很多農(nóng)村地區(qū)管道鋪設(shè)成本高、雨污分離難，加上農(nóng)村生活污水來源多且分散、水質(zhì)水量波動(dòng)等，加大了農(nóng)村地區(qū)生活污水的處理難度。而大量農(nóng)村生活污水的隨意排放已對(duì)農(nóng)村水環(huán)境、飲用水安全等造成了巨大的威脅。因此，積極推動(dòng)我國(guó)農(nóng)村生活污水處理迫在眉睫。鑒于農(nóng)村特別是偏遠(yuǎn)農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)，采用一次性投資低、能耗低、運(yùn)行穩(wěn)定的組合處理技術(shù)對(duì)生活污水進(jìn)行分散式處理是較為經(jīng)濟(jì)合理的。分散式處理可以不依賴污水管網(wǎng)收集和運(yùn)輸，工藝靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單，近年來受到越來越多的關(guān)注與研究。此外，研發(fā)一套能耗低、污染物去除效能高、管理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)資源再利用，出水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的單戶農(nóng)村生活污水一體化處理裝置十分必要。
本研究依托四川某偏遠(yuǎn)農(nóng)村居民生活污水展開。
1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1 廢水水質(zhì)水量
據(jù)調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)分布比較稀疏，管道鋪設(shè)困難、成本高，雨污分離難，污水集中處理困難。村民主要使用旱廁、糞坑收集糞污，暫存后用于農(nóng)肥和澆灌；其他廢水（洗漱、洗菜和刷鍋水等）順地勢(shì)流入房前屋后的農(nóng)灌溝、農(nóng)田和堰塘等。
當(dāng)?shù)厣钗鬯|(zhì)波動(dòng)較大，廢水有機(jī)物含量較低、含氮量較高，pH為6.8～8.0，COD為61.48～377.1mg/L，NH4+-N、TN、TP的質(zhì)量濃度分別為8.07～50.79、22.83～52.75、4.13～5.85mg/L。
1.2 裝置設(shè)計(jì)
在總結(jié)農(nóng)村生活污水一體化處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平和實(shí)際情況，選擇一種以生物接觸氧化和水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)為主體的一體化裝置，如圖1所示。
化糞池污水經(jīng)過格柵后進(jìn)入處理裝置，設(shè)計(jì)處理水量為200～500L/d。裝置體積小、質(zhì)量輕，可根據(jù)地勢(shì)置于廁所旁的地下等處，既方便又美觀。生物生化與濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)合大大減小了濕地堵塞的可能。可以根據(jù)季節(jié)在濕地栽種不同的水生蔬菜，提高了居民的積極性，非常適合農(nóng)村地區(qū)單戶居民或者分散式居民生活污水的處理。研究表明，許多水生蔬菜對(duì)污水都有著一定的凈化作用，例如空心菜對(duì)污水中的氮磷等都有很好的去除作用。樊均德等發(fā)現(xiàn)在9～12℃的低溫下培養(yǎng)6d時(shí)水芹對(duì)污水中的NH4+-N和正磷酸鹽的去除率分別可達(dá)59.34%和44.42%，表明低溫下水芹對(duì)生活污水中NH4+-N和正磷酸鹽均有較好的去除效果。
生物接觸氧化系統(tǒng)：采用2級(jí)生化處理方式，選擇的填料是彈性組合式填料（直徑150mm），填料填充率約為65%。生物接觸氧化系統(tǒng)微生物掛膜所用的活性污泥來自四川省成都市某市政污水處理廠的曝氣池，污泥接種質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為16%。
水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)：采用火山石作為系統(tǒng)基質(zhì)，構(gòu)建垂直潛流型人工濕地。自下至上火山石粒徑從大到小（粒徑分別為16～32、8～16、5～8mm）。火山石硬度大，具有多孔、比表面積大的特點(diǎn)，富含CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2等。國(guó)外有學(xué)者認(rèn)為，富含鈣、鐵及鋁的基質(zhì)凈化污水中磷的能力較強(qiáng)。此外，火山石表面帶有正電荷，有利于微生物固著生長(zhǎng)。火山石基質(zhì)上層覆土8cm左右，可根據(jù)季節(jié)變化，栽種不同的水生蔬菜。實(shí)驗(yàn)中種植空心菜。研究表明，空心菜在凈化農(nóng)村生活污水等污染水體方面都有著較好的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在傳統(tǒng)濕地的基礎(chǔ)上增加了曝氣系統(tǒng)，通過控制曝氣形成富氧區(qū)和缺氧區(qū)。
