很多农村地区管道铺设成本高、雨污分离难，加上农村生活污水来源多且分散、水质水量波动等，加大了农村地区生活污水的处理难度。而大量农村生活污水的随意排放已对农村水环境、饮用水安全等造成了巨大的威胁。因此，积极推动我国农村生活污水处理迫在眉睫。鉴于农村特别是偏远农村生活污水的特点，采用一次性投资低、能耗低、运行稳定的组合处理技术对生活污水进行分散式处理是较为经济合理的。分散式处理可以不依赖污水管网收集和运输，工艺灵活、维护简单，近年来受到越来越多的关注与研究。此外，研发一套能耗低、污染物去除效能高、管理简单，实现资源再利用，出水水质能稳定达到排放标准的单户农村生活污水一体化处理装置十分必要。
本研究依托四川某偏远农村居民生活污水展开。
1、实验部分
1.1 废水水质水量
据调查，研究区域内农村居民点分布比较稀疏，管道铺设困难、成本高，雨污分离难，污水集中处理困难。村民主要使用旱厕、粪坑收集粪污，暂存后用于农肥和浇灌；其他废水（洗漱、洗菜和刷锅水等）顺地势流入房前屋后的农灌沟、农田和堰塘等。
当地生活污水水质波动较大，废水有机物含量较低、含氮量较高，pH为6.8～8.0，COD为61.48～377.1mg/L，NH4+-N、TN、TP的质量浓度分别为8.07～50.79、22.83～52.75、4.13～5.85mg/L。
1.2 装置设计
在总结农村生活污水一体化处理技术的基础上，结合当地的经济水平和实际情况，选择一种以生物接触氧化和水生蔬菜型湿地净化系统为主体的一体化装置，如图1所示。
化粪池污水经过格栅后进入处理装置，设计处理水量为200～500L/d。装置体积小、质量轻，可根据地势置于厕所旁的地下等处，既方便又美观。生物生化与湿地生态系统的结合大大减小了湿地堵塞的可能。可以根据季节在湿地栽种不同的水生蔬菜，提高了居民的积极性，非常适合农村地区单户居民或者分散式居民生活污水的处理。研究表明，许多水生蔬菜对污水都有着一定的净化作用，例如空心菜对污水中的氮磷等都有很好的去除作用。樊均德等发现在9～12℃的低温下培养6d时水芹对污水中的NH4+-N和正磷酸盐的去除率分别可达59.34%和44.42%，表明低温下水芹对生活污水中NH4+-N和正磷酸盐均有较好的去除效果。
生物接触氧化系统：采用2级生化处理方式，选择的填料是弹性组合式填料（直径150mm），填料填充率约为65%。生物接触氧化系统微生物挂膜所用的活性污泥来自四川省成都市某市政污水处理厂的曝气池，污泥接种质量分数约为16%。
水生蔬菜型湿地净化系统：采用火山石作为系统基质，构建垂直潜流型人工湿地。自下至上火山石粒径从大到小（粒径分别为16～32、8～16、5～8mm）。火山石硬度大，具有多孔、比表面积大的特点，富含CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2等。国外有学者认为，富含钙、铁及铝的基质净化污水中磷的能力较强。此外，火山石表面带有正电荷，有利于微生物固着生长。火山石基质上层覆土8cm左右，可根据季节变化，栽种不同的水生蔬菜。实验中种植空心菜。研究表明，空心菜在净化农村生活污水等污染水体方面都有着较好的应用价值。同时，在传统湿地的基础上增加了曝气系统，通过控制曝气形成富氧区和缺氧区。
太阳能供电系统：主要满足污水进水和曝气泵的用电需求。设计采用单晶硅太阳能电池板，在太阳能源不足时，系统自动切换到电网辅助供电，保障系统正常运转。
装置启动初期，进水波动较大，微生物未完全适应，一体化污水处理装置处理效果波动较大。经过10d的启动，随着微生物的适应以及接触氧化池生物膜的逐渐形成，COD、NH4+-N等的处理效果逐渐提高并趋于稳定，出水水质基本稳定。
1.3 分析方法
2017年9－12月期间，对装置进水、生物接触氧化池出水、人工湿地出水各设置1个取样点进行取样，检测项目包括COD和NH4+-N、TN、TP含量，分别采用重铬酸钾法（GB11914－89）、纳氏试剂分光光度法（HJ535－2009）、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636－2012）和钼酸铵分光光度法（GB11893－89）测定。
2、结果与讨论
2.1 COD的去除效果
处理装置正式运行期间对污水COD的去除效果如图2所示。
由图2可知，装置运行期间进水COD波动较大（61.48～377.1mg/L），出水COD为5.02～49.98mg/L，均能达到GB18918－2002的一级A标准。这表明该装置抗冲击负荷能力较强，并且在冬季也能稳定高效地去除COD。装置对污水COD的总去除率为69.23～96.53%，接触氧化系统主要通过生物膜上微生物的吸附、氧化分解等作用去除COD，去除率可达86.8%。水生蔬菜型湿地净化系统利用系统中基质的过滤、吸附、沉淀，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用进一步去除污水中的COD，去除率达3.00%～34.38%。
