生物滤池-水平潜流人工湿地组合工艺对农村生活污水处理效果评价——以上海市某镇为例

付津宇

(上海守安高达土壤处理技术有限公司，上海 200540)

1 引言

随着社会经济的快速发展，城镇规模不断扩大，同时也产生了大量的生活污水，其造成的环境污染问题引起了世界各国的高度重视[1]。近年来，我国对重点流域环境治理的要求不断加强，人们对环境保护的诉求也越来越高，为给社会生活和经济发展营造一个良好环境[2]，截至2015年，国务院正式印发《水污染防治行动计划》等文件，要求2020年全国水环境质量应得到阶段性改善[3]；到2030年，全国水环境质量基本得到总体改善，水环境生态系统功能得到初步恢复；到21世纪中叶，水环境生态系统得到全面改善，进一步实现良性循环[4]。因此，无论是对城市生活污水的处理，还是对农村生活污水的处理，其功效对我国水环境的治理和改善都极为重要。

农村生活污水主要由厕所污水(如尿液、粪便和冲洗水)、厨房污水和生活洗浴污水等组成[5,6]。相比于城市生活污水有着较为完备的污水处理体系，农村生活污水因分布广泛且分散、总体量较大和污水成分多样等原因，治理难度较大[7]。农村生活污水未经处理随意排放，可能通过雨水冲刷或者直接排放等途径进入河流湖泊，从而对环境景观和水生生态系统等产生不利影响[8]。例如，农村生活污水中含有的大量氮磷等营养元素，进入河流湖泊后，可能产生水体富营养化，从而导致藻类爆发，水质恶化，对水生生物产生毒性等。因此，很有必要对农村生活污水进行处理。

目前，农村污水处理的方法有很多，常用的处理技术或工艺主要有自然处理技术(例如：人工湿地处理系统、地下土壤渗滤净化系统等)和生物处理技术(活性污泥法、厌氧接触法、厌氧滤池等)以及多工艺组合处理技术[9]。本文主要对上海市某镇3个以生物滤池-水平潜流人工湿地组合工艺的农村生活污水处理系统的处理效果进行比较，并根据本市《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB31/T 1163-2019)进行处理效率评价，以期为后续相关农村污水处理设施的建设数据支持和理论依据。

2 材料与方法

2.1 污水处理站点及工艺分析

上海市某镇13个农村生活污水处理站点中有11个站点采用了生物滤池(净化槽)+人工湿地的组合处理工艺。工艺流程图如图1所示，生活污水通过管网聚集后，经过格栅去除尺寸较大杂质，而后进入集水池，由抽水泵提升至生物滤池，在重力的作用下，污水流经填料缝隙，并与其表面的生物膜充分接触，污染物和营养元素被微生物生长所利用或降解；生物滤池出水经过中间池沉淀和曝气后进入水平潜流人工湿地系统，在填料-土壤-植物耦合系统共同作用下进一步去除污染物和营养元素等有机污染物。本文根据生物滤池填料的不同，选择分别以聚氨酯绵、卵石和石膏干粉为填料的3个站点为研究对象(图1)，3个站点对应的水平潜流人工湿地系统基本一致。

2.2 水样和生物滤池填料的采集

水样和生物滤池填料样本采集于2020年12月。根据处理工艺水流方向，分别对进水、生物滤池的出水(中间池)和水平潜流湿地的排水进行采集。在3个站点，利用贝勒管采样器采集后，置于经丙酮和超纯水清洗过的2 L棕色玻璃瓶中；直接在生物滤池中随机采集附着大量生物膜的填料，并置于75%酒精清洗过的塑料袋中。水样和填料样本均置于冰盒中保存直至运抵实验室。

图1 污水处理站点工艺流程图及生物滤池填料

2.3 水样和生物膜样本理化指标检测

在采集水样的同时，使用便携式水质分析仪器(HQ 40d，HACH，USA)现场分别测定水中的温度、pH值、溶解氧(DO)、氧化还原点位(Eh)和电导率等理化指标。在实验室中，利用孔径为0.45 μm的玻璃纤维滤膜对采集的水样进行过滤。过滤后，水样中化学需氧量(COD)的浓度采用高锰酸钾氧化法进行测定(HJ 828-2017)；总氮(TN)浓度和溶解性有机碳(DOC)含量利用TOC自动分析仪(TOC-L，Shimadzu，Japan)进行检测；总磷(TP)浓度采样钼酸铵分光光度法进行测定(GB 11893-89)。填料置于含有500 mL超纯水的2 L烧杯中，超声振荡后，离心(4000 r/min，10 min)收集沉淀，即为生物膜样本。生物膜经过冷冻干燥后，利用TOC自动分析仪检测其中TOC的含量。过滤后的水样，倍比稀释至适宜浓度后，利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，PerkinElmer NexION 350D，USA)检测其中金属含量。

