摘要
针对黑龙江寒冷地区农村分散式水冲厕所粪污处理效率低及运行不稳定等问题，通过微生物复合菌剂的投加提高运行稳定性及粪污处理效果。对黑龙江地区农村家庭实地运行的水冲厕系统进行长期监测，分析“黑水”和“灰水”处理过程中出水水质的变化，包括化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）质量浓度及粪大肠杆菌数的变化情况。结果表明：处理“黑水”过程中，COD去除率最高可达91.53%，氨氮去除率保持在80%以上，总磷去除率在63.85%~82.00%波动；处理“灰水”过程中，COD去除率达81.95%~90.08%，氨氮去除率最高达91.11%；复合菌剂显著降低了出水中的粪大肠菌群数，去除率达90%以上。细菌群落结构分析显示，复合菌剂的应用优化了微生物结构，有效富集了Acinetobacter和Psychrobacter等耐冷微生物。复合菌剂在寒区农村厕所粪污处理中的应用不仅提高了污染物去除效率及运行稳定性，还为寒区农村厕所改造和粪污处理提供了科学依据和技术支持。
Abstract
This study addressed the challenges of low efficiency and operational instability in decentralized flush toilet waste management in rural areas of Heilongjiang, a cold region in China. By introducing a microbial composite agent, we aimed to enhance the stability and quality of effluent. Through long-term monitoring of flush toilets in rural households, we analyzed the water quality changes in the treatment of "black water" and "gray water", focusing on parameters such as chemical oxygen demand (COD), ammonia nitrogen (NH3-N), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), and fecal coliform content. The results showed that during black water treatment, COD removal rates reached as high as 91.53%, with ammonia nitrogen removal consistently above 80%, and total phosphorus removal rate fluctuating between 63.85% and 82.00%. In gray water treatment, COD removal rates ranged from 81.95% to 90.08%, and ammonia nitrogen removal peaked at 91.11%. Additionally, the composite agent significantly reduced fecal coliform counts in the effluent, achieving a removal rate over 90%. Bacterial community structure analysis revealed that the application of the composite agent optimized microbial composition, effectively enriching cold-tolerant microbes such as Acinetobacter and Psychrobacter. This study demonstrated that the use of microbial composite agents in rural toilet waste treatment in cold regions not only improved pollutant removal efficiency and operational stability but also provided a scientific basis and technical support for the renovation of rural toilets and fecal waste management in cold regions.
