張月強(qiáng) 劉艷軍 于成鵬 吳鑫明 胡曉茹 孫甲玉

摘要 構(gòu)建了一種以太陽能為動力的曝氣凈化槽，研究其對農(nóng)村生活污水的凈化效果。研究結(jié)果表明，在每日進(jìn)水量68 L、水力停留時間（HRT）24 h的條件下，污水中化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）及總磷（TP）的最高去除率分別可達(dá)92.71%、60.31%、77.57%、87.74%，出水濃度基本滿足《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/3693—2019）限值。太陽能曝氣凈化槽建造成本在1 440元左右，以太陽能為動力曝氣，實現(xiàn)微動力運(yùn)行，可節(jié)約電力成本，且運(yùn)行維護(hù)方便，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，適合農(nóng)村生活污水分散處理。

關(guān)鍵詞 太陽能曝氣;凈化槽;農(nóng)村生活污水;氮;磷

中圖分類號 X-799.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0213-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.054

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Operation and Research of Solar Aeration Johkasou for Rural Domestic Sewage

ZHANG Yue-qiang ?LIU Yan-jun ?YU Cheng-peng1 et al

（1. Mengyin County Branch of Linyi Ecological Environmental Bureau，Linyi，Shandong 276000;2. Xintai Branch of Taian Ecological Environmental Bureau， Taian， Shandong 271000）

Abstract An aeration purification johkasou powered by solar energy was constructed to study its purifying effect on rural domestic sewage.The results showed that under the conditions of daily inflow of 68 L and hydraulic retention time （HRT） of 24 h， the maximum removal rates of chemical oxygen demand （COD）， ammonia nitrogen （NH3-N）， total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） in sewage can reach 92.71%， 60.31%， 77.57% and 87.74% respectively， and the effluent concentration basically meets the limits of "Water Pollutant Discharge Standard for Rural Domestic Sewage Treatment and Disposal Facilities" （DB 37/3693-2019）.The construction cost of the solar aeration johkasou was about 1 440 yuan. The solar energy was used for aeration to realize micro-power operation， which could save electricity costs， and was convenient to operate and maintain. It had high technical and economic advantages and was suitable for decentralized treatment of rural domestic sewage.

Key words Solar aeration;Johkasou;Rural domestic sewage;Nitrogen;Phosphorus

隨著農(nóng)村生活水平提高，生活污水排放量也不斷增加，農(nóng)村生活污水的整治并未得到較大改善，導(dǎo)致污水橫流，農(nóng)村生活污水隨著地表流入溝河湖泊、農(nóng)田土壤，對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境造成了污染，嚴(yán)重威脅人體健康[1]。近年來，我國大力推進(jìn)農(nóng)村污水治理，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳聯(lián)合印發(fā)《農(nóng)村人居整治三年行動方案》[2]，指出農(nóng)村污水治理進(jìn)程要不斷加快。據(jù)山東省生態(tài)環(huán)境廳2019年初步統(tǒng)計，山東全省已完成農(nóng)村生活污水治理的行政村僅占23.96%，大部分農(nóng)村地區(qū)的生活污水治理尚處于起步階段。已建成的農(nóng)村污水處理設(shè)施完全照搬城市污水處理，由于水量無法滿足、水質(zhì)波動大、資金投入不足、缺乏有效管理[3-4]，已出現(xiàn)水土不服的現(xiàn)象，部分農(nóng)村污水處理設(shè)施出現(xiàn)停用、棄用等現(xiàn)象。因此，加快農(nóng)村生活污水的治理，從源頭解決農(nóng)村污水造成的污染問題迫在眉睫。

農(nóng)村污水的主要特點(diǎn)：①分布廣、處理費(fèi)用高。農(nóng)村地域廣闊、居住分散、污水管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用高。②季節(jié)分布不均。水量的日變化大、季節(jié)性變化大，冬季污水量少、夏季較多;③污水中污染物的COD、TN、TP濃度與污水量呈相反趨勢[5]。

