胡国华， 张强， 赵柳洁,2， 贺立三， 高林朝， 孙润超， 谢毅，肖菊， 贾兵

(1.河南省科学院能源研究所有限公司，河南 郑州 450008； 2.河南财经政法大学，河南 郑州 450046)

近年来，随着中国美丽乡村建设的发展和“厕所革命”工作的推进，各地农村通过建造集中处理的中小型污水处理站，使农村生活污水无组织排放的情况有所改善[1-2]。但是，现有的作为农村污水站前端处理的户用三格化粪池处理效果并不理想，不仅卫生效果差，而且夏季蝇蛆滋生严重[3-5]，导致其出水通过管网送至污水处理站后，站内处理设施负荷波动大，经常出现污水处理效果差和终端出水水质超标的现象[6-7]。不少学者针对常规化粪池的改进开展了大量研究。AL-SHAYAH等[8]和AL-JAMAL等[9]利用UASB型化粪池处理高浓度生活污水发现，在17.3 ℃条件下化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)去除率可达到53%， 生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)去除率可达到76%。CHEN等[10]利用弹性立体填料处理哈尔滨地区生活污水，在2个不同温度阶段的COD去除率均比常规化粪池提高10%。 张玉等[11]通过剖析部分地区当前农村改厕存在的典型误区，揭示了三格化粪池厕所具有卫生性和环保性的历史使命，并指出正确利用化粪池的重要性。陈杰等[12]和武海霞等[13]探讨了在实际生活中不同类型化粪池的选用依据及化粪池的管理模式。范彬等[14]研究概述了现有化粪池技术在分散式污水处理中的运用。

目前，针对集中处理农村污水的三格化粪池性能研究较多，但对结合农村户用污水特点开展匹配新农村集中污水处理站的前端预处理设施的研究较少。本研究针对中国农村生活污水处理现状[15]，基于生活污水的源分离思路，从分类分质、协同处理的技术角度出发，结合厌氧消化技术和沼气利用的特点，联合可附着生成活性生物膜的悬浮填料，提出一种新型可实现资源化利用、对农村环境友好的户用无外部动力式污水预处理装置，即新型农村户用污水预处理厌氧反应器(以下简称新型反应器)来替代常规的三格化粪池，以期在确保出水水质达标的同时实现农村污水处理的无害化、资源化利用，为进一步提高末端污水处理站的处理效果和找寻操作性强、适用性广的小型农村预处理设备提供技术支持和工程参考。

1 农村户用污水源分离方案

源分离是指从源头入手，通过一定的功能设计和设施配置，将不同种类的污水分开收集和处理，使其不再相互混合，从而克服集中污水处理的缺陷[16]。污水分类收集不仅有助于降低水处理的难度，还从根本上改善污水末端处理造成的大量水资源浪费和尿粪中营养物质难以利用的不可持续性弊端[17]。

农村生活污水主要来源于生活洗涤污水、厨房废水、冲厕水和尿粪污水(包括部分含有大量污染物的畜舍冲洗用水)等，且多为间歇性排放[18-19]。基于污水源头分离理念和后续资源化利用的角度，本研究方案是将有机污染物浓度相对较高的粪便尿液和厨房废水从农村生活污水中分离出来后合并处理，利用厨房废水中的有机物作为补充碳源加入到高浓度含有大量植物营养盐(氮、磷、钾)的粪便尿液中进行协同厌氧消化处理[20]。该分离方案中厕所粪便尿液和厨房废水可以分别通过一套简单管道单独收集后合并送入新型反应器进行处理，从源头上解决了污水站受冲击的问题，且在农村易于实现。

2 新型反应器结构设计与处理工艺

2.1 新型反应器结构设计

根据两相厌氧消化理论，在悬浮填料投加的基础上，结合农村用地特点设计为占地面积约2.5 m2的地下一体式近长方体结构，日处理污水量为240 L·d-1，有效容积约为4 m3。两相厌氧消化工艺最本质的特征是相的分离，因而在分级处理废水和形成优势菌种方面有独特的优势[21]。新型反应器作为农村污水处理站的前端装置，通过设置专门的水解液化反应区(Ⅰ腔)、产甲烷相反应区(Ⅱ腔)以及兼氧水质稳定区(Ⅲ腔)，结合动力学控制来实现功能区的分离目标。新型反应器为卧式结构，集混合水解、厌氧反应和沉降稳定功能于一体，内部连接类似横向序批式高效生物反应器装置。新型反应器结构示意图如图1所示。

