層9，在鋼筋混凝土層8上面，再涂二遍防水涂料，上面再用水泥砂漿層9保護，以達到防滲、防漏作用；夯實土的承載力為80kPa, 混凝土墊層7的厚度為100mm,鋼筋混凝土層8的厚度為200mm，水泥砂漿層9的厚度為20mm；隔墻底部有流水孔，污水從第一個分池流到最后一個分池，水面有浮島3，浮島3為5cm厚的聚氯乙烯板材，浮島3上均勻布置有香根草的栽培孔。

污水的進口和出口安裝有污水泵，池壁上安裝有水位傳感器10，水位傳感器11和控制室的聲光報警裝置（未畫出）相連，水位傳感器10還通過水位控制器和上下游的污水泵相連，在過濾池水位過低時啟動進水泵12，在凈化池水位過高時啟動出水泵13，以確保凈化池水位適當。

在過濾池的對角線的位置，安裝有2臺空壓機14，空壓機14的壓氣出口和池底的放氣管15相通，放氣管15上有許多放氣孔16，空壓機14和一個延時控制器（未畫出）相連，延時控制器使空壓機14每一個小時工作15分鐘以提高凈化的效率。

⑹生態田園風光景觀改造

根據對財新村現場城關小河河流的地形條件與開發園區的總體景觀設計。在不改變現有河堤地形、地貌及生態環境的基礎上，在香根草過濾池與人工濕地床周邊配置田園風光的喬、灌、草等開花的綠化植物，使開發園區的整體景觀與污水處理系統形成完整和諧的生態治理與田園風光效果組合。

、項目設計預算

項目總占地面積1200m²，設計預算費用143.21萬元。其中污水收集管網28.95萬元，占20.22%；系統基礎建設32.57萬元，占22.74%；微循環生化反應系統31.73萬元，占22.16%；植物處理系統13.12萬元，占9.16%；生態田園風光系統11.50萬元，占8.03%；其它施工費用6.35萬元，占4.43%；設計與管理費用9.93萬元，占6.93%；綜合稅費9.05萬元，占6.32%。

、試點項目實施時間

項目實際開工時間為2015年8月15日，完工時間為2015年12月26日；調試時間為2016年1月至2016年9月。

（二）試點項目建設成本與分類

1、實際建設成本（單位：萬元）見表2

2、項目建設成本分類

1〉按系統單元分類（單位：萬元）見表3

2〉按建設內容分類（單位：萬元）見表4

（三）試點項目運行情況與分析

1、項目運行耗電情況及分析

項目自2015年12月25日開始運行，至2016年4月30日，運行125天后（扣除未通污水、停機檢修及調試等時間，實際運行約90天），第一次對項目用電電表統計：項目總用電量為484度，外接電源用電量322度，風-光互補供電系統發電量162度。

分析：①每天運行用電量平均為5.4度，其中風-光互補系統供電1.8度，而外接農用電3.6度；前期主要是污水量較少，因此每天運行時間控制在6小時左右；②1-3月份天氣多處于陰雨天氣，陽光不足，因此風-光互補系統發電量少，主要是消耗外接的農用電。進入4月份以后，風-光互補系統供電的發電量逐漸上升達到8度/天以上。

至2016年10月15日止，運行約300天后，進行第二次用電統計：總耗電量為2785度，平均日耗電量為9.3度。其中風-光互補供電系統發電總量為2369度，平均日發電量7.9度；外接農用電的耗電量為416度，平均日耗電量僅為1.4度。

分析：①此時日耗電量超過設計標準，是因為污水處理系統進入5、6、7月份后，旅游人口大量增加，污水量也隨之增加，形成超負荷運行，每天的運行時間較長，許多時候超過12小時/天，而后期使用時間是8-9小時/天；②風-光互補供電系統發電量增大，是因為4-10月正是春、夏、秋季節，陽光充沛、日照時間長，因此主要靠風-光互補發電供給污水處理系統的耗電用量；③ 進入冬季后，情況相反，當地陰雨天氣較多，日照時間短，因此將主要依靠外接農用電供給系統用電。

、已運行成本分析

1〉外接農用電費用：416度×0.45元/度=187.2元

2〉人工維護費用：已進行2次維護保養及植物修剪，費用約2000元

總運行費用：約2200元，折合污水處理費用為：0.12元/m³。

技術分析：①春、夏、秋季節的外接農用電使用較少，折合污水處理費用僅0.01元/m³；但冬季將會上升，達到0.05元/m³。全年綜合平均后，將穩定在0.02元/m³左右。②調試階段的維護保養頻率高，費用較多；而正常穩定后，年均維護保養僅需要1次，其運行費用將大大減少到0.03-0.05元/m³。③全年總運行費用可控制在3000元左右。