太陽能供電系統(tǒng)：主要滿足污水進(jìn)水和曝氣泵的用電需求。設(shè)計(jì)采用單晶硅太陽能電池板，在太陽能源不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到電網(wǎng)輔助供電，保障系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
裝置啟動(dòng)初期，進(jìn)水波動(dòng)較大，微生物未完全適應(yīng)，一體化污水處理裝置處理效果波動(dòng)較大。經(jīng)過10d的啟動(dòng)，隨著微生物的適應(yīng)以及接觸氧化池生物膜的逐漸形成，COD、NH4+-N等的處理效果逐漸提高并趨于穩(wěn)定，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定。
1.3 分析方法
2017年9－12月期間，對(duì)裝置進(jìn)水、生物接觸氧化池出水、人工濕地出水各設(shè)置1個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，檢測(cè)項(xiàng)目包括COD和NH4+-N、TN、TP含量，分別采用重鉻酸鉀法（GB11914－89）、納氏試劑分光光度法（HJ535－2009）、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636－2012）和鉬酸銨分光光度法（GB11893－89）測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 COD的去除效果
處理裝置正式運(yùn)行期間對(duì)污水COD的去除效果如圖2所示。
由圖2可知，裝置運(yùn)行期間進(jìn)水COD波動(dòng)較大（61.48～377.1mg/L），出水COD為5.02～49.98mg/L，均能達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這表明該裝置抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，并且在冬季也能穩(wěn)定高效地去除COD。裝置對(duì)污水COD的總?cè)コ蕿?/span>69.23～96.53%，接觸氧化系統(tǒng)主要通過生物膜上微生物的吸附、氧化分解等作用去除COD，去除率可達(dá)86.8%。水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)利用系統(tǒng)中基質(zhì)的過濾、吸附、沉淀，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用進(jìn)一步去除污水中的COD，去除率達(dá)3.00%～34.38%。
吳小鳳等研究了不同填料垂直流人工濕地系統(tǒng)的凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)火山石系統(tǒng)對(duì)COD的去除效率為22%。本研究中污水COD主要是依靠生物接觸氧化系統(tǒng)得以去除，這大大減少濕地系統(tǒng)堵塞的可能。雖然水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)對(duì)生活污水中的COD去除的貢獻(xiàn)不大，但經(jīng)過水生生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步處理，污水得到了進(jìn)一步的凈化，出水濁度降低。
2.2 NH4+-N的去除效果
處理裝置正式運(yùn)行期間對(duì)NH4+-N的去除效果如圖3所示。
由圖3可知，裝置運(yùn)行期間進(jìn)水NH4+-N含量波動(dòng)較大（質(zhì)量濃度8.07～50.79mg/L），出水NH4+-N的質(zhì)量濃度為0.59～1.93mg/L，均能穩(wěn)定達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這表明該裝置對(duì)生活污水中NH4+-N去除效果較好，并且在溫度較低的冬季也能穩(wěn)定高效去除NH4+-N。系統(tǒng)對(duì)污水NH4+-N的總?cè)コ史�(wěn)定在95.9%以上，最高達(dá)97.26%。
接觸氧化池中的微生物去除污水中的NH4+-N，主要是依靠生物膜上硝化細(xì)菌的硝化作用，首先氨氧化菌（AOB）將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，緊接著亞硝酸鹽氧化菌（NOB）將NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N。水生蔬菜型濕地主要通過基質(zhì)吸附，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用進(jìn)一步去除污水中NH4+-N，水生蔬菜根系有利于硝化菌等微生物的附著生長(zhǎng)、繁殖和提高系統(tǒng)的凈化效果。人工濕地基質(zhì)火山石對(duì)NH4+-N有著一定的吸附作用，人工曝氣也提高了濕地系統(tǒng)的凈化能力，OUELLET等研究發(fā)現(xiàn)，人工曝氣能夠改善夏季和冬季無植物人工濕地TKN的凈化用。
