于成鹏 胡守明 胡晓茹 吴鑫明 李 妮 徐丽梅 孙甲玉*

（1临沂市生态环境局蒙阴县分局，山东蒙阴 276200；2山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271018）

随着我国农业生产现代化程度不断提高，农村生态环境得到一定改观。然而，农村散排的生活污水造成的生态环境问题一直未得到妥善解决，这与我国经济绿色可持续发展相悖，严重影响了农村饮用水安全，并且制约了农村和农业的可持续发展[1]。一方面，农村缺乏排水设施规划，运输距离过长导致运输费用过高，污水处理设施难以达到农村经济发展的条件；另一方面，农村卫生设施建造标准过低，大部分农村生活污水不经过处理便排入附近河流或者泼洒至室外空地以致渗入地下。因此，有效治理农村生活污水，维持良好的水生态系统成为新农村建设的一个重要任务。

根据中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《农村人居整治三年行动方案》[2]，梯次推进农村生活污水治理，应根据农村不同区位条件、污水产生规模、村庄人口聚集程度，因地制宜地选择污水处理工艺。鉴于我国各地农村经济水平发展不平衡、村庄聚集程度不均匀，同时考虑到农村生活污水排放源分散、水质波动大、流量季节性变化显著的特点，采用基建投资低、运行费用低、维护方便、占地面积小的小型分散式处理净化槽是一种较为合理的选择。

本文以低成本、易管理的分散式净化槽来处理农村生活污水，主要研究了几种常见填料对磷的吸附效果以及水力停留时间对营养物去除的影响。在该净化槽运行稳定后，研究其对模拟污水中化学需氧量（COD）、氨氮（NH3－N）、总磷（TP）等水质指标的去除效果，进一步探究了主要污染物的去除机理，以期为净化槽实际运行和农村污水处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

室内构建小型分散式农村生活污水净化槽（图1），由调节沉淀池、好氧净化区和集水池组成。好氧净化区自下而上分层依次填充聚乙烯多面空心球、陶粒、火山岩、活性炭、石英砂、腐殖土。

1.2 试验用水

试验进水采用人工模拟污水，其中以葡萄糖为碳源、硫酸铵为氮源、磷酸二氢钾为磷源[3]。

1.3 试验运行方案

装置在2020年7月10日至9月30日运行条件为水力停留时间24 h，日进水量75 L，早、中、晚各进水25 L；10月1—19日运行条件为水力停留时间48 h，日进水量 36 L，早、中、晚各进水 12 L；10 月20—30日运行条件为水力停留时间72 h，日进水量18 L，早、中、晚各进水 6 L；11月 1—10日装置闲置；11月11—25日，保持水力停留时间为24 h，日进水量75 L，COD浓度为450 mg/L，其余保持不变。试验每2 d采集进水和出水水样各1次，测定进出水COD、NH3－N、TP 的浓度。

1.4 水质分析方法

参照《水和废水监测分析方法（第四版）》[4]，COD采用重铬酸钾快速密闭催化消解法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，总磷采用钼锑抗分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 填料对磷的吸附试验

净化槽对磷的去除方式包括填料对磷的吸附、微生物的转化和吸收，其中填料吸附是去除磷的最主要方式[5]。图2为5种填料对磷的吸附结果，随着磷浓度的增加，5种填料对磷的吸附容量均不同程度地提高。在磷浓度为0～40 mg/L时，腐殖土、陶粒对磷的吸附容量快速增加，在浓度超过40 mg/L后吸附容量呈现下降趋势。陶粒在磷浓度为0～20 mg/L时吸附容量快速增加，之后增速缓慢，在磷浓度超过60 mg/L后同样呈现小幅度下降。石英砂、活性炭吸附量随着磷浓度的提高缓慢增加，同时吸附容量相对较小。Dong Cheol Seo等[6]研究表明，随着填料粒径的减小，单位质量填料可吸附磷的表面积增加，单位质量填料磷最大吸附容量增加。若磷浓度大幅超过系统本身所存在的极限积累状态，磷可能会被释放，从而出现磷浓度过高而吸附容量下降的情况。

从图2可看出，吸附容量由大到小为腐殖土＞陶粒＞火山岩＞活性炭＞石英砂。腐殖土颗粒较小质量轻，单位质量比表面积最大；陶粒为较规则球状、孔隙率较大，吸附点位较多；火山岩表面蜂窝状多孔；石英砂和活性炭孔隙率较小。孔隙率较大的填料防止堵塞复氧能力强，表面积大且表面粗糙的填料有利于微生物的附着生存和繁殖[7]。

根据Langmuir等温方程，得出5种填料对磷的饱和吸附容量由大到小依次为腐殖土（1.460 1 mg/g）＞陶粒（0.536 3 mg/g）＞火山岩（0.315 0 mg/g）＞活性炭（0.228 6 mg/g）＞石英砂（0.226 4 mg/g）。 根据 Frenundlich等温方程，得出5种填料的吸附强度由大到小依次是陶粒（2.120 0）＞腐殖土（1.389 3）＞火山岩（0.877 6）＞活性炭（0.831 7）＞石英砂（0.670 7）。 由表1可以看出，5种填料都可以由Langmuir等温方程较好地拟合，R2均大于0.9。陶粒、石英砂、腐殖土可以很好地拟合Frenundlich等温方程，说明该吸附过程包括化学吸附和物理吸附，而火山岩和活性炭的拟合效果不是很好，这与万正芬等[8]的研究结果类似。

