摘要：為考察廣西桂林地區(qū)生物-生態(tài)工藝處理農(nóng)村生活污水的實際效果，構(gòu)建了“調(diào)節(jié)池+生物濾池+潛流人工濕地+生態(tài)凈化塘”組合設(shè)備，對污水處理前后的水質(zhì)進行監(jiān)測，詳細分析了季節(jié)變化對組合工藝處理效果影響，并針對各單元的污染物處理特征進行研究。結(jié)果表明，夏季 COD、TN、NH3-N 及 TP 的平均去除率分別為 87.57%、72.18%、80.98%及 74.54%，冬季為 77.46%、57.52%、64.48%及 67.03%，桂林地區(qū)污水處理結(jié)果存在顯著的季節(jié)性差異。組合系統(tǒng)中生物濾池對 COD 及 NH3-N 的去除貢獻率最大，而人工濕地對 TN 和 TP 的去除貢獻率最大，氧化塘對污染物的處理呈現(xiàn)出較強的低溫穩(wěn)定性。該裝置在桂林地區(qū)處理農(nóng)村生活污水表現(xiàn)出良好效果。與桂林地區(qū)不同，太湖地區(qū)受溫度及地區(qū)污水排放量影響，TN 去除效果的季節(jié)波動性較大，組合工藝的進一步推廣應(yīng)考慮地區(qū)差異性。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水;生物生態(tài)組合處理;季節(jié)效應(yīng);氮磷;地區(qū)效應(yīng)

　　0 引 言

　　農(nóng)村污水的處理關(guān)系到農(nóng)村及其周邊地區(qū)的水環(huán)境，而且威脅著農(nóng)村飲水安全，使農(nóng)民的身心健康無法得到保障[1]。與城市相比，農(nóng)村的基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，排水系統(tǒng)不夠健全。房屋分散，污水排放波動性大，集中收集困難。缺乏可用于污水處理設(shè)施長效運行的資金和技術(shù)，污水處理難度較大。此外，農(nóng)村居民環(huán)保意識普遍不強，缺乏具備科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)的人才。因此，低耗、高效、生態(tài)、易管理的農(nóng)村污水處理模式至關(guān)重要。傳統(tǒng)的農(nóng)村污水處理中，單純的生物工藝運行管理較復(fù)雜、能耗大，而單純的生態(tài)工藝對環(huán)境依賴性過強，運行效果不穩(wěn)定，都存在一定局限性。我國東部沿海農(nóng)村地區(qū)的組合系統(tǒng)應(yīng)用研究較廣，而南方地區(qū)生物-生態(tài)協(xié)同處理模式在處理效果、季節(jié)變化等方面表現(xiàn)出的地區(qū)特征有待探討。

　　因此本文在深入分析廣西農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量特征、污水生物、生態(tài)處理技術(shù)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，選擇適宜的生活污水生物-生態(tài)協(xié)同處理模式[2]，以廣西桂林地區(qū)農(nóng)村生活污水為對象，構(gòu)建了“調(diào)節(jié)池+生物濾池+潛流人工濕地+生態(tài)凈化塘”的組合工藝技術(shù)，研究分析季節(jié)變化對處理效果的影響，進一步探討廣西地區(qū)與太湖地區(qū)季節(jié)效應(yīng)的地區(qū)差異，實現(xiàn)對生活污水中有機物和氮磷的低能耗、高效率去除，管理維護簡便。且污水經(jīng)“生物-生態(tài)”處理后，可用于周邊農(nóng)田和果園的灌溉，通過種植農(nóng)產(chǎn)品進一步利用污水中殘存的氮磷等營養(yǎng)鹽，實現(xiàn)生活污水處理及回用的雙重目的，極利于在廣大村鎮(zhèn)推廣，為推廣適宜地區(qū)特色的農(nóng)村污水處理模式提供參考數(shù)據(jù)。

