地埋式生物净化槽处理农村生活污水效果分析

杨帆，梁和国

（长江大学地球环境与水资源学院，湖北 武汉430100）

农村的居民居住相对分散、资金力量薄弱、基础设施落后［1］，因此，开发应用费用低廉、节省土地资源与能源、高效的特别是具有广谱性除污能力和总体环境效益的多层次的分散式处理技术已迫在眉睫。近年来，日本研究者开发了一种称为 “Johkasou”中文音译为净化槽的处理设施［2］。多年的实践表明，该设施具有较强的实用性，特别适合农村生活污水的处理［3］。净化槽处理器集多种处理技术为一体，设置费用低，在人口密度比较低的地区，净化槽处理器的费用远远低于铺设公共下水道的费用，减轻了地方政府的财政负担。同时还具有安装方便、用时少、安装工期短、投资见效快、不受地形与环境影响等特点［4］。可与自然净化相结合，确保水体生态平衡［5］。

生活污水净化槽处理法是处理散居式农村生活杂排污水和水冲厕所污水的一种方法，是典型的厌氧好氧曝气方式的生物氧化法［6］。其特点是：（1）生物膜法为主要特征，采用复合式滤料，融合了生化法的好氧、兼氧、厌氧法优点；集沉淀、厌氧、缺氧和氧生物处理及消毒等功能于一体。（2）以高效生物处理技术为核心，采用有效复合微生物菌种进行接种和驯化，处理效果稳定，出水水质优良，能够达到国家中水回用标准［7］。（3）污泥量很少，原则上不需排泥，避免了一般污水处理系统常见的污泥处理与处置问题，一般每半年或者一年左右清洗净化槽时才排泥。（4）装置埋于地下，污水处理温度相对稳定，处理效果不易受气温变化影响。（5）分散式处理水在农村广阔区域散点式达标排放，利于水体的自净作用，能有效地保持沟、渠的水体流量，便于农田灌溉。（6）设有曝气减噪装置，噪声小，运行成本低，操作简单［8］。鉴于中国农村地区地处偏僻而分散、经济条件差，生活污水处理十分不易，90%的生活污水没有经过任何处理就直接排放。本研究以江汉平原地区农村为例，采用生活污水处理净化槽法处理散居式农村生活杂排污水和水冲厕所污水，结果表明生物净化槽系统具有不易堵塞、操作简单、占地少、造价低、出水水质好等优点，适合农村生活污水的分散式处理。

1 材料与方法

1.1 处理装置及工艺流程

根据中国农村3～5人家庭生活污水排放的特点，设计一种两级厌氧和一级好氧生物膜处理工艺的小型一体化农村生活污水处理器。两级厌氧室的上部设计为流量调节区，由定量泵将第2厌氧室的出水提升到生物膜过滤槽中，并定期对生物膜过滤槽进行反冲洗，反洗排水再进入第1厌氧室中，其工艺流程详见图1。

使用该工艺自制了2台适合于农村单家独户使用的生活污水处理净化器，分别于2013年1月15日和1月20日埋置于湖北省荆州市城郊白龙村徐氏和李埠严氏庭园内，定期采集该装置各分室内的水样，进行水质分析。

图1 农村生活污水处理器工艺流程图

1.2 主要分析内容

定期到现场采集该装置各分室水样，对其化学需氧量COD、生化需氧量BOD5、总氮含量TN、总磷含量TP、氨氮含量、浊度等水质指标及系统中微生物生长情况进行分析。具体步骤及分析内容如下：

（1）不同农户的生活污水水质采集 对不同农户安装了地埋式污水处理装置，分厌氧I室、厌氧II室、曝气室、出水口室、回流水管和周边水体按月采集水样，取样保存实验室以备水质分析。

（2）污水中有机污染物去除效果分析 采用国家标准方法分析水样中的化学需氧量COD、生化需氧量BOD5等指标，根据处理前后水质的变化，以去除率判断有机污染物的去除效果。

（3）污水中总氮总磷去除效果分析 采用国家标准方法分析水样中的总氮含量TN、总磷含量TP指标，根据处理前后水质总氮含量TN、总磷含量TP的变化，以去除率判断氮磷的去除效果。