黑龙江省全年平均温度低于4℃，省内大部分区域地下冻土深度超过2 m[1]，而水冲厕系统的污水处理过程以生物法为主，低温环境不利于微生物的生长和代谢，限制了新型农村水冲厕系统的污水处理效能[2-5]。目前，已有大量研究致力于强化低温条件下农村厕所粪污及废水处理的效能。赵文斌等[6]利用MBBR工艺处理低温条件下农村厕所废水，优化工艺参数后，出水水质可达到农田灌溉水的标准。赵伟华等[7]以校园生活污水为处理对象，利用聚丙烯颗粒柱状填料富集硝化菌。陈卓帛等[8]用包含微生物菌剂的原位发酵床技术处理甘肃寒区的农厕粪污，并实现了无害化处置。综上，使用微生物复合菌剂是强化生物活性的有效方法，可优化微生物群落结构，实现反应装置的快速启动，加速有机物的降解，从而改善出水质量。
本研究长期监测黑龙江农户家中处理“黑水”和“灰水”的两类净化槽工艺水冲厕系统，并投加微生物复合菌剂强化出水，对关键水质指标进行检测，并分析功能微生物丰度变化情况，以期为寒区农村改厕工程的妥善实施提供科学依据。
1 试验
1.1 试验装置
如图1（a）所示，水冲厕系统通过管道将污水排入净化槽内，净化槽内部结构如图1（b）所示，包括第一格初沉池、水解腔、生化腔（套筒结构，分为内腔和外层沉积腔）和清水腔。污水进入第一格沉淀池进行初步沉淀后进入水解腔，水解腔初步沉淀、分解粪污，将污水溢流到生化腔。生化腔为双腔套筒结构，内腔有微动力曝气充氧装置，外腔起到沉积污泥的作用，泥水分离后的上清液溢流到清水腔。清水腔中有水泵，可以设置水泵根据液位高度自动调控排水。生化腔中添加的复合菌剂主要包括瘤胃解蛋白质菌Proteiniclasticum ruminis、速生嗜冷杆菌Psychrobacter、耐冷假单胞菌Pseudomonas psychrophilia、絮状束毛球菌Trichococcus Scheff和约氏不动杆菌Acinetobacter.johnsonii等。设备启动时向生化腔内一次性投加菌剂和配套的K3生物填料，菌剂添加量约1 500 g，闷曝驯化48 h，闷曝过程严禁进水。菌种驯化完成后用户可正常使用，使用过程中日排水量小于150 L。水冲厕系统集成净化槽施工图如图1（c）和图1（d）所示。
图1水冲厕系统单户集成净化槽设计及施工图
Fig.1Design and construction diagrams of an integrated purification tank for a single household flush toilet
1.2 指标测定方法
将采集的水样静置15 min，取上清液测定COD。用0.45 μm滤膜过滤后，参照《水和废水监测分析方法》[9]进行水质指标检测。化学需氧量（COD）采用重铬酸钾快速密闭催化消解法测定，氨氮（NH3-N）采用纳氏试剂分光光度法测定，总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法检测，总磷（TP）采用钼锑抗分光光度法测定。粪大肠菌群的检测采用多管发酵法，参照HJ 347.2—2018《水质粪大肠菌群的测定多管发酵法》[10]中的12管法进行检测。
1.3 细菌群落结构检测
进行细菌群落结构检测的黑水取样于2023年10月31日，灰水取样于2023年10月29日，取样后立即冷冻保存。采用E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit试剂盒（OMEGA）提取水样中细菌DNA。PCR扩增采用全式金公司的Pfu高保真DNA聚合酶，并严格控制扩增循环数，保证同一批样本的扩增条件一致。扩增产物磁珠纯化回收后，将PCR扩增回收产物进行荧光定量，荧光试剂为Quant-iTPicoGreen dsDNA Assay Kit，定量仪器为MicroplateReader（BioTek，FLx800）。采用Illumina公司的TruSeqNano DNA LT Library Prep Kit制备测序文库。上机测序前，先用Agilent High Sensitivity DNA Kit对文库在Agilent Bioanalyzer上进行质检，利用保守区域设计引物来扩增rRNA基因的单个或多个可变区，测序分析微生物的多样性。
1.4 数据分析
利用Origin 2019和SPSS 22.0软件对试验数据进行统计分析并绘图。
2 结果与分析