　　生活污水論文：淺談中小城鎮(zhèn)生活污水特點與處理工藝

　　1 試驗裝置與研究方法

　　1.1 調(diào)節(jié)池+生物濾池+潛流人工濕地+生態(tài)凈化塘構(gòu)造

　　本文裝置主要由調(diào)節(jié)池、生物濾池、人工濕地、氧化塘和一些配套設(shè)施組成，整套污水處理設(shè)施占地約為 160 m2，設(shè)計進水量為 12 m3/d。其中調(diào)節(jié)池有效尺寸為 2.8 m×1.7 m×1.8 m，調(diào)節(jié)池后部如圖1 所示安放潛污泵;生物濾池在平面上呈梯形，上底 2.9 m，下底 3.1 m，沿水流方向長 1.6 m，深度 1.35m;人工濕地上底 3.1 m，下底 9.6 m，沿水流方向長 11.2 m，深度 1.35 m;氧化塘呈梯形，上底 9.6 m，下底 12.7 m，沿水流方向長 7.2 m，深度 1.35 m。

　　實驗中，通過浮球閥控制潛污泵開關(guān)，達到一定水位時啟動，將污水提升到生物濾池中;生物濾池內(nèi)填料至下而上依次為 40 cm 陶粒層(粒徑為 5~8 mm)以及 40 cm 多孔介質(zhì)層(粒徑為 150mm)，陶粒層和多孔介質(zhì)層之間由 3 cm 厚的格柵分隔。濾池采用跌水及拔風(fēng)管充氧的方式，由潛污泵抽水到高處，通過布水器，經(jīng)由進水盤下落跌水，并內(nèi)置拔風(fēng)管進行充氧，可以做到在下落及濺水過程中充氧，且均勻分散進水。根據(jù)課題組長期關(guān)于生物濾池充氧效果的研究，裝置采用自然通風(fēng)和濺水盤強化充氧的方式能夠滿足生物濾池內(nèi)部微生物對氧氣的需求[13]，且與傳統(tǒng)的生物濾池相比，能耗大大減少。濕地類型為潛流型人工濕地，有效深度 1.0 m，其中由池底部沿表面填充基質(zhì)分別為：40 cm礫石(直徑 5 cm)、40 cm 煤渣(直徑 2 cm)和 20 cm 種植土。濕地后端由中間一堵厚度為 0.1 m 的隔墻分為兩個廊道，標記為濕地 1 和濕地 2 。

　　濕地 1 混合種植蘆葦和美人蕉，栽植密度均為 1 株/dm2;濕地 2 混合種植菖蒲和鳶尾，栽植密度均為 1 株/dm2;氧化塘中分別投加浮游動物休眠卵、底棲動物(田螺、河蚌、搖蚊幼蟲)、和水生植物(水芹菜、空心菜)幼株，形成不同物種的獨特生態(tài)位，對污水進行凈化。包括浮游動物濾食區(qū)(投加大型蚤)、底棲動物刮食區(qū)(投加螺螄、河蚌)、魚類攝食區(qū)(投加草魚、花鰱)和水生植物(種植狐尾藻、睡蓮、菱角)等生態(tài)凈化功能區(qū)。其中浮游生物、底棲動物、魚類投加比例約為 10:5:1，水生植物幼株為 1 株/dm2。

　　浮游動物群濾食藻類、懸浮顆粒物等微小有機體;底棲動物刮食區(qū)通過多種生產(chǎn)者、消費者和分解者對污水中沉降性顆粒物、溶解性氮磷等成分進行有效刮食;水生植物進一步對溶解性氮磷和有機物的吸附、固定、吸收、轉(zhuǎn)化作用增強水質(zhì)凈化效果。生態(tài)凈化塘充分發(fā)揮了各級生物類群水質(zhì)凈化潛能，同時收獲水生植物和魚類，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)系統(tǒng)可持續(xù)社會服務(wù)功能。整個裝置在運行過程中僅需一臺泵，利用剩余揚程，濺水跌落，自然充氧，無需曝氣裝置，降低電力消耗。另外，通過生物處理與生態(tài)處理相結(jié)合，解決了單純依靠小型污水生物處理工藝除磷脫氮工藝復(fù)雜，建設(shè)及運行成本高的弊端，維護相對簡單。此外，工藝還預(yù)留反沖洗模塊，設(shè)置了反沖洗泵和風(fēng)機，可利用生態(tài)氧化塘處理水作為反沖洗用水，在生物濾池發(fā)生堵塞時使用。

