针对乡村小型生活污水处理尤其是除磷脱氮的难题，提出"厌氧-跌水充氧生物接触氧化-水生蔬菜型人工湿地"新型生物生态组合工艺。厌氧预处理有效降低有机污染物浓度，减轻跌水充氧接触氧化阶段的负担;跌水充氧接触氧化，有效去除有机物;水生蔬菜型人工湿地主要功能为去除N、P，并进一步改善处理效果，确保出水COD、N、P全面达标。在充分考虑农村、农业特色的前提下，实现了简便、廉价、高效处理农村分散式生活污水的目的。研究成果将为我国新农村生活污水处理提供实用技术，尤其为湖泊流域内的分散式生活污水除磷脱氮提供理技术支持。
1 前言
我国大多数乡镇以及几乎全部的农村生活污水未经处理，直接排放水体，造成地面水体的严重污染及湖泊、水库的富营养化，全国已有90%的水源水质遭受了不同程度的污染，以江苏为例，苏南绝大多数地面水体饮用水水源功能几乎已全部丧失，太湖富营养化日益严重，全湖平均水质已为劣Ⅴ类[1]。随着我国城市化水平、农村城镇化、城乡一体化水平的日益提高，乡镇生活污水排放量还会进一步快速增长，这无疑将给水源保护带来更大压力。要保护好城镇水源，并逐步改善水环境质量，必须加大污水处理力度。要切实推进社会主义新农村建设，必须不断改善农村生态环境质量，因而，乡镇和农村小型生活污水处理尤其显得重要，排入封闭性水域的污水则还必须有除磷脱氮的要求。
在城市排水管网难以达到地区，小城镇和经济相对发达而人口又不十分稠密的农村地区，度假村和别墅区，以及由于下水道敷设困难的地区，就地处理分散型点源生活污水治理是必然选择。另一方面，从我国大多数城镇和农村集中居住区的经济发展水平看，也具备了建设中小型甚至是分散式生活污水处理设施的条件。
2 国内外进展
多年来，我国污水处理事业的重心一直在城市污水的处理上，但随着小城镇和农村经济的飞速发展以及人口的增加与聚居，农村生活污水已成为影响河流、湖泊水体水质的重要因素之一，是面源污染控制的首要任务，于是进入本世纪以来，小型污水处理也被提到议程上来。
国家自然科学基金资助项目(项目编号：50678035)
在欧洲和北美有20~30%的人口利用小型污水处理系统[2,3]，日本从1977年实行农村污水处理计划以来，农村污水处理的普及率已达到相当水平，全国大约有700万套小型生活污水净化装置(称为净化槽)在使用之中，其中1999年之后使用的净化槽重视脱氮功能，但基本没有除磷功能。从1999年开始，日本国立环境研究所已着手这方面的研究，试验中的土地处理净化槽和膜-生物反应器净化槽均获得了很好的除磷效果，但鲜见达到实用水平的除磷脱氮净化槽问世[4]，而且净化槽的制造成本较高。澳大利亚开发了一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”，称之为“FILTER”高效、持续性污水灌溉新技术，它利用污水进行作物灌溉，通过灌溉土地处理后，再利用地下暗管将其汇集和排出。该系统一方面可以满足作物对水分和养分的要求，同时降低污水中的氮、磷含量。“FILTER”系统一般适用于土地资源丰富、可以轮作休耕的地区;存在暗管排水系统造价较高，且在地下水位较高的地区应用有困难的缺点。欧美国家中稳定塘特别应用于小型污水处理[5]，美国1983年稳定塘数目就达7000座以上，其中90%建在人口少于5000的小城镇[6]。
然而，对于小型生活污水处理的技术储备，我国并没有作好充分的准备。对于小型生活污水的除磷脱氮即使在国外也处于探索阶段，尤其是除磷问题一直难以解决。
首先，小型污水处理不能照搬城市污水处理厂的工艺流程与管理方式，城市污水处理厂的除磷脱氮已有多种成熟工艺可供选择，但是工艺中有污泥回流、混合液回流，还须定期排放富磷剩余污泥，并采用加药和机械脱水工艺，才能保证除磷效果，所有这些都需要高昂的投资与运行费用并配备专业管理人员的队伍，这在广大的农村的地区是无法实现的。