2.4 数据统计分析

本文所有数据统计分析均使用SPSS 19.0 软件(SPSS；Chicago；IL，USA)进行分析。理化指标的差异分析使用最小差异法检验并用单因素方差分析方法分析。P<0.05被认为具有显著性差异。

3 结果与讨论

3.1 水样中理化指标分析

3个站点水样的温度、pH值、溶解氧、氧化还原电位和电导率如表1所示。由表可知，每个站点的进水、出水和排水的水温差异在2 ℃以内。3个站点的pH值变化范围分别为7.76～7.96，8.22～8.64和8.43～8.90，均呈现弱碱性。与上海市《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB31/T 1163-2019)中的pH值变化范围(6～9)比较可以发现，无论是进入处理系统的原水还是最终排放到环境中的水，其pH值变化范围均在6～9之间，符合排放标准。根据现场采样工作人员对水样的臭和味的判断，发现3个采样点的进水均有一定的臭味，而经过处理的出水和排水，基本无臭味，表明3个处理工艺均起到一定的作用。进水中溶解氧的含量均较低，经过生物滤池后，出水中的含量有所增加，这可能与生物滤池交替曝气以及中间池空气暴露设计有关。而后，经过水平潜流人工湿地系统后，排水中的溶解氧含量有所降低，这可能与人工湿地中微生物或者表层植物消耗有关。此外，与进水相比，出水和排水的氧化还原电位呈现上升的趋势，而电导率呈现下降的趋势，表明水中的污染物，如有机物和重金属等均发生明显的变化。

表1 3个站点地理位置、填料类型和部分水质指标

3个站点水样中的COD、DOC、TP和TN含量如图2所示。由图2可知，1号站点接收的污水污染程度较为严重，其中的COD、TP、TN和DOC含量分别为136.15±0.75 mg/L、8.45±0.03 mg/L、140.6±0.8 mg/L和78.73±1.04 mg/L，均显著高于其他两个站点(P<0.05)。由图2(a)可知，经过生物滤池处理后，1号、和2号站点中COD含量显著降低(P<0.05)，分别降低了33.13%和26.24%。3号站点中COD降低了25.05%，但由于其进水中COD的含量较低，其与出水中的COD含量没有显著差异(P>0.05)。这些结果表明，以聚氨酯绵为填料的生物滤池对污水中COD的去除效果较好。生物滤池处理后的污水经过水平潜流人工湿地处理后，COD含量再次降低，1号、2号和3号站点排水中的含量分别为51.92±3.76 mg/L、36.11±0.01 mg/L和10.54±1.51 mg/L，均达到上海市《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB31/T 1163-2019)中一级B标准的要求(COD含量小于60 mg/L)。同时，与进水相比，3个站点COD含量分别降低了61.87%、40.01%和50.02%，表明生物滤池结合人工水平潜流湿地能够很好的去除农村生活污水中的有机污染物的含量。DOC含量反映水中溶解性有机碳的含量，其可影响水环境中污染物(如抗生素和重金属等)的赋存。由图2(b)可知，经过生物滤池和人工湿地处理后，3个站点的DOC含量均有所降低，其中1号和2号降低最为显著(P<0.05)，分别降低了66.64%和66.45%。值得注意的是3号仅降低0.08%，且进水、出水和排水中的DOC没有显著性差异(P<0.05)，其可能原因是由于进水成分比较复杂，例如含有不容易被微生物利用的可溶性有机碳，具体原因有待后续深入研究。

氮磷是造成水环境污染的重要营养元素，脱氮除磷效果也是污水处理工艺良好与否的重要评判标准[10]。由图2(c)可知，经过生物滤池处理后，3个站点中TP含量分别降低了69.59%、33.96%和65.22%，表明以聚氨酯绵和石膏干粉为填料的生物滤池对污水中的TP去除效果较好。而后，经过水平潜流人工湿地处理，排水中的TP含量分别为1.31±0.01 mg/L、1.39±0.01 mg/L和0.33±0.01 mg/L，均达到本市农村生活污水处理设施水污染物排放标准中一级B标准的要求(TP含量不高于2 mg/L)。经过水平潜流湿地系统后，污水中TP进一步降低，分别降低了14.97%、14.37%和20.43%，表明生物滤池结合人工水平潜流湿地可有效去除农村生活污水中的TP。在去除污水中TN方面，由图2(d)可知，经过生物滤池处理后，3个站点污水中的TN分别降低了59.48%、66.34%和50.06%，表明3种填料均能有效去除污水中的TN。此外，经过水平潜流人工湿地处理后，3个站点污水中的TN去除率均在80%以上，其中1号站点的去除效率高达85.89%，表明人工湿地能够很好地补充生物滤池除氮的不足。与上海市《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB31/T 1163-2019)对比可以发现，三个站点处理后，污水中的TN均达到一级A标准(TN含量小于15 mg/L)。