分散式凈化槽由于處理方式靈活，適用于布局分散、人口不集中的農(nóng)村污水的特殊要求，在保護(hù)鄉(xiāng)村水環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用[4]。然而由于填料溶解氧的含量較低導(dǎo)致污染物的去除效果不佳。我國北方農(nóng)村地區(qū)天氣多晴少雨，太陽能資源豐富。近年我國太陽能利用技術(shù)成熟，主要有太陽能保溫技術(shù)、太陽能光催化氧化技術(shù)、太陽能驅(qū)動地表水修復(fù)[6]，可以為構(gòu)建太陽能微動力曝氣污水處理系統(tǒng)提供支持。太陽能曝氣的原理是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動曝氣，對污染水體進(jìn)行增氧以提高污染物的去除率[7]。針對農(nóng)村生活污水處理面臨的現(xiàn)實問題，利用現(xiàn)有技術(shù)條件，將太陽能曝氣技術(shù)和農(nóng)村生活污水凈化槽有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)建太陽能曝氣凈化槽，以實現(xiàn)農(nóng)村生活污水資源回收利用、達(dá)標(biāo)排放，同時節(jié)約運(yùn)行成本、安裝維護(hù)方便[8]。

筆者將太陽能發(fā)電技術(shù)耦合入農(nóng)村生活污水凈化槽，利用太陽能發(fā)電對凈化槽內(nèi)曝氣，研究太陽能曝氣凈化槽對模擬農(nóng)村生活污水中有機(jī)污染物和氮磷的凈化性能，為太陽能曝氣凈化槽應(yīng)用于農(nóng)村生活污水治理提供實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及造價

太陽能曝氣凈化槽具體尺寸為長1.08 m、寬0.37 m、高0.49 m，由9.5 cm×45.5 cm×30.0 cm的調(diào)節(jié)沉淀池、84.5 cm×45.5 cm×30.0 cm的好氧曝氣凈化池和5.5 cm×45.5 cm×30.0 cm的集水池組成（圖1）。好氧凈化池自下而上依次分層填充7 cm厚的聚乙烯多面空心球、5 cm厚的陶粒、5 cm厚的火山巖、5 cm厚的活性炭、5 cm厚的石英砂、5 cm厚的腐殖土，在距離底部7 cm 處同一水平面均勻放置6個曝氣頭。

在凈化槽中安裝太陽能曝氣裝置，太陽能曝氣裝置由2塊17 W的太陽能板、12 000 mA鋰電池、定時控制器、導(dǎo)氣管、曝氣頭等組成。依靠太陽能提供動力全天曝氣，最大曝氣量為10.5 L/min，曝氣強(qiáng)度、曝氣時間與天氣狀況相關(guān)。太陽能曝氣凈化槽的建造成本明細(xì)如下（表1）。由表1可看出，該研究所用太陽能曝氣凈化槽的建造成本約1 440元。

1.2 試驗水質(zhì)

試驗進(jìn)水采用模擬污水[9]，由自來水、乙酸鈉、硫酸銨、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉、硫酸鎂、微量元素營養(yǎng)液等按照一定的比例配制，初始進(jìn)水水質(zhì)各項指標(biāo)如下：溫度10～18 ℃、pH 7.5～8.2、COD 262.29～370.03 mg/L、NH3-N 22.78～35.24 mg/L、TN 25.24～8.59 mg/L、TP 3.48～4.26 mg/L。

1.3 裝置運(yùn)行工況

裝置持續(xù)運(yùn)行38 d，于2020年11月10日開始，至12月18日停止。首先對太陽能曝氣凈化槽進(jìn)行馴化，裝置穩(wěn)定運(yùn)行后開始進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。試驗進(jìn)水方式為連續(xù)進(jìn)水，水力停留時間（HRT）為24 h，每日進(jìn)水量68 L，水溫10～20 ℃，每2 d在裝置進(jìn)、出水口分別取樣進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，測定COD、NH3-N、TN、TP的濃度。

1.4 水質(zhì)分析方法

參照《水與廢水監(jiān)測分析方法》（第4版）[10]，化學(xué)需氧量（COD）采用重鉻酸鉀快速密閉催化消解法，氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法，總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法，總磷（TP）采用鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD去除效果分析