（4）污水中微生物数量和处理效果分析 采用国标菌落总数测定GB／T 4789.2—2008，平板菌落计数法，根据所得结果分析净化槽中微生物活性，探究微生物与处理效果之间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同农户的生活污水水质情况

对安装了地埋式污水处理装置试验点的2家农户，从2月至5月期间每隔2周取1次水样进行分析，2家试验点所有测定次数的各室平均值分别见表1和表2。由表1和表2可以看出，徐氏试验点的处理效果明显好于严氏。除氨氮和总氮外，严氏的进水水质污染负荷均低于徐氏，但出水效果不理想，各指标去除率均在50%以下。徐氏试验点进水污染负荷虽然较高，但出水化学需氧量COD、生化需氧量BOD5和浊度已达到排放标准。因试验装置安装时间不长，尚在调试过程中，3月份的处理效果不是很理想，后期效果明显好转，平均值也因此受到一定影响。经调查发现：严氏试验点人口数较少，用水节约，水量明显不够；在装置的安装方面，严氏试验点的装置前有化粪池，而徐氏试验点没有化粪池，生活污水流经化粪池后再进入试验装置中，导致生化性能大大降低；水质测定结果显示，严氏的水质C／N失衡，导致微生物营养不够而死亡。徐氏的人口数是严氏的2倍，生活规律，排放水量较大，微生物的C／N营养较均衡，生活污水不经化粪室，直接排入污水处理装置，处理效果较明显。鉴于以上原因，仅分析来自白龙村徐氏的试验处理效果。

表1 严氏试验点各测定次数的各分室平均值

表2 徐氏试验点各测定次数的各分室平均值

2.2 污水中各项水质指标去除效果

2.2.1 化学需氧量COD

表3为不同取样时间内埋设在徐氏试验点的生活污水处理净化器各分室中化学需氧量COD及其去除率。从表3可以看出，在不同的取样时间内，进水口即厌氧I室中化学需氧量COD变幅较大（125.0～612.0mg／L），出水口室的浓度则降低到77.8～267.4mg／L，去除率达到了30.2%～75.9%，表明随着装置运行时间增加，处理效果呈增强的趋势，最近2次测定结果表明，出水化学需氧量COD均稳定在80mg／L左右，达到了设计的预期值。

表3 不同取样时间各室中化学需氧量COD及其去除率

从各分室10次采样的平均值来看，通过厌氧Ⅱ室、曝气室、出水口室去除的效果分别为31.9%、29.6%、15.3%，其中厌氧Ⅱ室去除效率最高，依次递减。随着污染负荷的增加，化学需氧量COD的去除率也随之增加，说明此系统有一定的抗冲击负荷能力。由表3还可以看出，不同的取样时间进水化学需氧量COD变化较大，但出水化学需氧量COD值较稳定。

2.2.2 生化需氧量BOD5

从表4可以看出，不同的取样时间，进水口即厌氧I室中生化需氧量BOD5变幅较大，从40.9mg／L到360.9mg／L，平均浓度为139.7mg／L。出水BOD5长期稳定在21mg／L以下，最低浓度达到1.5mg／L。去除率最高可达98.6%，最低为52.5%，且随进水生化需氧量BOD5增加，去除率不断增加，达到了设计出水生化需氧量BOD5的预期值。

表4 不同取样时间各室中生化需氧量BOD5及其去除率

从各分室9次采样的平均值来看，通过厌氧Ⅱ室、曝气室、出水口室的生化需氧量BOD5去除率分别为52.9%、59.7%、48.3%，其中曝气室去除率最高，出水口室去除率最低。

从表4还可以看出，从3月到5月，随着气温不断增加，进水生化需氧量BOD5值呈现不同程度的波动，但出水水质均稳定在较低的范围内。

2.2.3 总氮和氨氮

从表5可以看出，除4月4日、4月24日外，在不同的取样时间，进水口即厌氧I室中总氮含量TN均稳定在150mg／L左右。出水口室的总氮含量TN则降低到19.5～126.6mg／L不等，总氮去除率达到了16.0%～90.5%，出水的总氮含量TN仍然比较大，没有达到期待的效果值。

