分散式農村生活污水凈化槽處理模擬污水的研究

于成鵬 胡守明 胡曉茹 吳鑫明 李 妮 徐麗梅 孫甲玉*

（1臨沂市生態環境局蒙陰縣分局，山東蒙陰 276200；2山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安 271018）

隨著我國農業生產現代化程度不斷提高，農村生態環境得到一定改觀。然而，農村散排的生活污水造成的生態環境問題一直未得到妥善解決，這與我國經濟綠色可持續發展相悖，嚴重影響了農村飲用水安全，并且制約了農村和農業的可持續發展[1]。一方面，農村缺乏排水設施規劃，運輸距離過長導致運輸費用過高，污水處理設施難以達到農村經濟發展的條件；另一方面，農村衛生設施建造標準過低，大部分農村生活污水不經過處理便排入附近河流或者潑灑至室外空地以致滲入地下。因此，有效治理農村生活污水，維持良好的水生態系統成為新農村建設的一個重要任務。

根據中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發的《農村人居整治三年行動方案》[2]，梯次推進農村生活污水治理，應根據農村不同區位條件、污水產生規模、村莊人口聚集程度，因地制宜地選擇污水處理工藝。鑒于我國各地農村經濟水平發展不平衡、村莊聚集程度不均勻，同時考慮到農村生活污水排放源分散、水質波動大、流量季節性變化顯著的特點，采用基建投資低、運行費用低、維護方便、占地面積小的小型分散式處理凈化槽是一種較為合理的選擇。

本文以低成本、易管理的分散式凈化槽來處理農村生活污水，主要研究了幾種常見填料對磷的吸附效果以及水力停留時間對營養物去除的影響。在該凈化槽運行穩定后，研究其對模擬污水中化學需氧量（COD）、氨氮（NH3－N）、總磷（TP）等水質指標的去除效果，進一步探究了主要污染物的去除機理，以期為凈化槽實際運行和農村污水處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

室內構建小型分散式農村生活污水凈化槽（圖1），由調節沉淀池、好氧凈化區和集水池組成。好氧凈化區自下而上分層依次填充聚乙烯多面空心球、陶粒、火山巖、活性炭、石英砂、腐殖土。

1.2 試驗用水

試驗進水采用人工模擬污水，其中以葡萄糖為碳源、硫酸銨為氮源、磷酸二氫鉀為磷源[3]。

1.3 試驗運行方案

裝置在2020年7月10日至9月30日運行條件為水力停留時間24 h，日進水量75 L，早、中、晚各進水25 L；10月1—19日運行條件為水力停留時間48 h，日進水量 36 L，早、中、晚各進水 12 L；10 月20—30日運行條件為水力停留時間72 h，日進水量18 L，早、中、晚各進水 6 L；11月 1—10日裝置閑置；11月11—25日，保持水力停留時間為24 h，日進水量75 L，COD濃度為450 mg/L，其余保持不變。試驗每2 d采集進水和出水水樣各1次，測定進出水COD、NH3－N、TP 的濃度。

1.4 水質分析方法

參照《水和廢水監測分析方法（第四版）》[4]，COD采用重鉻酸鉀快速密閉催化消解法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 填料對磷的吸附試驗

凈化槽對磷的去除方式包括填料對磷的吸附、微生物的轉化和吸收，其中填料吸附是去除磷的最主要方式[5]。圖2為5種填料對磷的吸附結果，隨著磷濃度的增加，5種填料對磷的吸附容量均不同程度地提高。在磷濃度為0～40 mg/L時，腐殖土、陶粒對磷的吸附容量快速增加，在濃度超過40 mg/L后吸附容量呈現下降趨勢。陶粒在磷濃度為0～20 mg/L時吸附容量快速增加，之后增速緩慢，在磷濃度超過60 mg/L后同樣呈現小幅度下降。石英砂、活性炭吸附量隨著磷濃度的提高緩慢增加，同時吸附容量相對較小。Dong Cheol Seo等[6]研究表明，隨著填料粒徑的減小，單位質量填料可吸附磷的表面積增加，單位質量填料磷最大吸附容量增加。若磷濃度大幅超過系統本身所存在的極限積累狀態，磷可能會被釋放，從而出現磷濃度過高而吸附容量下降的情況。

從圖2可看出，吸附容量由大到小為腐殖土＞陶粒＞火山巖＞活性炭＞石英砂。腐殖土顆粒較小質量輕，單位質量比表面積最大；陶粒為較規則球狀、孔隙率較大，吸附點位較多；火山巖表面蜂窩狀多孔；石英砂和活性炭孔隙率較小。孔隙率較大的填料防止堵塞復氧能力強，表面積大且表面粗糙的填料有利于微生物的附著生存和繁殖[7]。

