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--> --> --> 化粪池(septic tank)是目前我国农村居民厕所污水的主要处理手段，是利用沉淀和生物厌氧发酵作用对粪、尿等高浓度生活污水过滤和预处理作用的初级装置[1]。化粪池中污染物浓度通常较高，其污染负荷占全部生活污水的比重较高，因此，运行良好的化粪池有助于避免污染物在居住环境的扩散、杀灭蚊蝇虫卵、提供有机肥料，改善出水水质，减小农村水环境污染[2-3]。依据2016年第三次全国农业普查结果，我国配备水冲厕的农户占全国总农户比约为39.3%。其中，我国东部、中部、西部和东北地区分别占比为56.3%、33.3%、33.5%、4.3%。我国农村居民住宅比较分散，一般生活污水(灰水)和冲厕污水(黑水)排入沟渠、坑塘占比较高[4-9]，加之水流缓慢，滞留周期较长，极易导致水体富营养化，严重影响农村水环境质量[10-11]。随着农村改厕的不断推进，化粪池的构建和处理效果对于预防疾病传播、改善农村人居卫生条件尤为关键[12]。“三格式”化粪池由于其工艺简单、造价低廉，去污效果理想，在我国农村较为常用。“三格式”化粪池通常由3个相关连通的密封格室组成，生活黑水经第一格截留粪便残渣和初步生物发酵降解，再经第二格对污染物持续厌氧发酵，最后在第3格贮存和溢排[13]。另外，生物厌氧发酵、气温变化、纳污强度、纳污类型、生活习惯等因素通过影响生物厌氧发酵过程、污水停留时间、污染物浓度，最终决定化粪池对污染物的去除效果[14]。本研究通过监测山西、陕西、浙江、湖南、广东和重庆6个地区的典型农村居民家庭化粪池的进、出水质，对比各地化粪池对主要污染指标的处理效果，分析了潜在影响因素，为深入了解我国农村家庭化粪池使用现状和改进农村生活水污染物处理技术提供参考。
1.1. 布点与监测
本研究针对各选点地区农村家庭的人口组成、主要污水类型、排放方式，在陕西、山西、浙江、湖南、广东、重庆6个地区分别选取90、90、34、30、93、90户进行问卷调查，并实地考察化粪池规格是否满足监测要求。经对各地气温、降水量、水资源分布、居民生活习惯等因素的统筹考虑，选取典型农村家庭作为进一步化粪池污水的监测对象。本次调查的化粪池为长方体，池深为1.2~1.5 m；池体设计容量因居住人口数有所差异，为1.5~3.0 m3。依据各农户客观情况，对其化粪池监测2~4期，每期3 d。监测时间为2018年8—9月、10—11月和2019年的4—5月、6—7月。依据各地区选点农户家庭具体情况，个别化粪池的监测频次或天数有所变动(表1)。本研究监测内容包括记录化粪池的纳污来源、冲厕水量等信息。采样点位设在农户冲厕污水排口与化粪池连接处和化粪池出水口处，采集时间每日07:00—09:00、11:00—13:00、15:00—19:00，将3次采集的化粪池进、出口污水分别混合均匀，经双层纱布(16~18目)粗过滤，去除其中较大颗粒物，添加稳定剂后，送实验室检测分析。
1.2. 检测指标与方法
本研究检测的6项指标为化学需氧量(COD)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)和动植物油(AVO)，对应检测方法分别为重铬酸钾法(HJ 828-2017)[15]、稀释接种法(HJ 505-2009)[16]、纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)[17]、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)[18]、钼酸铵分光光度法(GB 11893-1989)[19]、红外分光光度法(HJ 637-2012)[20]。1.3. 数据处理与分析
由于现场监测、样品采集、实验室分析过程中存在的不确定因素对检测结果的影响，导致个别检测数据偏离实际情况。在测算各污染指标特征值时，本研究依据数理统计方法甄别和剔除异常值(GB/T 4882-2001)[21]；指标间逻辑关系(例如，生活污水的COD/BOD5为1/3~2/3，NH3-N小于TN)；采样现场状况，农户生活习惯，样品采集、运输、实验室检测环节是否失误3方面甄别和判定异常值。实验数据采用SPSS statistics25软件进行处理分析。综合污染指标法是一种通过分析污染指标i对水体污染的贡献权重量化其风险程度的评价方法[22]，按式(1)和式(2)计算。本研究采用该法对各片区化粪池进、出水的污染程度进行比对分析，为量化不同来源水体的潜在污染指数提供依据。
