太陽能曝氣凈化槽處理農村生活污水的運行及研究

張月強 劉艷軍 于成鵬 吳鑫明 胡曉茹 孫甲玉

摘要 構建了一種以太陽能為動力的曝氣凈化槽，研究其對農村生活污水的凈化效果。研究結果表明，在每日進水量68 L、水力停留時間（HRT）24 h的條件下，污水中化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）及總磷（TP）的最高去除率分別可達92.71%、60.31%、77.57%、87.74%，出水濃度基本滿足《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3693—2019）限值。太陽能曝氣凈化槽建造成本在1 440元左右，以太陽能為動力曝氣，實現微動力運行，可節約電力成本，且運行維護方便，具有較高的技術經濟優勢，適合農村生活污水分散處理。

關鍵詞 太陽能曝氣;凈化槽;農村生活污水;氮;磷

中圖分類號 X-799.3? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0213-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.054

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Operation and Research of Solar Aeration Johkasou for Rural Domestic Sewage

ZHANG Yue-qiang ?LIU Yan-jun ?YU Cheng-peng1 et al

（1. Mengyin County Branch of Linyi Ecological Environmental Bureau，Linyi，Shandong 276000;2. Xintai Branch of Taian Ecological Environmental Bureau， Taian， Shandong 271000）

Abstract An aeration purification johkasou powered by solar energy was constructed to study its purifying effect on rural domestic sewage.The results showed that under the conditions of daily inflow of 68 L and hydraulic retention time （HRT） of 24 h， the maximum removal rates of chemical oxygen demand （COD）， ammonia nitrogen （NH3-N）， total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） in sewage can reach 92.71%， 60.31%， 77.57% and 87.74% respectively， and the effluent concentration basically meets the limits of "Water Pollutant Discharge Standard for Rural Domestic Sewage Treatment and Disposal Facilities" （DB 37/3693-2019）.The construction cost of the solar aeration johkasou was about 1 440 yuan. The solar energy was used for aeration to realize micro-power operation， which could save electricity costs， and was convenient to operate and maintain. It had high technical and economic advantages and was suitable for decentralized treatment of rural domestic sewage.

Key words Solar aeration;Johkasou;Rural domestic sewage;Nitrogen;Phosphorus

隨著農村生活水平提高，生活污水排放量也不斷增加，農村生活污水的整治并未得到較大改善，導致污水橫流，農村生活污水隨著地表流入溝河湖泊、農田土壤，對農村生態環境造成了污染，嚴重威脅人體健康[1]。近年來，我國大力推進農村污水治理，中共中央辦公廳、國務院辦公廳聯合印發《農村人居整治三年行動方案》[2]，指出農村污水治理進程要不斷加快。據山東省生態環境廳2019年初步統計，山東全省已完成農村生活污水治理的行政村僅占23.96%，大部分農村地區的生活污水治理尚處于起步階段。已建成的農村污水處理設施完全照搬城市污水處理，由于水量無法滿足、水質波動大、資金投入不足、缺乏有效管理[3-4]，已出現水土不服的現象，部分農村污水處理設施出現停用、棄用等現象。因此，加快農村生活污水的治理，從源頭解決農村污水造成的污染問題迫在眉睫。

農村污水的主要特點：①分布廣、處理費用高。農村地域廣闊、居住分散、污水管網建設費用高。②季節分布不均。水量的日變化大、季節性變化大，冬季污水量少、夏季較多;③污水中污染物的COD、TN、TP濃度與污水量呈相反趨勢[5]。

分散式凈化槽由于處理方式靈活，適用于布局分散、人口不集中的農村污水的特殊要求，在保護鄉村水環境方面發揮了重要作用[4]。然而由于填料溶解氧的含量較低導致污染物的去除效果不佳。我國北方農村地區天氣多晴少雨，太陽能資源豐富。近年我國太陽能利用技術成熟，主要有太陽能保溫技術、太陽能光催化氧化技術、太陽能驅動地表水修復[6]，可以為構建太陽能微動力曝氣污水處理系統提供支持。太陽能曝氣的原理是將太陽能轉化為電能，再轉化為機械能驅動曝氣，對污染水體進行增氧以提高污染物的去除率[7]。針對農村生活污水處理面臨的現實問題，利用現有技術條件，將太陽能曝氣技術和農村生活污水凈化槽有機結合起來，構建太陽能曝氣凈化槽，以實現農村生活污水資源回收利用、達標排放，同時節約運行成本、安裝維護方便[8]。

