农村生活污水生物生态组合处理技术研究以桂林地区为例

　　摘要：为考察广西桂林地区生物-生态工艺处理农村生活污水的实际效果，构建了“调节池+生物滤池+潜流人工湿地+生态净化塘”组合设备，对污水处理前后的水质进行监测，详细分析了季节变化对组合工艺处理效果影响，并针对各单元的污染物处理特征进行研究。结果表明，夏季 COD、TN、NH3-N 及 TP 的平均去除率分别为 87.57%、72.18%、80.98%及 74.54%，冬季为 77.46%、57.52%、64.48%及 67.03%，桂林地区污水处理结果存在显著的季节性差异。组合系统中生物滤池对 COD 及 NH3-N 的去除贡献率最大，而人工湿地对 TN 和 TP 的去除贡献率最大，氧化塘对污染物的处理呈现出较强的低温稳定性。该装置在桂林地区处理农村生活污水表现出良好效果。与桂林地区不同，太湖地区受温度及地区污水排放量影响，TN 去除效果的季节波动性较大，组合工艺的进一步推广应考虑地区差异性。

　　关键词：农村生活污水;生物生态组合处理;季节效应;氮磷;地区效应

　　0 引 言

　　农村污水的处理关系到农村及其周边地区的水环境，而且威胁着农村饮水安全，使农民的身心健康无法得到保障[1]。与城市相比，农村的基础设施较为薄弱，排水系统不够健全。房屋分散，污水排放波动性大，集中收集困难。缺乏可用于污水处理设施长效运行的资金和技术，污水处理难度较大。此外，农村居民环保意识普遍不强，缺乏具备科学素养和技术的人才。因此，低耗、高效、生态、易管理的农村污水处理模式至关重要。传统的农村污水处理中，单纯的生物工艺运行管理较复杂、能耗大，而单纯的生态工艺对环境依赖性过强，运行效果不稳定，都存在一定局限性。我国东部沿海农村地区的组合系统应用研究较广，而南方地区生物-生态协同处理模式在处理效果、季节变化等方面表现出的地区特征有待探讨。

　　因此本文在深入分析广西农村生活污水水质水量特征、污水生物、生态处理技术优劣的基础上，选择适宜的生活污水生物-生态协同处理模式[2]，以广西桂林地区农村生活污水为对象，构建了“调节池+生物滤池+潜流人工湿地+生态净化塘”的组合工艺技术，研究分析季节变化对处理效果的影响，进一步探讨广西地区与太湖地区季节效应的地区差异，实现对生活污水中有机物和氮磷的低能耗、高效率去除，管理维护简便。且污水经“生物-生态”处理后，可用于周边农田和果园的灌溉，通过种植农产品进一步利用污水中残存的氮磷等营养盐，实现生活污水处理及回用的双重目的，极利于在广大村镇推广，为推广适宜地区特色的农村污水处理模式提供参考数据。

　　生活污水论文：浅谈中小城镇生活污水特点与处理工艺

　　1 试验装置与研究方法

　　1.1 调节池+生物滤池+潜流人工湿地+生态净化塘构造

　　本文装置主要由调节池、生物滤池、人工湿地、氧化塘和一些配套设施组成，整套污水处理设施占地约为 160 m2，设计进水量为 12 m3/d。其中调节池有效尺寸为 2.8 m×1.7 m×1.8 m，调节池后部如图1 所示安放潜污泵;生物滤池在平面上呈梯形，上底 2.9 m，下底 3.1 m，沿水流方向长 1.6 m，深度 1.35m;人工湿地上底 3.1 m，下底 9.6 m，沿水流方向长 11.2 m，深度 1.35 m;氧化塘呈梯形，上底 9.6 m，下底 12.7 m，沿水流方向长 7.2 m，深度 1.35 m。