　　1.2 系統(tǒng)運行條件

　　本試驗通過納管收集桂林市臨桂區(qū)大安頭村生活污水為原水，污水水量受季節(jié)影響較大。夏季實際進水量為 5~6 m3/d。冬季居民用水量明顯降低，實際進水量為 3~5 m3/d。夏季和冬季的進水水質(zhì)情況分別，可以看出，夏季和冬季進水水質(zhì)范圍接近，冬季進水水質(zhì)的平均值略低。

　　1.3 采樣與監(jiān)測本試驗裝置

　　自 2019 年 7 月起進入試運行期，夏季從 2019 年 7 月 18 日開始采集水樣，冬季從 2019 年11 月 26 日開始。每隔 2~3 d 進行一次采樣，并監(jiān)測其水質(zhì)。在夏冬試驗期間，設(shè)置 6 處取樣點，分別為生物濾池進水處、人工濕地進水處(進水槽前端)、濕地 1 末端出水處、濕地 2 末端出水處、氧化塘進水處及氧化塘末端出水處。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 組合工藝夏季去除效果

　　本研究在夏季試驗期間(主要是 7—8 月)，氣溫在 26~34 ℃，水溫在 25~30℃，pH 在 6.8~8.0，DO 含量在 2.9~6.1 mg/L。夏季組合系統(tǒng)對 4 種污水指標的凈化效果整體顯著，各指標夏季平均去除率保持在 70%以上，其中 COD、NH3-N、TN、TP 平均去除率分別為 87.57%、80.98%、72.18%、74.54%。進水 COD 質(zhì)量濃度為 101.83~332.30 mg/L，NH3-N、TN、TP 分別為 8.94~44.75 mg/L、21.28~79.38 mg/L、0.63 ~2.25 mg/L，系統(tǒng)進水的水質(zhì)波動較大，與進水濃度波動性不同的是，出水濃度穩(wěn)定在一個較低的狀態(tài)，平均出水濃度均達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級 A 排放標準(出水 COD、NH3-N、TN、TP 質(zhì)量濃度不高于 50、5、15、0.5 mg/L)，出水水質(zhì)穩(wěn)定。這是因為調(diào)節(jié)池、生物濾池、人工濕地、生態(tài)凈化塘組合工藝能有效的緩沖、調(diào)節(jié)和降解污水。

　　收集到的農(nóng)村生活污水經(jīng)調(diào)節(jié)池預(yù)處理后，水中難降解的有機物被分解為簡單的有機物，大大提高了污水的可生化性。污水由潛污泵泵入生物濾池，通過分級跌落與空氣充分接觸，并進一步利用拔風(fēng)管充氧，實現(xiàn)氧氣高效供給。在生物濾池中通過微生物同化反應(yīng)實現(xiàn) COD 的高效去除，在生態(tài)段(人工濕地+氧化塘)通過微生物利用、基質(zhì)吸附、植物過濾等作用進一步去除污水中殘留的有機物[3]。通過生物段和生態(tài)段組合，強化 COD 的處理效果，經(jīng)組合工藝處理后 COD 平均出水濃度降至 21.66 mg/L，遠低于 GB18918—2002 一級 A 排放標準。

　　在 TN 的去除上，組合工藝克服了傳統(tǒng)生物處理存在的脫氮效果有限、生態(tài)處理去除效果不穩(wěn)定的不足，取得了較為穩(wěn)定的脫氮效果。TN 平均出水濃度 10.19 mg/L，符合 GB 18918—2002 一級 A 排放標準。生物濾池主要通過生物脫氮(硝化反硝化)以及微生物對污水中部分氮的同化作用去除氮;人工濕地主要通過植物向內(nèi)部供氧，在根部附近根據(jù)溶解氧的含量形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)，為微生物的硝化-反硝化反應(yīng)創(chuàng)造條件。除此之外，部分無機氮(氨態(tài)氮、硝態(tài)氮等)也可通過被植物吸收的方式去除[4]。氧化塘(生態(tài)凈化塘)通過有機氮沉降、生物硝化反硝化以及水生植物吸收等作用實現(xiàn)脫氮，但脫氮的主導(dǎo)機制仍然存在爭議[5] 。