新型反应器制作材料选用耐腐蚀性能好和强度高的碳钢材料，防腐工艺采用2层红丹防锈底漆和外喷涂黑色防腐涂料。部分密闭制成，近矩形截面。Ⅰ腔室位于一体式反应器的前端，与除渣区相连，顶部依次设置除渣口、进料口和填料入口；为方便定期收集固体废渣，底部做倾斜处理，该腔室有效容积约为1 m3。Ⅱ腔室位于反应器的中间段，为相对独立密闭的单元，顶部分别设置有类伞柄状气体收集管道、填料入口以及液体连接管道，该腔室有效容积约为2 m3。Ⅰ腔室和Ⅱ腔室内部均投放若干数量的悬浮填料，并通过内部隔板上部开孔设管实现贯通。Ⅲ腔室设置在反应器末端，顶部设置与Ⅱ腔室贯通的液体连接管以及用于末端资源化利用或连接外部管网的出水口，为半开放式设计，该腔室有效容积约为1 m3。

1：进料口；2：填料入口；3：除渣口；4：沼气管道；5：液体管道；6：出水口；7：球型填料。

与常规三格化粪池结构相比，新型反应器采用了一体式三腔设计，即两腔密闭一腔为兼氧区；设置1个除渣口和2个填料入口；高位和顶部设置连通管和集气管。因此，新型反应器具有出水水质稳定、资源化处理程度高、沼气可定向收集、安全性高、易于操作和管理方便等优势。

2.2 悬浮填料强化厌氧处理技术

为保证和强化厌氧反应效果，新型反应器除在结构形式上进行改进，还根据各腔室功能和生物菌种的生长特性在其内部腔室投放一定数量的球型填料进行强化处理。其中，Ⅰ腔室投放比例为20%～30%，Ⅱ腔室投放比例为40%～50%。反应器中采用的球型填料由聚氨酯改性材料制作而成，结构为框架中空式，框架内部填充一定比例但不同材质的蜂窝状和颗粒块状填料。

球型填料在投放使用的过程中，依靠水流及沼气的提升作用使填料整体在所处腔室内处于阵发性运动状态。框架内部填充的蜂窝状和颗粒块状材料极大提高了填料自身的孔隙率和比表面积，使得球型填料表面和内部均形成较多的活性生长污泥和附着生长的生物膜。因此，主要反应区Ⅰ腔室和Ⅱ腔室内布满移动的活性生物膜，通过充分发挥生物膜中附着相和悬浮相的优势并利用生物膜的新陈代谢，不断保持反应器内生物菌种的高活效性。此外，Ⅰ腔室和Ⅱ腔室填料的投加可大大改善高悬浮物(suspended solids，SS)粪便污水的冲击，对水质负荷波动具有一定的耐受力[22]，从而在与间歇式排放的生活污水频繁多次接触下使终端达到优化出水水质的目的。

2.3 新型反应器处理工艺

常规三格式化粪池以沉淀、发酵为主，构造上一般由进粪管、分格池、连通管和盖板组成[23]。常规三格式化粪池存在以下不足：出水污染物质量浓度较高；臭气直接排放，安全性差，易造成二次污染；容易堵塞和渗漏，需定期掏粪等[24]。为解决上述问题，新型污水处理反应器工艺流程如图2所示。

图2 新型农村户用污水预处理厌氧反应器的工艺流程Fig.2 Process flow of new rural household sewage pretreatment anaerobic reactor

工艺中分离后的农村户用粪便尿液及厨房废水混合物通过新型反应器的进料口进入Ⅰ腔室，有机固形物通过一定数量球型填料的截留达到最大限度的厌氧水解，稳定后的固体废渣约占进料固形物的10%，可通过除渣器定期排出。

Ⅰ腔室中较高质量浓度的原料废水经水解除渣后通过水位差进入Ⅱ腔室，Ⅱ腔室中主要为含溶解性有机物的废水，通过投加大量悬浮填料在一定的停留时间内达到最大限度的甲烷化去除。同时，Ⅱ腔室中气体管道的设置可实现沼气的有组织排放或定向收集。

Ⅱ腔室处理后的废水经过顶部设置的液体连接管道依靠压差进入Ⅲ腔室，在该区域内通过挥发、静置沉淀进一步实现水质兼氧稳定化。稳定后的出水可达到最大限度的资源化利用，即可用于农作物施肥，未及时利用的稳定废水又可直接排入管网送入终端农村污水处理站。

3 新型反应器的应用测试

根据上述农村生活污水的源分离方案及新型反应器的结构设计，于2021-06-20在河南省新乡市原阳县某村一农户家院内投入使用该新型反应器，60 d后进行取样分析，以考察其运行性能和出水水质稳定性。

