豫西农村生活污水处理系统净化效果研究

李宝玉，齐青青，朱晓萌，张永婷

（1.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450046； 2.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046；3.贵州省水利工程建设质量与安全中心，贵州 贵阳 550002）

近年来，随着乡村振兴战略的推进，农业农村发展摆到了更高的位置，同时对农村人居环境有了更高要求。 豫西是我国人口和粮食生产大省河南省的重要组成部分，也是黄河流域重要的粮食和能源基地，农业人口占比较大［1］。 豫西地形主要为丘陵和山地，属大陆性季风气候区，水资源匮乏，蒸发能力强，容易形成干旱［2］，其中三门峡市干旱最为严重。 干旱缺水制约了该地区的农业生产和经济发展［3］。 因此，寻找合格的灌溉水对豫西缺水地区来说尤为重要。 污水资源化利用是解决该地区水资源短缺的有效途径［4］，污水资源化利用途径之一是灌溉。 为弥补缺水地区灌溉水量不足的问题，保障农作物正常生长，确保粮食安全，可以将生活污水经处理后用于农田灌溉。 农村生活污水主要含有氮磷等污染物以及细菌、病毒等［5］，污水不经处理或处理不达标用于灌溉，容易造成土壤和地下水污染。 污水不经处理或处理不达标排入河道、湖泊和水库等，增加受纳水体污染负荷，污染物积累超出受纳水体自净能力，水体中溶解氧（DO）浓度下降，化学需氧量（COD）与氮磷等营养盐浓度升高，易造成水体富营养化甚至出现黑臭现象［6］，导致农村水环境恶化。农村生活污水处理后资源化利用，不仅可以提高水资源利用率，而且可以减少水体污染，这对提升农村水环境质量具有重大的现实意义。

与城市相比，我国农村经济发展相对落后、资源管理模式相对粗放、地区经济发展不平衡、水环境治理薄弱。 河南省农村年排放生活污水量约4.7 亿t［7］，而农村生活污水处理率仅12.72%［8］，污水处理率低。 因此，亟须加快推广农村污水处理设施，完善污水处理系统，提高农村生活污水处理率。 豫西地区受环境、地形、经济发展等因素影响，采取的污水处理措施不能直接照搬城市污水处理方法。 因此，针对豫西地区农村水环境特点，设计了一套生活污水处理系统，并研究了不同水力停留时间（HRT）系统处理氮磷营养盐及COD 的效果，以期为提升农村水环境质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验系统设计

生活污水处理系统主要由配水箱、过滤箱、植物箱、出水箱组成，见图1。 配水箱内为模拟配制的农村生活污水，在未来实际应用中也可视为沉淀池或pH值调节池暂时存储生活污水。 配水箱采用容积为600 L的圆柱形塑料水桶，可容纳农村4 口之家1 d 所排放生活污水。 过滤箱（填料箱）由6 mm 厚PVC 板材加工而成，尺寸为400 mm×400 mm×800 mm，总容积128 L。 过滤箱从下至上依次为铁碳填料、火山岩、石英砂等吸附基质，每种填料厚约250 mm，各填料之间用孔板隔开，填料孔隙率为73.56%，进水方式为从下至上。 植物箱由尺寸为650 mm×400 mm×500 mm的PVC 板材加工而成，总容积130 L，底部设穿孔曝气管。 植物箱所栽植物为适宜豫西地区生长且对水体净化效果较好的鸢尾、香蒲、菖蒲、芦竹等湿地植物，按照最佳种植密度栽种。 污水处理系统还设置配电箱、流量计、气泵等，以方便计量、控制系统的进水流量和曝气量。

1.2 试验方法及进水污染物浓度

通过控制进水负荷，研究水力停留时间为18、24 h时系统出水效果。 试验进水氨氮、总氮、磷酸盐、COD质量浓度分别为8.62 ～12.42、12.07 ～15.79、2.13 ～2.89、92～129 mg／L，pH 值为7.60 ～7.90，进水方式为连续进水。 在污水处理系统运行初期，吸附基质填料石英砂和火山岩用自来水冲洗至上清液清澈后自然晾干；栽培的湿地植物去除腐根、烂叶后，用自来水将植物根部泥土冲洗干净。 试验时间为2021 年11 月至2022 年1 月，正处豫西冬季，昼夜温差较大，为了减小温度带来的试验偏差以及保证湿地植物正常生长，污水处理系统各处理单元外层用保温膜包裹，并插入加热棒和温控系统实时控制和监测系统运行时的温度，温度控制在23 ～27 ℃之间。 为了提高污水处理效果以及增加溶解氧含量，湿地植物栽培植物箱进行连续曝气处理。

1.3 水样采集与分析

试验共进行60 d，两种工况（水力停留时间为18、24 h）先后各运行30 d。 填料箱和植物箱水样每2 d采集1 次，将采集的水样用真空泵抽取过滤，得到澄清的溶液测定氨氮、总氮、磷酸盐、COD 等质量浓度，相关指标测定方法参照《水和废水监测分析方法》。

