不同处理措施对农村生活污水净化效果研究

张靖雨 汪邦稳 龙昶宇 张卫 张世杰 赵黎明

摘要 [目的]研究不同處理技术的净化效果，探索因地制宜、应用高效的生态综合治理技术。[方法]以农村生活污水为研究对象，通过分析不同处理方式对污染物的净化效果，提出不同生物生态治理措施优化筛选的科学参考。[结果]沟塘内水生植物对TN、NH 4+-N、TP均具有较好的去除效果，停留时间为90 d时平均去除率分别为77.8%、94.3%和78.0%，但对COD Mn去除率仅在35%～40%。厌氧-缺氧-好氧-湿地组合处理工艺中A2/O工艺段对TN、NH 4+-N、TP和COD Mn的平均去除率为23.4%、48.6%、56.3%和30.7%，人工湿地对污水中氮、磷均具有较好的去除效果，出水TN、NH 4+-N浓度分别稳定在0.66和0.25 mg/L，TP浓度基本维持在0.03～0.15 mg/L，对COD Mn的去除效果并不显著，各项污染物指标平均去除率依次为97.7%、89.0%、86.2%和53.1%。[结论]将生物方法和生态工程有机结合的组合处理技术能够达到稳定的脱氮除磷功效，在农村生活污水处理领域具有很高的推广应用价值。

关键词 农村生活污水;生态综合治理;A2/O;人工湿地;净化效果

中图分类号 X 799.3文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）02-0211-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.057

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Purification Effect of Different Treatment Measures on Rural Domestic Sewage

ZHANG Jing-yu1，2，WANG Bang-wen1，2，LONG Chang-yu1，2 et al （1.Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research，Hefei，Anhui 230088;2.Anhui Province Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources，Bengbu，Anhui 233000）

Abstract [Objective]To study the purification effect of different treatments，and explore an efficient ecological comprehensive management technology in line with local conditions.[Method]Taking rural domestic sewage as the research object，this paper analyzed the purification effect of different treatment methods on pollutants，and put forward the scientific reference for optimizing and screening different biological ecological treatment measures.[Result]The aquatic plants in the ditch pond had good removal effects on TN，NH 4+-N and TP.When the residence time was 90 d，the average removal rates were 77.8%，94.3% and 78.0%，respectively，but the removal rates of COD Mn were only between 35% and 40%.The average removal rates of TN，NH 4+-N，TP and COD Mn in A2/O process were 23.4%，48.6%，56.3% and 30.7%，respectively.The constructed wetland had a good removal effect on nitrogen and phosphorus in wastewater，the concentration of TN and NH 4+-N in the effluent was stabilized at 0.66 and 0.25 mg/L，respectively，and TP concentration was basically maintained between 0.03-0.15 mg/L.The removal effect of COD Mn was not significant，the average removal rates of TN，NH 4+-N，TP and COD Mn were 97.7%，89.0%，86.2% and 53.1%，respectively.[Conclusion]The combination of biological methods and ecological engineering can achieve a stable removal efficiency of nitrogen and phosphorus，which has high application value in the field of rural domestic sewage treatment.

Key words Rural domestic sewage;Comprehensive ecological treatment; A2/O; Constructed wetland; Purification effect

基金项目 安徽省重点研发计划项目（1804b06020346）;安徽省水利科技项目（slkj2019-06）;安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院科技创新基金项目（KY201908）。

作者简介 张靖雨（1988—），男，安徽凤阳人，工程师，硕士，从事水污染处理、水生态修复研究。*通信作者，高级工程师，博士，从事水土保持、土壤学研究。

收稿日期 2021-05-05

生活污水、畜禽养殖以及不合理的灌溉排水和施肥等造成的农业面源污染是水体富营养化的主要原因[1-2]，其贡献率大大超过城市、工业的点源污染。与城市不同，农村污水排放日变化系数大[3]，农忙时水量大、农闲时水量小;大多不含重金属或有毒有害物质，有机物含量高、可生化性较强[4];农村污水管网布设不健全，难以运行管理复杂技术工艺。此外，不同区域污水排放特征差异很大[5]，远高于城市之间的差异水平。目前各地农村环境综合整治和美丽乡村建设已大力开展，但局部地区不考虑地域特征实际，存在形象工程、面子工程，设施处理效果不佳，造成资源浪费。