筆者將太陽能發電技術耦合入農村生活污水凈化槽，利用太陽能發電對凈化槽內曝氣，研究太陽能曝氣凈化槽對模擬農村生活污水中有機污染物和氮磷的凈化性能，為太陽能曝氣凈化槽應用于農村生活污水治理提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及造價

太陽能曝氣凈化槽具體尺寸為長1.08 m、寬0.37 m、高0.49 m，由9.5 cm×45.5 cm×30.0 cm的調節沉淀池、84.5 cm×45.5 cm×30.0 cm的好氧曝氣凈化池和5.5 cm×45.5 cm×30.0 cm的集水池組成（圖1）。好氧凈化池自下而上依次分層填充7 cm厚的聚乙烯多面空心球、5 cm厚的陶粒、5 cm厚的火山巖、5 cm厚的活性炭、5 cm厚的石英砂、5 cm厚的腐殖土，在距離底部7 cm 處同一水平面均勻放置6個曝氣頭。

在凈化槽中安裝太陽能曝氣裝置，太陽能曝氣裝置由2塊17 W的太陽能板、12 000 mA鋰電池、定時控制器、導氣管、曝氣頭等組成。依靠太陽能提供動力全天曝氣，最大曝氣量為10.5 L/min，曝氣強度、曝氣時間與天氣狀況相關。太陽能曝氣凈化槽的建造成本明細如下（表1）。由表1可看出，該研究所用太陽能曝氣凈化槽的建造成本約1 440元。

1.2 試驗水質

試驗進水采用模擬污水[9]，由自來水、乙酸鈉、硫酸銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉、硫酸鎂、微量元素營養液等按照一定的比例配制，初始進水水質各項指標如下：溫度10～18 ℃、pH 7.5～8.2、COD 262.29～370.03 mg/L、NH3-N 22.78～35.24 mg/L、TN 25.24～8.59 mg/L、TP 3.48～4.26 mg/L。

1.3 裝置運行工況

裝置持續運行38 d，于2020年11月10日開始，至12月18日停止。首先對太陽能曝氣凈化槽進行馴化，裝置穩定運行后開始進行水質監測。試驗進水方式為連續進水，水力停留時間（HRT）為24 h，每日進水量68 L，水溫10～20 ℃，每2 d在裝置進、出水口分別取樣進行水質監測，測定COD、NH3-N、TN、TP的濃度。

1.4 水質分析方法

參照《水與廢水監測分析方法》（第4版）[10]，化學需氧量（COD）采用重鉻酸鉀快速密閉催化消解法，氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法，總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法，總磷（TP）采用鉬銻抗分光光度法。

2 結果與分析

2.1 COD去除效果分析

圖2為太陽能曝氣凈化槽在運行期間COD進出水濃度及去除率的變化情況。COD進水濃度控制在262.29～370.03 mg/L，運行期間去除率達到80%以上的概率為88%，此時COD出水濃度均低于60 mg/L，滿足《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3693—2019）一級標準。受天氣影響，陰雨天氣曝氣量較小，使得COD去除率有所波動，運行期間有2次監測結果顯示COD出水濃度>60 mg/L，但仍可滿足DB37/3693—2019二級標準（<100 mg/L）。

2.2 NH3-N去除效果分析

由圖3可知，NH3-N進水濃度在22.78～35.24 mg/L之間，其去除率較COD低，最高可達60%，出水濃度基本可滿足DB37/3693—2019二級標準（水溫≤12 ℃時NH3-N濃度<20 mg/L）。

運行期間NH3-N去除率較低的主要原因如下：①硝化反應最佳溫度是25～30 ℃，而試驗時間正處于北方的冬季，氣溫較低，降低了硝化細菌的增長速率，抑制了硝化細菌的活性;②從11月19日開始，當地天氣大多處于陰天，太陽能板發電產生的曝氣量較小，硝化細菌為好氧菌，水中溶解氧的濃度降低減弱了硝化細菌對氨氮的硝化作用。