式中：Pc为水体综合污染指数；Pi为污染物i的水质污染指数；n为参与评价的污染物数量；Ci为污染物i的特征浓度值；Cs为污染物i的最大允许浓度阈值，mg·L?1；由于目前农村生活污水处理设施水污染物排放标准尚无国家标准，因此本研究中各污染指标的Cs参照城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)中的一级A排放标准[23]。
2.1. 检测结果
各选点农户化粪池污染指标统计结果表明，受多种因素的共同影响，各选点化粪池的进、出口污染指标浓度波动较大，且区域间存在一定差异(表2)。现场调查表明，与城镇生活污水通常纳入管网统一处理相比，农村住户居住分散，生活污水直排入环境水体更为普遍，导致农村水体富营养化加剧。本研究参考综合污染指标的计算公式，以6项污染指标计算得到各选点地区化粪池污染指数Pc，结果显示，陕西省和重庆市的化粪池污染指数最高，其次为湖南省和山西省，最后为广东省和浙江省，整体呈现为内陆到沿海省份逐渐递减的趋势。这一趋势与我国各区域气温、降水分布特征[24]较为相似，说明了气候要素可能是影响化粪池污染特征和去污能力的重要因素。2.2. 指标对比分析
1) COD与BOD5。本研究测得化粪池进口的COD和BOD5浓度分别为1300~2000 mg·L?1和400~900 mg·L?1，与相关****的研究结果[13, 25-26]基本一致。各选点化粪池进口的COD和BOD5浓度差异在一定程度上反映了农户产生黑水的强度和洗澡、洗涤等生活习惯的不同[27-28]。各选点化粪池进口COD浓度差异大体呈现陕西>山西>重庆>浙江>广东>湖南的特征(图1(a))。结合入户调查情况，发现导致该特征的2点潜在原因。第一，湖南、广东、浙江等南方省份水资源丰富，选点地区农户均使用水冲式厕所；而且，部分农户日常的洗澡、洗涤污水也纳入化粪池，稀释了污水的进水浓度。第二，重庆、山西、陕西选点地区的部分农户生活污水混排入厕少见，导致化粪池含水量更低，本研究中，现场采集到的化粪池水样整体更为浑浊，测得污染物的特征浓度更高。
各选点化粪池对COD与BOD5的削减率如图1(b)所示，广东选点化粪池对COD和BOD5的削减率最高，分别为65%和72%；浙江、湖南、重庆、山西次之；陕西的削减率最低，分别为21%和29%，选点地区农村化粪池COD和BOD5削减率分别为45±19%和49±17%。王玉华等[13]研究表明，江苏农村化粪池对COD的削减率为48.5%，《村镇生活污染防治最佳可行技术指南(征求意见稿)》中关于村镇化粪池对黑水COD的削减率为40%~50%，本研究中6片区的COD均值较上述结果较为接近，但广东、浙江对应COD削减率略高于这一阈值，陕西、山西农户化粪池低于上述研究结果。其可能的原因为，采样监测方式和区域气候差异所致。例如，本研究在化粪池进口样品采集过程中虽用纱布滤除较大悬浮颗粒物，但残留的细小颗粒物依然影响指标检测结果。丁慧等[29]研究表明，化粪池对颗粒态物质的滤过性是COD削减的主要来源；ZHANG等[30]研究表明，对污染物的沉淀和过滤作用是影响化粪池去污效率的主要因素，其次为微生物的生化作用。此外，温度是影响微生物厌氧发酵的重要因素。较高的气温或者土壤温度有利于污染物的水解作用和化粪池对COD与BOD5的生物降解效率[30-31]。依据各地统计年鉴，山西、陕西、浙江、湖南、广东、重庆2018年年均气温分别为(9.3±2.3)、(13.6±2.3)、(17.3±3.1)、(18.0±0.6)、(22.5±1.2)、(17.5±1.5) ℃。地处我国南部的浙江、湖南、广东和重庆全年气温较山西和陕西高，这有利于化粪池菌群生长和对污染物生化降解[32-33]。
2) NH3-N和TN。化粪池黑水是居民生活污水NH3-N和TN的主要排放源。在本研究中，各选点化粪池的NH3-N和TN浓度整体趋势为陕西>山西>湖南>重庆>浙江>广东(图2(a))。各化粪池对NH3-N的削减率为负值，对TN的削减率整体较低，为5%~12%(图2(b))，这一结果与多数研究结果相符[13, 34-35]。本研究中入户调查表明，山西和陕西地区化粪池仅受纳冲厕废水，而浙江、湖南、广东、重庆地区农户通常将洗澡、洗漱等废水一并排入化粪池，稀释了TN、NH3-N浓度。这一差异可能是导致陕西和山西化粪池NH3-N和TN浓度较其他省份高的主要原因。
