水是人类生存必不可少的一种生活资源，是保证社会和谐稳定与生产发展的重要因素^[1]。2010年第一次全国污染源普查结果显示^[2]，农业源污染物化学需氧量（COD）、总氮（TN）的排放量分别占总排放量的43.7%、57.2%。农村污水具有排放源分散、污水产生量小、水质水量波动大等特点，因此，在处理农村污水时需因地制宜，选择投资费用少、运行管理简单的分散式处理工艺^[3-5]。小型污水净化槽是一种非常适合农村生活污水原位处理的技术，具有抗冲击性好、固液分离、安装简便等优点，该技术方法已经成为国内外生活污水处理的一种新理念^{[3, 6]}。

到2010年我国沿海地区全面实行了自来水化，改变了农村的生活环境，提高了农民的生活质量。但由于后续的家庭生活污水处理设施未能衔接，生活污水已逐步成为农村水环境污染的重要原因之一。为了加快农村水环境的污染治理，建设美丽乡村，农村生活污水的处理需要更加严格。众所周知，传统的净化槽虽然采用了厌氧和好氧的组合工艺，但出水TN往往很高^[7]，仍然会消耗水体溶解氧^[8]并造成农村水环境的富营养化^[9-11]，为此，开辟节能减排的脱氮工艺成为必要。

本研究采用无回流的方法，降低过程的能耗，建立了A/O/A/O工艺系统。通过滤床挂膜的形式，提高了生物反应器内部的有效利用率，减少过程中污泥的产生。对比传统A/O工艺^[12-15]，探讨生物滤床对生活污水处理的效果，研究各区域在生物滤床的作用下，出水COD、TN、氨氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、亚硝态氮（NO₂^--N）等浓度变化。调查一级好氧产生的NO₃^--N在后续厌氧反硝化的过程中借助剩余的碳源或者分点投加污水碳源脱氮的作用，构建净化槽脱氮的新工艺。为今后的实际应用提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 实验装置与工艺流程

本研究所使用的无动力自流式反应器采用有机玻璃制成，共分为六个区域，前四个区域采用水平推流模式，各区域之间不存在返混，第二和第四个区域可以通过曝气的方式实现有氧全混。由于不采用回流，各区域内相应的微生物不易流失^[16]。采用生物滤床，降低了过程的能耗，后续再连接沉淀槽和消毒槽，形成一个完整的处理装置。采用小型曝气机为所需要的区域供给氧气。净化槽总体积为48 L，前四个区域体积均为10 L，后两个区域体积分别为4.5、1.5 L。小型净化槽装置及工艺流程如图 1所示。

1.2 实验材料 1.2.1 实验用水

实验用水样为天津科技大学泰达校区生活污水，其水质参数见表 1。由表可知，校园污水水质虽然有较大波动，但仍属于常规生活污水。

1.2.2 填料

填料是本研究小组专门开发的有孔波纹聚乙烯材料，不同区域充填体积有所不同，基本占整个体积的40%~60%，具体情况见参考文献[17]。

1.2.3 分析仪器与试剂

研究主要跟踪水中的COD、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N等浓度变化，来考察工艺的脱氮效果。定期采集净化槽的进水及各级反应区出水口水样进行检测。水样经过0.45 μm滤膜过滤去除悬浮颗粒物，各指标测定方法：TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法（GB 11894—1989）；NO₂^--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法（GB/T 7493—1987）；COD采用重铬酸钾法（GB 11914—1989）；TP采用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）。NH₄⁺-N和NO₃^--N采用氨氮、硝氮水质在线分析仪测定（德国WTW，DIQ/S 182）。所有检测中使用的试剂均为符合国家标准的分析纯和优级纯试剂。

