豫西農村生活污水處理系統凈化效果研究

李寶玉，齊青青，朱曉萌，張永婷

（1.河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450046； 2.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046；3.貴州省水利工程建設質量與安全中心，貴州 貴陽 550002）

近年來，隨著鄉村振興戰略的推進，農業農村發展擺到了更高的位置，同時對農村人居環境有了更高要求。 豫西是我國人口和糧食生產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，農業人口占比較大［1］。 豫西地形主要為丘陵和山地，屬大陸性季風氣候區，水資源匱乏，蒸發能力強，容易形成干旱［2］，其中三門峽市干旱最為嚴重。 干旱缺水制約了該地區的農業生產和經濟發展［3］。 因此，尋找合格的灌溉水對豫西缺水地區來說尤為重要。 污水資源化利用是解決該地區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。 為彌補缺水地區灌溉水量不足的問題，保障農作物正常生長，確保糧食安全，可以將生活污水經處理后用于農田灌溉。 農村生活污水主要含有氮磷等污染物以及細菌、病毒等［5］，污水不經處理或處理不達標用于灌溉，容易造成土壤和地下水污染。 污水不經處理或處理不達標排入河道、湖泊和水庫等，增加受納水體污染負荷，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，化學需氧量（COD）與氮磷等營養鹽濃度升高，易造成水體富營養化甚至出現黑臭現象［6］，導致農村水環境惡化。農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，這對提升農村水環境質量具有重大的現實意義。

與城市相比，我國農村經濟發展相對落后、資源管理模式相對粗放、地區經濟發展不平衡、水環境治理薄弱。 河南省農村年排放生活污水量約4.7 億t［7］，而農村生活污水處理率僅12.72%［8］，污水處理率低。 因此，亟須加快推廣農村污水處理設施，完善污水處理系統，提高農村生活污水處理率。 豫西地區受環境、地形、經濟發展等因素影響，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，針對豫西地區農村水環境特點，設計了一套生活污水處理系統，并研究了不同水力停留時間（HRT）系統處理氮磷營養鹽及COD 的效果，以期為提升農村水環境質量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗系統設計

生活污水處理系統主要由配水箱、過濾箱、植物箱、出水箱組成，見圖1。 配水箱內為模擬配制的農村生活污水，在未來實際應用中也可視為沉淀池或pH值調節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，總容積128 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，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，總容積130 L，底部設穿孔曝氣管。 植物箱所栽植物為適宜豫西地區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。 污水處理系統還設置配電箱、流量計、氣泵等，以方便計量、控制系統的進水流量和曝氣量。

1.2 試驗方法及進水污染物濃度

通過控制進水負荷，研究水力停留時間為18、24 h時系統出水效果。 試驗進水氨氮、總氮、磷酸鹽、COD質量濃度分別為8.62 ～12.42、12.07 ～15.79、2.13 ～2.89、92～129 mg／L，pH 值為7.60 ～7.90，進水方式為連續進水。 在污水處理系統運行初期，吸附基質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偏差以及保證濕地植物正常生長，污水處理系統各處理單元外層用保溫膜包裹，并插入加熱棒和溫控系統實時控制和監測系統運行時的溫度，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行連續曝氣處理。

1.3 水樣采集與分析

試驗共進行60 d，兩種工況（水力停留時間為18、24 h）先后各運行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 等質量濃度，相關指標測定方法參照《水和廢水監測分析方法》。

2 結果與分析

2.1 COD 質量濃度變化及去除率

COD 是表征污水有機物的常用指標，因此采用COD 去除率反映污水處理系統凈化有機物的效果。不同水力停留時間填料箱和系統整體出水COD 質量濃度變化及去除率見圖2。 系統運行時，進水COD 質量濃度為92～129 mg／L，當水力停留時間為18 h 時，填料箱出水COD 質量濃度為38 ～85 mg／L，COD 去除率為23.53%～61.72%，平均去除率為49.28%；系統整體出水COD 質量濃度為4 ～43 mg／L，COD 去除率為61.95%～96.12%，平均去除率為76.03%。 當水力停留時間為24 h 時，填料箱出水COD 質量濃度為34 ～58 mg／L，去除率為42.57% ～63.27%，平均去除率為57.76%；系統整體出水COD 質量濃度為7 ～56 mg／L，總去除率為44.55%～92.86%，平均去除率為75.31%。結果表明，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整體出水效果。 兩種工況下，系統平均總出水COD 質量濃度均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準，滿足河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41／1820—2019）一級標準。

通過填料的物理沉淀及化學修復、厭氧微生物和好氧微生物的降解、植物吸收和異養菌氧化有機碳［9］，實現COD 的消減。 填料箱中鐵碳填料發生微電解反應，生成的亞鐵離子與污水中硫化物和磷酸鹽等發生化學作用生成鐵離子，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的穩定性。 同時，在系統內部形成具有較強吸附能力的氫氧化鐵絮凝體，更有利于有機物吸附凝聚［10］。 因此，加入鐵碳填料可以提升污水處理系統對COD 的去除效果。