表1 填料对磷的Langmuir和Freundlich拟合等温吸附方程及相关系数

2.2 模拟污水水质下分散式农村污水净化槽对各有机污染物的去除效果

2.2.1 COD去除效果。图3为不同时期小型分散式农村生活污水净化槽的进出水COD浓度及其去除率。试验从2020年7月运行至2020年12月，跟踪监测了净化槽长期运行结果。整个试验期间气温为7～31℃，出水水质状况与气温有很大的关系。由图3可知，在水力停留时间为24 h的条件下平均进水COD浓度为285 mg/L，根据《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3693—2019）中的二级标准（COD≤100 mg/L），出水 COD浓度低于100 mg/L的达标率为96.04%，平均出水COD浓度为 53.96 mg/L，COD 平均去除率达 80.87%。

进一步研究水力停留时间对出水COD浓度的影响，水力停留时间为48 h和72 h时，COD平均进水浓度为306 mg/L，系统平均出水浓度基本稳定在105 mg/L，满足国家《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）中水作和旱作作物的水质标准（COD≤150 mg/L）。水力停留时间为48 h时，COD平均去除率为62.73%；水力停留时间为72 h时，COD平均去除率为69.99%。从不同季节来看，夏季COD出水效果明显优于冬季。虽然气温降低后期将水力停留时间延长，但系统COD出水浓度仍较高。其原因在于冬季气温下降过快会影响微生物的生长活性与繁殖[9]。

2.2.2 NH3－N去除效果。图4为不同时期小型分散式农村生活污水净化槽的进出水NH3－N浓度及NH3－N 去除率。 NH3－N 平均进水浓度为 35.24 mg/L的条件下，平均出水浓度为22.83 mg/L，平均去除率达 34.14%。 满足 DB 37/3693—2019 二级标准（NH3－N≤20 mg/L）的概率仅为13.95%。水力停留时间为48 h 和 72 h 时，NH3－N 平均去除率仅为 16.75%。其原因可能是随着系统的运行，基质对NH3－N的吸附等物理作用和离子交换等化学作用趋于平衡，且随着气温的逐步降低微生物的硝化作用和反硝化作用降低。

2.2.3 TP去除效果。图5为不同时期小型分散式农村生活污水净化槽的进出水TP浓度及TP去除率。TP 平均进水浓度为 3.79mg/L，出水浓度为 2.06 mg/L，TP平均去除率为45.00%。水力停留时间分别为24、48、72h 时，TP 去除率分别为 46.02%、44.01%、45.06%。净化槽运行4个月，TP去除率依旧保持在40%以上。

3 结论与讨论

3.1 结论

在所选择的填料中，孔隙率优选聚乙烯多面空心球；腐殖土和页岩陶粒对磷的吸附效果良好，可以为净化槽后期的填料组合筛选提供依据；在水力停留时间为24 h时，净化槽对COD的去除率达80%以上，TP去除率达45%，氨氮去除率达34%；分散式农村污水净化槽具有占地面积小、启动较快、对环境无二次污染、成本低、运行维护简单等诸多优点，适宜在农村地区推广使用。

3.2 讨论

COD的去除率在净化槽运行2个月时保持在80%左右，后期受温度下降等影响去除率降至60%左右。与其他主要污染物的指标对比发现，COD受温度影响相对较小，COD的去除主要依靠种类丰富的异养微生物，其对环境和温度的变化适应力较强[10]。

NH3－N的去除主要由硝化脱氮和氨氧化脱氮共同组成，其去除受到的干扰因素较多，故出水水质不稳定。有研究表明，生物脱氮最有效的温度范围为25～30℃。本试验中NH3－N去除率从启动阶段的40%左右降至15%以下，这主要是由于温度下降导致的。根据巩有奎等[11]研究表明，在温度由30℃降至10℃后，NH3－N的去除率从 90%降至 20%左右。NH3－N的去除在净化槽启动阶段主要依靠填料的吸附，后期主要依靠微生物的生化作用。但是当系统达到液－质平衡后，填料的吸附作用下降，后期又由于温度降低导致微生物活性降低，因而装置对氨氮的去除率一直呈现较低水平[12]。

净化槽对磷的平均去除率从启动运行30 d内的49.84%降至运行 60 d时的 44.27%，运行 130 d时再降至41.71%。可见净化槽对磷的去除受温度影响较小，吸附是除磷的主要途径[13]。微生物对磷的吸收速度较快，但是吸收数量微小，同时基质除磷存在最大饱和度，其并不是一个长期可持续的过程。定期更换填料是解决吸附饱和问题的可行方式。