豫西農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)凈化效果研究

李寶玉，齊青青，朱曉萌，張永婷

（1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；3.貴州省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全中心，貴州 貴陽 550002）

近年來，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進(jìn)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展擺到了更高的位置，同時對農(nóng)村人居環(huán)境有了更高要求。 豫西是我國人口和糧食生產(chǎn)大省河南省的重要組成部分，也是黃河流域重要的糧食和能源基地，農(nóng)業(yè)人口占比較大［1］。 豫西地形主要為丘陵和山地，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，水資源匱乏，蒸發(fā)能力強(qiáng)，容易形成干旱［2］，其中三門峽市干旱最為嚴(yán)重。 干旱缺水制約了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展［3］。 因此，尋找合格的灌溉水對豫西缺水地區(qū)來說尤為重要。 污水資源化利用是解決該地區(qū)水資源短缺的有效途徑［4］，污水資源化利用途徑之一是灌溉。 為彌補(bǔ)缺水地區(qū)灌溉水量不足的問題，保障農(nóng)作物正常生長，確保糧食安全，可以將生活污水經(jīng)處理后用于農(nóng)田灌溉。 農(nóng)村生活污水主要含有氮磷等污染物以及細(xì)菌、病毒等［5］，污水不經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)用于灌溉，容易造成土壤和地下水污染。 污水不經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)排入河道、湖泊和水庫等，增加受納水體污染負(fù)荷，污染物積累超出受納水體自凈能力，水體中溶解氧（DO）濃度下降，化學(xué)需氧量（COD）與氮磷等營養(yǎng)鹽濃度升高，易造成水體富營養(yǎng)化甚至出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象［6］，導(dǎo)致農(nóng)村水環(huán)境惡化。農(nóng)村生活污水處理后資源化利用，不僅可以提高水資源利用率，而且可以減少水體污染，這對提升農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

與城市相比，我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后、資源管理模式相對粗放、地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡、水環(huán)境治理薄弱。 河南省農(nóng)村年排放生活污水量約4.7 億t［7］，而農(nóng)村生活污水處理率僅12.72%［8］，污水處理率低。 因此，亟須加快推廣農(nóng)村污水處理設(shè)施，完善污水處理系統(tǒng)，提高農(nóng)村生活污水處理率。 豫西地區(qū)受環(huán)境、地形、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響，采取的污水處理措施不能直接照搬城市污水處理方法。 因此，針對豫西地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套生活污水處理系統(tǒng)，并研究了不同水力停留時間（HRT）系統(tǒng)處理氮磷營養(yǎng)鹽及COD 的效果，以期為提升農(nóng)村水環(huán)境質(zhì)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生活污水處理系統(tǒng)主要由配水箱、過濾箱、植物箱、出水箱組成，見圖1。 配水箱內(nèi)為模擬配制的農(nóng)村生活污水，在未來實(shí)際應(yīng)用中也可視為沉淀池或pH值調(diào)節(jié)池暫時存儲生活污水。 配水箱采用容積為600 L的圓柱形塑料水桶，可容納農(nóng)村4 口之家1 d 所排放生活污水。 過濾箱（填料箱）由6 mm 厚PVC 板材加工而成，尺寸為400 mm×400 mm×800 mm，總?cè)莘e128 L。 過濾箱從下至上依次為鐵碳填料、火山巖、石英砂等吸附基質(zhì)，每種填料厚約250 mm，各填料之間用孔板隔開，填料孔隙率為73.56%，進(jìn)水方式為從下至上。 植物箱由尺寸為650 mm×400 mm×500 mm的PVC 板材加工而成，總?cè)莘e130 L，底部設(shè)穿孔曝氣管。 植物箱所栽植物為適宜豫西地區(qū)生長且對水體凈化效果較好的鳶尾、香蒲、菖蒲、蘆竹等濕地植物，按照最佳種植密度栽種。 污水處理系統(tǒng)還設(shè)置配電箱、流量計(jì)、氣泵等，以方便計(jì)量、控制系統(tǒng)的進(jìn)水流量和曝氣量。