于是稳定塘、土地处理系统、人工湿地等一批生态工程技术开始进入人们的视野。土地处理系统有慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流等形式，我国在“七五”期间对污水土地处理进行了深入的研究，并编写了污水土地处理手册。清华大学“九五”期间在滇池流域采用人工复合生态床处理农村生活污水，利用微生物的硝化/反硝化作用以及填料对磷的吸附/沉淀作用、水生植物的吸收作用，对营养物氮、磷的去除取得了较好的效果[7]，但是在推广应用上仍有不足。单一生态工程技术的共同缺点在于占地面积大，处理效果不稳定[8]。
早期使用的化粪池以及后来改进的三格式厌氧池、无动力污水处理装置等设施仅仅起到部分削减污水中有机污染的作用，对于氮磷营养盐无去除效果，不能满足严格的达标排放要求。
因此，城市污水处理厂的经验和单一的生态工程技术都无法解决农村小型生活污水处理的难题，迫切需要开发技术有效但工艺流程简单、管理要求低、投资和运行费用省的适合农村小型污水处理的新技术。
3 生物生态组合工艺流程与特点介绍
国内外相关研究成果与实践提示我们，无论是生物技术(城市污水处理厂的主流工艺)还是新兴的生态工程技术，单独应用都不能解决农村小型分散型生活污水处理及除磷脱氮的问题。必须将生物方法与生态工程有机结合，才能既节省成本和运行费用，又能达到稳定的除磷脱氮效果。因此，本文提出“厌氧—跌水充氧接触氧化—水生蔬菜型人工湿地”组合工艺。
污水经过收集系统后首先进入厌氧池，经过厌氧发酵，将复杂有机物部分转变成VFA和沼气，;经过厌氧处理后，污水的COD浓度得到有效降低，经水泵提升进入多级跌水充氧接触氧化池，接触氧化池共分4～5格串联，内装填料，采用跌水方式充氧，借助生长的填料上的微生物降解有机污染物;出水进入水生蔬菜型人工湿地，湿地中用水培法种植经济价值较高的水生蔬菜，利用蔬菜对氮、磷等的摄取能力实现氮磷的去除。
本项生物生态组合技术的关键技术在于：厌氧预处理有效降低有机污染物浓度，减轻跌水充氧接触氧化阶段的负担;跌水充氧接触氧化部分有效去除有机物，但保留氮磷作为后续水生蔬菜生长的营养元素;水生蔬菜型人工湿地属于污染净化型农业的耕作方式，主要功能为利用和去除N、P，并进一步改善有机污染物的处理效果，确保出水COD、N、P全面达标。
该工艺具有以下优点：
工艺流程简单：不需要混合液回流与污泥回流;运行费用低：不需要机械曝气，不需要回流泵，所有运行费用仅仅是一台提升泵消耗的电费;
管理简便：不需要通过定期排放剩余污泥来去除磷，厌氧池固然不需要复杂的专业化管理，跌水充氧接触氧化也仅需一台提升泵，日常管理十分简便;
与农村特点相适应：厌氧段产沼气可作为能源利用;采用水生蔬菜型人工湿地达到除磷脱氮的目的，还能产生很好的经济回报，调动农民参与污水处理的积极性，而且不改变土地的利用属性。
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因此，本项目所研究的工艺不是将传统的生物处理与生态方法的简单组合，而是在充分考虑农村特色的前提下，尽量简化传统生物处理工艺、优化和开发水生蔬菜型人工湿地的生态方法，并根据各自的特长合理分工各段工艺的去除对象，进行优化组合，最终达到了简单、简便、有效处理农村污水的目的。本课题拟揭示该技术的净水机理，研究其合理工艺流程和实用工艺参数，解决该工艺从设想走向实际应用所要解决的问题，不仅具有重要的科学意义，而且具有广泛的应用前景。
4 试验研究与示范工程成果介绍
4.1示范工程规模与构造
在位于太湖湖滨的宜兴市大浦镇林庄村，建设了规模为10 m3/d的生物生态组合工艺处理生活污水的示范工程。
污水经过收集管网首先进入厌氧池。厌氧池的水力停留时间为30h。用一台自吸式水泵将水从调节池提升至4m高的微型水箱中，水从水箱中逐级跌落至氧化池;
接触氧化池由五个单池串联而成，总体积为1.4 m3，池内混合装填弹性填料和组合填料(1：1的比例)，利用池与池之间的高度差，使水在跌落的过程中与空气接触进行充氧。为了提高污水的分散程度及与空气的接触时间，跌水板设为两级，其中第二级跌水挡板高度可调。出水采用三角堰。考虑到第一级池有机负荷比较大，取跌水高度为1.3m,，其余四池每池跌水高度为0.5m。
人工湿地采用潜流式，平面尺寸为1.5m×7m，水力负荷略小于1m3/m2，池底坡度为0.5%，有效高度取0.75m。沿程共分四格，中间用隔墙隔开，如图2示。池内从底部向上依次填充40cm碎砖，30cm碎石，5cm细砂，上面种植芦苇、空心菜，表面有2～4cm的水深。