　　实验中，通过浮球阀控制潜污泵开关，达到一定水位时启动，将污水提升到生物滤池中;生物滤池内填料至下而上依次为 40 cm 陶粒层(粒径为 5~8 mm)以及 40 cm 多孔介质层(粒径为 150mm)，陶粒层和多孔介质层之间由 3 cm 厚的格栅分隔。滤池采用跌水及拔风管充氧的方式，由潜污泵抽水到高处，通过布水器，经由进水盘下落跌水，并内置拔风管进行充氧，可以做到在下落及溅水过程中充氧，且均匀分散进水。根据课题组长期关于生物滤池充氧效果的研究，装置采用自然通风和溅水盘强化充氧的方式能够满足生物滤池内部微生物对氧气的需求[13]，且与传统的生物滤池相比，能耗大大减少。湿地类型为潜流型人工湿地，有效深度 1.0 m，其中由池底部沿表面填充基质分别为：40 cm砾石(直径 5 cm)、40 cm 煤渣(直径 2 cm)和 20 cm 种植土。湿地后端由中间一堵厚度为 0.1 m 的隔墙分为两个廊道，标记为湿地 1 和湿地 2 。

　　湿地 1 混合种植芦苇和美人蕉，栽植密度均为 1 株/dm2;湿地 2 混合种植菖蒲和鸢尾，栽植密度均为 1 株/dm2;氧化塘中分别投加浮游动物休眠卵、底栖动物(田螺、河蚌、摇蚊幼虫)、和水生植物(水芹菜、空心菜)幼株，形成不同物种的独特生态位，对污水进行净化。包括浮游动物滤食区(投加大型蚤)、底栖动物刮食区(投加螺蛳、河蚌)、鱼类摄食区(投加草鱼、花鲢)和水生植物(种植狐尾藻、睡莲、菱角)等生态净化功能区。其中浮游生物、底栖动物、鱼类投加比例约为 10:5:1，水生植物幼株为 1 株/dm2。

　　浮游动物群滤食藻类、悬浮颗粒物等微小有机体;底栖动物刮食区通过多种生产者、消费者和分解者对污水中沉降性颗粒物、溶解性氮磷等成分进行有效刮食;水生植物进一步对溶解性氮磷和有机物的吸附、固定、吸收、转化作用增强水质净化效果。生态净化塘充分发挥了各级生物类群水质净化潜能，同时收获水生植物和鱼类，产生一定的经济效益，实现系统可持续社会服务功能。整个装置在运行过程中仅需一台泵，利用剩余扬程，溅水跌落，自然充氧，无需曝气装置，降低电力消耗。另外，通过生物处理与生态处理相结合，解决了单纯依靠小型污水生物处理工艺除磷脱氮工艺复杂，建设及运行成本高的弊端，维护相对简单。此外，工艺还预留反冲洗模块，设置了反冲洗泵和风机，可利用生态氧化塘处理水作为反冲洗用水，在生物滤池发生堵塞时使用。

　　1.2 系统运行条件

　　本试验通过纳管收集桂林市临桂区大安头村生活污水为原水，污水水量受季节影响较大。夏季实际进水量为 5~6 m3/d。冬季居民用水量明显降低，实际进水量为 3~5 m3/d。夏季和冬季的进水水质情况分别，可以看出，夏季和冬季进水水质范围接近，冬季进水水质的平均值略低。

　　1.3 采样与监测本试验装置

　　自 2019 年 7 月起进入试运行期，夏季从 2019 年 7 月 18 日开始采集水样，冬季从 2019 年11 月 26 日开始。每隔 2~3 d 进行一次采样，并监测其水质。在夏冬试验期间，设置 6 处取样点，分别为生物滤池进水处、人工湿地进水处(进水槽前端)、湿地 1 末端出水处、湿地 2 末端出水处、氧化塘进水处及氧化塘末端出水处。