1.3 实验方法

本试验采用生活污水动态培养自然挂膜法，填料经表面活性剂全面清洗，去除油垢，交叉叠合捆扎一体，分别占厌氧槽和好氧槽体积的60%和40%。

好氧挂膜采用常规的活性污泥法，取生活区污水和污水厂活性污泥放入容器内，进行连续曝气，每天用生活污水更换三分之一的上清液，大约一周后基本形成如图 2A所示的絮状棕褐色好氧膜^[18]。厌氧挂膜是将填料置于天津科技大学校园生活区化粪池出水的厌氧井中，不定期搅拌水体并跟踪观察。厌氧污泥亲水性很差，挂膜较难，需要微生物分泌粘性代谢物质在填料表面附着，增加微生物的附着能力。约一个月后，波纹板填料表面形成了不易剥落、质地均匀的黑色厌氧生物膜，如图 2B所示。

将挂好的膜根据实验要求置于相应的区域，调节曝气量以及进水流量，定期观察各区域生物膜的颜色以及运行状况的变化，同时分别从各区域取水样进行分析，检测各区域中COD、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N等水质指标，研究其变化规律和去除率。

为强化工艺脱氮效果，解决A₁/O₁/A₂/O₂工艺厌氧反硝化区污水中碳源不足造成的出水NO₃^--N浓度高的现象^[18]，对A₂区进行分段进水，保持进水总流量13 L·d^-1不变，A₁和A₂反应区污水流量配比Q₁:Q₂为2:1^[19-22]（即Q₁=8.7 mg·L^-1，Q₂=4.3 mg·L^-1）。

2 结果与讨论 2.1 生物滤床对净化槽出水水质的影响

众所周知，大多数生活污水处理都是采用活性污泥法，但对于农村单户型或多户型净化槽而言，活性污泥法因污泥回流等原因，能耗大，需要动力装置和人员管理，所以生物滤床更具有适用性。

2.1.1 一级好氧区中生物滤床对净化槽出水水质的影响

本研究采用了四个区域分段连续处理，最后一段实行曝气，让前段厌氧水解的污水在好氧生物滤床作用下进一步降解。图 3表示的是各区域COD的经时变化规律，横坐标为连续的处理时间，纵坐标表示COD浓度及去除率。实验条件为连续进水，进水流量为13 L·d^-1，反应器平均停留时间为72 h。

由图 3可知，进水COD浓度在213~285 mg·L^-1范围波动（平均237.2 mg·L^-1），由于各区域没有搅拌装置，且前三个区域的厌氧微生物自身具有不亲水性，再加上平推流的作用，往往底部微生物浓度高，单位体积有效利用率低。即使经过三级厌氧处理，COD平均浓度仍然在158 mg·L^-1，平均去除率也只有33.2%，其作用和普通化粪池一样。该污水进入生物滤床好氧区后，COD浓度明显降低，其平均浓度降低至103.2 mg·L^-1，这不仅说明好氧微生物的降解能力大，而且还表明好氧微生物负载在填料上，提高了单位体积利用率，降低了出水中的污泥浓度，使最终沉淀槽出水COD的平均浓度为103.7 mg·L^-1，平均去除率达到56.0%。

图 4表示在相同条件下各区域的NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN浓度的沿程变化。由于各区域检测出的NO₂^--N浓度极低，故在图中不做讨论。本实验期间校园生活污水NH₄⁺-N和TN浓度都较高，分别在83.3~87.9 mg·L^-1和110~120 mg·L^-1浓度范围变化，NO₃^--N浓度低于1 mg·L^-1。由图可知，污水经过三级无生物滤床的厌氧区，因氨化微生物的作用，有机氮分解，NH₄⁺-N稍有增加。进入好氧区后，在硝化菌的作用下发生硝化反应，NH₄⁺-N浓度显著下降，由平均85.9 mg·L^-1降低至平均42.4 mg·L^-1，NO₃^--N浓度相应增加至平均52.0 mg·L^-1，但是NO₃^--N浓度变化量大于NH₄⁺-N浓度的变化量，这是由于有机氮含量降低并转化为氨氮。沉淀槽出水中NH₄⁺-N平均浓度为42.4 mg·L^-1，平均去除率为50.0%；由于无反硝化过程，NO₃^--N平均浓度为52.5 mg·L^-1；TN平均浓度为105.1 mg·L^-1。