2.2 氨氮質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出水氨氮質量濃度變化及去除率見圖3。 系統運行時，進水氨氮質量濃度為8.62 ～12.42 mg／L。 當水力停留時間為18 h 時，填料箱出水氨氮質量濃度為3.36 ～7.92 mg／L，去除率為28.75% ～63.25%，平均去除率為45.24%；系統整體出水氨氮質量濃度為1.29 ～4.56 mg／L，總去除率為56.04%～86.95%，平均去除率為72.23%。 當水力停留時間為24 h 時，填料箱出水氨氮質量濃度為2.96 ～6.58 mg／L，去除率為33.27% ～68.05%，平均去除率為51.94%；系統整體出水氨氮濃度為2.42 ～4.83 mg／L，總去除率為48.73%～74.04%，平均去除率為63.09%。 減少水力停留時間導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的有機負荷，致使異氧菌大量繁殖，與硝化細菌產生競爭，進而降低氨氮的去除效果。 兩種水力停留時間系統平均出水氨氮質量濃度均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準和河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41／1820—2019）一級標準。

隨著試驗的進行，出水氨氮質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，系統運行前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定，填料表面充滿了黃褐色絮凝狀物質，表明微生物已在填料箱內部穩定生長，即填料表面掛膜成功。 系統運行前14 d氨氮總去除率逐漸下降，從初始74.04% 下降至48.73%；14 d 后氨氮總去除率逐漸升高，最高達到72.81%。 在硝化細菌作用下，填料箱內部發生硝化反應，部分氨氮得以去除。 隨著進水流過吸附基質到達填料頂部，填料箱內有機物濃度下降，硝化細菌所需要的營養物質供給不足，削弱了硝化反應［11］。 試驗初期植物箱內還沒有微生物生成，當水流進入植物箱時，僅靠植物根系吸收氨氮，氨氮去除率較低，隨著系統運行時間的增加，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水體溶解氧含量，促使硝化反應再次發生，系統氨氮去除率升高。 當水力停留時間為18 h 時，系統運行前14 d 氨氮去除率逐漸下降，此后填料箱去除率與系統總去除率相差明顯，表明系統運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果。

2.3 總氮質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整體出水總氮質量濃度變化及去除率見圖4。 系統運行時，進水總氮質量濃度為12.07 ～15.79 mg／L。 當水力停留時間分別為18 h 時，填料箱出水總氮質量濃度為3.32～6.68 mg／L，總氮去除率為51.10%～73.46%，平均去除率為61.82%；系統整體出水總氮質量濃度為3.24～6.54 mg／L，總去除率為52.12%～74.10%，平均去除率為65.33%。 當水力停留時間為24 h 時，填料箱出水總氮質量濃度為4.23 ～7.49 mg／L，去除率為42.12%～67.36%，平均去除率為56.88%；系統整體出水總氮質量濃度為3.26 ～6.54 mg／L，總去除率為49.46% ～75.15%，平均去除率為65.41%。 兩種水力停留時間下，系統平均出水總氮質量濃度均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準和河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41／1820—2019）一級標準。

進水總氮以氨氮、硝氮、亞硝氮等形式存在，通過基質填料吸附、微生物新陳代謝、濕地植物吸收以及氨氮揮發等完成氮素的去除，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境下被氧化為亞硝態氮，反硝化過程、微生物生長均需要消耗碳源，流經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氮的亞硝態氮停留在水體中，導致系統整體總氮去除率下降。

2.4 磷酸鹽質量濃度變化及去除率

磷酸鹽的去除主要通過基質填料吸附、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系統整體出水磷酸鹽質量濃度變化及去除率見圖5。 系統運行時，進水磷酸鹽質量濃度為2.13 ～2.89 mg／L。 當水力停留時間為18 h 時，填料箱出水磷酸鹽質量濃度為0.20 ～2.14 mg／L，去除率為18.82% ～92.83%，平均去除率為51.95%；系統整體出水磷酸鹽質量濃度為0.02 ～1.95 mg／L，總去除率為24.67%～99.18%，平均去除率為63.20%。 當水力停留時間為24 h 時，填料箱出水磷酸鹽質量濃度為0.24 ～1.90 mg／L，去除率為28.96% ～90.63%，平均去除率為51.55%；系統整體出水磷酸鹽質量濃度為0.04 mg／L～1.53 mg／L，總去除率為40.79%～98.47%，平均去除率為62.83%。 兩種水力停留時間，系統平均出水磷酸鹽質量濃度均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B 標準和河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41／1820—2019）二級標準。

隨著系統運行，磷酸鹽去除率顯著下降。 研究發現，試驗初期聚磷菌在好氧條件下吸收了部分磷酸鹽，加上基質填料的吸附作用，磷酸鹽去除率較高；試驗后期基質填料內部溶解氧不足，呈缺氧／厭氧狀態，聚磷菌活性受到抑制，致使磷酸鹽去除率降低。 同時，隨著系統運行時間的延長，基質填料可能已達到飽和狀態，導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生爛葉、腐根，導致植物體內吸收的磷酸鹽釋放到水體，提高了出水磷酸鹽的質量濃度，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運行的重要參數之一，其影響污水處理系統微生物的種群分布和脫氮除磷效果。 當水力停留時間為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。但對比系統運行情況發現，植物箱內各污染物濃度變化具有不穩定性，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，系統運行更為穩定，濕地植物生長狀況也更好。 因此建議將24 h 作為污水處理系統較優的水力停留時間。

3 結 論

兩種水力停留時間均能有效降低豫西農村生活污水中氮磷營養鹽及COD 質量濃度，系統出水COD、氨氮、總氮平均質量濃度均能滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準和河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41／1820—2019）一級標準；系統平均出水磷酸鹽質量濃度滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B 標準和河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41／1820—2019）二級標準。 水力停留時間對系統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，試驗系統整體運行也更為穩定，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 作為農村生活污水處理系統較優的水力停留時間。