另外，有研究表明，化粪池水力停留时间长有利于微生物对氮素的氨化作用[35-36]，而山西和陕西污水浓度高、停留时间长、更新慢，因而一定程度上有利于微生物对氮素的氨化作用。本研究通过采集农村化粪池进、出口端污水，在实验室模拟了封闭条件下微生物对NH3-N的削减率的动力学过程，结果表明，在384 h内，化粪池进口水样中NH3-N浓度呈现波动式上升趋势，而出口水样的NH3-N浓度较为稳定。这一差异说明，含氮有机物的厌氧氨化作用是导致化粪池对NH3-N削减不佳的关键原因(图3)。
3) TP和AVO。TP和AVO浓度及其削减率见图4。各选点化粪池进口污水TP和AVO浓度如图4(a)所示，相比广东和浙江，重庆和湖南、山西、陕西的TP浓度较高。王慧娜等[37]的研究表面，人均收入和食品价格指数的增加会降低人均摄入磷素量，可能影响化粪池污水中TP含量。在本研究中，山西、陕西、浙江、湖南、广东、重庆2018年农村人均可支配收入为1.17万元、1.12万元、2.73万元、1.41万元、1.72万元、1.38万元(表1)，浙江和广东农村居民可支配收入较相似气候条件下的湖南、重庆高，而对应化粪池TP浓度较低，这一结果与王慧娜等[37]研究结果较为吻合。由于化粪池中TP浓度受收纳水体类型、局部温度、居民生活及饮食习惯、水体停留时间等多个因素影响，故关于上述结果仍需要进一步验证。
重庆、湖南选点化粪池较广东、浙江具有更高的AVO浓度，这可能归因于湖南和重庆饮食偏油偏辣，当地居民摄入AVO量较高。依据2018年《中国统计年鉴》统计结果，湖南、广东、浙江、重庆居民家庭年人均食用油消费量分别为12.4、9.2、12.1、14.8 kg[38]，这表明食用油摄入量对化粪池的AVO浓度有重要影响。山西选点化粪池AVO浓度略高于陕西，但山西居民家庭年人均食用油8.1 kg，低于陕西的10.9 kg。结合现场调查，本研究认为，除摄入量的影响，污水在化粪池停留时间、生物降解速率等因素也影响化粪池对动植物的削减率。各选点化粪池对TP的削减率整体较低，分布于7%~21%(图4(b))，各片区TP的削减率未表现出明显规律，可能受居民磷摄入量、化粪池混排特征等多因素影响[34, 37]。各选点化粪池对AVO的削减率为广东>浙江>湖南>重庆>陕西>山西，呈现南方选点区域大于北方、东部选点区域大于西部的特征。本研究认为，选点区域气候特征、污染物停留时间是影响化粪池削减AVO的重要因素。
2.3. 相关性分析
本研究分析了各选点区域化粪池进、出口污染指标浓度以及对应削减率与年均气温、年均相对湿度、年均降水量之间的相关性(表3)。结果表明，化粪池COD和BOD5的进、出口浓度与各地区年均降水量的具有显著的负相关性，其次与气温、湿度也有显著的负相关性。降水量一定程度反映了各区域水资源可获得性，即水资源易获得区域的农村居民化粪池COD、BOD5浓度较低。结合入户调查，观察到农村居民有将洗澡、洗漱、洗涤等废水一并排入化粪池的习惯，较高的气温、湿度、水资源易获得性导致洗澡、洗涤频次增加，稀释了化粪池污水浓度。另外，较高的温度、湿度、降水量与COD、BOD5的削减率正相关，这在一定程度上说明农户稳定的排水量、较高的温度有利于化粪池对COD、BOD5的去除[39-40]。根据本研究中的调查发现，山西、陕西选点农村居民化粪池主要收集冲厕污水；浙江、湖南、广东、重庆选点地区的化粪池除收纳冲厕污水，还收纳洗澡、洗漱等废水，这导致化粪池NH3-N浓度被稀释。另外，本研究中观察到，化粪池NH3-N去除率与温度间负相关，即温度越高，NH3-N浓度越高，削减率越低。刘忠宽等[41]研究发现，家畜排泄物氮的氨化作用与温度呈正相关，炎热、湿润的气候有利于氨化过程的进行。房景燕等[42]在UASB工艺处理畜禽废水的研究中，也观察到温度与废水氮氨化率呈正相关关系。本研究各片区NH3-N的削减率表明，区域较高的气温对氨化过程的促进作用是导致化粪池去除NH3-N效率不佳的关键原因。TN与4个影响因素之间均无显著相关，这可能是TN来源较为分散、受影响因素较多导致的。AVO的削减率与气温、降雨量之间具有显著正相关，说明较高的气温、稳定的排水量有利于AVO的削减。2.4. 讨论