、水質監測情況及分析

1〉第一次監測（2016年04月15日）見表5

分析：人工濕地植物、香根草、微生物菌種經過近110天的生長發育及培養和調試后，各級處理系統進入正常運行階段，此時的生活污水恒定進入ECM系統，經環境監測檢測，指標完全達到國家一級A標。

2〉第二次檢測（2016年08月10日）見表6

分析：進入5月份以后，隨著旅游人口的增加，農家樂也隨之由原來的5家增加到10家，項目四周的臨時燒烤點最多時達到30余桌，污水濃度嚴重超標，特別是COD、TN及SS遠高于正常生活污水的濃度。在超負荷運行的情況下，本次的監測結果顯示：COD、TN、TP及SS均出現超標狀況。但是，從去除率來看，分別達到了91.0%、74.3%、51.2%及92.3%。這證明了“ECM”技術方案對農村生活污水的處理效果是顯著的、可行的。

3〉第三次檢測（2016年09月15日）見表7

分析：隨著當地農村生態環境的整治，取消了周邊的臨時燒烤點，且夏季之后旅游人數減少，生活污水恢復正常排放。此時經環境檢測站再次檢測，污水處理后的各項指標再次達到國家一級A標，且去除率平均達到90%以上。

四) 項目實施總結

從本項目建成后，根據總體運行約300天的數據分析，顯示出下列幾個方面的特點：

1、能耗方面

總能耗平均7-8度/天（已屬于微循環范疇），采用風-光互補供電系統后，外接電源平均僅需要2-3度/天，全年總費用不足500元。基本實現低能耗的環保標準。

、運行費用方面

由于采用生化反應器與厭氧顆粒污泥的改良技術及生態植物與香根草技術的綜合運用，沒有淤泥的清淘和外運過程，因而維護保養費用極低，每年僅是一些簡單巡查和冬季的植物修剪內容，費用可控制在1000-2000元范圍以內。其低費用、高效率運行的原則完全實現了可持續性發展的要求。

、處理效果方面

從前面3次的環保監測數據顯示：正常情況下的生活污水，經ECM技術方案處理后，完全可以達到國家一級A標的排放標準，而非正常情況下的高濃度污水，經處理后其去除率也能達到90%以上，基本實現ECM技術方案的設計標準。

、生態環保方面

本項目中運用廢舊輪胎所做的擋墻與便道，既減少了回填土方的工程量和土壤資源的浪費，又與園林景觀相結合而形成了獨特的田園風光效果；而廢棄松樹皮的再利用，則體現了農村與大自然的和諧統一。從生態環保的角度看，ECM技術方案的運用，真正實現了陽光（太陽能）、空氣（風力發電）、水（污水處理）、微生物（厭氧顆粒污泥）及植物（包括喬、灌、草）等大自然的有機組合與利用，達到了保護當地飲用水資源（下游的夜郎湖）的目的。

、經濟效益方面

項目建成運行后，其生態措施與園林景觀所形成的田園風光效果，帶動了當地的旅游資源，農家樂由原來的5戶增加到現在的10戶，旅游人口大量增加，高峰時期達到日近1000人，車輛超過100臺的狀況。從而使當地百姓的經濟收入大幅度提升，實現了當地貧困少數民族地區的產業結構調整（原始農業改成旅游產業）和政府精準扶貧的效果，更完成了本項目立項籌資（引導資金）使用的目的。

、示范效應方面

本項目的實施，不僅治理了農村生活污水，體現了節能減排、生態扶貧的效果，更重要的是實現了示范推廣效應。隨著各地主管部門與同行業者的參觀學習，更多的污水處理項目中開始引用了香根草的浮島技術。香根草浮島技術在貴州乃至全國的應用將進入一個更大、更新的領域。

二、技術方案的推廣價值

ECM技術方案是目前國內一項綜合的、全新的、可行性的首創性技術方案，已經得到省部級專家與各級領導的認同。在國際香根草組織的同行業中，該技術方案也是處于世界領先地位，不僅得到國際香根草組織技術總監的高度評價，而且獲得世界各國的積極討論與贊揚（http://www.vetiver.org），甚至提出到中國來參觀學習。目前該技術方案正在申請國際香根草組織（TVNI）的原創認證。

由于ECM技術方案對農村污水處理具有多重疊加組合性的生態應用功能及一級A標的處理效果，其不僅可以在集中的村落綜合性應用，而且還可以在分散型的單一住戶拆分使用，因此，在農村污水處理的技術方案選擇上具有較高的實用推廣價值。

雖然ECM技術方案在建設初期的成本方面會略高于“一體化的MBR罐式技術方案”，但其運行后期低能耗、低維護的運行成本卻是“一體化的MBR罐式技術方案”所無法比擬的，具有可持續發展優勢；而其生態環保的景觀綠化效應與對污水的高效處理率也是其他傳統技術方案無法媲美的最大特點。因此，在高原山區的貴州村寨推廣ECM技術方案具有廣泛的實用性價值。