我国是水资源严重短缺的国家，全国正常年份农业缺水量达300亿m³，而近年来全国农村每年产生生活污水超过100亿m^{3 [1]}。农村生活污水性质比较稳定，基本不含重金属和有毒物质，可生化性较好^[2]，成为潜在的农业灌溉水源^[3]。污水中的氮磷等物质对水环境是一种污染物，而对于农业生产是必需的营养物质，是一种宝贵的资源^[4-5]。但是，生活污水直接回灌农田，由于悬浮颗粒和有机物浓度过高，长期使用会造成土壤的板结和厌氧化，从而导致土壤退化和植物烂根等问题^[6-7]。

目前许多地方的农村生活污水治理通常是将污水处理达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002) 一级B标准后排放，不但工艺复杂，投资相对较大^[8]，而且尾水中可用于农作物直接吸收的氮磷含量较低，大幅降低了污水的肥效^[9]，不利于污水的回用灌溉。本文提出了一种新型氮磷无机化反应器，不以脱氮除磷为首要目的，而是尽量保留污水中的氮、磷成分，最后回用于农业灌溉。该反应器本质还是由厌氧池和好氧生物滤池组成的A/O系统，A段的主要功能是要去除近50%的COD，以减少后续O段的负荷；与传统以脱氮为目的的A/O系统相比，不设回流，避免反硝化脱氮浪费氮资源。同时通过缩短A段、O段的反应时间，使厌氧池尽量停留在水解酸化阶段，好氧生物滤池尽量停留在碳化、氨化阶段，有研究表明^[10]氨氮也是易于农作物通过根系直接吸收的无机氮形式，因此没有必要氧化到硝酸盐氮。总之，该反应器的研究目标就是使农村生活污水尾水中尽可能保留易于农作物利用的氮、磷形态和数量^[11-12]，提高农作物对肥料的利用效率，同时COD浓度达到《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 中可生食蔬菜安全灌溉的水质要求，实现农村生活污水安全灌溉。

1 材料与方法 1.1 试验装置

本试验的装置如图 1所示。厌氧池为有机玻璃材质，直径为300 mm，有效高度为400 mm，有效体积28 L，底部设锥形排泥区(高度为100 mm)，上部设沉淀区(高度为100 mm)，反应器内悬挂组合填料，购自宜兴市乐克环保设备有限公司，规格为直径150 mm、长80 mm。组合填料在厌氧池中的具体布设参数见表 1。

厌氧池和好氧生物滤池之间设有简易调节池，好氧生物滤池进水为调节池出水。好氧生物滤池为有机玻璃材质，直径为250 mm，采用喷头进行均匀布水，滤池内由下至上依次为集水区(高度为200 mm)、承托层(高度为200 mm)、填料层(高度为1000 mm)，滤池有效体积为48 L；填料层由上而下每隔200 mm设1个取样口，每隔400 mm设2个通风口，底部集水区设1个出水口。好氧生物滤池内填料为5~8 mm页岩陶粒，其主要性能如表 2。

1.2 试验用水水质及试验设计

试验用水取自安徽省马鞍山市郑蒲港新区姥长新村周边农户家化粪池污水，主要来源于厕所、卫生淋浴污水及部分厨房排水。厌氧池出水取自厌氧池与好氧生物滤池连接管处，好氧生物滤池出水取自好氧生物滤池填料深度为1 m处的取样口。有研究表明^[13]好氧生物滤池填料高度为1 m时，好氧生物滤池具有最好的COD去除和氮磷无机化效能。试验在2014年8月至10月进行，试验期间温度变化不大(25~35 ℃)，进水水质见表 3。

本试验通过改变进水流量的方式调节厌氧池水力停留时间(HRT)和好氧生物滤池水力负荷(HLR)，分别设置五组水力停留时间(HRT=3、4、5、6、7 h)和五组水力负荷(HLR=3.1、3.6、4.2、5.4、7.2 m³·m^-2·d^-1)。氮磷无机化反应器采用复合式接种挂膜方法进行挂膜启动。启动完成时，原水COD浓度为156~300 mg·L^-1，厌氧池和好氧生物滤池COD去除率范围分别为40%~45%和70%~75%。其后每改变一次HRT或HLR，连续运行3 d待装置稳定后进行连续4 d的试验检测，检测数据取平均值进行绘图。确定新型氮磷无机化反应器厌氧池适宜水力停留时间和好氧生物滤池适宜水力负荷后，按适宜运行参数组合对氮磷无机化反应器运行5 d以获取试验数据。

1.3 试验分析项目与检测方法

试验主要分析常规水质指标，包括温度、COD_Cr、NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、TN、TP和可溶性正磷酸盐，测定方法见文献[14]。