从各分室采样的平均值来看，通过厌氧Ⅱ室、曝气室、出水口室去除的效果分别为43.1%、41.9%、17.9%，与化学需氧量COD测定结果相似，厌氧Ⅱ室去除率最高，出水口室去除率最低。

从表5还可以看出，进水总氮含量TN较稳定，进水到曝气一段总氮去除效果较明显。对于最终出水总氮含量TN值偏高，仍需进行调整。

表5 不同取样时间各室中总氮含量TN及其去除率

表6为不同取样时间内各分室中氨氮含量及其去除率。从表6可以看出，进水口即厌氧I室中氨氮的含量在不同的取样时间里变幅较大，从201.5mg／L到8.8mg／L，出水口室的含量则降低到0.2～11.0mg／L，氨氮的最高去除率为99.0%，最低去除率为83.3%，出水氨氮含量稳定在11mg／L以下，且越到后期，出水值越低，出水氨氮含量达到0.2mg／L，达到设计出水预期值。

从各分室采样的平均值来看，通过厌氧Ⅱ室、曝气室、出水口室去除的效果分别为45.8%、38.7%、83.2%，出水口室去除率最高，曝气室去除率最低。

从表6还可以看出，进水氨氮含量随取样时间推移波动较大，且明显降低，很可能是因为水中氨氮含量随季节变化，温度升高而减少。

表6 不同取样时间各室中氨氮含量及其去除率

2.2.4 总磷

该装置仅通过污泥沉降除磷之外并无特殊的除磷设计，故该装置的总磷去除效果并不明显。从表7可以看出，厌氧Ⅰ室即进水口总磷含量TP比较稳定，出水总磷含量TP也稳定在10mg／L左右，平均去除率为37.0%。

从各分室采样的平均值来看，通过厌氧Ⅱ室、曝气室、出水口室总磷去除的效果分别为12.9%、13.8%、4.9%，出水口室去除率最低，几乎为零。

表7 在不同取样时间各室中总磷含量TP及其去除率

2.3 净化槽系统中微生物数量与处理效果

2.3.1 生物净化槽系统中微生物的生长状况

装置运行过程中，地埋式生物净化槽系统中细菌﹑真菌以及其他微生物数量均有较大变化，但都在108～1010个／ml数量级上［7］，微生物具体数量表如表8所示。

表8 净化槽系统中微生物数量及各水样指标去除率

从表8可以看出，随着不断向系统中投加微生物，系统中微生物数量出现较大波动，且随着时间的推移最终趋于稳定。系统中细菌数量明显高于真菌和其他微生物的数量，这说明细菌对生活污水的净化作用大于真菌和放线菌［9］。微生物总量随着时间的推移呈现先增多后减少再增多的趋势。

2.3.2 生物净化槽系统中微生物数量与化学需氧量COD去除率的关系

通过对表8中微生物数量和化学需氧量COD去除率的相关性分析发现，细菌（r＝0.7835，0.01＜P＜0.05）和真菌（r＝0.9033，P＜0.01）数量与化学需氧量COD去除率都存在显著相关性，而放线菌（r＝0.3219，P＞0.05）与COD去除率之间不存在显著相关性。证明细菌和真菌在净化槽净化生活污水系统中化学需氧量COD的去除中起了较大的作用，放线菌对化学需氧量COD的去除效果不明显。这与梁威等［10］研究人工湿地中植物根区微生物数量与系统化学需氧量COD去除率的相关性分析结论不完全相同。也有研究表明放线菌在降解土壤有机物中发挥着积极的作用［11］。本研究结果表明，细菌和真菌可以对生物净化槽污水处理系统中的有机物起到降解作用。

2.3.3 生物净化槽系统中微生物数量与生化需氧量BOD5去除率的关系

通过对表8中微生物数量和生化需氧量BOD5去除率的相关性分析发现，真菌（r＝0.7554，0.01＜P＜0.05）数量与生化需氧量BOD5去除率存在显著相关性，而细菌（r＝0.3364，P＞0.05）和放线菌（r＝0.5823，P＞0.05）与生化需氧量BOD5去除率之间不存在显著相关性。说明真菌在净化槽净化生活污水系统中生化需氧量BOD5的去除中发挥了较大的作用，其细菌和放线菌对生化需氧量BOD5的去除效果不明显。