　　2 结果与讨论

　　2.1 组合工艺夏季去除效果

　　本研究在夏季试验期间(主要是 7—8 月)，气温在 26~34 ℃，水温在 25~30℃，pH 在 6.8~8.0，DO 含量在 2.9~6.1 mg/L。夏季组合系统对 4 种污水指标的净化效果整体显著，各指标夏季平均去除率保持在 70%以上，其中 COD、NH3-N、TN、TP 平均去除率分别为 87.57%、80.98%、72.18%、74.54%。进水 COD 质量浓度为 101.83~332.30 mg/L，NH3-N、TN、TP 分别为 8.94~44.75 mg/L、21.28~79.38 mg/L、0.63 ~2.25 mg/L，系统进水的水质波动较大，与进水浓度波动性不同的是，出水浓度稳定在一个较低的状态，平均出水浓度均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级 A 排放标准(出水 COD、NH3-N、TN、TP 质量浓度不高于 50、5、15、0.5 mg/L)，出水水质稳定。这是因为调节池、生物滤池、人工湿地、生态净化塘组合工艺能有效的缓冲、调节和降解污水。

　　收集到的农村生活污水经调节池预处理后，水中难降解的有机物被分解为简单的有机物，大大提高了污水的可生化性。污水由潜污泵泵入生物滤池，通过分级跌落与空气充分接触，并进一步利用拔风管充氧，实现氧气高效供给。在生物滤池中通过微生物同化反应实现 COD 的高效去除，在生态段(人工湿地+氧化塘)通过微生物利用、基质吸附、植物过滤等作用进一步去除污水中残留的有机物[3]。通过生物段和生态段组合，强化 COD 的处理效果，经组合工艺处理后 COD 平均出水浓度降至 21.66 mg/L，远低于 GB18918—2002 一级 A 排放标准。

　　在 TN 的去除上，组合工艺克服了传统生物处理存在的脱氮效果有限、生态处理去除效果不稳定的不足，取得了较为稳定的脱氮效果。TN 平均出水浓度 10.19 mg/L，符合 GB 18918—2002 一级 A 排放标准。生物滤池主要通过生物脱氮(硝化反硝化)以及微生物对污水中部分氮的同化作用去除氮;人工湿地主要通过植物向内部供氧，在根部附近根据溶解氧的含量形成好氧、缺氧和厌氧区，为微生物的硝化-反硝化反应创造条件。除此之外，部分无机氮(氨态氮、硝态氮等)也可通过被植物吸收的方式去除[4]。氧化塘(生态净化塘)通过有机氮沉降、生物硝化反硝化以及水生植物吸收等作用实现脱氮，但脱氮的主导机制仍然存在争议[5] 。

　　在生物滤池中，微生物附着生长的方式有利于硝化细菌的培养，且温度适宜，供氧充足，NH3-N 通过硝化反应被氧化为硝酸盐或亚硝酸盐。人工湿地对 NH3-N 的去除主要依靠植物根部附近好氧区的硝化反应。此外，一部分 NH3-N 通过植物吸收、填料吸附以及挥发等方式去除;NH3-N 在氧化塘内的去除依然有多种方式，包括生物硝化作用、水生植物吸附作用以及 NH3-N 的吹脱作用[5]。

　　经过这三级保障，NH3-N 的平均出水浓度较低(2.84 mg/L)，基本能达标排放。污水进入生物滤池后，由于生物除磷作用(聚磷菌在厌氧条件下释磷，在好氧条件下吸磷[6])以及填料拦截作用去除一部分 TP。在人工湿地内，除磷的主要机制是填料的过滤作用以及进水槽内废弃石膏的吸附作用，生物除磷及植物吸收也能起到削减 TP 的作用，但其贡献率较小[7]。在氧化塘内，藻类、细菌以及一些水生生物会吸收无机磷供自身生长繁殖。此外，部分磷可通过沉淀去除，主要是钙离子与正磷酸盐生成磷酸钙沉淀，经生物生态组合处理后，平均出水浓度低至 0.35 mg/L，达到高效除磷效果。

　　2. 2 组合工艺冬季去除效果

　　本研究在冬季试验期间(主要是 11—12 月)，试验区气温在 8~20 ℃之间，水温在 0~10 ℃之间，pH在 6.9~8.2 之间，DO 含量在 2.4~5.5 mg/L 之间。组合系统冬季对 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%)，平均出水质量浓度分别为 37.16、4.5、33.04、0.39mg/L。

