【摘 要】
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农村生活污水治理是乡村振兴生态振兴的重要组成部分。2021年山东省日累计排放约135.2万吨农村生活污水,但只有50%的行政村完成了农村生活污水治理,仍有一部分农村生活污水未经处理直接排放,使农村水体环境受到污染和破坏,严重威胁人体健康。由于排水管道建设费用高、污水处理站运维困难、实际运行中电力成本较高等问题,现有的农村污水处理设施无法满足大多数北方丘陵山区农村生活污水的处理需求。在充分调研北方S
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农村生活污水治理是乡村振兴生态振兴的重要组成部分。2021年山东省日累计排放约135.2万吨农村生活污水,但只有50%的行政村完成了农村生活污水治理,仍有一部分农村生活污水未经处理直接排放,使农村水体环境受到污染和破坏,严重威胁人体健康。由于排水管道建设费用高、污水处理站运维困难、实际运行中电力成本较高等问题,现有的农村污水处理设施无法满足大多数北方丘陵山区农村生活污水的处理需求。在充分调研北方S县农村生活污水治理的基础上,针对北方丘陵地区农村生活污水分散排放的特点和传统曝气及回流方式的高耗能问题,构建了以生物接触氧化工艺为主、光伏驱动硝化液回流和曝气、适合农村生活污水分散处理的光伏驱动农村生活污水一体化处理装置,研究了该装置处理模拟农村生活污水的净化效果,探讨了其中微生物群落对污染物去除的影响,并分析了该装置的经济成本和生态价值。旨在为光伏驱动农村生活污水一体化处理装置在我国北方丘陵山区农村生活污水治理中的应用提供实践依据。主要结论如下:（1）根据调研结果,设计光伏驱动农村生活污水一体化处理装置分为一级缺氧、二级缺氧和生物接触氧化三个处理单元,其总有效容积94.5 L。设计额定日处理量为100L。装置加设光伏系统驱动装置曝气和回流,其由生物接触氧化池回流至一级缺氧池。通过人工接种挂膜的方式,在温度为23.3-28.1℃,29天实现了装置的快速启动。装置在不同的硝化液回流比条件下运行,研究表明硝化液回流比为300%时有利于化学需氧量（COD）的去除,但提升效果不明显;硝化液回流比为100%时,有利于接触氧化池内部氨氮（NH3-N）的去除;硝化液回流比为200%时,有利于装置对总氮（TN）的去除。综合考虑污染物的去除及运营成本,推荐硝化液回流比的运行参数为200%。（2）在硝化液回流比为200%、水温温度20.1-25.3℃、曝气量8 L·min-1工况下,日处理量为100 L时,装置对COD、NH3-N、TN和总磷（TP）的去除率分别为90.48%、88.05%、59.83%和33.64%。除TP外,COD、NH3-N和TN出水浓度均能满足山东省《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3963-2019）一级标准。保持上述工况,在日处理量为50 L和150 L运行时,装置仍然有较好的运行效果。但在日处理量为150 L时,运行的后期出现了生物膜增殖过多使接触氧化池溶解氧不足导致NH3-N、TN和TP处理效果变差。通过提高COD浓度(300 mg·L-1)探讨了该装置抗水质冲击性能,研究表明,该装置能够在7天内适应COD浓度的变化,出水COD浓度依然能够达到上述标准的二级标准(100 mg·L-1)。（3）在稳定运行时,该装置各池区微生物具有较高的生物多样性。通过镜检能够发现,接触氧化池填料上存在以丝状菌为骨架的菌胶团,同时出现少量的轮虫和钟虫。通过高通量测序（16S r RNA）发现,一级缺氧池alpha多样性高于二级缺氧池和接触氧化池。一级缺氧池内部存在以除碳脱氮为主的动性球菌属、微小杆菌属和滇池简螺菌等。二级缺氧池内存在固氮微生物红螺菌属、滇池简螺菌和氢噬胞菌属,也有少部分的动性球菌属和固氮螺菌属等。接触氧化池存在好氧硝化优势菌种,主要为金黄杆菌属、耶尔森菌属、假胞杆菌属、氢噬胞菌属、微小杆菌属和疣微菌属。（4）光伏驱动农村生活污水一体化处理装置通过市场标准价格估算所得每套装置费用（含材料费和人工费用）总计3007元。相较于传统污水处理站模式,处理每吨水可减少电费和药费投加费用1.06元,1.11 k W·h电能。以S县L镇Q村为例,使用光伏驱动农村生活污水一体化处理装置分散治理模式可较传统污水处理站模式可节省大量的基建和运维费用,每年可节省电费和药剂投加费用10090.35元,10566.3 k W·h电能,637.79 kg葡萄糖,495 kg聚合氯化铝,减少间接碳排放12632.93 kg CO2,具有较高的经济效益和环境效益。光伏驱动农村生活污水一体化处理装置对农村生活污水污染物去除效果稳定,源头实现了雨污分流,同时节省了基建、管网及运维费用。对于环境敏感度要求低,经济发展水平低,不易于大面积铺设管网的山地丘陵农村地区可推广使用,具有较高的技术、经济和生态优势。
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