　　在生物濾池中，微生物附著生長的方式有利于硝化細菌的培養(yǎng)，且溫度適宜，供氧充足，NH3-N 通過硝化反應(yīng)被氧化為硝酸鹽或亞硝酸鹽。人工濕地對 NH3-N 的去除主要依靠植物根部附近好氧區(qū)的硝化反應(yīng)。此外，一部分 NH3-N 通過植物吸收、填料吸附以及揮發(fā)等方式去除;NH3-N 在氧化塘內(nèi)的去除依然有多種方式，包括生物硝化作用、水生植物吸附作用以及 NH3-N 的吹脫作用[5]。

　　經(jīng)過這三級保障，NH3-N 的平均出水濃度較低(2.84 mg/L)，基本能達標排放。污水進入生物濾池后，由于生物除磷作用(聚磷菌在厭氧條件下釋磷，在好氧條件下吸磷[6])以及填料攔截作用去除一部分 TP。在人工濕地內(nèi)，除磷的主要機制是填料的過濾作用以及進水槽內(nèi)廢棄石膏的吸附作用，生物除磷及植物吸收也能起到削減 TP 的作用，但其貢獻率較小[7]。在氧化塘內(nèi)，藻類、細菌以及一些水生生物會吸收無機磷供自身生長繁殖。此外，部分磷可通過沉淀去除，主要是鈣離子與正磷酸鹽生成磷酸鈣沉淀，經(jīng)生物生態(tài)組合處理后，平均出水濃度低至 0.35 mg/L，達到高效除磷效果。

　　2. 2 組合工藝冬季去除效果

　　本研究在冬季試驗期間(主要是 11—12 月)，試驗區(qū)氣溫在 8~20 ℃之間，水溫在 0~10 ℃之間，pH在 6.9~8.2 之間，DO 含量在 2.4~5.5 mg/L 之間。組合系統(tǒng)冬季對 COD、NH3-N、TN、TP 的去除率保持在 74.54%(60.49%~85.21%)、64.48%(52.20%~81.94%)、57.52%(48.82%~72.22%)、67.03%(53.06%~78.77%)，平均出水質(zhì)量濃度分別為 37.16、4.5、33.04、0.39mg/L。

　　COD、NH3-N、TP 出水濃度達到了 GB 18918—2002 一級 A 排放標準，總體去除效果良好，但明顯低于夏季處理效果。其中，氮的處理效果受季節(jié)變化影響較大，未達到一級 A 標準的排放要求。可能是因為低溫影響了組合系統(tǒng)的微生物活性，削弱了生物生態(tài)處理的硝化、反硝化作用，影響氮的遷移和轉(zhuǎn)化。此外，受季節(jié)變化影響，冬季植物長勢不佳，人工濕地依靠植物根部吸收的除氮效果也受到影響[8]。

　　濕地 1中種植的蘆葦和美人蕉根系發(fā)達，根部硝化細菌向濕地深處的分布，提供好氧微環(huán)境，有利于硝化反應(yīng);但蘆葦混合美人蕉濕地受溫度影響較大，冬季無機氮吸收能力遠低于夏季。脫氮穩(wěn)定性低于菖蒲混合鳶尾濕地(濕地 2)，表現(xiàn)出較大的季節(jié)差異，這也可能導(dǎo)致除氮效果產(chǎn)生季節(jié)差異。溫度變化對于 TN 和 NH3-N 去除的效果影響要大于 COD，可能是因為同化反應(yīng)比硝化與反硝化反應(yīng)的溫度系數(shù)低[9]。冬季 TP 進出水平均質(zhì)量濃度與夏季相近，平均去除率比夏季降低了 7.51%。因為溫度的降低影響了生物除磷作用以及植物對無機磷的吸收。在所有水質(zhì)指標中，TP 的去除受溫度變化影響較小，主要因為系統(tǒng)主要通過填料的沉淀作用以及濕地進水槽內(nèi)投加石膏的吸附作用[10]實現(xiàn)磷的去除，屬于物理化學(xué)過程，對溫度變化的敏感程度較低。因此，盡管冬季溫度降低，但組合工藝對 TP 的去除效果并沒有受到太大影響。