1.4 有机氮、磷无机化表征方法

在厌氧池内，主要是厌氧微生物和兼性厌氧微生物通过还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应对有机氮化合物进行无机化。氮元素的转化过程主要是微生物的同化消耗，有机氮向NH₄⁺-N的转化。厌氧池出水相较于进水，有机氮浓度减少，氨氮浓度增加，NO₂^--N和NO₃^--N的含量基本保持不变。

在好氧生物滤池内，氮元素的转化过程较复杂，包括有机氮的氨化降解、NH₄⁺-N经亚硝化作用转化为NO₂^--N以及NO₂^--N经硝化作用转化为NO₃^--N。好氧生物滤池出水相较于进水，有机氮浓度减少，氨氮浓度减少，NO₂^--N和NO₃^--N的含量增加。

新型氮磷无机化反应器中有机氮的无机化程度采用进出水中有机氮的减少百分比来表征：

新型氮磷无机化反应器是为了获取较高NH₄⁺-N浓度的出水，在实验数据分析时，同步对比厌氧池NH₄⁺-N增加百分数和好氧生物滤池NH₄⁺-N减少百分数，即：

新型氮磷无机化反应器提供的环境不适合聚磷菌的生长，同时未设回流单元。对该反应器厌氧段和好氧段来说，磷元素的转化过程主要是微生物自身同化作用的吸收利用、滤料的吸附截留作用、有机磷通过微生物的分解作用转化为无机态磷，无机态磷的形态主要是PO₄^3--P。有机磷的无机化可用PO₄^3--P与TP的比值来表征：

2 结果与讨论 2.1 厌氧池适宜水力停留时间的确定

图 2a和图 2b分别表示厌氧池内有机氮无机化率η_org-N和氨氮增长率在不同水力停留时间下的变化情况；图 2c和图 2d分别表示厌氧池内有机磷无机化增长率和COD的去除率在不同水力停留时间下的变化情况。

由图 2a和图 2d可知，随着HRT的延长，厌氧池中有机氮无机化率η_org-N和COD去除率均呈现逐步增加的趋势。随着HRT的延长，微生物与有机物接触时间延长，反应更充分，COD去除率逐渐增大，同时污水与底部污泥和组合填料上生物膜的接触时间加长，截留的颗粒态有机氮越多，反应器的氨化反应进行得越充分，故有机氮无机化率η_org-N也就越大。

在试验条件下，HRT=3 h时有机氮无机化率η_org-N为11.66%，HRT=4 h时有机氮无机化率η_org-N增大至29.29%(图 2a)。利用SPSS 22对HRT=3 h和HRT=4 h时的两组有机氮无机化率η_org-N在95%置信区间进行T-检验，检验结果P=0.023＜0.05，表明HRT由3 h增大到4 h时，有机氮无机化率η_org-N显著增加；HRT＞4 h后，HRT的增大对有机氮无机化率η_org-N影响不显著(P＞0.05)，有机氮无机化率η_org-N变化趋势趋于平缓。在试验条件下，HRT=3 h时COD去除率为38.74%，HRT=4 h时COD去除率增大至44.61%(图 2d)。利用SPSS 22对HRT=3 h和HRT=4 h时的两组COD去除率在95%置信区间进行T-检验，检验结果P=0.016＜0.05，表明HRT由3 h增大到4 h时，COD去除率显著增加(P < 0.05)；HRT＞4 h后，HRT的增大对COD去除率影响不显著(P＞0.05)，COD去除率变化趋势趋于平缓，HRT=7 h时COD去除率仅由HRT=4 h时的44.61%增大至46.19%。随着HRT的延长，水解酸化池内的主要反应由颗粒物和胶体物质的截留吸附阶段过渡到了非溶解态有机物转化为溶解态有机物以及部分溶解性复杂有机物降解为小分子有机物的过程，有机物从形式上和质上发生变化，而在总的数量上变化较小^[15]，COD去除率变化较小。

由图 2b和2c可知，厌氧池内氨氮增长率和有机磷无机化增长率Δη_P均随着HRT的延长呈现先增大后减小的趋势。HRT=4 h时氨氮增长率最大为7.71%，表明厌氧池内氨化作用增加的氨氮和微生物同化作用消耗的氨氮相差不大。当HRT=7 h时出水氨氮浓度甚至低于进水氨氮浓度，此时随着生活污水在厌氧池内的停留时间延长，生物同化作用消耗污水中更多的氨氮^[16]。Siegrist等^[17]也发现有厌氧池(无回流)出水氨氮减小的现象。在厌氧池内，有机磷经微生物的作用会转化为磷酸根，微生物在生长的同时会利用一部分磷酸根^[18]。当HRT=4 h时，有机磷无机化增长率Δη_P最大为21.39%(图 2c)。