化粪池主要通过沉淀\过滤作用去除大部分非溶解态污染物，再经过微生物发酵作用降解掉部分溶解态污染物，最终达到对污染指标的削减。LEW等[14]的研究表明，化粪池在同等条件下对生活污水中非溶解态COD去除效率是溶解态COD的2倍多；如果考虑各类COD占总COD的比重，前者的削减率是后者的4~9倍。黑水中非溶解态污染物含量高于生活灰水，因此，化粪池通过沉淀\过滤作用去除污染物的占比更高。三格式化粪池的沉淀\过滤作用主要发生在第1格，生物降解作用主要发生在第2格，故化粪池结构的合理性是保证其良好运转的关键。化粪池对NH3-N和TN的去除效果较差是多因素共同作用的结果。污水中的有机氮需要经过氨化、亚硝化、硝化和反硝化作用转化为气态氮，其中微生物氨化作用是导致化粪池NH3-N浓度增加的主要原因。化粪池因生化作用而缺氧，从而抑制了亚硝化、硝化作用和反硝化作用过程，导致化粪池对TN削减率较低[43]。为降低生活污水中NH3-N和TN等污染物的排放浓度，目前选点区域有采用化粪池等无动力污水处理工艺与小型人工湿地联用、或采用中小型有动力污水处理工艺对数户的生活污水集中处理，可显著改善出水水质[44-46]。由于各类工艺在建设和运维成本、处理效果上受限于气候、居住人口、污水排量等因素的影响，需结合区域特征，因地制宜[14, 47]。
水力停留时间是影响化粪池去除粪污效率的重要因素，农村化粪池的理论停留时间为60 d[48]，其中3个格子的停留时间比为2∶1∶3。本研究中现场调查表明，山西、陕西农村居民化粪池主要收集冲厕污水；浙江、湖南、广东、重庆地区的化粪池则收纳冲厕污水、洗澡、洗漱污水，从而导致化粪池进水水量大于其理论设计容量，稀释了粪污浓度，缩短了水力停留时间。按照本研究现场监测的结果，山西、陕西、浙江、湖南、广东、重庆的洗漱和洗澡污水量分别是冲厕污水体积的0.6、0.5、1.0、1.2、0.9、0.7倍。浙江、湖南、广东、重庆地区粪污水力停留时间分别由60 d缩短为29.3、27.0、31.8、34.8 d。韦昆[35]模拟了水力停留时间对化粪池处理农村污水的影响，数据显示，生化4周后，化粪池对COD、BOD、TN、TP和AVO的去除率可分别达70%、80%、5%、8%、80%；8周后，各指标去除率可分别达80%、90%、5%、8%、80%。这一结果显示，化粪池水力停留时间由4周增至8周，可导致COD、BOD的去除率略有增加，但对TN、TP、AVO的削减率影响较小。关华滨[49]的研究表明，相同温度下，灰水在化粪池中停留48、84 h后，COD的去除率分别为71%、75%；屠宰场污水在化粪池停留2.5、7.2、26.4 h后，COD去除率分别为75%、80%、89%。上述结果表明，水力停留时间有助于污染物削减，但单一水力停留时间对污染物去除率的影响依然有限，需要综合考虑污染物浓度、种类、温度等指标的综合影响。结合本文研究结果，浙江、湖南、广东、重庆水力停留时间缩短，但去除率高于山西和陕西，表明相比于水力停留时间，温度等因素对化粪池污染物去除率有较大影响。
温度对化粪池去污能力的影响主要体现在调控有机物的溶解速度和生化反应强度两方面。LEW等[14]的研究表明，当反应温度从10 ℃提高到28 ℃时，非溶解态污染物的溶解度提升2.2倍，溶解态污染物的生物降解速率提高了1.5倍，总COD的削减率提高了1.9倍。我国幅员辽阔，各省全年气温差异较大，大体呈现由南向北、自东向西的气温递减和年温差增大的趋势[50]。随着水冲厕在我国北方地区的普及，解决低温条件下化粪池的去污效能低的问题尤为关键[29]。
结合采样现场调查，本研究得出目前影响农村化粪池正常运转的因素包括：1)对化粪池的清理维护不够，选点地区农户很少对化粪池定期清理，降低了化粪池对污染物的去除效率；2)洗澡、洗漱、洗衣等多种生活污水纳入化粪池，稀释污染物浓度和缩短污染物停留时间，影响化粪池对污染物的削减率。因此，统一规范农村化粪池的使用和维护过程对于提高化粪池效能尤为必要。
2)各选点区域化粪池对COD、BOD5、TP、AVO的削减率表现为广东>浙江>湖南>重庆>山西>陕西，但对NH3-N、TN未有明显削减，区域气候特征是主要的影响因素。
3)随着水冲式卫生厕所在我国广大农村的普及，针对化粪池采取统一规范的管理措施对于提升农村水环境质量尤为必要。
参考文献