1.2 試驗(yàn)方法及進(jìn)水污染物濃度

通過控制進(jìn)水負(fù)荷，研究水力停留時間為18、24 h時系統(tǒng)出水效果。 試驗(yàn)進(jìn)水氨氮、總氮、磷酸鹽、COD質(zhì)量濃度分別為8.62 ～12.42、12.07 ～15.79、2.13 ～2.89、92～129 mg／L，pH 值為7.60 ～7.90，進(jìn)水方式為連續(xù)進(jìn)水。 在污水處理系統(tǒng)運(yùn)行初期，吸附基質(zhì)填料石英砂和火山巖用自來水沖洗至上清液清澈后自然晾干；栽培的濕地植物去除腐根、爛葉后，用自來水將植物根部泥土沖洗干凈。 試驗(yàn)時間為2021 年11 月至2022 年1 月，正處豫西冬季，晝夜溫差較大，為了減小溫度帶來的試驗(yàn)偏差以及保證濕地植物正常生長，污水處理系統(tǒng)各處理單元外層用保溫膜包裹，并插入加熱棒和溫控系統(tǒng)實(shí)時控制和監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行時的溫度，溫度控制在23 ～27 ℃之間。 為了提高污水處理效果以及增加溶解氧含量，濕地植物栽培植物箱進(jìn)行連續(xù)曝氣處理。

1.3 水樣采集與分析

試驗(yàn)共進(jìn)行60 d，兩種工況（水力停留時間為18、24 h）先后各運(yùn)行30 d。 填料箱和植物箱水樣每2 d采集1 次，將采集的水樣用真空泵抽取過濾，得到澄清的溶液測定氨氮、總氮、磷酸鹽、COD 等質(zhì)量濃度，相關(guān)指標(biāo)測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD 質(zhì)量濃度變化及去除率

COD 是表征污水有機(jī)物的常用指標(biāo)，因此采用COD 去除率反映污水處理系統(tǒng)凈化有機(jī)物的效果。不同水力停留時間填料箱和系統(tǒng)整體出水COD 質(zhì)量濃度變化及去除率見圖2。 系統(tǒng)運(yùn)行時，進(jìn)水COD 質(zhì)量濃度為92～129 mg／L，當(dāng)水力停留時間為18 h 時，填料箱出水COD 質(zhì)量濃度為38 ～85 mg／L，COD 去除率為23.53%～61.72%，平均去除率為49.28%；系統(tǒng)整體出水COD 質(zhì)量濃度為4 ～43 mg／L，COD 去除率為61.95%～96.12%，平均去除率為76.03%。 當(dāng)水力停留時間為24 h 時，填料箱出水COD 質(zhì)量濃度為34 ～58 mg／L，去除率為42.57% ～63.27%，平均去除率為57.76%；系統(tǒng)整體出水COD 質(zhì)量濃度為7 ～56 mg／L，總?cè)コ蕿?4.55%～92.86%，平均去除率為75.31%。結(jié)果表明，較長的水力停留時間有利于填料對COD 的去除，但不同水力停留時間系統(tǒng)整體COD 平均去除率相差較小，表明水力停留時間并不影響系統(tǒng)整體出水效果。 兩種工況下，系統(tǒng)平均總出水COD 質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)，滿足河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41／1820—2019）一級標(biāo)準(zhǔn)。

通過填料的物理沉淀及化學(xué)修復(fù)、厭氧微生物和好氧微生物的降解、植物吸收和異養(yǎng)菌氧化有機(jī)碳［9］，實(shí)現(xiàn)COD 的消減。 填料箱中鐵碳填料發(fā)生微電解反應(yīng)，生成的亞鐵離子與污水中硫化物和磷酸鹽等發(fā)生化學(xué)作用生成鐵離子，為微生物生長提供了不可或缺的條件，提高了微生物活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 同時，在系統(tǒng)內(nèi)部形成具有較強(qiáng)吸附能力的氫氧化鐵絮凝體，更有利于有機(jī)物吸附凝聚［10］。 因此，加入鐵碳填料可以提升污水處理系統(tǒng)對COD 的去除效果。

2.2 氨氮質(zhì)量濃度變化及去除率

不同水力停留時間填料箱和污水處理系統(tǒng)出水氨氮質(zhì)量濃度變化及去除率見圖3。 系統(tǒng)運(yùn)行時，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為8.62 ～12.42 mg／L。 當(dāng)水力停留時間為18 h 時，填料箱出水氨氮質(zhì)量濃度為3.36 ～7.92 mg／L，去除率為28.75% ～63.25%，平均去除率為45.24%；系統(tǒng)整體出水氨氮質(zhì)量濃度為1.29 ～4.56 mg／L，總?cè)コ蕿?6.04%～86.95%，平均去除率為72.23%。 當(dāng)水力停留時間為24 h 時，填料箱出水氨氮質(zhì)量濃度為2.96 ～6.58 mg／L，去除率為33.27% ～68.05%，平均去除率為51.94%；系統(tǒng)整體出水氨氮濃度為2.42 ～4.83 mg／L，總?cè)コ蕿?8.73%～74.04%，平均去除率為63.09%。 減少水力停留時間導(dǎo)致填料對氨氮的去除率下降，原因是較短水力停留時間增加系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷，致使異氧菌大量繁殖，與硝化細(xì)菌產(chǎn)生競爭，進(jìn)而降低氨氮的去除效果。 兩種水力停留時間系統(tǒng)平均出水氨氮質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)和河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41／1820—2019）一級標(biāo)準(zhǔn)。