新型氮磷无机化反应器中厌氧池的作用主要是为减轻后续好氧段处理的有机负荷而尽量提高处理过程中无机态氮磷的保有量。结合上面的分析和图 2d中好氧生物滤池对COD去除率的分析，当厌氧池HRT≥4 h时，厌氧池COD去除率≥44.61%，此时已较大程度地发挥了厌氧池减轻后续好氧段处理有机负荷的作用，可以初步确定厌氧池适宜水力停留时间应不小于4 h。由于在厌氧池中整个氮元素的转化过程主要是微生物的同化消耗，使有机氮向NH₄⁺-N的转化在厌氧池中并不适合用有机氮无机化率表示无机态氮的保有量，而应该用氨氮增长率表示。故结合图 2b和2c的分析，当厌氧池HRT=4 h时，厌氧池氨氮增长率、有机磷无机化增长率Δη_P均为最大，使厌氧池处理过程中无机态氮磷的保有量得到了最大程度的提高。综上所述，确定厌氧池适宜HRT=4 h，此时厌氧池充分发挥了其在新型氮磷无机化反应器中的作用。

2.2 好氧生物滤池适宜水力负荷的确定

图 3a和图 3b分别表示好氧生物滤池内有机氮无机化率η_org-N和氨氮减少百分数在不同水力负荷下的变化情况。图 3c和图 3d分别表示好氧生物滤池内有机磷无机化增长率和COD的去除率在不同水力负荷下的变化情况。

由图 3a可知，随着HLR的增加，好氧生物滤池中有机氮无机化增长率η_org-N呈现逐步减小的趋势。当HLR较小时，填料表层的微生物与水中的有机氮有较长的接触时间，可以转化较多的有机氮，与此同时，滤池内滤速较小，水流的扰动较小，颗粒态有机氮^[19]在填料上的吸附、截留效果较好。当HLR不断增大，微生物与水流中有机氮的接触时间逐渐缩短，加之水流对填料的冲刷影响，使得η_org-N降低。

由图 3b可知，随着HLR的增大，好氧生物滤池的氨氮减少百分率呈现先减小后趋于稳定的变化趋势，由48.71%减小至29.42%。在好氧生物滤池内硝化作用是氨氮减少的主要原因，硝化细菌与碳化异养菌竞争DO和生存空间等，硝化细菌是严格好氧菌，对生长环境要求苛刻^[20]，世代周期长，增长速度慢。当HLR较小时，有机负荷也较小，有机物成为限制异养菌生长的条件，生活污水与生物膜有充足的接触时间，有利于硝化反应的进行；HLR的增大导致有机负荷的增大，此时滤池内碳化异养菌的生长繁殖速度加快，在竞争中逐步占据优势，对硝化反应产生抑制作用^[21]，对氨氮的转化能力降低。

由图 3c和图 3d可知，随着HLR的增大，好氧生物滤池中有机磷无机化增长率Δη_P和COD去除率均呈先增大后减小的变化趋势。当HLR较小时，污水在滤池内的停留时间较长，磷与填料表面生物膜的接触时间较长，微生物自身同化作用消耗的PO₄^3--P较多，由于经过了氮磷无机化反应器处理后PO₄^3--P占TP比例较大，此时出水TP浓度受PO₄^3--P影响较大，几乎不受有机氮浓度影响，故Δη_P较小；随着水力负荷的增大，水体中磷与生物膜的接触时间缩短，微生物同化消耗量减少，从而出水中保留了较高的PO₄^3--P含量，HLR继续增大，水流对填料表面生物膜的冲刷作用增强，使得部分截留的物质或者填料表层老化的生物膜被冲刷下来，致使出水中TP浓度增大，Δη_P减小。与此同时，当HLR较小时，虽然污水在滤池中的停留时间较长，有机物能够与陶粒表面生物膜充分接触反应，但此时填料表面生物膜受水力冲刷较弱，生物膜不断增厚却不能及时得到更新，不仅阻碍了污水和生物膜之间有机物和氧的传递，也使得生物膜容易被堵塞^[22]；随着水力负荷的增大，进入滤池的有机负荷增大，微生物可利用的营养物增多，增殖速度加快，降解性能提升，且污水与生物膜之间的传质速度加快，使污水中的DO及有机物更易扩散到生物膜内^[23]；HLR继续增大，使填料表面生物膜受水力冲刷增强，污水与生物膜接触时间变短，COD去除率降低。故当HLR=5.4 m³·m^-2·d^-1时，有机磷无机化增长率Δη_P和COD去除率分别达到最大值14.97%和78.26%。

