小试装置由厚度8 mm的亚克力板依据传统三格化粪池等比例缩小制成，小试装置立体示意图如图1所示。反应器整体尺寸为1 000 mm × 500 mm × 600 mm(长×宽×高)，有效水平面高度为450 mm，有效容积为225 L。反应器分成体积比为2∶1∶3的3个格室，第1格和第3格分别由2块低于有效水平面100 mm的过流挡板分隔成3∶2的2个区域。反应器第1格分隔为预处理曝气池和预处理沉淀池2个区域，第2格为厌氧发酵池，第3格分隔为生物接触氧化池和二次沉淀池2个区域。生活污水自反应器左侧的进水管进入预处理曝气池，在曝气作用下，污水与空气及底泥充分接触，随后水流向上通过挡板进入预处理沉淀池，静置沉降泥水分离；而后污水从过流管溢流至反应器第2格的厌氧发酵池，厌氧降解杀菌杀卵；接着污水从过流管进入反应器第3格的生物接触氧化池，在池内与立体弹性填料上的生物膜充分接触，继而水流向上通过挡板进入二次沉淀池，老化脱落的生物膜静置沉淀；最后，处理完成的污水沿着出水管排出反应器。

反应器的通气系统由通气连接管、单向阀和通气管组成。通气连接管连通反应器的第1格和第3格，并在反应器第2格内设有单向阀。当厌氧发酵池内产生气体造成压强增大，气体可通过单向阀进入通气连接管，而连接管内的气体无法进入厌氧发酵池内，从而在排出厌氧发酵所产生气体的同时，保证了厌氧发酵池内的厌氧环境。在通气连接管和单向阀的共同作用下，反应器第3格和第2格的气体均导入第1格，再由第1格的通气管向上统一排出反应器，从而维持了反应器内的气压稳定。

实验用水为人工配水，以福清第二污水处理厂细格栅后的污水为原水，参照农村生活污水水质进行加药配制，具体的配制方案为C₆H₁₂O₆ 266 mg·L⁻¹、NH₄Cl 160 mg·L⁻¹和K₂HPO₄ 17 mg·L⁻¹。配水后的水质指标如下：COD为263~422 mg·L⁻¹、${\rm{NH}}_4^ + $-N为21.0~30.2 mg·L⁻¹、TP为4.16~5.12 mg·L⁻¹、SS为102~124 mg·L⁻¹。

主要分析指标为COD、${\rm{NH}}_4^ + $-N、TP和SS，分别采用快速消解分光光度法、水杨酸分光光度法、钼酸铵分光光度法以及重量法对4项指标进行测定。

为加快反应器的启动速度，采用接种挂膜的方式，对生物接触氧化池中的填料进行挂膜启动。接种污泥取自福清第二污水处理厂的曝气池。采用间歇闷曝的方式对生物接触氧化池进行前期挂膜^[17]，闷曝10 d后，反应器正常进水，观测进出水的COD和${\rm{NH}}_4^ + $-N数据，以判断启动进度。实验期间控制DO在2~4 mg·L⁻¹，温度为室温，反应器启动阶段进出水COD和${\rm{NH}}_4^ + $-N浓度及去除情况如图2和图3所示。可以看出，在启动阶段前期，由于生物接触氧化池中的活性污泥微生物还未适应进水的水质条件，且填料上的生物膜未完全形成，故反应器对COD和${\rm{NH}}_4^ + $-N的去除率较为不稳定；随着实验的推进，立体弹性填料上的生物膜逐渐形成，反应器对COD和${\rm{NH}}_4^ + $-N的去除效果逐渐增强，COD和${\rm{NH}}_4^ + $-N平均去除率分别稳定在83%和70%附近。此时，可以看到立体弹性填料表面形成了一层黄褐色生物膜，取样做微生物镜检，可以观察到大量的钟虫、轮虫和鞭毛虫等原生动物，并且还有大量以菌胶团形式存在的细菌。微生物数量较多且活性较强，这说明生物接触氧化池中的生物膜逐渐成熟，同时系统的有机物和氨氮去除率趋于稳定，这些均反映了生物接触氧化池的启动完成。

在反应器的启动阶段过后，对反应器进行了一个长期稳定运行的监测，以检验改进型三格化粪池对生活污水的处理效果。稳定运行阶段，反应器水力停留时间为24 h，第1格和第3格均依据气水比10∶1进行曝气充氧，曝气量均为2 250 L·d⁻¹，使好氧池溶解氧维持在2~4 mg·L⁻¹，厌氧池中溶解氧≤0.2 mg·L⁻¹，实验温度为实验室室温。反应器稳定运行阶段的进出水各项指标的监测结果如图4~图7所示。