我国关于农村生活污水处理的研究自20世纪80年代开始起步，常见方法主要包括厌氧发酵-接触氧化法[6-7]、人工湿地[8-10]、膜生物反应器[11]、稳定塘[12-14]等。但单一的污水处理工艺局限性较多，各自的缺点加之污水来源的复杂性制约了其独立运行的前景，在实际应用中往往考虑不同工艺的生物生态组合形式[15]等以提高处理效能。生物生态组合处理工艺中前段生物处理主要负责去除有机物和部分营养物，可以克服生态工艺易堵塞的问题，后段生态处理进一步对污水脱氮除磷，解决生物处理技术复杂和建造费用高的难题，从而提高出水水质，保证系统运行的稳定性。生物生态处理技术在国外已经得到了较多的推广应用，Samal等[16]从不同水力负荷、蚯蚓密度、有机碳源等方面总结探讨了蚯蚓微生物生态滤池与水生植物滤床组合处理不同生活污水的效果;Sardana等[17]认为人工湿地和稳定塘工艺技术对溶解性有机物的处理作用是通过生物不稳定组分同化和植物衍生的陆地物质浸出共同影响完成的。此外组合处理技术在日本韩国得到了一定的发展[18]。国内应用较为广泛的包括A/O-人工湿地、膜生物反应器[19]-人工湿地组合处理工艺等。熊仁等[20]采用厌氧+跌水曝气+人工湿地组合工艺实现对COD、TN、TP、NH 4+-N、SS 5个常规指标的平均去除率分别达到74.5%、57.2%、59.5%、59.0%和91.6%，且厌氧反应池对SS去除贡献率最大。张跃峰[21]探索形成了多级串联大深径比厌氧反应器+跌水接触氧化装置+水生蔬菜滤床的人工湿地组合工艺，在内部形成整体推流态，处理效率和耐冲击负荷能力更高。目前组合工艺被越来越多地应用在农村生活污水的处理上，但不同生物生态处理技术的污水处理效果比较仍有待深入开展，因此通过分析提炼不同生态处理技术的净化效果，对比不同处理模式的优缺点，积极探索符合当地区域实际的生态综合治理技术与方法，为农村水环境整治提供科学支撑和技术思路。

1 材料与方法

1.1 试验区域

新马桥农水综合试验站位于皖北平原中南部，暖温带半湿润季风气候，多年平均降雨量911 mm。现有水体大沟长460 m、宽10～13 m，水塘415 m2，上下游边界处设有上卧闸、下卧闸2处闸门，沟塘内水体流动缓慢，可按静水条件处理。中心水系受面源污染严重，生活污水未得到有效处理，现场景观效果差，水资源利用率低等。在试验站内的大沟、水塘等处采用种植不同类型水生植物的生态治理措施，并布设观测设施，研究实际净化效果，以期改善试验站水体环境，提升生态多样性。黄山市谭家桥镇位于安徽省黄山市黄山区南部（118°27′E、30°17′N），是黄山旅游的集散地和服务接待基地之一，属亚热带季风气候，年降水量2 058 mm，境内水资源丰富，河流纵横。集镇污水处理工程主要收集镇南北2个区域的生活污水，目前共收集272户。

1.2 工艺概述

1.2.1 新马桥生态修复方案。在大沟河道已有的种植框內种植如黄花鸢尾、再力花、梭鱼草和美人蕉等挺水植物，共计980 m2;种植苦草沉水植物共1 240 m2;沟塘中心设置生态浮岛，共计25.8 m2;并搭配鸢尾、穗花狐尾草等水生植物，浮体轻质陶粒和生物炭的易形成生物膜，使景观浮岛同时拥有植物净化功能和生物膜净化功能，详细布设情况见图1。

1.2.2 谭家桥集镇污水处理工程设计。此污水处理工程设计规模750 t/d，采用A2/O+人工湿地组合处理工艺。主要构筑物包括调节池、厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池、湿地等。设计进出水水质及处理目标见表1，详细流程布置如图2所示。