本研究需要好氧生物滤池具有较好的氮磷无机化效能和COD去除效果，并且该处理单元要在保证出水COD浓度满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 的基础上，尽可能保留易于农作物利用的氮、磷形态和数量。

综上所述，由图 3可知，当HLR＞5.4 m³·m^-2·d^-1时，好氧生物滤池的出水COD浓度大于60 mg·L^-1，不能满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 对可生食蔬菜灌溉水质的要求；当HLR≤5.4 m³·m^-2·d^-1时，好氧生物滤池的出水COD浓度均小于60 mg·L^-1，且当HLR=5.4 m³·m^-2·d^-1时好氧生物滤池的COD去除率和有机磷无机化增长率Δη_P均达到最大值，氨氮减少百分率较小，因此确定好氧生物滤池适宜HLR取值为5.4 m³·m^-2·d^-1。

2.3 适宜运行参数组合下新型氮磷无机化反应器效能

在厌氧池HRT=4 h，好氧生物滤池HLR=5.4 m³·m^-2·d^-1的适宜运行条件下，新型氮磷无机化反应器效能如图 4所示。图 4a和图 4b分别表示新型氮磷无机化反应器的有机氮无机化率η_org-N和氨氮减少百分率在适宜运行参数下的变化情况。图 4c和图 4d分别表示新型氮磷无机化反应器的有机磷无机化增长率和COD的去除率在适宜运行参数下的变化情况。

由图 4a和图 4b可知，在适宜运行参数下，新型氮磷无机化反应器的有机氮无机化率η_org-N达到32%左右，氨氮减少百分数在29%左右，出水氨氮浓度在45 mg·L^-1左右。由图 4c可知，在适宜运行参数下，新型氮磷无机化反应器的有机磷无机化增长率Δη_P达到26%左右，出水有机磷的无机化率ηP达到96%左右，此时PO₄^3--P浓度为6.5 mg·L^-1左右。由图 4(d)可知，在适宜运行参数下，新型氮磷无机化反应器的COD去除率达到81%左右，出水COD浓度均在60 mg·L^-1以下。试验结果表明，在适宜运行参数下，新型氮磷无机化反应器出水氨氮和PO₄^3--P浓度分别约为45 mg·L^-1和6.5 mg·L^-1，远高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002) 一级B标准中氨氮和TP的排放浓度，可为后续安全灌溉利用提供无机氮、磷肥；同时，新型氮磷无机化反应器出水中COD浓度均在60 mg·L^-1以下，满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 用于可生食蔬菜安全灌溉的水质要求，可以实现农村生活污水安全灌溉。

2.4 新型氮磷无机化反应器出水的卫生学分析

考虑到污水灌溉后，部分病原微生物可能残留在灌溉作物表面，食用或接触后可能对人体产生健康风险，故在上述研究的基础上，以粪大肠杆菌群为指示，对新型氮磷无机化反应器出水水质进行公共卫生学分析。有研究表明，单独的厌氧反应器在高负荷条件(水力停留时间较低)下运行时，对病原菌的去除效果相对稳定，但对粪大肠杆菌的去除率较低，仅为75%左右^[24]，一级生物滤池对污水中粪大肠菌群去除率为95%左右，二级生物滤池的去除率可以达到99.99%^[25]。新型氮磷无机化反应器由一个填充有组合填料的厌氧反应器和好氧生物滤池串联而成，对污水中粪大肠杆菌群有较好的处理效果。

实测数据表明：在厌氧池HRT=4 h，好氧生物滤池HLR=5.4 m³·m^-2·d^-1的运行条件下，新型氮磷无机化反应器进水粪大肠杆菌群数为1.6~6.1×105个·L^-1，经过新型氮磷无机化反应器处理后出水粪大肠杆菌群数＜10 000个·L^-1，去除率在99%左右，出水粪大肠杆菌群数指标满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 用于可生食蔬菜安全灌溉的水质要求。

3 结论

(1) 综合考虑厌氧池在新型氮磷无机化反应器中的作用，确定厌氧池适宜HRT=4 h。

(2) 考虑到好氧生物滤池要在保证出水COD浓度满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 中可生食蔬菜灌溉的基础上，为尽可能保留易于农作物利用的氮、磷形态和含量，确定好氧生物滤池适宜HLR=5.4 m³·m^-2·d^-1。

(3) 在厌氧池HRT=4 h，好氧生物滤池HLR=5.4 m³·m^-2·d^-1的条件下，新型氮磷无机化反应器的出水氨氮和PO₄^3--P浓度远高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002) 一级B标准中的排放浓度，可为后续安全灌溉利用提供无机氮、磷肥；同时出水COD和粪大肠杆菌群浓度，均满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 中可生食蔬菜安全灌溉的水质要求，可以实现农村生活污水安全灌溉。