2.3 TN去除效果分析

圖4為太陽能曝氣凈化槽運行期間TN進出水濃度與去除率的變化情況。由圖4可知，TN進水濃度在25.24～38.59 mg/L之間，最大去除率為77.57%，最小去除率僅為16.35%。出水濃度波動較大，有87.50%的概率可滿足DB37/3693—2019濃度限值（20 mg/L）。

TN的去除主要是NH3-N和NO3-N的綜合去除，郭燁燁[11]研究表明，填料上的生物膜吸收的NH3-N能力優于NO3--N，且NH3-N的存在嚴重影響了填料上附著的微生物對NO3--N的去除，故NH3-N去除效率決定了TN的去除效率。由于低溫原因導致了處理后出水NH3-N的去除率降低，間接造成了TN的去除效果不佳。

2.4 TP去除效果分析

由圖5可知，太陽能曝氣凈化槽運行期間TP進水濃度在3.48～4.26 mg/L之間，出水濃度基本可滿足DB 37/3693—2019）濃度限值（1.5 mg/L）。運行期間TP去除率整體呈下降趨勢，這是因為除磷的主要途徑是填料對磷的吸附[12]，運行初期凈化槽填料未達到吸附飽和平衡，凈化效果良好，隨著凈化槽填料對磷的吸附接近吸附飽和平衡，吸附速率逐漸下降，導致出水濃度較高，去除率降低。

3 討論

3.1 太陽能曝氣凈化槽對污染物的凈化機理

太陽能曝氣凈化槽對農村生活污水的凈化綜合了物理、化學和生物三重作用，主要依靠凈化槽內填料對污染物的吸附，以及附著在填料上的生物膜中微生物對污染物的吸收降解[13-14]。污水中的COD為太陽能曝氣凈化槽中好氧微生物的呼吸作用提供碳源，太陽能曝氣充氧使水體中DO濃度升高，有利于好氧微生物繁殖，二者協同作用，促進生活污水中的有機污染物的快速降解。

太陽能曝氣凈化槽內連續的硝化和反硝化過程被認為是脫氮的重要途徑[14]。生活污水中的氮主要是以氨氮的形式存在[15]，在曝氣充足的條件下，凈化槽填料所附著的硝化細菌將NH3-N氧化為NO3--N和NO2--N，從而使生物膜恢復對NH4+的吸附功能[16]。郭小馬等[17]研究發現，凈化槽中的溶解氧濃度越大，越有利于硝化細菌的生長，使硝化細菌活性增強、代謝旺盛。在太陽能曝氣凈化槽上部填料區域溶解氧較低形成了缺氧環境，反硝化細菌將NO3--N和NO2-N作為電子受體還原，以氣態氮的形式排出。TN包括NOx--N和NH3-N，氨氧化細菌在曝氣增氧條件下快速將NH3-N轉化為NOx--N，使NH3-N出水濃度大幅度下降，但凈化槽內缺氧環境的面積有限，延緩了凈化槽填料上生物膜的反硝化作用，造成出水中NOx--N的濃度增加，最終導致在監測期間太陽能曝氣凈化槽的TN出水濃度略高于NH3-N。

太陽能曝氣凈化槽對磷的去除主要通過凈化槽內填料的吸附、置換和沉淀等實現[18]。加入曝氣增強了填料內水流的流動，有利于填料與磷的接觸。填料表面能截留大分子的磷，但是填料吸附除磷存在最大吸附飽和度，并不是一個可持續吸附的過程，逐步達到吸附—解析的動態平衡，因此磷的去除效率逐漸降低。定期清洗填料是解決磷吸附飽和的有效方式[19]。

3.2 太陽能曝氣凈化槽的經濟性分析

根據太陽能曝氣凈化槽在運行期間的水質監測數據可知，其出水基本滿足農村污水排放要求，達到DB 37/3693—2019二級標準和《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）。在電池充滿電的情況下，連續3 d陰天，仍能保證裝置正常運行。盡管COD、NH3-N的去除率略有降低，但出水濃度仍低于農村生活污水處理處置設施水污染物排放濃度限值，可直接排入Ⅳ類、Ⅴ類水域和其他未經劃定的水環境功能區的水域、溝渠、自然濕地。因此，利用太陽能曝氣凈化槽處理農村生活污水在技術上是可行的。