根據Langmuir等溫方程，得出5種填料對磷的飽和吸附容量由大到小依次為腐殖土（1.460 1 mg/g）＞陶粒（0.536 3 mg/g）＞火山巖（0.315 0 mg/g）＞活性炭（0.228 6 mg/g）＞石英砂（0.226 4 mg/g）。 根據 Frenundlich等溫方程，得出5種填料的吸附強度由大到小依次是陶粒（2.120 0）＞腐殖土（1.389 3）＞火山巖（0.877 6）＞活性炭（0.831 7）＞石英砂（0.670 7）。 由表1可以看出，5種填料都可以由Langmuir等溫方程較好地擬合，R2均大于0.9。陶粒、石英砂、腐殖土可以很好地擬合Frenundlich等溫方程，說明該吸附過程包括化學吸附和物理吸附，而火山巖和活性炭的擬合效果不是很好，這與萬正芬等[8]的研究結果類似。

表1 填料對磷的Langmuir和Freundlich擬合等溫吸附方程及相關系數

2.2 模擬污水水質下分散式農村污水凈化槽對各有機污染物的去除效果

2.2.1 COD去除效果。圖3為不同時期小型分散式農村生活污水凈化槽的進出水COD濃度及其去除率。試驗從2020年7月運行至2020年12月，跟蹤監測了凈化槽長期運行結果。整個試驗期間氣溫為7～31℃，出水水質狀況與氣溫有很大的關系。由圖3可知，在水力停留時間為24 h的條件下平均進水COD濃度為285 mg/L，根據《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3693—2019）中的二級標準（COD≤100 mg/L），出水 COD濃度低于100 mg/L的達標率為96.04%，平均出水COD濃度為 53.96 mg/L，COD 平均去除率達 80.87%。

進一步研究水力停留時間對出水COD濃度的影響，水力停留時間為48 h和72 h時，COD平均進水濃度為306 mg/L，系統平均出水濃度基本穩定在105 mg/L，滿足國家《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）中水作和旱作作物的水質標準（COD≤150 mg/L）。水力停留時間為48 h時，COD平均去除率為62.73%；水力停留時間為72 h時，COD平均去除率為69.99%。從不同季節來看，夏季COD出水效果明顯優于冬季。雖然氣溫降低后期將水力停留時間延長，但系統COD出水濃度仍較高。其原因在于冬季氣溫下降過快會影響微生物的生長活性與繁殖[9]。

2.2.2 NH3－N去除效果。圖4為不同時期小型分散式農村生活污水凈化槽的進出水NH3－N濃度及NH3－N 去除率。 NH3－N 平均進水濃度為 35.24 mg/L的條件下，平均出水濃度為22.83 mg/L，平均去除率達 34.14%。 滿足 DB 37/3693—2019 二級標準（NH3－N≤20 mg/L）的概率僅為13.95%。水力停留時間為48 h 和 72 h 時，NH3－N 平均去除率僅為 16.75%。其原因可能是隨著系統的運行，基質對NH3－N的吸附等物理作用和離子交換等化學作用趨于平衡，且隨著氣溫的逐步降低微生物的硝化作用和反硝化作用降低。

2.2.3 TP去除效果。圖5為不同時期小型分散式農村生活污水凈化槽的進出水TP濃度及TP去除率。TP 平均進水濃度為 3.79mg/L，出水濃度為 2.06 mg/L，TP平均去除率為45.00%。水力停留時間分別為24、48、72h 時，TP 去除率分別為 46.02%、44.01%、45.06%。凈化槽運行4個月，TP去除率依舊保持在40%以上。

3 結論與討論

3.1 結論

在所選擇的填料中，孔隙率優選聚乙烯多面空心球；腐殖土和頁巖陶粒對磷的吸附效果良好，可以為凈化槽后期的填料組合篩選提供依據；在水力停留時間為24 h時，凈化槽對COD的去除率達80%以上，TP去除率達45%，氨氮去除率達34%；分散式農村污水凈化槽具有占地面積小、啟動較快、對環境無二次污染、成本低、運行維護簡單等諸多優點，適宜在農村地區推廣使用。

3.2 討論

COD的去除率在凈化槽運行2個月時保持在80%左右，后期受溫度下降等影響去除率降至60%左右。與其他主要污染物的指標對比發現，COD受溫度影響相對較小，COD的去除主要依靠種類豐富的異養微生物，其對環境和溫度的變化適應力較強[10]。

NH3－N的去除主要由硝化脫氮和氨氧化脫氮共同組成，其去除受到的干擾因素較多，故出水水質不穩定。有研究表明，生物脫氮最有效的溫度范圍為25～30℃。本試驗中NH3－N去除率從啟動階段的40%左右降至15%以下，這主要是由于溫度下降導致的。根據鞏有奎等[11]研究表明，在溫度由30℃降至10℃后，NH3－N的去除率從 90%降至 20%左右。NH3－N的去除在凈化槽啟動階段主要依靠填料的吸附，后期主要依靠微生物的生化作用。但是當系統達到液－質平衡后，填料的吸附作用下降，后期又由于溫度降低導致微生物活性降低，因而裝置對氨氮的去除率一直呈現較低水平[12]。

凈化槽對磷的平均去除率從啟動運行30 d內的49.84%降至運行 60 d時的 44.27%，運行 130 d時再降至41.71%。可見凈化槽對磷的去除受溫度影響較小，吸附是除磷的主要途徑[13]。微生物對磷的吸收速度較快，但是吸收數量微小，同時基質除磷存在最大飽和度，其并不是一個長期可持續的過程。定期更換填料是解決吸附飽和問題的可行方式。