　　2.3 各處理單元去除特性

　　夏季和冬季各處理單元對污染物去除的貢獻率。可以看出，無論是夏季還是冬季，生物濾池對 COD 去除的貢獻(夏季 75.36%，冬季 67.96%)都遠超出其它單元，有機物的碳化反應(yīng)主要發(fā)生在生物濾池中，污水經(jīng)濾池能去除大部分有機物。氧化塘對 COD 去除的貢獻率最低(夏季 6.46%，冬季12.24%)，可能是因為其進水有機物負荷較小，導(dǎo)致可供微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)減少，從而降低了微生物的活性。同時，在氧化塘內(nèi)截留了一些藻類，其死亡和分解也會可能造成有機物二次污染[11]。此外，生物濾池對 TN 去除率明顯低于 NH3-N 可能是由于濾池內(nèi)反硝化作用受濾池內(nèi)厭氧區(qū)域限制所導(dǎo)致。

　　另外，氧化塘的去除效率雖然在 3 個處理單元中相對較低，但其已屬于組合工藝末端的深度處理。從去除效率來看，氧化塘對各污染物指標的去除效率在冬季反而有所提升，這可能是因為：首先，氧化塘能在冬季保持一定的處理效率，氣溫降低對其影響相對于組合工藝前端處理單元影響較小;其次，前端處理單元在冬季氣溫降低，植物部分凋落腐敗，微生物活性降低，從而導(dǎo)致去除效率下降。而植物凋落物使得氧化塘前端進水濃度升高，但補充了氧化塘中異養(yǎng)反硝化和除磷細菌所需碳源，從而提升了氧化塘單元的污染物去除效率。

　　人工濕地對 TN 去除的貢獻最大(夏季 65.08%，冬季 53.15%)，這主要得益于濕地內(nèi)部好氧、缺氧及厭氧相交替的環(huán)境。人工濕地表層復(fù)氧及植物光合泌氧使中上層區(qū)域維持好氧環(huán)境，保證有機物被該區(qū)域生長的好氧菌分解 [12];中下層區(qū)域因遠離植物泌氧根區(qū)，一般呈現(xiàn)缺氧和厭氧狀態(tài)，該區(qū)域通常適宜厭氧微生物生長 [13]。在這種交替環(huán)境下，反硝化細菌能夠充分發(fā)揮作用，濕地內(nèi)植物也能吸收一部分無機氮。生物濾池對 TN 去除的貢獻率較低，這可能是因為碳源稍欠不足。Nagaoka 等[14]指出廢水中的 C/N≥5.0時，才能保證反硝化過程所需的碳源。

　　工程進水水質(zhì) C/N 在 4.18~4.79，在這種環(huán)境中不利于反硝化反應(yīng)的進行。因此，濾池的脫氮效果較為有限。氧化塘對于 TN 去除的貢獻率也比較低，可能是因為氧化塘進水的碳氮比較低(C/N 在 2:1~3:1)，微生物需要的碳源嚴重不足，這在一定程度上大大削弱了反硝化作用，影響了氧化塘的脫氮效果。各處理單元夏季對 NH3-N 去除的貢獻率由高到低為生物濾池(66.46%)>人工濕地(26.04%)>氧化塘(7.50%)，冬季對 NH3-N 去除的貢獻率由高到低為生物濾池(57.13%)>人工濕地(26.90%)>氧化塘(15.97%)。