1.3 采样与测试

在新马桥大沟两侧闸南北分别布设4个观测点位、生态塘设1个观测点位，自2019年2—9月每月采集一次水样;谭家桥污水处理站在连续恒定阶段采用瞬时多次采样法进行，在调节池出水段、二沉池出水段、生态湿地出水段分别采集水样，采样时间为连续进水后恒定流动30 min后，从9月10日开始至12月28日止每周采集一次水样，每次采集约500 mL水样，密封后带回实验室进行理化指标分析。

全部采集完成后现场测定pH、水温等物理指标，带回实验室分2部分完成测试，一部分不过滤用全自动化学分析仪（Smartchem_200）测试总氮（TN）和总磷（TP），分别采用过硫酸钾分光光度法、过硫酸钾氧化-钼蓝比色法，测定化学需氧量（COD Mn）采用高锰酸钾盐指数法;另一部分经0.45 μm的滤纸过滤，氨态氮（NH 4+-N）采用纳氏试剂比色法、硝态氮（NO 3--N）采用紫外分光光度法，可溶性磷酸盐（SRP）-钼锑抗分光光度法。

2 结果与分析

2.1 治理前沟塘水体特征

从表2可以看出，2019年2—5月新马桥试验站沟塘内水体生态治理前的TN、NO 3--N含量变化规律较为一致，2月氮素含量较高，3、4月降低，5月后 TN、NO 3--N和NH 4+-N含量回升。2—5月，大沟上卧闸南TN、NO 3--N和NH 4+-N

平均浓度分别为1.48、0.12和0.21mg/L，达到《国家地表水环境质量标准》（GB 3830—2002）中IV类水平，而下卧闸北侧TN、NO 3--N和NH 4+-N平均浓度分别为5.59、4.12和0.22mg/L，氮素含量严重超标，为劣V类水平。沟内COD Mn含量变化趋势较为平缓，所有观测点位的月平均浓度为3.41 mg/L，上卧闸南、下卧闸北的TP平均浓度分别为0.04、0.06 mg/L，均达到 Ⅱ 类水平。生态塘内COD Mn、TN、NH 4+-N、TP平均浓度分别为2.84、1.37、0.27和0.04mg/L，大沟与水塘有机物、磷素等指标含量较为正常，而氮素等营养水平偏高。此外，对比站区闸门以外大沟水体情况，上卧闸北及下卧闸南TN平均浓度为1.63、1.57 mg/L，略高于闸内大沟;两侧COD Mn、TP含量与闸内接近，有机物、磷素营养含量同样较低。

2.2 沟塘生态治理效果分析 从表3可以看出，

生态治理后，沟塘不同点位水体的各项污染指标均有不同程度下降，但下卧闸南TN月平均浓度由1.573 mg/L升高至2.092 mg/L。大沟下卧闸北TN浓度降幅最显著，整体去除率达到69.3%，其他区域降幅均不显著。生态治理前的同时间段内，仅下卧闸北TN显著高于其他点位;治理后下卧闸南北两侧水体TN浓度均显著高于生态塘和上卧闸南，与上卧闸北差异不显著。治理前，同一时间段内不同点位水体中NH 4+-N浓度无显著性差异;而在治理后，除上卧闸北侧水体外其他点位的NH 4+-N浓度较治理前均呈显著下降趋势。5个采样点位水体中TP浓度在2—5月和6—9月差异均不显著，平均浓度分别为0.046、0.034 mg/L，各点位TP浓度较治理前有所下降，仅上卧闸南水体下降趋势显著。生态塘内水体COD Mn浓度在6—9月显著低于大沟内各点位，但治理前后的2个时间段内沟塘COD Mn浓度下降趋势并不显著。

从图3可以看出，沟塘内水生植物对各项污染物指標的去除率随着停留时间的延长逐渐增加，并显著高于大沟南北两侧对照水体。在停留时间为90 d时，TN、NH 4+-N、TP去除率最高，大沟两侧分别达到73.5%和82.1%、96.2%和92.3%、86.3%和69.6%，水塘内分别为74.3%、88.7%、66.0%。沟塘水生态治理措施对水体中COD Mn的去除率较低，净化效果不显著，停留时间为90 d时去除率仅在35%～40%。当停留时间<60 d时，COD Mn去除率低于闸外侧未治理水体的自然降解效率;60 d后大沟两侧及水塘COD Mn去除率分别为36.7%、40.7%和39.0%，同时期未治理水体（上卧闸北、下卧闸南）自然降解率仅为8.4%、0.7%，水生态措施的净化效果显著提升。