2.1.2 三级厌氧一级好氧生物滤床对净化槽出水水质的影响

一级好氧区生物滤床稳定运行下，将在学校化粪井中挂膜一个月的波纹板填料分别置于前置的三个厌氧区内，形成三级厌氧一级好氧生物滤床生物反应器。连续进水，7 d之后，分别取样，测定其COD、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N浓度，考察这些水质指标的变化情况。

图 5表示在生物滤床存在条件下各区域COD浓度及其去除率的经时变化。由图可知，污水经过第一级生物滤床厌氧反应区后，COD浓度明显下降，平均去除率为34.2%，最大可达41.4%。污水经过第三级生物滤床厌氧反应区后，COD浓度大幅下降，从原水平均358.2 mg·L^-1，下降到平均94.2 mg·L^-1，平均去除率为73.0%，远高于仅添加好氧生物滤床的情况（33.2%），这是由于厌氧生物滤床的添加，增加了反应器厌氧微生物的平均浓度以及单位体积利用率，促进污染物的酸化水解。污水再经过生物滤床好氧反应区的进一步氧化分解，沉淀槽出水水质稳定，COD平均浓度55.6 mg·L^-1，平均去除率84.0%。从各区COD浓度的经时变化看，第一级、第二级厌氧过程受进口浓度影响较大，而第三极厌氧和好氧区域相对稳定，表明生物滤床的抗冲击性能较强。

图 6表示各区域内NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN浓度的沿程变化，由于各区域检测出的NO₂^--N浓度极低，故在图中不做讨论。由图可知，在21 d连续跟踪检测中，NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN浓度在各区内的变化呈现规律性。厌氧区氮化合物主要以NH₄⁺-N形式存在，NO₃^--N含量很少。在好氧区，NH₄⁺-N在硝化菌的作用下显著降低（平均14.9 mg·L^-1），并转化为NO₃^--N（平均20.4 mg·L^-1）。沉淀槽出水TN浓度有了轻微减少，平均浓度为55.8 mg·L^-1，但仍然远高于出水一级A标准（TN 15 mg·L^-1），平均去除率为28.7%；NH₄⁺-N平均浓度为15.2 mg·L^-1，平均去除率为74.4%。沉淀区是一个稳定区，由于污泥量极少，对水质的影响也很小，NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN的浓度变化很小。

2.1.3 A/O/A/O生物滤床对净化槽出水水质的影响

将上述三级厌氧一级好氧生物滤床净化槽中的第二级厌氧生物滤床改换成好氧生物滤床，并进行曝气，形成A/O/A/O工艺，观察其填料表面生物膜生长状况和出水水质情况，稳定进水运行7 d后，定期检测各区COD、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N和TN浓度变化。

图 7表示A/O/A/O生物滤床对COD浓度及其去除率的影响。污水经过第一级厌氧反应区（A₁）后，COD浓度变化基本与图 5相同；经过第一级好氧区（O₁）后，COD明显下降，其平均浓度在65 mg·L^-1左右。经过第二级厌氧区（A₂）后，由于COD浓度很低，厌氧过程的降解效果不如第一级厌氧效果明显。最后污水经过第二级好氧区（O₂）后，COD浓度降低至平均20.6 mg·L^-1，沉淀槽出水COD平均浓度为21.6 mg·L^-1，远低于国标（GB 18918—2002）一级A标准规定的50 mg·L^-1。A/O/A/O生物滤床反应器因增加了一个好氧过程，处理效果显著增加，处理能力也相应增加。

图 8表示净化槽各级反应区沿程NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN浓度变化。本阶段校园生活污水NH₄⁺-N和TN的浓度范围分别在40.1~63.9 mg·L^-1和62.7~82.9 mg·L^-1，NO₃^--N浓度低于1 mg·L^-1。由图可知，污水经过第一级好氧区（O₁）后，NH₄⁺-N浓度降低至平均20.9 mg·L^-1，而NO₃^--N浓度升高至30.5 mg·L^-1，TN浓度仅有微小变化；污水经过第二级厌氧反应区（A₂）后，NO₃^--N浓度减少至平均19.3 mg·L^-1，TN浓度降低至36.4 mg·L^-1，这是由反硝化菌作用造成的；经过第二级好氧区（O₂），NH₄⁺-N平均浓度为1.6 mg·L^-1，沉淀槽出水NH₄⁺-N平均浓度为2.5 mg·L^-1，低于国家一级A排放标准，其平均去除率达到95.0%。但由于第二级厌氧反硝化区污水中碳源不足，沉淀槽出水中NO₃^--N平均浓度（30.3 mg·L^-1）和TN平均浓度（34.9 mg·L^-1）偏高，所以，要使得反硝化过程发挥作用，提供碳源十分重要。