工程造價和運行費用是太陽能曝氣凈化槽建設運行優先考慮的因素。該研究所用太陽能曝氣凈化槽的建造成本在1 440元左右，較其他污水處理設備的建造成本低[20]。且該設備以太陽能為動力曝氣，實現微動力運行，運行過程簡單，無需專人維護，可節約運行成本。對于經濟發展水平較低的農村地區可以安裝使用并推廣普及，這可在一定程度上解決農村生活污水就地處理、達標排放的難題。

4 結論

通過研究太陽能曝氣凈化槽對農村生活污水的凈化效果，并對其技術經濟性能進行分析，最終得出如下結論：

（1）太陽能曝氣凈化槽可有效降解農村生活污水中的污染物，化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的出水濃度基本滿足《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB37/3693—2019）濃度限值，可直接排入Ⅳ類、Ⅴ類水域和其他未經劃定的水環境功能區的水域、溝渠、自然濕地;且滿足《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005），可用于農田灌溉。

（2）太陽能曝氣凈化槽可實現對農村生活污水的低成本和高效處理，在凈化生活污水方面具有顯著的經濟技術優勢，為農村生活污水處理的工程實踐提供了可行性方案。

參考文獻

[1] 劉雪美.我國農村生活污水處理現狀及展望[J].安徽農業科學，2017，45（12）：58-60.

[2] 農村人居環境整治三年行動方案[J].廣東農村實用技術，2018（2）：8.

[3] 于陽春，韓子叻，彭巖波，等.關于推動山東省農村分散式污水處理模式的思考[J].水利水電技術，2019，50（S2）：129-132.

[4] 楊衛萍，陸天友.日本凈化槽技術應用對農村污水處理的啟示[J].福建建設科技，2014（5）：86-88.

[5] 明勁松，林子增.國內外農村污水處理設施建設運營現狀與思考[J].環境科技，201 29（6）：66-69.

[6] 孟浩，陳穎健.我國太陽能利用技術現狀及其對策[J].中國科技論壇，2009（5）：96-101.

[7] 吳薇，陳樹磊，劉建華，等.太陽能曝氣強化人工濕地對養豬廢水的凈化效果[J].安徽農業科學，2019，47（12）：67-69.

[8] 許春蓮，孟偉，宋乾武，等.構建我國分散型污水處理裝置技術體系[J].環境保護，2007（22）：49-51.

[9] 郭一明.耦合生態技術深度處理農村分散式生活污水效能與仿真[D].長沙：湖南大學，2014：23-25.

[10] 國家環境保護總局，水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002：210-284.

[11] 郭燁燁.間歇曝氣垂直潛流人工濕地的污水凈化效果及微生物機理研究[D].濟南：山東大學，2014：32-34.

[12] VYMAZAL J.Removal of nutrients in various types of constructed wetlands[J].Science of the total environment，2007，380 （1/2/3）：48-65.

[13] 葉建鋒.垂直潛流人工濕地中污染物去除機理研究[D].上海：同濟大學，2007：26-27.

[14] 亓鵬玉.間歇曝氣人工水平潛流濕地脫氮除磷效果及氧化亞氮釋放研究[D].濟南：山東大學，2012：23-25.

[15] 李德豪，殷旭東，高桂枝.COD濃度和進水流量比對一體化工藝脫氮除碳的影響[J].環境工程學報，2009，3（8）：1360-1364.

[16] 周金娥，唐立峰.人工濕地系統的除污機理及影響因素探討[J].土壤，2009，41（4）：520-524.

[17] 郭小馬，趙焱，王開演，等.分格復合填料曝氣生物濾池脫氮除磷特性及微生物群落特征分析[J].環境科學學報，201 35（1）：152-160.

[18] 杜剛，黃磊，魯言言，等.處理微污染河水的人工濕地中磷的去除特征及吸附形態分布[J].環境科學學報，201 33（2）：511-517.

[19] 李想，崔莉鳳.曝氣增強垂直潛流型人工濕地脫氮效果研究[J].北京工商大學學報（自然科學版），2009，27（1）：6-10.

[20] 閆向玲.植物強化活性污泥法脫氮除磷研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013：60-61.