4.2水处理效果评价
4.2.1COD的去除效果
在整个运行期间，进水COD浓度波动较大，在494mg/L与62mg/L之间变化，但出水相对稳定，基本稳定在20～40mg/L之间，可以稳定达到一级A标准(GB18918-2002)，如图3所示。因为本工艺为厌氧-好氧组合工艺，前置厌氧池能通过厌氧发酵将大部分的COD去除;随后流经接触氧化池，借助填料上的微生物对有机物进行降解;最后利用人工湿地中微生物的降解使有机物浓度进一步得到降低。夏季时温度较高，微生物活性较强，工艺对COD的平均去除率可达80%以上;虽然秋季时温度有所降低，导致微生物的活性降低，但对COD的平均去除率仍维持在较高的水平，整套装置在运行过程中一直保持较稳定的COD去除效果。
4.2.2 TP的去除效果
由于太湖富营养化控制得需要，除磷是试验中的一项重要内容。装置运行期间，TP进水浓度虽相对较低但变化幅度较大(0.8mg/L～2.6mg/L)，出水水质却相对较稳定，TP的出水浓度大部分都保持在0.5mg/L以内，平均为0.36mg/L，如图4所示。人工湿地对磷的去除作用在整个系统中占很大的比重，其主要利用介质的截留吸附以及植物吸收、微生物作用来完成对磷的去除。由于宜兴盛产紫砂壶，其废弃模具的主要成分是石膏，将废弃模具加以利用，投加入湿地中，显著的提高了湿地的除磷效率。
4.2.3 TN的去除效果
2005年6月份装填生物接触氧化池填料后，取了宜兴市某污水处理厂曝气池内的活性污泥，稀释后加入接触氧化池内，经过近一个月的时间，硝化生物膜培养成功。如图5所示，在驯化初期，总氮去除率只有20%～30%;经过驯化后，硝化菌逐渐的发挥作用，从而去除率有所上升;到了8月份，气温逐渐升高，硝化菌活性也随之增强，加上湿地中生长旺盛的芦苇和空心菜的吸收作用，工艺对TN保持很高的去除率，平均达到83.19%，且TN出水一直保持在2mg/l左右。然而到了10月份，随着温度的降低，细菌的活性也有所降低，且湿地中植物开始枯萎，导致总氮去除效果有所下降。因此，为了使系统在秋冬季仍能对TN保持较高的去除率，有必要对接触氧化池进行保温处理，来提高系统冬季对氮的去除效果。
5 结束语
通过对“厌氧+跌水充氧接触氧化+人工湿地”组合工艺的试验研究，得出下列结论：
1)本工艺采用厌氧预处理先有效降低有机污染物浓度，然后采用多级跌水充氧接触氧化法，利用水流的重力作用自然充氧，充氧效果能够满足接触氧化池内微生物生长的需要，既省去了曝气所需的鼓风机动力消耗，又不需专门维护，满足农村低技术维护的要求。
2)采用“厌氧+跌水充氧接触氧化+人工湿地”组合工艺，对分散的农村地区生活污水有较好的处理效果，对COD、TP、TN的平均去除效率可达80%、73.5%、83.19%，出水平均浓度为37.88mg/l、0.36mg/l、5.28mg/l，均能达到甚至优于城镇污水处理厂污染物排放的一级A类标准(GB18918-2002)。
3)主要经济指标：设施建设费1500元/m3，运行费0.10元/m3。
“厌氧+跌水充氧接触氧化+人工湿地”组合工艺是一种生物与生态处理相结合的新型组合工艺，通过厌氧过程和跌水充氧接触氧化的好氧过程，完成有机物的降解及部分脱氮，然后利用复合流潜流式人工湿地进去除氮、磷，并进一步提高有机污染物去除效果，人工湿地属于污染净化型农业，不改变土地使用性质，充分利用了宝贵的氮磷资源生产有经济价值的水生蔬菜，在环境保护的同时还能产生可观的经济效益。本项技术十分适合在我国南方广大农村使用。
参考文献
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[9]吴磊，吕锡武，李先宁，厌氧/跌水充氧接触氧化/人工湿地处理农村污水，中国给水排水，23(2),2007
延伸阅读：
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原标题：生物生态组合工艺处理农村小型生活污水的理论与实践