由图4可知，在历时30 d的稳定运行阶段，进水COD为271~418 mg·L⁻¹。稳定运行阶段初期，有机物处理效果有小幅度波动，而后COD去除率逐渐稳定在87%附近，相较传统三格化粪池30%~50%的去除率^[18]有了稳定的提升。进水流经预处理曝气池，经过曝气处理后，部分有机物被用于微生物自身合成，另有部分易降解有机物被微生物降解为二氧化碳和水。预处理曝气过的污水经预处理沉淀池稳定后，经过粪管进入厌氧发酵池，在厌氧环境下，有机物历经了水解阶段、产酸发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段等分解代谢过程，最终被分解为CH₄、CO₂和H₂O，一些预处理曝气阶段难降解的有机物，在厌氧池中得到降解。厌氧发酵后的污水进入生物接触氧化池，与填料上的生物膜进行了充分的接触，在微生物的新陈代谢功能作用下，有机物得到有效去除。在预处理曝气、厌氧降解及生物接触氧化工艺的共同作用下，有机物在反应器中得到有效去除。

由图5可知，在稳定运行阶段，进水中的${\rm{NH}}_4^ + $-N浓度为21.1~30.2 mg·L⁻¹，经过反应器的OAO多级串联工艺处理，进水中的${\rm{NH}}_4^ + $-N得到稳定有效的去除，去除率稳定在70.50%。相较于传统三格化粪池，改进型三格化粪池的脱氮效果得到显著的提升。进水流经预处理曝气池，经曝气处理后，氨氮在好氧环境下经硝化作用转化为硝态氮。经预处理曝气和沉淀的污水进入厌氧发酵池，在厌氧环境下，一些难降解的有机物得到降解，作为反硝化反应的碳源，使硝态氮经反硝化作用转化为N₂。而后污水进入生物接触氧化池，与填料上的生物膜进行了充分的接触，在微生物的新陈代谢功能作用下，氨氮得到有效去除。但受制于成本及保障厌氧发酵池厌氧环境的考虑，改进型三格化粪池没有设置内回流，生物接触氧化池中的硝态氮没有回流至厌氧池进行反硝化脱氮，致使出水的${\rm{NH}}_4^ + $-N浓度较低而TN浓度不能稳定达标，有待进一步完善。

由图6可知，在稳定运行阶段，反应器的除磷效果较好。进水的TP浓度为4.16~5.12 mg·L⁻¹，经过反应器的OAO多级串联工艺处理，进水中的TP得到稳定有效的去除，去除率稳定在79.15%。由于TP的生物去除本质是通过排泥实现的，随着运行时间的延长，反应器对于TP的去除效果会逐渐下降，故每3个月需对反应器进行清掏排泥，使反应器维持较好的除磷效果。

由图7可知，反应器进水的SS浓度为102~124 mg·L⁻¹，进水中的悬浮物经过预处理曝气池的曝气降解、预处理沉淀池的自然沉降、厌氧发酵池的厌氧降解、生物接触氧化池的吸附截留和二次沉淀池的静置沉淀，浓度得到有效的降低。整个稳定运行阶段，反应器出水的SS浓度为12~22 mg·L⁻¹，平均去除率为85.95%，这表明反应器在稳定运行后对进水中的悬浮物具有较好的去除效果。

在建设成本方面，改进型三格化粪池在传统化粪池的基础上仅需额外购置空气压缩机、穿孔曝气管及填料等，所需成本较低且易于建造。在运行电耗方面，以有效容积为1.8 m³的改进型三格化粪池为例，选用功率为980 W，排气量为90 L·min⁻¹的空气压缩机进行空气输入，在气水比为10∶1，水力停留时间为24 h的情况下，空气压缩机每天的耗电量为6.53 kWh，利用时控开关控制设备以夜间用电低谷时段为主进行曝气，福州地区低谷时段电费约为每度0.3元，设备处理污水所耗电费为1.08元·t⁻¹，接近于福州地区0.95元·t⁻¹的居民生活用污水处理费，故设备整体运行费用较低。

1)为小试实验设计的改进型三格化粪池设置了OAO多级串联工艺，在接种挂膜完成后，对进水的COD、${\rm{NH}}_4^ + $-N、TP和SS有着稳定高效的处理效果，且在控制的进水浓度范围内，反应器有着良好的抗冲击负荷能力，从而保障了系统的稳定运行。

2)空气压缩机在运行阶段，依靠时控开关实现自动运行，设置好参数后便可稳定运转，降低了运行管理的难度；改进型三格化粪池通气状况良好，避免了传统化粪池因沼气沉积而遇火源爆炸的安全隐患；生物接触氧化池污泥产量小，立体弹性填料不易堵塞且耐腐蚀老化，满足了农村化粪池长期稳定运行的要求。

3)相较于传统的管网收集后对污水进行集中处理的方法，改进型三格化粪池省去了管网的铺设费用，可实现农村分散式污水的就地处理。与常规的分散式污水处理工艺相比，改进型三格化粪池具有占地面积小，建设及运行成本低，易于管理维护等优点。改进型三格化粪池的经济性和维护便利性符合农村污水处理设施的定位需求，且相较于传统三格化粪池，改进型的三格化粪池对生活污水的处理效率有显著提升。