　　COD、NH3-N、TP 出水浓度达到了 GB 18918—2002 一级 A 排放标准，总体去除效果良好，但明显低于夏季处理效果。其中，氮的处理效果受季节变化影响较大，未达到一级 A 标准的排放要求。可能是因为低温影响了组合系统的微生物活性，削弱了生物生态处理的硝化、反硝化作用，影响氮的迁移和转化。此外，受季节变化影响，冬季植物长势不佳，人工湿地依靠植物根部吸收的除氮效果也受到影响[8]。

　　湿地 1中种植的芦苇和美人蕉根系发达，根部硝化细菌向湿地深处的分布，提供好氧微环境，有利于硝化反应;但芦苇混合美人蕉湿地受温度影响较大，冬季无机氮吸收能力远低于夏季。脱氮稳定性低于菖蒲混合鸢尾湿地(湿地 2)，表现出较大的季节差异，这也可能导致除氮效果产生季节差异。温度变化对于 TN 和 NH3-N 去除的效果影响要大于 COD，可能是因为同化反应比硝化与反硝化反应的温度系数低[9]。冬季 TP 进出水平均质量浓度与夏季相近，平均去除率比夏季降低了 7.51%。因为温度的降低影响了生物除磷作用以及植物对无机磷的吸收。在所有水质指标中，TP 的去除受温度变化影响较小，主要因为系统主要通过填料的沉淀作用以及湿地进水槽内投加石膏的吸附作用[10]实现磷的去除，属于物理化学过程，对温度变化的敏感程度较低。因此，尽管冬季温度降低，但组合工艺对 TP 的去除效果并没有受到太大影响。

　　2.3 各处理单元去除特性

　　夏季和冬季各处理单元对污染物去除的贡献率。可以看出，无论是夏季还是冬季，生物滤池对 COD 去除的贡献(夏季 75.36%，冬季 67.96%)都远超出其它单元，有机物的碳化反应主要发生在生物滤池中，污水经滤池能去除大部分有机物。氧化塘对 COD 去除的贡献率最低(夏季 6.46%，冬季12.24%)，可能是因为其进水有机物负荷较小，导致可供微生物生长的营养物质减少，从而降低了微生物的活性。同时，在氧化塘内截留了一些藻类，其死亡和分解也会可能造成有机物二次污染[11]。此外，生物滤池对 TN 去除率明显低于 NH3-N 可能是由于滤池内反硝化作用受滤池内厌氧区域限制所导致。

　　另外，氧化塘的去除效率虽然在 3 个处理单元中相对较低，但其已属于组合工艺末端的深度处理。从去除效率来看，氧化塘对各污染物指标的去除效率在冬季反而有所提升，这可能是因为：首先，氧化塘能在冬季保持一定的处理效率，气温降低对其影响相对于组合工艺前端处理单元影响较小;其次，前端处理单元在冬季气温降低，植物部分凋落腐败，微生物活性降低，从而导致去除效率下降。而植物凋落物使得氧化塘前端进水浓度升高，但补充了氧化塘中异养反硝化和除磷细菌所需碳源，从而提升了氧化塘单元的污染物去除效率。

　　人工湿地对 TN 去除的贡献最大(夏季 65.08%，冬季 53.15%)，这主要得益于湿地内部好氧、缺氧及厌氧相交替的环境。人工湿地表层复氧及植物光合泌氧使中上层区域维持好氧环境，保证有机物被该区域生长的好氧菌分解 [12];中下层区域因远离植物泌氧根区，一般呈现缺氧和厌氧状态，该区域通常适宜厌氧微生物生长 [13]。在这种交替环境下，反硝化细菌能够充分发挥作用，湿地内植物也能吸收一部分无机氮。生物滤池对 TN 去除的贡献率较低，这可能是因为碳源稍欠不足。Nagaoka 等[14]指出废水中的 C/N≥5.0时，才能保证反硝化过程所需的碳源。