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，出水氨氮質(zhì)量濃度先上升后下降，去除率呈先下降后升高的變化趨勢。 水力停留時間為24 h 時，系統(tǒng)運(yùn)行前14 d 填料箱氨氮去除率波動較大，第14～18 d 氨氮去除率逐漸趨于穩(wěn)定，填料表面充滿了黃褐色絮凝狀物質(zhì)，表明微生物已在填料箱內(nèi)部穩(wěn)定生長，即填料表面掛膜成功。 系統(tǒng)運(yùn)行前14 d氨氮總?cè)コ手饾u下降，從初始74.04% 下降至48.73%；14 d 后氨氮總?cè)コ手饾u升高，最高達(dá)到72.81%。 在硝化細(xì)菌作用下，填料箱內(nèi)部發(fā)生硝化反應(yīng)，部分氨氮得以去除。 隨著進(jìn)水流過吸附基質(zhì)到達(dá)填料頂部，填料箱內(nèi)有機(jī)物濃度下降，硝化細(xì)菌所需要的營養(yǎng)物質(zhì)供給不足，削弱了硝化反應(yīng)［11］。 試驗(yàn)初期植物箱內(nèi)還沒有微生物生成，當(dāng)水流進(jìn)入植物箱時，僅靠植物根系吸收氨氮，氨氮去除率較低，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間的增加，植物根系增多，微生物逐漸在根系周圍大量衍生，同時曝氣提高了植物箱內(nèi)水體溶解氧含量，促使硝化反應(yīng)再次發(fā)生，系統(tǒng)氨氮去除率升高。 當(dāng)水力停留時間為18 h 時，系統(tǒng)運(yùn)行前14 d 氨氮去除率逐漸下降，此后填料箱去除率與系統(tǒng)總?cè)コ氏嗖蠲黠@，表明系統(tǒng)運(yùn)行后期氨氮去除率升高是濕地植物根系吸收和微生物分解共同作用的結(jié)果。

2.3 總氮質(zhì)量濃度變化及去除率

不同水力停留時間填料箱和污水處理系統(tǒng)整體出水總氮質(zhì)量濃度變化及去除率見圖4。 系統(tǒng)運(yùn)行時，進(jìn)水總氮質(zhì)量濃度為12.07 ～15.79 mg／L。 當(dāng)水力停留時間分別為18 h 時，填料箱出水總氮質(zhì)量濃度為3.32～6.68 mg／L，總氮去除率為51.10%～73.46%，平均去除率為61.82%；系統(tǒng)整體出水總氮質(zhì)量濃度為3.24～6.54 mg／L，總?cè)コ蕿?2.12%～74.10%，平均去除率為65.33%。 當(dāng)水力停留時間為24 h 時，填料箱出水總氮質(zhì)量濃度為4.23 ～7.49 mg／L，去除率為42.12%～67.36%，平均去除率為56.88%；系統(tǒng)整體出水總氮質(zhì)量濃度為3.26 ～6.54 mg／L，總?cè)コ蕿?9.46% ～75.15%，平均去除率為65.41%。 兩種水力停留時間下，系統(tǒng)平均出水總氮質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)和河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41／1820—2019）一級標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)水總氮以氨氮、硝氮、亞硝氮等形式存在，通過基質(zhì)填料吸附、微生物新陳代謝、濕地植物吸收以及氨氮揮發(fā)等完成氮素的去除，其中微生物的硝化與反硝化作用是氮素去除的主要途徑，占去除比例的60%～90%［12］。 總氮去除率呈逐漸下降趨勢，原因是氨氮在植物箱好氧環(huán)境下被氧化為亞硝態(tài)氮，反硝化過程、微生物生長均需要消耗碳源，流經(jīng)填料后出水碳氮比較小，因碳源不足而無法徹底被還原為氣態(tài)氮的亞硝態(tài)氮停留在水體中，導(dǎo)致系統(tǒng)整體總氮去除率下降。