2.1 净化槽工艺处理农村厕所黑水效能
2.1.1 污染物去除效果
厕所排放的污水主要包括尿液、粪便及冲厕水，由于这类水体含有大量的有机物、病原体、营养盐和其他污染物而被称为“黑水”[11]。黑水具有高有机负荷、高病原体含量、高营养盐含量及恶臭等特点[11]，如果不经过适当处理直接排放，会对环境和人类健康造成严重影响[12-13]。本研究基于净化槽工艺水冲厕系统，处理农村厕所黑水，从2023年6月—11月份持续检测不同取样口出水中的COD、NH3-N、TN和TP质量浓度变化情况（图2）。取样设置在净化槽处理过程的3个不同环节，依次为水解腔、生化腔和最后排水的清水腔。总体上，进水COD在916.24~1 379.79 mg/L波动。伴随净化槽内各腔体的处理过程，各取水口的污染物质量浓度依次呈现下降趋势，最终出水COD维持在86.47~235.59 mg/L。6月18日—7月6日处于设备启动前期，出水COD略高，去除效率由6月18日的74.29%上升到7月6日的91.53%，从7月6日开始直到9月25日，COD去除率都在90%以上，处于稳定运行阶段。10月9日—10月31日期间，出水COD略有下降，但也能达到86%以上的去除率，11月8日气温为-15~-5℃，当日出水COD仍能达到81.95%的去除效率。
图2黑水处理过程中COD、NH3-N、TN和TP质量浓度变化及去除率
Fig.2Changes in concentration and removal rates of COD, NH3-N, TN, and TP during blackwater treatment
在脱氮方面，进水NH3-N质量浓度范围为87.45~129.74 mg/L，总氮质量浓度范围为110.33~158.44 mg/L，出水NH3-N质量浓度在11.30~24.00 mg/L波动，出水总氮质量浓度为41.82~59.33 mg/L。NH3-N的去除效率最高可达到91.11%，在进入冬季后去除率虽然有所下降，但是在复合菌剂的强化作用下，依然能维持80%左右的去除效率。相比NH3-N，总氮的去除效率较低，在53.41%~72.62%波动。这主要是由于反应体系中没有充足的碳源进行反硝化[14]，进水碳氮比在6.35~9.83波动，远低于生化过程所需的合理碳氮比，限制了反硝化脱氮过程[15-17]。总磷的去除率在前期启动期略低，在55.09%~58.83%波动，进入稳定期后去除率可达63.85%~82.00%，且从稳定期直到11月8日取样时，出水中总磷质量浓度均低于5 mg/L，满足DB 23/2456—2019《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》[18]中三级出水的总磷排放指标，这表明虽然低温环境对微生物的代谢活动产生了限制，但由于复合菌剂对生化过程的强化作用，依然能保持较高的污染物去除能力。
2.1.2 粪大肠菌群处理效果
农村厕所产生的黑水含有大量病原菌，如大肠杆菌、病毒和寄生虫，直接排放会污染土壤和水体，导致水源和农作物的病菌传播，危害人畜健康，破坏生态平衡[19-21]，因此，有效处理黑水使其无害化是保护自然环境和公共卫生的关键。粪大肠菌值是粪便无害化卫生要求的主要指标，反映水体受到粪便污染的程度。6月—11月定期对出水进行采样，按照GB 7959—2012《粪便无害化卫生要求》[22]检测出水中的粪大肠菌群数，以评价本工艺是否能实现农厕黑水处理的无害化（图3）。进水粪大肠菌群数在不同月份呈现出一定的波动，从6月的2 200 MPN/L升高到7月的3 600 MPN/L，而后呈现下降趋势，这可能与温度的升降变化有关，低温不利于病原细菌的繁殖，但总体进水中粪大肠菌群数呈现出一个较高的水平。通过复合菌剂的强化作用，出水的粪大肠菌群数相较进水有了显著下降，出水的粪大肠菌群数在70~180 MPN/L波动，且大多数时间保持在100 MPN/L以下。这表明处理系统能够有效地将进水中的粪大肠菌群数降低至较低水平，从而达到无害化的效果。
从去除率的角度，所有粪大肠菌群的去除率都保持在93%以上，且大部分时间在95%以上，最高达97.67%，显示了处理系统在整个观察期内具备高效且稳定的粪大肠菌群去除能力。7月15日和8月7日的去除率分别达到了96.94%和97.08%，说明在这段时间处理系统的性能尤为突出。最低去除率出现在6月20日，为93.33%，略低于其他时间点，但依然在一个较高的水平。综合来看，整个观察期内水冲厕系统保持了高效且稳定的运行状态。尽管进水的粪大肠菌群数在不同时间段有所波动，但出水的大肠菌群数始终保持在低水平，且去除率均在93%以上。这说明处理系统在应对不同污染程度的进水时，都能有效地去除粪大肠菌群，从而保证出水的无害化。