此外，虽然三个站点的脱氮除磷以及COD去除效果都很好，均达到上海市农村生活污水排放的一级B标准，但是由于1号站点进水中的COD、TP和TN显著高于2号和3号站点，所以从去除总量角度来看，1号站点中的聚氨酯绵填料滤池+水平潜流人工湿地工艺具有更高的处理效率。因此，从处理效率和处理总量角度出发，在今后的农村污水处理设施建设中，建议使用1号站点的处理模式。

注：横坐标中1、2和3分别表示三个采样点；I、E和D分别表示进水，出水和排水；图上的不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)。

3.2 水样中重金属含量分析

目前，关于农村生活污水处理的研究多数关注的是脱氮除磷的效果，而对污水中金属含量的研究还比较少[10]。由于农村生活污水来源相对单一，其中金属含量往往不会超标，但是污水中金属的含量高低能够促进或者抑制微生物的活性，从而影响处理效率。因此，有必要对污水中的金属含量进行检测。本文主要检测了包括Fe、Ti、Ni、Cu、Zn、As、Cr、Cd和Pb在内的9种金属，其中Cd和Pb的含量低于检出限，结果如表2所示。3个站点中，多数金属在进水、出水和排水中的含量变化并不显著，仅1号站点中的Fe和Zn、2号站点中Fe、Ti和Zn以及3号站点中的Fe、Ti、Ni和Zn呈现降低的趋势。通过与我国地表水Ⅲ类水质标准(GB 3838- 2002)相比可以得出，农村污水中的重金属均没有超标。此外，与上海长江口滨岸水样中金属含量进行比较，可以发现本研究无论是进水还是排水中金属含量与长江口水样中金属含量相当[11]。基于“3.1水样中理化指标分析”中三个站点的良好处理效果可以看出，该污水中的金属含量对本研究中处理工艺的影响并不明显。

表2 三个站点进水、出水和排水中金属含量

3.3 生物膜中TOC含量分析

由上述研究结果可以看出，生物滤池中填料上生长的微生物对污水中有机污染物的去除效果存在至关重要的作用。先前众多研究也表明微生物膜能够很好的去除污水中氮磷的含量，且处理效果与微生物的生物量以及群里组成密切相关。因此，本文调查了3种填料表面微生物的生物量，主要由总有机质的含量来表示，如图3所示。在1号站点聚氨酯绵填料表面的生物膜中，TOC含量高达26.65%，表明微生物含量较高。因此，聚氨酯绵填料具有较高的处理效率可能与其表面含有大量的微生物相关。相比而言，2号站点的卵石表面和3号站点的石膏干粉表面TOC的含量分别为2.29%和4.68%，但是二者也具有较好的处理效率，尤其是3号2站点。其原因可能与生物膜中细菌群落组成相关，虽然生物量不高，但是可能具有较高丰度的功能细菌，这部分内容有待后续深入研究。

注：S1、S2和S3分别表示三个采样站点; 图上的不同字母表示存在显著性差异(P<0.05)

4 结论

本实验基于生物滤池和水平潜流人工湿地进水、出水和排水中总氮、总磷、 COD、DOC以及重金属等的含量进行研究，研究结果表明上海市该镇农村生活污水处理系统能够有效的对不同地点的污水进行处理，满足一定的普遍适用性。通过分析该镇农村生活污水处理系统运行控制和治理成效，发现其采取工艺是可行的，其相关运行控制参数设定合理。采取的工艺不仅能解决现有污水处理厂运行存在的问题，并能确保排放满足上海市《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》中的一级B标准。同时，对比3种处理系统的处理效率和处理总量，建议今后建设农村污水处理系统可根据1号站点的处理系统进行设计。此外，我国新农村建设正在开展，农村生活污水污染整治和消除黑臭水体工作正在有序进行，上海市该镇农村生活污水处理工艺的有效实施可为其他城市农村生物污水的处理提供技术参考和数据支持[12]。