圖2為太陽能曝氣凈化槽在運(yùn)行期間COD進(jìn)出水濃度及去除率的變化情況。COD進(jìn)水濃度控制在262.29～370.03 mg/L，運(yùn)行期間去除率達(dá)到80%以上的概率為88%，此時COD出水濃度均低于60 mg/L，滿足《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/3693—2019）一級標(biāo)準(zhǔn)。受天氣影響，陰雨天氣曝氣量較小，使得COD去除率有所波動，運(yùn)行期間有2次監(jiān)測結(jié)果顯示COD出水濃度>60 mg/L，但仍可滿足DB37/3693—2019二級標(biāo)準(zhǔn)（<100 mg/L）。

2.2 NH3-N去除效果分析

由圖3可知，NH3-N進(jìn)水濃度在22.78～35.24 mg/L之間，其去除率較COD低，最高可達(dá)60%，出水濃度基本可滿足DB37/3693—2019二級標(biāo)準(zhǔn)（水溫≤12 ℃時NH3-N濃度<20 mg/L）。

運(yùn)行期間NH3-N去除率較低的主要原因如下：①硝化反應(yīng)最佳溫度是25～30 ℃，而試驗時間正處于北方的冬季，氣溫較低，降低了硝化細(xì)菌的增長速率，抑制了硝化細(xì)菌的活性;②從11月19日開始，當(dāng)?shù)靥鞖獯蠖嗵幱陉幪?，太陽能板發(fā)電產(chǎn)生的曝氣量較小，硝化細(xì)菌為好氧菌，水中溶解氧的濃度降低減弱了硝化細(xì)菌對氨氮的硝化作用。

2.3 TN去除效果分析

圖4為太陽能曝氣凈化槽運(yùn)行期間TN進(jìn)出水濃度與去除率的變化情況。由圖4可知，TN進(jìn)水濃度在25.24～38.59 mg/L之間，最大去除率為77.57%，最小去除率僅為16.35%。出水濃度波動較大，有87.50%的概率可滿足DB37/3693—2019濃度限值（20 mg/L）。

TN的去除主要是NH3-N和NO3-N的綜合去除，郭燁燁[11]研究表明，填料上的生物膜吸收的NH3-N能力優(yōu)于NO3--N，且NH3-N的存在嚴(yán)重影響了填料上附著的微生物對NO3--N的去除，故NH3-N去除效率決定了TN的去除效率。由于低溫原因?qū)е铝颂幚砗蟪鏊甆H3-N的去除率降低，間接造成了TN的去除效果不佳。

2.4 TP去除效果分析

由圖5可知，太陽能曝氣凈化槽運(yùn)行期間TP進(jìn)水濃度在3.48～4.26 mg/L之間，出水濃度基本可滿足DB 37/3693—2019）濃度限值（1.5 mg/L）。運(yùn)行期間TP去除率整體呈下降趨勢，這是因為除磷的主要途徑是填料對磷的吸附[12]，運(yùn)行初期凈化槽填料未達(dá)到吸附飽和平衡，凈化效果良好，隨著凈化槽填料對磷的吸附接近吸附飽和平衡，吸附速率逐漸下降，導(dǎo)致出水濃度較高，去除率降低。

3 討論

3.1 太陽能曝氣凈化槽對污染物的凈化機(jī)理

太陽能曝氣凈化槽對農(nóng)村生活污水的凈化綜合了物理、化學(xué)和生物三重作用，主要依靠凈化槽內(nèi)填料對污染物的吸附，以及附著在填料上的生物膜中微生物對污染物的吸收降解[13-14]。污水中的COD為太陽能曝氣凈化槽中好氧微生物的呼吸作用提供碳源，太陽能曝氣充氧使水體中DO濃度升高，有利于好氧微生物繁殖，二者協(xié)同作用，促進(jìn)生活污水中的有機(jī)污染物的快速降解。