图3黑水处理过程中粪大肠菌群数变化
Fig.3Changes in fecal coliform counts during blackwater treatment
2.1.3 细菌群落结构变化
对比了仅处理粪污黑水水冲厕系统中不同腔体的细菌群落结构变化，如图4所示，处理黑水过程中，各环节细菌群落以厚壁菌门（Firmicutes）为主，3个取水口的水样中Firmicutes占比分别达到85.09%、86.01%和58.69%。在属水平上厚壁菌门的瘤胃解蛋白质菌（Proteiniclasticum）和泰氏菌属（Tissierella）丰度较高。Proteiniclasticum是能够分解复杂蛋白质和肽，生成小分子氨基酸或其他代谢产物的厌氧菌[23-24]。Tissierella属于梭菌纲的厌氧细菌，在3个腔体水样中的丰度分别为24.2%、25.83%和14.19%，主要参与复杂有机化合物的分解。最终出水口中Tissierella丰度大幅下降，而速生嗜冷杆菌（Psychrobacter）丰度提高到了24.87%。Psychrobacter是典型的耐冷菌，能够在低温条件下生存和繁殖且能参与到有机物分解过程中，Psychrobacter丰度的提高证明了所投加复合菌剂的有效扩培。
2.2 净化槽工艺处理农村厕所灰水效能
2.2.1 污染物去除效果
针对厕所粪污和洗漱用生活污水混合物，采取净化槽工艺处理灰水中污染物。如图5所示，由于洗漱排水对粪污的稀释作用，进水COD在258.12~567.41 mg/L波动，经过处理后末端COD显著降低，出水COD在45.50~117.79 mg/L波动。前期6月29日和7月2日出水COD略高，分别为117.79、99.00 mg/L，去除率分别为54.36%和70.11%，而自7月6日开始，出水COD逐渐降低，去除率均达到80%以上，在81.95%~90.08%波动。直至10月20日进入秋冬季后，日间最高温小于7℃，也能维持在80%以上的去除效率。自稳定运行后，出水COD符合DB 23/2456—2019《农村生活污水处理设施水污染排放标准》[18]中规定的COD排放三级标准，同时符合GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》[25]中对于水田作物和旱地作物的灌溉标准。
图4黑水处理过程细菌群落结构门水平和属水平的变化
Fig.4Changes in bacterial community structure during blackwater treatment at the phylum and genus levels
在脱氮方面，NH3-N进水质量浓度在23.72~64.87 mg/L波动，出水NH3-N质量浓度降至6.20~12.00 mg/L，去除率由初次启动的49.4%上升到91.11%。总氮进水质量浓度为32.13~71.08 mg/L，总氮的去除效果较为稳定，出水质量浓度在20.91~29.67 mg/L，去除率由初次启动的26.71%上升到66.89%。在脱氮过程中，氨氮在好氧条件下被硝化细菌转化为硝酸盐和亚硝酸盐，随后在反硝化过程中，这些硝酸盐和亚硝酸盐在厌氧条件下被反硝化细菌还原为氮气，从而实现总氮的去除[26]。图5（c）中的数据表明，尽管存在温度变化，氨氮去除率仍保持较高水平，显示出复合菌剂的添加以及净化槽微动力曝气装置在强化氨氮处理方面的有效性。
在除磷方面，总磷的去除率较低，在26.58%~73.69%波动，这是由于经过生化池的处理后，碳源质量浓度大幅降低，难以满足氮和磷元素同时去除的要求。另一方面，农村水冲厕系统以生物处理为主，由于缺少化学沉淀法除磷的强化，总磷的去除效率略低。由于现在无磷洗衣粉的普及，进水总磷质量浓度处于较低水平，在3.98~7.66 mg/L，出水质量浓度降至1.41~3.81 mg/L，虽然去除效率略低，但是出水的总磷质量浓度满足DB 23/2456—2019《农村生活污水处理设施水污染排放标准》[18]中规定的TP排放三级标准。
总体上，与黑水处理系统相比，灰水中包含冲厕水和生活洗涤用水，虽然污染物含量低于黑水，但是日进水量更高导致水力停留时间缩短，且洗涤用水中含有洗护用品等含有表面活性剂的物质，不利于净化槽生化腔的细菌培养，但净化槽工艺水冲厕系统在灰水处理过程中运行稳定且出水达标，表现出良好的实用性。
2.2.2 粪大肠菌群处理效果