為使系統(tǒng)能夠有效去除污水中的TN，在11月底12月初對(duì)系統(tǒng)的曝氣量、曝氣時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。在調(diào)整工藝參數(shù)的情況下，生物接觸氧化池NH4+-N去除效率有所下降，但是污水通過人工濕地后，出水NH4+-N含量較低，能夠穩(wěn)定達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這表明水生蔬菜型人工濕地對(duì)污水NH4+-N也有著穩(wěn)定的去除作用。
2.3 TN的去除效果
經(jīng)過調(diào)整曝氣量、曝氣時(shí)間等工藝參數(shù)，裝置在寒冷的12月份對(duì)TN去除效果較好，如圖4所示。
由圖4可知，該裝置對(duì)生活污水中TN去除效果較好，出水TN的質(zhì)量濃度可低于5mg/L，能穩(wěn)定達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，去除率達(dá)93.07%。水生生態(tài)系統(tǒng)中的TN一部分是濕地基質(zhì)吸附了污水中的部分NH4+-N等，使得系統(tǒng)中TN有所降低。系統(tǒng)中大部分TN的去除還需要依靠反硝化菌，反硝化細(xì)菌在缺氧的條件下進(jìn)行反硝化作用將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻Ｉ锝佑|氧化系統(tǒng)隨著生物膜厚度不斷增加，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，在氧氣不能透過的內(nèi)側(cè)就形成了厭氧層，反硝化細(xì)菌在這里可以進(jìn)行反硝化作用。人工濕地基質(zhì)中設(shè)有曝氣豎管，形成富氧區(qū)和缺氧區(qū)，一方面進(jìn)一步去除COD和NH4+-N，另一方面有利于反硝化作用的進(jìn)行，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)脫氮的目的。基質(zhì)上層覆土并根據(jù)季節(jié)種植水生蔬菜，通過植物根系吸收等作用同樣有著去除TN的作用。蔬菜型人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN的平均去除率占總?cè)コ实?/span>66.57%。
2.4 TP的去除效果
該裝置對(duì)TP的去除效果不理想，去除率僅為20%～35%，出水TP的質(zhì)量濃度1.58～2.34mg/L，難以達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)吸附了污水中的部分TP等，使得系統(tǒng)中TP含量有所降低。張修穩(wěn)等研究了火山石、活性炭、生物陶粒和無煙煤等10種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性，結(jié)果表明，火山石的堆積密度較小分別為0.74g/cm3，孔隙度最大為77%，是濕地填料較好的選擇之一。國(guó)內(nèi)外研究表明，除磷能力不足也是人工濕地的普遍缺點(diǎn)之一。磷在濕地中的去除主要依靠基質(zhì)的吸附及沉淀，而基質(zhì)的吸附能力與基質(zhì)種類有關(guān)，可采用吸附能力更強(qiáng)的基質(zhì)或者組合基質(zhì)，張翔凌等將沸石進(jìn)行了改性并應(yīng)用于人工濕地中，強(qiáng)化了其除磷能力，TP的去除率超過90%；聶鳳采用改性火山石-PAC復(fù)合絮凝劑處理城鎮(zhèn)生活污水，TP的去除率可達(dá)到82.25%。此外，可通過在出水口設(shè)置化學(xué)除磷等進(jìn)一步去除污水中TP。
3、結(jié)論
該一體化污水處理裝置處理農(nóng)村生活污水效果顯著，系統(tǒng)對(duì)生活污水中的COD、NH4+-N等都有很好的去除作用，正式運(yùn)行后COD、NH4+-N和TN的最高去除效率分別可達(dá)96.53%、97.26%和93.07%，出水均能達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
該裝置的污水處理規(guī)模量為200～500L/d，非常適合農(nóng)村地區(qū)單戶居民或者分散式居民生活污水的處理。該裝置曝氣、進(jìn)水等均利用太陽能輔助曝氣，節(jié)約能耗。水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)根據(jù)季節(jié)變化栽種的空心菜等水生蔬菜可以食用，能夠提高農(nóng)戶維護(hù)的積極性，管理方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。（來源：中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，中國(guó)科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