2.2 A/O/A/O生物滤床工艺下分段进水对净化槽出水水质的影响

为强化A₁/O₁/A₂/O₂工艺脱氮效果，对A₂区进行分段进水，保持进水总流量13 L·d^-1不变，A₁和A₂反应区污水流量配比Q₁:Q₂为2：1（即Q₁=8.7 mg·L^-1，Q₂=4.3 mg·L^-1），稳定7 d左右，定期测量各反应区COD、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N和TN浓度变化，测定结果分别见图 9、图 10。

图 9表示分段进水后各区的COD浓度及其去除率的经时变化。由图可知，连续进水经过第一级A/O后，COD浓度下降很多，后续的第二级A/O的作用则显示不出。采用分段进水，不仅有效利用了第一级A/O的降解作用，而且还加大了第二级A/O的降解功能。沉淀槽出水的COD浓度已降至12.3 mg·L^-1左右，平均去除率达到95.3%。

图 10表示A/O/A/O生物滤床工艺分段进水条件下净化槽各级反应区沿程NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN浓度变化。由图可知，虽然进水和分段进水各水质浓度有波动，但这些水质指标沿着各段的变化规律相同。第一级好氧区（O₁）出水NH₄⁺-N浓度明显下降，NO₃^--N浓度明显升高，而TN浓度下降较少。由于第二级厌氧区（A₂）分段进水提供了碳源，强化了该段的反硝化脱氮效果，NO₃^--N、TN浓度下降显著，NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN平均浓度分别为12.6、3.1、17.4 mg·L^-1。污水经过第二级好氧区后，NH₄⁺-N进一步氧化，沉淀槽出水NH₄⁺-N、NO₃^--N和TN平均浓度分别为2.7、10.0、13.0 mg·L^-1，其浓度均低于国家一级A排放标准，NH₄⁺-N和TN的平均去除率分别为93.1%、73.8%。由此可见，在净化槽第二级厌氧区实行分段进水可以很好地解决碳源不足的问题，强化了工艺的脱氮功能。

3 结论

（1）净化槽在A/A/A/O运行条件下，当只在好氧区添加生物滤床时，出水COD、NH₄⁺-N、TN平均浓度分别为103.7、42.4、105.1 mg·L^-1，水质不佳，平均去除率分别为56.0%、50.0%、8.9%；当各区填料全部放入且稳定运行时，出水COD、NH₄⁺-N、TN平均浓度分别为55.6、15.2、55.8 mg·L^-1，平均去除率分别为84.0%、74.4%、28.7%，出水水质仍然未达到排放标准。但生物滤床的添加有助于过程的去除效率。

（2）净化槽在A/O/A/O运行条件下，各段均添加生物滤床时，出水水质显著提高，出水COD、NH₄⁺-N、TN平均浓度分别为20.6、2.5、34.9 mg·L^-1，平均去除率分别为94.1%、95%、51.3%，只有TN浓度欠佳，这是由于二级厌氧反应区碳源不足所致。

（3）净化槽在添加生物滤床，A/O/A/O运行且分段进水条件下，出水COD、NH₄⁺-N、TN平均浓度分别为12.3、2.7、13.0 mg·L^-1，平均去除率分别为95.3%、93.1%、73.8%，出水水质均达到国家一级A排放标准。

（4）A/O/A/O生物滤床新型净化槽不仅在结构上形成一体化，而且由于生物滤床的使用，不需要污泥回流，节省能耗，通过分段进水可以实现过程脱氮，解决了传统净化槽不易脱氮难题，可对农村分散式生活污水处理发挥重要的指导作用。