2 结果与分析

2.1 COD 质量浓度变化及去除率

COD 是表征污水有机物的常用指标，因此采用COD 去除率反映污水处理系统净化有机物的效果。不同水力停留时间填料箱和系统整体出水COD 质量浓度变化及去除率见图2。 系统运行时，进水COD 质量浓度为92～129 mg／L，当水力停留时间为18 h 时，填料箱出水COD 质量浓度为38 ～85 mg／L，COD 去除率为23.53%～61.72%，平均去除率为49.28%；系统整体出水COD 质量浓度为4 ～43 mg／L，COD 去除率为61.95%～96.12%，平均去除率为76.03%。 当水力停留时间为24 h 时，填料箱出水COD 质量浓度为34 ～58 mg／L，去除率为42.57% ～63.27%，平均去除率为57.76%；系统整体出水COD 质量浓度为7 ～56 mg／L，总去除率为44.55%～92.86%，平均去除率为75.31%。结果表明，较长的水力停留时间有利于填料对COD 的去除，但不同水力停留时间系统整体COD 平均去除率相差较小，表明水力停留时间并不影响系统整体出水效果。 两种工况下，系统平均总出水COD 质量浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准，满足河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41／1820—2019）一级标准。

通过填料的物理沉淀及化学修复、厌氧微生物和好氧微生物的降解、植物吸收和异养菌氧化有机碳［9］，实现COD 的消减。 填料箱中铁碳填料发生微电解反应，生成的亚铁离子与污水中硫化物和磷酸盐等发生化学作用生成铁离子，为微生物生长提供了不可或缺的条件，提高了微生物活性和系统的稳定性。 同时，在系统内部形成具有较强吸附能力的氢氧化铁絮凝体，更有利于有机物吸附凝聚［10］。 因此，加入铁碳填料可以提升污水处理系统对COD 的去除效果。

2.2 氨氮质量浓度变化及去除率

不同水力停留时间填料箱和污水处理系统出水氨氮质量浓度变化及去除率见图3。 系统运行时，进水氨氮质量浓度为8.62 ～12.42 mg／L。 当水力停留时间为18 h 时，填料箱出水氨氮质量浓度为3.36 ～7.92 mg／L，去除率为28.75% ～63.25%，平均去除率为45.24%；系统整体出水氨氮质量浓度为1.29 ～4.56 mg／L，总去除率为56.04%～86.95%，平均去除率为72.23%。 当水力停留时间为24 h 时，填料箱出水氨氮质量浓度为2.96 ～6.58 mg／L，去除率为33.27% ～68.05%，平均去除率为51.94%；系统整体出水氨氮浓度为2.42 ～4.83 mg／L，总去除率为48.73%～74.04%，平均去除率为63.09%。 减少水力停留时间导致填料对氨氮的去除率下降，原因是较短水力停留时间增加系统的有机负荷，致使异氧菌大量繁殖，与硝化细菌产生竞争，进而降低氨氮的去除效果。 两种水力停留时间系统平均出水氨氮质量浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准和河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41／1820—2019）一级标准。

随着试验的进行，出水氨氮质量浓度先上升后下降，去除率呈先下降后升高的变化趋势。 水力停留时间为24 h 时，系统运行前14 d 填料箱氨氮去除率波动较大，第14～18 d 氨氮去除率逐渐趋于稳定，填料表面充满了黄褐色絮凝状物质，表明微生物已在填料箱内部稳定生长，即填料表面挂膜成功。 系统运行前14 d氨氮总去除率逐渐下降，从初始74.04% 下降至48.73%；14 d 后氨氮总去除率逐渐升高，最高达到72.81%。 在硝化细菌作用下，填料箱内部发生硝化反应，部分氨氮得以去除。 随着进水流过吸附基质到达填料顶部，填料箱内有机物浓度下降，硝化细菌所需要的营养物质供给不足，削弱了硝化反应［11］。 试验初期植物箱内还没有微生物生成，当水流进入植物箱时，仅靠植物根系吸收氨氮，氨氮去除率较低，随着系统运行时间的增加，植物根系增多，微生物逐渐在根系周围大量衍生，同时曝气提高了植物箱内水体溶解氧含量，促使硝化反应再次发生，系统氨氮去除率升高。 当水力停留时间为18 h 时，系统运行前14 d 氨氮去除率逐渐下降，此后填料箱去除率与系统总去除率相差明显，表明系统运行后期氨氮去除率升高是湿地植物根系吸收和微生物分解共同作用的结果。