　　工程进水水质 C/N 在 4.18~4.79，在这种环境中不利于反硝化反应的进行。因此，滤池的脱氮效果较为有限。氧化塘对于 TN 去除的贡献率也比较低，可能是因为氧化塘进水的碳氮比较低(C/N 在 2:1~3:1)，微生物需要的碳源严重不足，这在一定程度上大大削弱了反硝化作用，影响了氧化塘的脱氮效果。各处理单元夏季对 NH3-N 去除的贡献率由高到低为生物滤池(66.46%)>人工湿地(26.04%)>氧化塘(7.50%)，冬季对 NH3-N 去除的贡献率由高到低为生物滤池(57.13%)>人工湿地(26.90%)>氧化塘(15.97%)。

　　可以看出 NH3-N 的去除主要发生在生物滤池中，滤池中除了碳化反应之外以氨化及硝化反应为主，由于溶解氧较为充足，促进了 NH3-N 的硝化反应。组合系统中对 TP 去除的贡献最大是人工湿地(夏季 63.97%，冬季 62.87%)，其在除磷方面有较大的优势，说明工艺除磷的主要机制是湿地内填料的沉淀作用以及湿地进水槽内废弃石膏的吸附作用。

　　2.4 污水处理地区差异

　　从系统对污染物指标的去除率来看，以桂林为代表的我国南方农村地区的生活污水处理总体呈现夏季高冬季低的态势。同样采用生物生态组合系统处理模式，但太湖地区受季节变化影响较大[15-17]，尤其是TN 反应出的季节变化差异大。与夏季相比，冬季广西地区 TN 去除率同比下降 14.16%，而刘芬芬等[16]在太湖周边的研究结果显示太湖地区同比下降高达 32.8% 。课题组在太湖地区有关生物生态处理的长期研究中[17]，提出的一种地埋式一体化工艺所表现出的脱氮除磷效果也具有相似的地区差异，其中 NH4+-N 和 TN的冬季平均去除率相较夏季分别下降 20.2%和 16.7%。可见太湖地区污水处理的季节效应较广西地区更为显著，组合工艺更适用于处理效果波动性较小的广西地区。

　　3 结论

　　(1)尽管污水进水波动幅度较大，组合工艺对污染物都有着良好的去除效果，出水水质较为稳定。可见，本工艺具有在广西农村地区进一步推广的可行性。

　　(2)夏季组合工艺对 COD、TN、NH3-N 及 TP 的平均去除率分别为 87.57%、72.18%、80.98%及74.54%，出水平均浓度均达到 GB 18918-2002 一级 A 排放标准，冬季组合工艺对 COD、TN、NH3-N 及 TP的平均去除率明显降低，分别为 77.46%、57.52%、64.48%及 67.03%。除氮效果受季节影响较大，冬季除污效果较弱。

　　(3)组合工艺各单元去除机理不同，生物滤池通过物理截留、生物作用等机制对 COD 及 NH3-N 的去除贡献率最大，而人工湿地对 TN 和 TP 的去除贡献率最大。氧化塘单元受前端进水浓度升高和自身耐低温能力较好等因素影响，表现出较强的低温稳定性。可见，生物处理在有机物及 NH3-N 的去除方面有较大的优势，生态处理有利于进一步深度脱氮除磷、稳定出水。生物生态协同处理使出水污水各项水质指标稳定达标。

　　(4)太湖农村地区污水处理的季节效应较广西更为显著，其中 TN 同比差异更明显，原因可以归结为太湖地区冬季低温影响微生物活性和地区污染物排放量差别等，因此组合工艺更适用于处理效果波动性较小的广西地区，生物-生态处理工艺的进一步推广有必要进一步结合地区特点，通过提高生物多样性，匹配与地区相适应的技术和管理模式，提高地区农村污水的可生化性。

　　参考文献

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　　作者：杨盛贇1，陈俊鸿 2，陈 菁1，金 秋3*，彭鑫鑫 4，沙 玥5，粟世华 6，郭 攀6，李 伟4