2.3.4 生物净化槽系统中微生物数量与总氮去除率的关系

通过对表8中微生物数量与总氮去除率的相关性分析发现，细菌（r＝－0.032，P＞0.05）和真菌（r＝－0.533，P＞0.05）数量与总氮去除率呈现负相关，相关性不显著。而放线菌（r＝－0.8952，P＜0.01）数量与总氮去除率呈现负相关，相关性较显著。该生物净化槽系统在不同的取样时间，进水口即厌氧I室中总氮含量TN均稳定在150mg／L左右。出水口室的总氮含量TN则降低到19.5～126.6mg／L不等，总氮去除率达到了37.1%～90.5%，但出水的总氮含量TN仍然比较大，还没有达到期待的效果值。说明其生物除氮能力不足，可能原因是系统中微生物所需营养不平衡，不能充分发挥细菌和真菌对总氮的降解，需进一步调整。

2.3.5 生物净化槽系统中微生物数量与总磷去除率的关系

通过对表8中各阶段微生物数量与系统对总磷的去除率的相关性分析发现，细菌（r＝0.213，P＞0.05）、真菌（r＝0.279，P＞0.05）和放线菌（r＝－0.332，P＞0.05）与总磷去除率不显著相关，该生物净化槽系统仅通过污泥沉降除磷之外并无特殊的除磷设计，故该装置的总磷去除效果并不明显，表明微生物活动并非去除总磷的主要原因。这说明聚磷细菌等微生物对总磷的去除并非主要除磷途径，还与含磷物质的沉淀、植物吸收、介质固定以及有机物质积累等作用有关，且磷容易被富含Fe、Al及Ca等的矿物质所吸附［12－13］。

2.3.6 生物净化槽系统中微生物数量与氨氮去除率的关系

通过对表8中微生物数量和氨氮去除率相关性分析发现，细菌（r＝－0.879，P＜0.01）数量与氨氮呈现负相关，且相关性较为显著，而真菌（r＝－0.57，P＞0.05）和放线菌（r＝－0.304，P＞0.05）数量与氨氮去除率相关性不显著。该生物净化槽系统氨氮去除率高达99.0%，说明细菌在净化槽净化生活污水系统中氨氮的去除中发挥了较大的作用，真菌和放线菌对氨氮的去除效果不明显。

3 结论

（1）从严氏与徐氏试验点的效果上来看，徐氏的处理效果比较好，严氏的处理效果差，严氏试验装置仍需根据具体的进水水质进行调试。

（2）从各个水质指标的去除率来看，氨氮去除率最高，为94.9%，表明曝气效果显著；其余依次为生化需氧量BOD587.8%、浊度82.8%、总氮66.9%、化学需氧量COD59.4%、总磷37.0%。进水生化需氧量BOD5／化学需氧量COD的比值平均值为0.36，表明生活污水的可生化性较好，故以生化需氧量BOD5和总氮作为检验该装置去除效果的水质指标。

（3）从各分室采样分析的平均值计算出的厌氧Ⅱ室、曝气室、出水口室中各水质指标去除率来看，厌氧Ⅱ室中化学需氧量COD和总氮的去除率最大，曝气室中生化需氧量BOD5和浊度去除率最大，出水口室中氨氮去除率最大。

（4）该生物净化槽系统中化学需氧量COD去除率与细菌和真菌数量具有相关性，而与放线菌数量不显著相关；生化需氧量BOD5去除率与真菌数量具有相关性，而与细菌和真菌数量没有明显的相关性；总氮去除率与细菌和真菌数量呈现负相关性，且相关性不明显，而与放线菌数量呈现显著的负相关性；氨氮去除率与细菌数量呈现显著地负相关性，而与真菌和放线菌数量没有显著的相关性；该地埋式生物净化槽系统中总磷的去除率与微生物数量没有明显的相关性，说明总磷的去除主要依靠其他非微生物途径。

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