　　可以看出 NH3-N 的去除主要發(fā)生在生物濾池中，濾池中除了碳化反應(yīng)之外以氨化及硝化反應(yīng)為主，由于溶解氧較為充足，促進了 NH3-N 的硝化反應(yīng)。組合系統(tǒng)中對 TP 去除的貢獻最大是人工濕地(夏季 63.97%，冬季 62.87%)，其在除磷方面有較大的優(yōu)勢，說明工藝除磷的主要機制是濕地內(nèi)填料的沉淀作用以及濕地進水槽內(nèi)廢棄石膏的吸附作用。

　　2.4 污水處理地區(qū)差異

　　從系統(tǒng)對污染物指標的去除率來看，以桂林為代表的我國南方農(nóng)村地區(qū)的生活污水處理總體呈現(xiàn)夏季高冬季低的態(tài)勢。同樣采用生物生態(tài)組合系統(tǒng)處理模式，但太湖地區(qū)受季節(jié)變化影響較大[15-17]，尤其是TN 反應(yīng)出的季節(jié)變化差異大。與夏季相比，冬季廣西地區(qū) TN 去除率同比下降 14.16%，而劉芬芬等[16]在太湖周邊的研究結(jié)果顯示太湖地區(qū)同比下降高達 32.8% 。課題組在太湖地區(qū)有關(guān)生物生態(tài)處理的長期研究中[17]，提出的一種地埋式一體化工藝所表現(xiàn)出的脫氮除磷效果也具有相似的地區(qū)差異，其中 NH4+-N 和 TN的冬季平均去除率相較夏季分別下降 20.2%和 16.7%。可見太湖地區(qū)污水處理的季節(jié)效應(yīng)較廣西地區(qū)更為顯著，組合工藝更適用于處理效果波動性較小的廣西地區(qū)。

　　3 結(jié)論

　　(1)盡管污水進水波動幅度較大，組合工藝對污染物都有著良好的去除效果，出水水質(zhì)較為穩(wěn)定。可見，本工藝具有在廣西農(nóng)村地區(qū)進一步推廣的可行性。

　　(2)夏季組合工藝對 COD、TN、NH3-N 及 TP 的平均去除率分別為 87.57%、72.18%、80.98%及74.54%，出水平均濃度均達到 GB 18918-2002 一級 A 排放標準，冬季組合工藝對 COD、TN、NH3-N 及 TP的平均去除率明顯降低，分別為 77.46%、57.52%、64.48%及 67.03%。除氮效果受季節(jié)影響較大，冬季除污效果較弱。

　　(3)組合工藝各單元去除機理不同，生物濾池通過物理截留、生物作用等機制對 COD 及 NH3-N 的去除貢獻率最大，而人工濕地對 TN 和 TP 的去除貢獻率最大。氧化塘單元受前端進水濃度升高和自身耐低溫能力較好等因素影響，表現(xiàn)出較強的低溫穩(wěn)定性。可見，生物處理在有機物及 NH3-N 的去除方面有較大的優(yōu)勢，生態(tài)處理有利于進一步深度脫氮除磷、穩(wěn)定出水。生物生態(tài)協(xié)同處理使出水污水各項水質(zhì)指標穩(wěn)定達標。

　　(4)太湖農(nóng)村地區(qū)污水處理的季節(jié)效應(yīng)較廣西更為顯著，其中 TN 同比差異更明顯，原因可以歸結(jié)為太湖地區(qū)冬季低溫影響微生物活性和地區(qū)污染物排放量差別等，因此組合工藝更適用于處理效果波動性較小的廣西地區(qū)，生物-生態(tài)處理工藝的進一步推廣有必要進一步結(jié)合地區(qū)特點，通過提高生物多樣性，匹配與地區(qū)相適應(yīng)的技術(shù)和管理模式，提高地區(qū)農(nóng)村污水的可生化性。

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　　作者：楊盛贇1，陳俊鴻 2，陳 菁1，金 秋3*，彭鑫鑫 4，沙 玥5，粟世華 6，郭 攀6，李 偉4