2.3 生物生态组合处理措施效果分析

2.3.1 各单元出水pH变化特征。

从图4可以看出，在9—12月的长时间序列观测期间，谭家桥集镇污水处理站进水pH在7.06～7.83，呈弱碱性。由调节池、二沉池后出水pH较为接近，平均值均为7.07，同相比进水时pH均有明显降低。污水最终经人工湿地的二级处理后，出水pH显著降低，平均值为6.81。在人工湿地运行过程中，pH的变化受NH 4+-N变化的影响，另外有机物的厌氧降解产酸也会导致pH降低，说明试验站垂直流人工湿地对NH 4+-N的去除作用明显;此外，夏季湿地出水pH略高于秋冬季，随着温度降低，出水酸度反而升高。

2.3.2 各单元出水污染物指标变化特征。

2.3.2.1 TN。从图5可以看出，进水TN浓度变化范围在1.96～7.99mg/L，呈逐渐升高趋势，受季节变化以及周边农村居民用水习惯影响较大。调节池出水TN浓度变化与进水一致，仅略低于进水，表明调节池均质、均量运转正常;污水TN浓度自二沉池出水有所降低，但平均去除率仅为23.4%，11月之后去除率趋于稳定在15%～28%。湿地出水后TN浓度在0.14～1.49 mg/L，满足地表水环境Ⅱ类质量标准要求;随着运行稳定，TN去除率逐渐升高，最高可达97.7%，可见组合工艺中人工湿地对TN的去除效果十分明显。

2.3.2.2 NH 4+-N。图5显示，二沉池出水NH 4+-N浓度有显著下降，平均去除率为48.6%，出水浓度在0.26～2.69 mg/L，达到城镇污水排放一级B标准，说明好氧池中对氨氮的硝化反应顺利，整体生化反应阶段工艺对NH 4+-N的去除率较高。人工湿地出水NH 4+-N浓度在0.25mg/L左右，去除率达89.0%。

2.3.2.3 TP。从图5可以看出，进水TP浓度在0.30～2.31 mg/L，随着进水浓度升高，二沉池出水TP浓度下降显著，平均浓度为0.59 mg/L，优于城镇污水排放一级B标准，且受进水影响较小。人工湿地出水后TP浓度在0.03～0.15 mg/L，去除率平均为86.2%，作为组合工艺的深度处理，人工湿地对TP净化效果良好。

2.3.2.4 COD Mn。图5显示，二沉池出水COD Mn浓度稳定在1.66～3.52 mg/L，优于地表水环境质量标准Ⅱ类水质限值，较进水有显著下降，平均去除率为30.7%。经人工湿地进一步处理后，出水COD Mn浓度在1.09～2.64 mg/L，平均去除率为53.1%。

3 讨论

生态治理前新马桥试验站内沟塘水环境质量整体尚可，但局部污染问题突出。沟塘水体氮素污染情况不容忽视，其中下卧闸南北两侧水体TN含量严重超标。水生植物处理的生态措施能够有效改善水质，一方面是植物自身的吸收作用[22]，另一方面是由于植物根部氧气充足为好氧微生物、聚磷菌的生长等提供良好的环境条件[23]。植物对氮素的去除主要以氨氮为主，沟塘水体中NH 4+-N浓度变化规律与TN一致，且同时期去除率略高于TN。 停留时间<60 d时，COD Mn去除率低于闸外大沟水体的自然降解效率，可能原因在于大沟两侧种植的水生植物在前60 d内生长处于潜伏期或长势不显著，造成植物根系及微生物对有机质的吸收作用不显著;60 d后，植物生长加快，周边微生物群落发育繁殖稳定，对有机质等营养的需求也更加旺盛[24]，大沟两侧及水塘的COD去除率平均为38.8%，同期未治理的沟段水体自然降解作用几乎停滞。总的来说，采取单一的水生态治理对沟塘水体的氮素含量尤其是对NH 4+-N的去除效果最为显著，而对COD、TP等污染物的去除效果仍有待观察。

