很多農村地區管道鋪設成本高、雨污分離難，加上農村生活污水來源多且分散、水質水量波動等，加大了農村地區生活污水的處理難度。而大量農村生活污水的隨意排放已對農村水環境、飲用水安全等造成了巨大的威脅。因此，積極推動我國農村生活污水處理迫在眉睫。鑒于農村特別是偏遠農村生活污水的特點，采用一次性投資低、能耗低、運行穩定的組合處理技術對生活污水進行分散式處理是較為經濟合理的。分散式處理可以不依賴污水管網收集和運輸，工藝靈活、維護簡單，近年來受到越來越多的關注與研究。此外，研發一套能耗低、污染物去除效能高、管理簡單，實現資源再利用，出水水質能穩定達到排放標準的單戶農村生活污水一體化處理裝置十分必要。
本研究依托四川某偏遠農村居民生活污水展開。
1、實驗部分
1.1 廢水水質水量
據調查，研究區域內農村居民點分布比較稀疏，管道鋪設困難、成本高，雨污分離難，污水集中處理困難。村民主要使用旱廁、糞坑收集糞污，暫存后用于農肥和澆灌；其他廢水（洗漱、洗菜和刷鍋水等）順地勢流入房前屋后的農灌溝、農田和堰塘等。
當地生活污水水質波動較大，廢水有機物含量較低、含氮量較高，pH為6.8～8.0，COD為61.48～377.1mg/L，NH4+-N、TN、TP的質量濃度分別為8.07～50.79、22.83～52.75、4.13～5.85mg/L。
1.2 裝置設計
在總結農村生活污水一體化處理技術的基礎上，結合當地的經濟水平和實際情況，選擇一種以生物接觸氧化和水生蔬菜型濕地凈化系統為主體的一體化裝置，如圖1所示。
化糞池污水經過格柵后進入處理裝置，設計處理水量為200～500L/d。裝置體積小、質量輕，可根據地勢置于廁所旁的地下等處，既方便又美觀。生物生化與濕地生態系統的結合大大減小了濕地堵塞的可能。可以根據季節在濕地栽種不同的水生蔬菜，提高了居民的積極性，非常適合農村地區單戶居民或者分散式居民生活污水的處理。研究表明，許多水生蔬菜對污水都有著一定的凈化作用，例如空心菜對污水中的氮磷等都有很好的去除作用。樊均德等發現在9～12℃的低溫下培養6d時水芹對污水中的NH4+-N和正磷酸鹽的去除率分別可達59.34%和44.42%，表明低溫下水芹對生活污水中NH4+-N和正磷酸鹽均有較好的去除效果。
生物接觸氧化系統：采用2級生化處理方式，選擇的填料是彈性組合式填料（直徑150mm），填料填充率約為65%。生物接觸氧化系統微生物掛膜所用的活性污泥來自四川省成都市某市政污水處理廠的曝氣池，污泥接種質量分數約為16%。
水生蔬菜型濕地凈化系統：采用火山石作為系統基質，構建垂直潛流型人工濕地。自下至上火山石粒徑從大到小（粒徑分別為16～32、8～16、5～8mm）。火山石硬度大，具有多孔、比表面積大的特點，富含CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2等。國外有學者認為，富含鈣、鐵及鋁的基質凈化污水中磷的能力較強。此外，火山石表面帶有正電荷，有利于微生物固著生長。火山石基質上層覆土8cm左右，可根據季節變化，栽種不同的水生蔬菜。實驗中種植空心菜。研究表明，空心菜在凈化農村生活污水等污染水體方面都有著較好的應用價值。同時，在傳統濕地的基礎上增加了曝氣系統，通過控制曝氣形成富氧區和缺氧區。
太陽能供電系統：主要滿足污水進水和曝氣泵的用電需求。設計采用單晶硅太陽能電池板，在太陽能源不足時，系統自動切換到電網輔助供電，保障系統正常運轉。
裝置啟動初期，進水波動較大，微生物未完全適應，一體化污水處理裝置處理效果波動較大。經過10d的啟動，隨著微生物的適應以及接觸氧化池生物膜的逐漸形成，COD、NH4+-N等的處理效果逐漸提高并趨于穩定，出水水質基本穩定。
1.3 分析方法
2017年9－12月期間，對裝置進水、生物接觸氧化池出水、人工濕地出水各設置1個取樣點進行取樣，檢測項目包括COD和NH4+-N、TN、TP含量，分別采用重鉻酸鉀法（GB11914－89）、納氏試劑分光光度法（HJ535－2009）、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636－2012）和鉬酸銨分光光度法（GB11893－89）測定。
2、結果與討論
2.1 COD的去除效果
處理裝置正式運行期間對污水COD的去除效果如圖2所示。
由圖2可知，裝置運行期間進水COD波動較大（61.48～377.1mg/L），出水COD為5.02～49.98mg/L，均能達到GB18918－2002的一級A標準。這表明該裝置抗沖擊負荷能力較強，并且在冬季也能穩定高效地去除COD。裝置對污水COD的總去除率為69.23～96.53%，接觸氧化系統主要通過生物膜上微生物的吸附、氧化分解等作用去除COD，去除率可達86.8%。水生蔬菜型濕地凈化系統利用系統中基質的過濾、吸附、沉淀，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用進一步去除污水中的COD，去除率達3.00%～34.38%。