2.3 总氮质量浓度变化及去除率

不同水力停留时间填料箱和污水处理系统整体出水总氮质量浓度变化及去除率见图4。 系统运行时，进水总氮质量浓度为12.07 ～15.79 mg／L。 当水力停留时间分别为18 h 时，填料箱出水总氮质量浓度为3.32～6.68 mg／L，总氮去除率为51.10%～73.46%，平均去除率为61.82%；系统整体出水总氮质量浓度为3.24～6.54 mg／L，总去除率为52.12%～74.10%，平均去除率为65.33%。 当水力停留时间为24 h 时，填料箱出水总氮质量浓度为4.23 ～7.49 mg／L，去除率为42.12%～67.36%，平均去除率为56.88%；系统整体出水总氮质量浓度为3.26 ～6.54 mg／L，总去除率为49.46% ～75.15%，平均去除率为65.41%。 两种水力停留时间下，系统平均出水总氮质量浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准和河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41／1820—2019）一级标准。

进水总氮以氨氮、硝氮、亚硝氮等形式存在，通过基质填料吸附、微生物新陈代谢、湿地植物吸收以及氨氮挥发等完成氮素的去除，其中微生物的硝化与反硝化作用是氮素去除的主要途径，占去除比例的60%～90%［12］。 总氮去除率呈逐渐下降趋势，原因是氨氮在植物箱好氧环境下被氧化为亚硝态氮，反硝化过程、微生物生长均需要消耗碳源，流经填料后出水碳氮比较小，因碳源不足而无法彻底被还原为气态氮的亚硝态氮停留在水体中，导致系统整体总氮去除率下降。

2.4 磷酸盐质量浓度变化及去除率

磷酸盐的去除主要通过基质填料吸附、微生物分解和植物吸收等完成。 不同水力停留时间填料箱和试验系统整体出水磷酸盐质量浓度变化及去除率见图5。 系统运行时，进水磷酸盐质量浓度为2.13 ～2.89 mg／L。 当水力停留时间为18 h 时，填料箱出水磷酸盐质量浓度为0.20 ～2.14 mg／L，去除率为18.82% ～92.83%，平均去除率为51.95%；系统整体出水磷酸盐质量浓度为0.02 ～1.95 mg／L，总去除率为24.67%～99.18%，平均去除率为63.20%。 当水力停留时间为24 h 时，填料箱出水磷酸盐质量浓度为0.24 ～1.90 mg／L，去除率为28.96% ～90.63%，平均去除率为51.55%；系统整体出水磷酸盐质量浓度为0.04 mg／L～1.53 mg／L，总去除率为40.79%～98.47%，平均去除率为62.83%。 两种水力停留时间，系统平均出水磷酸盐质量浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B 标准和河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41／1820—2019）二级标准。

随着系统运行，磷酸盐去除率显著下降。 研究发现，试验初期聚磷菌在好氧条件下吸收了部分磷酸盐，加上基质填料的吸附作用，磷酸盐去除率较高；试验后期基质填料内部溶解氧不足，呈缺氧／厌氧状态，聚磷菌活性受到抑制，致使磷酸盐去除率降低。 同时，随着系统运行时间的延长，基质填料可能已达到饱和状态，导致对磷酸盐的吸附能力降低。 此外，湿地植物新陈代谢可能产生烂叶、腐根，导致植物体内吸收的磷酸盐释放到水体，提高了出水磷酸盐的质量浓度，造成磷酸盐去除率降低。

2.5 最佳水力停留时间的确定

水力停留时间是污水处理系统运行的重要参数之一，其影响污水处理系统微生物的种群分布和脱氮除磷效果。 当水力停留时间为18 h 时，氨氮、总氮、磷酸盐、COD 平均去除率分别为72.23%、65.33%、63.20%、76.03%；当水力停留时间为24 h 时，氨氮、总氮、磷酸盐、COD 平均去除率分别为63.09%、65.41%、62.83%、75.31%。 水力停留时间为18、24 h 时，氨氮平均去除率差异较大，总氮、磷酸盐和COD 去除率相差较小。水力停留时间为18 h 时，污水处理系统对磷酸盐、COD 的平均去除率均稍高于水力停留时间为24 h 的。但对比系统运行情况发现，植物箱内各污染物浓度变化具有不稳定性，绝大部分污染物去除主要依靠填料箱。 较长的水力停留时间有助于提高填料箱对氨氮和COD 的去除，系统运行更为稳定，湿地植物生长状况也更好。 因此建议将24 h 作为污水处理系统较优的水力停留时间。

3 结 论

两种水力停留时间均能有效降低豫西农村生活污水中氮磷营养盐及COD 质量浓度，系统出水COD、氨氮、总氮平均质量浓度均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准和河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41／1820—2019）一级标准；系统平均出水磷酸盐质量浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级B 标准和河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41／1820—2019）二级标准。 水力停留时间对系统去除氨氮有较大影响，对总氮、磷酸盐和COD 的去除影响较小。 当水力停留时间为24 h 时，填料箱对氨氮和COD 的去除率更高，试验系统整体运行也更为稳定，对氨氮、总氮、磷酸盐、COD 的总平均去除率分别为63.09%、65.41%、62.83%、75.31%。 因此，选取24 h 作为农村生活污水处理系统较优的水力停留时间。