太陽能曝氣凈化槽內(nèi)連續(xù)的硝化和反硝化過程被認(rèn)為是脫氮的重要途徑[14]。生活污水中的氮主要是以氨氮的形式存在[15]，在曝氣充足的條件下，凈化槽填料所附著的硝化細(xì)菌將NH3-N氧化為NO3--N和NO2--N，從而使生物膜恢復(fù)對NH4+的吸附功能[16]。郭小馬等[17]研究發(fā)現(xiàn)，凈化槽中的溶解氧濃度越大，越有利于硝化細(xì)菌的生長，使硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)、代謝旺盛。在太陽能曝氣凈化槽上部填料區(qū)域溶解氧較低形成了缺氧環(huán)境，反硝化細(xì)菌將NO3--N和NO2-N作為電子受體還原，以氣態(tài)氮的形式排出。TN包括NOx--N和NH3-N，氨氧化細(xì)菌在曝氣增氧條件下快速將NH3-N轉(zhuǎn)化為NOx--N，使NH3-N出水濃度大幅度下降，但凈化槽內(nèi)缺氧環(huán)境的面積有限，延緩了凈化槽填料上生物膜的反硝化作用，造成出水中NOx--N的濃度增加，最終導(dǎo)致在監(jiān)測期間太陽能曝氣凈化槽的TN出水濃度略高于NH3-N。

太陽能曝氣凈化槽對磷的去除主要通過凈化槽內(nèi)填料的吸附、置換和沉淀等實現(xiàn)[18]。加入曝氣增強(qiáng)了填料內(nèi)水流的流動，有利于填料與磷的接觸。填料表面能截留大分子的磷，但是填料吸附除磷存在最大吸附飽和度，并不是一個可持續(xù)吸附的過程，逐步達(dá)到吸附—解析的動態(tài)平衡，因此磷的去除效率逐漸降低。定期清洗填料是解決磷吸附飽和的有效方式[19]。

3.2 太陽能曝氣凈化槽的經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)太陽能曝氣凈化槽在運(yùn)行期間的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，其出水基本滿足農(nóng)村污水排放要求，達(dá)到DB 37/3693—2019二級標(biāo)準(zhǔn)和《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）。在電池充滿電的情況下，連續(xù)3 d陰天，仍能保證裝置正常運(yùn)行。盡管COD、NH3-N的去除率略有降低，但出水濃度仍低于農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放濃度限值，可直接排入Ⅳ類、Ⅴ類水域和其他未經(jīng)劃定的水環(huán)境功能區(qū)的水域、溝渠、自然濕地。因此，利用太陽能曝氣凈化槽處理農(nóng)村生活污水在技術(shù)上是可行的。

工程造價和運(yùn)行費(fèi)用是太陽能曝氣凈化槽建設(shè)運(yùn)行優(yōu)先考慮的因素。該研究所用太陽能曝氣凈化槽的建造成本在1 440元左右，較其他污水處理設(shè)備的建造成本低[20]。且該設(shè)備以太陽能為動力曝氣，實現(xiàn)微動力運(yùn)行，運(yùn)行過程簡單，無需專人維護(hù)，可節(jié)約運(yùn)行成本。對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低的農(nóng)村地區(qū)可以安裝使用并推廣普及，這可在一定程度上解決農(nóng)村生活污水就地處理、達(dá)標(biāo)排放的難題。

4 結(jié)論

通過研究太陽能曝氣凈化槽對農(nóng)村生活污水的凈化效果，并對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行分析，最終得出如下結(jié)論：

（1）太陽能曝氣凈化槽可有效降解農(nóng)村生活污水中的污染物，化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）的出水濃度基本滿足《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37/3693—2019）濃度限值，可直接排入Ⅳ類、Ⅴ類水域和其他未經(jīng)劃定的水環(huán)境功能區(qū)的水域、溝渠、自然濕地;且滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005），可用于農(nóng)田灌溉。

（2）太陽能曝氣凈化槽可實現(xiàn)對農(nóng)村生活污水的低成本和高效處理，在凈化生活污水方面具有顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢，為農(nóng)村生活污水處理的工程實踐提供了可行性方案。

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