吳小鳳等研究了不同填料垂直流人工濕地系統的凈化能力，結果發現火山石系統對COD的去除效率為22%。本研究中污水COD主要是依靠生物接觸氧化系統得以去除，這大大減少濕地系統堵塞的可能。雖然水生蔬菜型濕地凈化系統對生活污水中的COD去除的貢獻不大，但經過水生生態系統的進一步處理，污水得到了進一步的凈化，出水濁度降低。
2.2 NH4+-N的去除效果
處理裝置正式運行期間對NH4+-N的去除效果如圖3所示。
由圖3可知，裝置運行期間進水NH4+-N含量波動較大（質量濃度8.07～50.79mg/L），出水NH4+-N的質量濃度為0.59～1.93mg/L，均能穩定達到GB18918－2002的一級A標準。這表明該裝置對生活污水中NH4+-N去除效果較好，并且在溫度較低的冬季也能穩定高效去除NH4+-N。系統對污水NH4+-N的總去除率穩定在95.9%以上，最高達97.26%。
接觸氧化池中的微生物去除污水中的NH4+-N，主要是依靠生物膜上硝化細菌的硝化作用，首先氨氧化菌（AOB）將NH4+-N轉化為NO2--N，緊接著亞硝酸鹽氧化菌（NOB）將NO2--N轉化為NO3--N。水生蔬菜型濕地主要通過基質吸附，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用進一步去除污水中NH4+-N，水生蔬菜根系有利于硝化菌等微生物的附著生長、繁殖和提高系統的凈化效果。人工濕地基質火山石對NH4+-N有著一定的吸附作用，人工曝氣也提高了濕地系統的凈化能力，OUELLET等研究發現，人工曝氣能夠改善夏季和冬季無植物人工濕地TKN的凈化用。
為使系統能夠有效去除污水中的TN，在11月底12月初對系統的曝氣量、曝氣時間等工藝參數進行了調整。在調整工藝參數的情況下，生物接觸氧化池NH4+-N去除效率有所下降，但是污水通過人工濕地后，出水NH4+-N含量較低，能夠穩定達到GB18918－2002的一級A標準。這表明水生蔬菜型人工濕地對污水NH4+-N也有著穩定的去除作用。
2.3 TN的去除效果
經過調整曝氣量、曝氣時間等工藝參數，裝置在寒冷的12月份對TN去除效果較好，如圖4所示。
由圖4可知，該裝置對生活污水中TN去除效果較好，出水TN的質量濃度可低于5mg/L，能穩定達到GB18918－2002的一級A標準，去除率達93.07%。水生生態系統中的TN一部分是濕地基質吸附了污水中的部分NH4+-N等，使得系統中TN有所降低。系統中大部分TN的去除還需要依靠反硝化菌，反硝化細菌在缺氧的條件下進行反硝化作用將硝態氮轉化為氮氣。生物接觸氧化系統隨著生物膜厚度不斷增加，當增加到一定程度時，在氧氣不能透過的內側就形成了厭氧層，反硝化細菌在這里可以進行反硝化作用。人工濕地基質中設有曝氣豎管，形成富氧區和缺氧區，一方面進一步去除COD和NH4+-N，另一方面有利于反硝化作用的進行，進而達到系統脫氮的目的。基質上層覆土并根據季節種植水生蔬菜，通過植物根系吸收等作用同樣有著去除TN的作用。蔬菜型人工濕地系統對TN的平均去除率占總去除率的66.57%。
2.4 TP的去除效果
該裝置對TP的去除效果不理想，去除率僅為20%～35%，出水TP的質量濃度1.58～2.34mg/L，難以達到GB18918－2002的一級A標準。
人工濕地系統中基質吸附了污水中的部分TP等，使得系統中TP含量有所降低。張修穩等研究了火山石、活性炭、生物陶粒和無煙煤等10種人工濕地填料對磷的吸附特性，結果表明，火山石的堆積密度較小分別為0.74g/cm3，孔隙度最大為77%，是濕地填料較好的選擇之一。國內外研究表明，除磷能力不足也是人工濕地的普遍缺點之一。磷在濕地中的去除主要依靠基質的吸附及沉淀，而基質的吸附能力與基質種類有關，可采用吸附能力更強的基質或者組合基質，張翔凌等將沸石進行了改性并應用于人工濕地中，強化了其除磷能力，TP的去除率超過90%；聶鳳采用改性火山石-PAC復合絮凝劑處理城鎮生活污水，TP的去除率可達到82.25%。此外，可通過在出水口設置化學除磷等進一步去除污水中TP。
3、結論
該一體化污水處理裝置處理農村生活污水效果顯著，系統對生活污水中的COD、NH4+-N等都有很好的去除作用，正式運行后COD、NH4+-N和TN的最高去除效率分別可達96.53%、97.26%和93.07%，出水均能達到GB18918－2002的一級A標準。
該裝置的污水處理規模量為200～500L/d，非常適合農村地區單戶居民或者分散式居民生活污水的處理。該裝置曝氣、進水等均利用太陽能輔助曝氣，節約能耗。水生蔬菜型濕地凈化系統根據季節變化栽種的空心菜等水生蔬菜可以食用，能夠提高農戶維護的積極性，管理方便、經濟實惠。（來源：中國科學院成都生物研究所，中國科學院環境與應用微生物重點實驗室）
