分散式農(nóng)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(tài)環(huán)境局蒙陰縣分局，山東蒙陰 276200；2山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安 271018）

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化程度不斷提高，農(nóng)村生態(tài)環(huán)境得到一定改觀。然而，農(nóng)村散排的生活污水造成的生態(tài)環(huán)境問題一直未得到妥善解決，這與我國經(jīng)濟綠色可持續(xù)發(fā)展相悖，嚴重影響了農(nóng)村飲用水安全，并且制約了農(nóng)村和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1]。一方面，農(nóng)村缺乏排水設施規(guī)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(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的條件；另一方面，農(nóng)村衛(wèi)生設施建造標準過低，大部分農(nóng)村生活污水不經(jīng)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(nóng)村生活污水，維持良好的水生態(tài)系統(tǒng)成為新農(nóng)村建設的一個重要任務。

根據(jù)中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)的《農(nóng)村人居整治三年行動方案》[2]，梯次推進農(nóng)村生活污水治理，應根據(jù)農(nóng)村不同區(qū)位條件、污水產(chǎn)生規(guī)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(nóng)村經(jīng)濟水平發(fā)展不平衡、村莊聚集程度不均勻，同時考慮到農(nóng)村生活污水排放源分散、水質(zhì)波動大、流量季節(jié)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(nóng)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(yǎng)物去除的影響。在該凈化槽運行穩(wěn)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(zhì)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(nóng)村污水處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

室內(nèi)構(gòu)建小型分散式農(nóng)村生活污水凈化槽（圖1），由調(diào)節(jié)沉淀池、好氧凈化區(qū)和集水池組成。好氧凈化區(qū)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(zhì)分析方法

參照《水和廢水監(jiān)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)量填料可吸附磷的表面積增加，單位質(zhì)量填料磷最大吸附容量增加。若磷濃度大幅超過系統(tǒng)本身所存在的極限積累狀態(tài)，磷可能會被釋放，從而出現(xiàn)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(zhì)量輕，單位質(zhì)量比表面積最大；陶粒為較規(guī)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?？紫堵瘦^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(jù)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(jù) 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(jié)果類似。

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

2.2 模擬污水水質(zhì)下分散式農(nóng)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(nóng)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(jiān)測了凈化槽長期運行結(jié)果。整個試驗期間氣溫為7～31℃，出水水質(zhì)狀況與氣溫有很大的關(guān)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(jù)《農(nóng)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(tǒng)平均出水濃度基本穩(wěn)定在105 mg/L，滿足國家《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》（GB 5084—2005）中水作和旱作作物的水質(zhì)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(jié)來看，夏季COD出水效果明顯優(yōu)于冬季。雖然氣溫降低后期將水力停留時間延長，但系統(tǒng)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(nóng)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(tǒng)的運行，基質(zhì)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(nóng)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(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

在所選擇的填料中，孔隙率優(yōu)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(jù)；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(nóng)村污水凈化槽具有占地面積小、啟動較快、對環(huán)境無二次污染、成本低、運行維護簡單等諸多優(yōu)點，適宜在農(nóng)村地區(qū)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(fā)現(xiàn)，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(yǎng)微生物，其對環(huán)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(zhì)不穩(wěn)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(jù)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(tǒng)達到液－質(zhì)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(xiàn)較低水平[12]。

凈化槽對磷的平均去除率從啟動運行30 d內(nèi)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(shù)量微小，同時基質(zhì)除磷存在最大飽和度，其并不是一個長期可持續(xù)的過程。定期更換填料是解決吸附飽和問題的可行方式。