2.4 磷酸鹽質(zhì)量濃度變化及去除率

磷酸鹽的去除主要通過基質(zhì)填料吸附、微生物分解和植物吸收等完成。 不同水力停留時間填料箱和試驗(yàn)系統(tǒng)整體出水磷酸鹽質(zhì)量濃度變化及去除率見圖5。 系統(tǒng)運(yùn)行時，進(jìn)水磷酸鹽質(zhì)量濃度為2.13 ～2.89 mg／L。 當(dāng)水力停留時間為18 h 時，填料箱出水磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.20 ～2.14 mg／L，去除率為18.82% ～92.83%，平均去除率為51.95%；系統(tǒng)整體出水磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.02 ～1.95 mg／L，總?cè)コ蕿?4.67%～99.18%，平均去除率為63.20%。 當(dāng)水力停留時間為24 h 時，填料箱出水磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.24 ～1.90 mg／L，去除率為28.96% ～90.63%，平均去除率為51.55%；系統(tǒng)整體出水磷酸鹽質(zhì)量濃度為0.04 mg／L～1.53 mg／L，總?cè)コ蕿?0.79%～98.47%，平均去除率為62.83%。 兩種水力停留時間，系統(tǒng)平均出水磷酸鹽質(zhì)量濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級B 標(biāo)準(zhǔn)和河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41／1820—2019）二級標(biāo)準(zhǔn)。

隨著系統(tǒng)運(yùn)行，磷酸鹽去除率顯著下降。 研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)初期聚磷菌在好氧條件下吸收了部分磷酸鹽，加上基質(zhì)填料的吸附作用，磷酸鹽去除率較高；試驗(yàn)后期基質(zhì)填料內(nèi)部溶解氧不足，呈缺氧／厭氧狀態(tài)，聚磷菌活性受到抑制，致使磷酸鹽去除率降低。 同時，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間的延長，基質(zhì)填料可能已達(dá)到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致對磷酸鹽的吸附能力降低。 此外，濕地植物新陳代謝可能產(chǎn)生爛葉、腐根，導(dǎo)致植物體內(nèi)吸收的磷酸鹽釋放到水體，提高了出水磷酸鹽的質(zhì)量濃度，造成磷酸鹽去除率降低。

2.5 最佳水力停留時間的確定

水力停留時間是污水處理系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)之一，其影響污水處理系統(tǒng)微生物的種群分布和脫氮除磷效果。 當(dāng)水力停留時間為18 h 時，氨氮、總氮、磷酸鹽、COD 平均去除率分別為72.23%、65.33%、63.20%、76.03%；當(dāng)水力停留時間為24 h 時，氨氮、總氮、磷酸鹽、COD 平均去除率分別為63.09%、65.41%、62.83%、75.31%。 水力停留時間為18、24 h 時，氨氮平均去除率差異較大，總氮、磷酸鹽和COD 去除率相差較小。水力停留時間為18 h 時，污水處理系統(tǒng)對磷酸鹽、COD 的平均去除率均稍高于水力停留時間為24 h 的。但對比系統(tǒng)運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，植物箱內(nèi)各污染物濃度變化具有不穩(wěn)定性，絕大部分污染物去除主要依靠填料箱。 較長的水力停留時間有助于提高填料箱對氨氮和COD 的去除，系統(tǒng)運(yùn)行更為穩(wěn)定，濕地植物生長狀況也更好。 因此建議將24 h 作為污水處理系統(tǒng)較優(yōu)的水力停留時間。

3 結(jié) 論

兩種水力停留時間均能有效降低豫西農(nóng)村生活污水中氮磷營養(yǎng)鹽及COD 質(zhì)量濃度，系統(tǒng)出水COD、氨氮、總氮平均質(zhì)量濃度均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)和河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41／1820—2019）一級標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)平均出水磷酸鹽質(zhì)量濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級B 標(biāo)準(zhǔn)和河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41／1820—2019）二級標(biāo)準(zhǔn)。 水力停留時間對系統(tǒng)去除氨氮有較大影響，對總氮、磷酸鹽和COD 的去除影響較小。 當(dāng)水力停留時間為24 h 時，填料箱對氨氮和COD 的去除率更高，試驗(yàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行也更為穩(wěn)定，對氨氮、總氮、磷酸鹽、COD 的總平均去除率分別為63.09%、65.41%、62.83%、75.31%。 因此，選取24 h 作為農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)較優(yōu)的水力停留時間。