在无害化方面，以粪大肠菌群数为评价指标，考察净化槽工艺对灰水的无害化处理效果。如图6所示，进水的粪大肠菌群数在180~380 MPN/L波动，远低于黑水处理中粪大肠菌群数，这是由生活污水的稀释及日化用品的除菌作用导致的。进入秋冬季，例如，10月29日的进水粪大肠菌群数降至180 MPN/L，这是由于低温环境不利于病原菌的生长。总体上，经过净化槽工艺处理后，出水的粪大肠菌群数显著下降，出水的粪大肠菌群数从最高的110 MPN/L（6月29日）逐渐降至最低的7 MPN/L（10月20日），整体上大多数时间保持在30 MPN/L以下。去除率由启动阶段的63.33%上升到90%，后期运行阶段一直在90.00%~97.41%波动，7月15日—8月26日期间，去除率在89.47%~92.50%波动，显示处理系统在夏季的表现相对稳定且较为高效。9月和10月的去除率则在91.00%~97.40%波动，表明处理系统在秋冬季节依然能运行稳定。总体上，处理粪污和生活污水混合物的水冲厕系统在整个观察期内保持了良好的运行状态。尽管进水的粪大肠菌群数有所波动，但出水数值显著降低，且去除率多数时间保持在90%以上。这说明处理系统在应对不同污染程度的进水时，都能有效地去除粪大肠菌群，从而保证出水的安全性。
图5处理灰水过程COD、NH3-N、TN和TP质量浓度变化及去除率
Fig.5Changes in concentration and removal rates of COD, NH3-N, TN, and TP during graywater treatment
图6处理灰水过程中粪大肠菌群数变化
Fig.6Changes in fecal coliform counts during graywater treatment
2.2.3 细菌群落结构变化
在处理灰水的水冲厕系统中，由于进水为生活污水和粪污的混合物质，总体上细菌种类和丰度与处理黑水的水冲厕系统差异很大。对净化槽水解腔、生化腔和清水腔的水样进行细菌群落结构分析，可以看出污水处理不同环节中的菌群结构差异显著。如图7（a）所示，在门水平上，以变形菌门（Proteobacteria）为主，在3个腔体水样中的丰度分别为60.94%、86.42%和84.31%[27]。Firmicutes丰度变化比较稳定，在3个腔体水样中的丰度分别为9.76%、7.98%和6.23%。如图7（b）所示，不动杆菌属（Acinetobacter）在3个腔体水样中的占比分别为31.94%、80.38%和75.42%，Acinetobacter菌属中包括约翰氏不动杆菌（Acinetobacter johnsonii）等多个菌种，都已被证实具有优异的低温脱氮能力[28-30]生化腔水样中Acinetobacter属的绝对优势丰度，证实了所添加复合菌剂对于群落结构的优化作用。致病菌弓形杆菌属（Arcobacter）在净化槽第一腔的相对丰度为2.82%，经生化腔处理后丰度下降到0.20%，假单胞菌（Pseudomonas）的相对丰度也由2.36%下降到0.86%[31]。
图7灰水处理过程细菌群落结构门水平和属水平的变化
Fig.7Changes in bacterial community structure during graywater treatment at the phylum and genus levels
3 结论
1）净化槽工艺水冲厕系统对“黑水”中污染物的去除效果显著，COD去除率达91.53%，氨氮去除率达80%以上，总磷去除率在63.85%~82.00%，粪大肠菌群去除率保持在90%以上，净化槽生化腔中复合菌剂的投加富集了优势功能菌，保证了运行的稳定性。
2）净化槽工艺水冲厕系统处理“灰水”过程中，COD去除率为81.95%~90.08%，氨氮去除率最高达91.11%，粪大肠菌群去除率达90%以上，具备耐冷特性的Acinetobacter属在“灰水”处理中为绝对优势菌，增强了降解功能。出水COD与总磷质量浓度均符合DB 23/2456—2019《农村生活污水处理设施水污染排放标准》中规定的污染物排放三级标准，同时符合GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》中对于水田作物和旱地作物的灌溉标准。
3）总体上，净化槽工艺水冲厕系统集成沉淀、水解及生物处理过程，能满足日排水量小于150 L的农村分散式粪污及污水处理需求，且维护简单，不需要频繁清掏。通过向生化腔中投加复合菌剂富集功能微生物，有助于水冲厕所在寒区冬季稳定运行，且对于“黑水”或“灰水”都有良好的处理效果。未来可以根据农户应用习惯调整净化槽容量及曝气功率等设计参数，灵活配置净化槽各模块处理容量和菌剂添加量，以应对不同类型污水的处理需求，保证出水水质符合环保标准。