3.1 检测项目与方法

自2021-08-24起连续4 d每天分别同时对新型反应器进料口和出水口2个监测点的水质进行3次现场采样并检测，每天具体采样时间为7：00、12：00和17：00，总共12次分为12个测试组。第1天包括测试组1、2、3，并以此类推。此时新型反应器悬浮填料上的生物膜培养趋于稳定，现场测试的各项指标数值差别不大，已具备现场样品的检测的条件，更能反映其实际性能。检测指标包括pH值、COD、5日生化需氧量(biochemical oxygen demand after five days，BOD5)、SS和氨氮(NH3-N)。采样时，将清洁干燥的盛装容器放入新型反应器内部指定取样位置，用所取水样冲洗3次后再分别进行单独采样。采样容器全部采用500 mL玻璃瓶。各检测指标采样体积分别为250(pH值)、500(COD)、250(BOD5)、500(SS)和250 mL(NH3-N)。采样位置位于新型反应器内部液体中上部位。水质检测依据及试验方法如表1所示。

表1 水质检测项目分析方法一览表Table 1 Water quality testing project and analysis methods

同时，按照国家标准GB 19379—2012《农村户厕卫生规范》[30]所规定的三格化粪池容积比即2∶1∶3，原料均采用未经处理的生活污水，建立模型1[31]，对污水中的COD、BOD5、SS、NH3-N去除率进行试验分析，进而得到处理效果。

3.2 数据处理

运用origin 2019进行数据处理、图形绘制及显著性分析。

3.3 结果与分析

采样后发现，12个测试组进料口的废水样品形态浑浊、有臭味，而出水口的液体样品轻微混浊、基本无味、安全性好。

3.3.1 进出口pH值的对比分析 由图3中可知，进料口物料的水质酸碱度时而偏酸时而偏碱，pH值在6.8～7.1之间浮动。第1、2天的pH值平均值为6.93，第3、4天的pH值平均为6.9。而经新型反应器处理后出水口的pH值在7.1～7.3之间。第1天的pH值平均为7.23，第2天的pH值平均为7.13，第3天的pH值平均为7.27，第4天的pH值平均为7.2，基本稳定维持在中性偏碱的范围内。

图3 进料口和出水口处pH值的对比Fig.3 Comparison of pH values between inlet and outlet

3.3.2 进出口COD质量浓度的对比分析 由图4中可知，进料口水质的检测COD质量浓度较高，基本都在370 mg·L-1以上。第1天的COD质量浓度平均值为393 mg·L-1，第2天的COD质量浓度平均值为391 mg·L-1，第3天的COD质量浓度平均值为390 mg·L-1，第4天的COD质量浓度平均值为392 mg·L-1。而出水口水质的检测COD质量浓度都大幅下降。第1天的COD质量浓度平均值为124 mg·L-1，第2天的COD质量浓度平均值为116 mg·L-1，第3、4天的COD质量浓度平均值均为118 mg·L-1，经处理后COD去除率达到65%～72%。

图4 进料口和出水口处COD质量浓度的对比Fig.4 Comparison of COD mass concentrations between inlet and outlet

3.3.3 进出口BOD5质量浓度的对比分析 由图5可知，进料口水质的BOD5质量浓度基本处于240 mg·L-1。第1、2天的BOD5质量浓度平均值均为245 mg·L-1，第3天的BOD5质量浓度平均值为243 mg·L-1，第4天的BOD5质量浓度平均值为241 mg·L-1。经新型反应器厌氧消化稳定处理后，出水口水质的BOD5质量浓度不但有了大幅消减，而且相对稳定，出水口水质的BOD5浓度都降到40 mg·L-1左右。第1天的BOD5质量浓度平均值为40 mg·L-1，第2天的BOD5浓度平均值为38 mg·L-1，第3、4天的BOD5质量浓度平均值均为39 mg·L-1，经处理后BOD5去除率高达85%。出水口水质的BOD5浓度不但都相对稳定，而且都有了大幅消减。

图5 进料口和出水口处BOD5质量浓度的对比Fig.5 Comparison of BOD5 mass concentrations between inlet and outlet

3.3.4 进出口SS质量浓度的对比分析 由图6可知，进料口水质的SS质量浓度在275～320 mg·L-1之间，第1天的SS质量浓度平均值为296 mg·L-1，第2天的SS质量浓度平均值为292 mg·L-1，第3天的SS质量浓度平均值为295 mg·L-1，第4天的SS质量浓度平均值为292 mg·L-1。经新型反应器处理后，出水口水质的SS质量浓度大幅下降。第1、2天的SS质量浓度平均值均为36 mg·L-1，第3、4天的SS质量浓度平均值均为37 mg·L-1。SS质量浓度相对稳定且SS除率可高达89%。