吴小凤等研究了不同填料垂直流人工湿地系统的净化能力，结果发现火山石系统对COD的去除效率为22%。本研究中污水COD主要是依靠生物接触氧化系统得以去除，这大大减少湿地系统堵塞的可能。虽然水生蔬菜型湿地净化系统对生活污水中的COD去除的贡献不大，但经过水生生态系统的进一步处理，污水得到了进一步的净化，出水浊度降低。
2.2 NH4+-N的去除效果
处理装置正式运行期间对NH4+-N的去除效果如图3所示。
由图3可知，装置运行期间进水NH4+-N含量波动较大（质量浓度8.07～50.79mg/L），出水NH4+-N的质量浓度为0.59～1.93mg/L，均能稳定达到GB18918－2002的一级A标准。这表明该装置对生活污水中NH4+-N去除效果较好，并且在温度较低的冬季也能稳定高效去除NH4+-N。系统对污水NH4+-N的总去除率稳定在95.9%以上，最高达97.26%。
接触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细菌的硝化作用，首先氨氧化菌（AOB）将NH4+-N转化为NO2--N，紧接着亚硝酸盐氧化菌（NOB）将NO2--N转化为NO3--N。水生蔬菜型湿地主要通过基质吸附，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用进一步去除污水中NH4+-N，水生蔬菜根系有利于硝化菌等微生物的附着生长、繁殖和提高系统的净化效果。人工湿地基质火山石对NH4+-N有着一定的吸附作用，人工曝气也提高了湿地系统的净化能力，OUELLET等研究发现，人工曝气能够改善夏季和冬季无植物人工湿地TKN的净化用。
为使系统能够有效去除污水中的TN，在11月底12月初对系统的曝气量、曝气时间等工艺参数进行了调整。在调整工艺参数的情况下，生物接触氧化池NH4+-N去除效率有所下降，但是污水通过人工湿地后，出水NH4+-N含量较低，能够稳定达到GB18918－2002的一级A标准。这表明水生蔬菜型人工湿地对污水NH4+-N也有着稳定的去除作用。
2.3 TN的去除效果
经过调整曝气量、曝气时间等工艺参数，装置在寒冷的12月份对TN去除效果较好，如图4所示。
由图4可知，该装置对生活污水中TN去除效果较好，出水TN的质量浓度可低于5mg/L，能稳定达到GB18918－2002的一级A标准，去除率达93.07%。水生生态系统中的TN一部分是湿地基质吸附了污水中的部分NH4+-N等，使得系统中TN有所降低。系统中大部分TN的去除还需要依靠反硝化菌，反硝化细菌在缺氧的条件下进行反硝化作用将硝态氮转化为氮气。生物接触氧化系统随着生物膜厚度不断增加，当增加到一定程度时，在氧气不能透过的内侧就形成了厌氧层，反硝化细菌在这里可以进行反硝化作用。人工湿地基质中设有曝气竖管，形成富氧区和缺氧区，一方面进一步去除COD和NH4+-N，另一方面有利于反硝化作用的进行，进而达到系统脱氮的目的。基质上层覆土并根据季节种植水生蔬菜，通过植物根系吸收等作用同样有着去除TN的作用。蔬菜型人工湿地系统对TN的平均去除率占总去除率的66.57%。
2.4 TP的去除效果
该装置对TP的去除效果不理想，去除率仅为20%～35%，出水TP的质量浓度1.58～2.34mg/L，难以达到GB18918－2002的一级A标准。
人工湿地系统中基质吸附了污水中的部分TP等，使得系统中TP含量有所降低。张修稳等研究了火山石、活性炭、生物陶粒和无烟煤等10种人工湿地填料对磷的吸附特性，结果表明，火山石的堆积密度较小分别为0.74g/cm3，孔隙度最大为77%，是湿地填料较好的选择之一。国内外研究表明，除磷能力不足也是人工湿地的普遍缺点之一。磷在湿地中的去除主要依靠基质的吸附及沉淀，而基质的吸附能力与基质种类有关，可采用吸附能力更强的基质或者组合基质，张翔凌等将沸石进行了改性并应用于人工湿地中，强化了其除磷能力，TP的去除率超过90%；聂凤采用改性火山石-PAC复合絮凝剂处理城镇生活污水，TP的去除率可达到82.25%。此外，可通过在出水口设置化学除磷等进一步去除污水中TP。
3、结论
该一体化污水处理装置处理农村生活污水效果显著，系统对生活污水中的COD、NH4+-N等都有很好的去除作用，正式运行后COD、NH4+-N和TN的最高去除效率分别可达96.53%、97.26%和93.07%，出水均能达到GB18918－2002的一级A标准。
该装置的污水处理规模量为200～500L/d，非常适合农村地区单户居民或者分散式居民生活污水的处理。该装置曝气、进水等均利用太阳能辅助曝气，节约能耗。水生蔬菜型湿地净化系统根据季节变化栽种的空心菜等水生蔬菜可以食用，能够提高农户维护的积极性，管理方便、经济实惠。（来源：中国科学院成都生物研究所，中国科学院环境与应用微生物重点实验室）