pH是影响硝化与反硝化反应的一个重要参数，若pH过低，生化池及湿地中分解有机物的原生动物将难以存活，也不利于大多数微生物的生存;若pH过高，微生物代谢速率显著下降，严重降低微生物硝化与反硝化的反应进程[25]。大量研究发现微生物生存和代谢最佳的pH是6.5～8.5[26-27]。谭家桥集镇污水处理站进水呈弱碱性，适合微生物生长代谢。由调节池、二沉池后出水pH较为接近，相比进水pH均有明显降低，主要原因是在污水混合的过程中会进行稀释和在硝化反应时会产生硝酸和亚硝酸，从而促使pH降低。

组合工艺中缺氧池的反硝化作用去除TN效果不明显，可能原因在污泥氨化程度较低，导致反硝化反应进程受阻，此外也与进水TN浓度本身已较低有关。二沉池在进水初期受进水浓度变化影响较大，对TP去除效果不稳定;而稳定运行期间，对TP的去除率逐渐提高，并且具备一定的耐冲击负荷能力。人工湿地在组合工艺各单元的脱氮作用贡献率最高，氮素通过人工湿地介质的过滤作用、微生物的降解以及植物的吸收作用得以高效去除，是主要作用环节，且在低温条件下仍然有很高的稳定性。在厌氧池中生活污水中COD一部分被产酸菌转化成低分子有机酸，并被聚磷菌利用合成碳源类贮藏物，另一部分在反硝化脱氮过程中作为氢供体被消耗;在好氧池中COD最终主要被聚磷菌吸收到胞内产生能量，得以去除[28-30]。湿地中COD的去除则主要通过植物根系、基质底泥的降解吸附作用[31-32]以及微生物活动分解等[33]进行。湿地植物可直接通过发达的根系吸附小分子有机污染物以供微生物分解，也可通过茎叶从外界吸收氧气并输送至根系附近，形成好氧环境，从而有利于污水中有机质好氧分解[34]。总体来说，湿地的去除效果比较理想，受外界温度变化影响不显著，一方面与湿地植物根系发育较好有关，另一方面也与湿地结构对微生物活性的改善有联系。

4 结论

不同植物的根系微生物组成和植物吸收能力有所差异，不同岸带护坡类型造成的土壤特征差异、微生物反硝化作用等因素都有顯著区别，因此对氮磷的去除效果也不尽相同，应根据实际区域及地形条件合理选择处理技术。

试验站内沟塘水环境质量整体尚可，但局部氮素污染严重，下卧闸南北两侧水体TN含量严重超标。沟塘生态治理措施对水体中TN、NH 4+-N、TP均具有较好的去除效果，停留时间为90 d时去除率最高，但对COD Mn去除效果不佳，同时期去除率仅达35%～40%，但相比未采取措施的大沟水体仍有显著的净化差别。

厌氧-缺氧-好氧组合处理工艺可以充分发挥厌氧微生物抵抗污水冲击负荷的能力，并且能够提高污水的可生化性，同时后置的人工湿地能够很好弥补A2/O工艺对氮、磷去除能力的不足。生活污水经调节池、二沉池及人工湿地后出水pH相比进水时明显降低，与好氧池的硝化反应产酸以及有机物的降解产酸有关。A2/O工艺段对TN去除效果不好，但好氧池的NH 4+-N去除率较高，平均去除率分别为23.4%、48.6%。人工湿地对污水中氮、磷均具有较好的去除效果，出水TN、NH 4+-N浓度稳定在0.66和0.25mg/L，TP浓度基本维持在0.03～0.15 mg/L;观测试验过程中A2/O工艺段及人工湿地对COD Mn的去除效果并不显著，去除率分别为30.7%、53.1%，原因可能与进水本身COD含量不高有关。

由于谭家桥集镇收集生活污水的实际流量远远低于工艺设计进水流量，各处理单元污染物负荷远低于设计值，该组合工艺在污染物去除方面尚有较大潜力。人工湿地等生态治理措施为核心处理单元，各项污染物指标均能有效去除，并能将各类污染指标维持在较低的浓度范围。因此，生物生态组合处理技术在农村生活污水处理领域具有很高的推广应用价值。

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