图6 进料口和出水口处SS质量浓度的对比Fig.6 Comparison of SS mass concentrations between inlet and outlet

3.3.5 进出口NH3-N质量浓度的对比分析 由图7可知，进料口水质的NH3-N质量浓度处于37～42 mg·L-1之间。第1天的NH3-N质量浓度平均值为40 mg·L-1，第2、3天的NH3-N质量浓度平均值均为39 mg·L-1，第4天的NH3-N质量浓度平均值为38 mg·L-1。经新型反应器处理后，出水口水质的NH3-N质量浓度处于33～39 mg·L-1之间。第1天的NH3-N质量浓度平均值为36 mg·L-1，第2天的NH3-N质量浓度平均值为37 mg·L-1，第3天的NH3-N质量浓度平均值为35 mg·L-1，第4天的NH3-N质量浓度平均值为38 mg·L-1。两者对比NH3-N质量浓度下降并不明显。这是因为厌氧技术本身对消减NH3-N质量浓度的作用不大。而新型反应器中Ⅲ腔室兼氧稳定区的设置，为水质中NH3-N的挥发和稳定提供了时间保证，NH3-N质量浓度的保持也对后续水质资源化利用起到一定的积极作用。

图7 进料口和出水口处NH3-N质量浓度的对比 Fig.7 Comparison of NH3-N mass concentrations between inlet and outlet

3.4 新型反应器处理效果比较

新型反应器中主要污染物的平均去除率与常规三格化粪池处理效果的对比如图8所示。新型反应器COD平均去除率69.6%，BOD5平均去除率84%，SS平均去除率87.6%，NH3-N平均去除率22%。而模型1中COD平均去除率55.7%，BOD5平均去除率60.4%，SS平均去除率92.6%，NH3-N平均去除率15.37%。经对比发现，新型反应器除SS平均去除率低于模型1外，其他去除率均高于模型1。通过显著性分析发现，2种反应器出口处的各项检测项目数据样本间差异显著性较大，P=0.012<0.05。新型反应器出水口水质稳定，各项检测指标相较于进料口都有较大程度改善，性能优越。因此，新型反应器可在预处理阶段满足一定资源化利用的同时，保证后续经管网到达污水处理站的水质稳定性。

图8 新型污水反应器处理效果的对比Fig.8 Comparison of new sewage reactor treatments effect

3.5 沼气产量及处置

经收集测算，在夏季高温时段，农户单户最高产沼气量大约每天0.2 m3左右，产气量很少，考虑投资成本，单户回收利用价值不大，建议可采用连片连户的方式，统一收集利用。

由于采用了厌氧技术，新型反应器所产沼气的成分主要是CH4和CO2，而传统的三格化粪池主要采用兼氧技术，其所产沼气的成分主要是CH4、CO2、CO、NH3、N2和H2S。从气体成分上分析，新型厌氧反应器更安全稳定。新型反应器设置有沼气管道，并在沼气管道上设置有阀门和自动压力排气装置，通过阀门可用于统一收集，自动压力排气装置可在压力过高时自动出所产气体，保证了沼气处置的安全性。

4 结论与讨论

本研究设计的新型反应器出水水质相对稳定，各项污水检测指标相较于进料口都有较大改善。其中，COD的去除率可达65%～72%，BOD5的去除率最高可达85%，SS的去除率最高可达89%，与采用常规化粪池技术的模型1相比优势明显。因新型污水反应器通过结构设计强化厌氧且添加了一定比例的生物悬浮填料，所以COD、BOD5、NH3-N的平均去除率都要高于模型1。其中，COD高出13.9%，BOD5高出23.6%，NH3-N高出6.63%。而SS的平均去除率虽然比模型1略低5%，但其值也高达87.6%。与模型1相比，新型反应器中填料的投加一定程度上缩减了空间过水通量，同时部分生物膜的脱落也增加了水中SS含量，特别是阵发性进水可能带来的短时较大负荷冲击必然带来出水悬浮物的增加。这种基于满足资源化利用的预处理方式可以很好保证后续污水经管网到达终端污水处理站的水质标准，因此新型反应器具有极大的潜力。此外，农村地区可通过设置简易收集系统将农村生活污水中厕所粪便尿液和厨房废水进行分类收集后，共同送入厌氧消化反应器中，实现污水的源分离方案和成分互补的协同处理，从源头上着手解决冲击后面污水站的问题。新型反应器实用性强、环境友好、安全度高，可作为农村污水站前端的处理装置在农村地区加以应用和进一步深入研究。