隨著新農村政策的推行， 我國農村經濟快速發展， 由此引起的環境污染尤其是水體污染問題日益突出。 改善農村污水的處理現狀不僅關系到農村居民的人居生存環境， 也影響我國整體環境治理工作的推進， 尋求適宜農村地區尤其是北方寒冷地區推廣應用的污水處理方法尤為重要。
1 北方農村污水的組成與特征
我國農村污水主要分為生活污水、 畜牧污水及工業廢水。 農村生活污水來源于日常家庭生活，經濟條件較差的農戶往往反復用水后再排放， 導致相較于城鎮生活污水， 農村生活污水的 BOD 和COD 一般較高。 北方地區的規�；B殖廠多采用干清糞工藝， 所以北方農村畜牧污水多以畜舍沖洗水和尿液為主，氮磷含量高。村鎮工業廢水水質與城市污水接近，其污水類型又因產業類型而異。
農村污水排放量與其所在地區的經濟發展情況及農戶的節水意識密切相關。 我國北方農村的人均用水量低于南方農村， 但同一地區的污水量波動主要受生活規律和季節的影響， 其中北方農村春夏季的水質較穩定，冬季則波動較大，且冬季夜晚排水量小，甚至有斷流的情況發生。 總的來說，農村生活污水的特點為污水量較小、變化大。
1 農村污水處理模式與系統
農村污水處理模式包括分散處理、集中處理、接入市政管網。 污水處理系統又主要分為無動力系統與有動力系統。與有動力系統相比，無動力系統的前期投入成本較低，但普遍占地面積大，后期維護人力需求高。選擇適宜當地的污水處理模式與工藝，應結合當地農村的具體實際綜合考慮。
目前遼寧省村級污水處理工程的主要工藝有 3種： 接觸氧化與人工濕地組合工藝、MBBR 工藝及兼氧 MBR 工藝，上述工藝均屬于有動力處理系統，處理效果較好，在遼寧省都有成功應用案例。 但目前對1 種工藝進行跟蹤監測發現，人工濕地技術在北方冬季低溫條件下的處理效率低，為提高處理效率必須采取必要的保溫、加熱措施，增加額外維護費用;MBBR工藝目前在撫順市大伙房水庫周邊地區有應用，但生物填料費用較高， 應用過程中采用常規 220 V 供電，噸水投資為 4 000 元左右， 對運行維護技術要求較高。 在目前遼寧省農村污水運行費用尚不能妥善解決的前提下，不適于間歇運行，對處理水量不大的農村地區會造成經濟上的浪費。
相較于前 2 種工藝， 兼氧 MBR 工藝可隨時開機，隨時保證出水達標，滿足間歇運行要求，地埋式設計可滿足冬季運行要求。 MBR 工藝一體化設備處理規模在 5~100 m3 不等，滿足遼寧農村污水處理需要。 能夠在經濟與環境條件限制下，滿足出水要求。
3 兼氧MBR 工藝在北方農村地區的工程應用
3.1 工程概況
該工程位于遼寧省某村，村內總人口 420 戶，平均每戶約有 4 人。 該村日常用水主要為自來水，此外，多數住戶還配有自備井;污水主要來源為常駐居民的日常生活污水、餐飲娛樂污水及畜牧污水。根據當地自來水公司提供的數據， 每人每天排水量按0.05 m3 估算，污水排放總量約為 84 m3/d， 但因采用雨污分流的排水體制， 且需考慮未來農家樂等旅游項目的開展，工程設計污水處理量為 100 m3/d。 村內無大型工業企業，故污水組成中無工業廢水，污染物以有機物為主， 可生化性好， 同時含有一定氮、磷及浮油，無有毒物質。 設計該村的污水處理站出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級 B 標準。 工程進水及出水水質見表 1。
3.2 主體工藝及流程
根據該村的排污特點， 選定基于兼氧 MBR 技術研發的分散式污水處理與回用一體化裝置作為污水處理的主體工藝裝置，設備結構如圖 1 所示。該處理站在兼氧 MBR 后設表流人工濕地， 進一步增強凈化效果和景觀效果。
圖 1 兼氧 MBR 一體化設備
工藝流程為： 生活污水→預處理池→膜技術污水處理器→表流人工濕地→回用或達標排放。
生活污水經各支管由干管輸送至污水處理站，經預處理池均勻水質、水量，降解部分有機物，隨后進入兼氧 MBR 反應池。 在大量經馴化的兼氧、好氧微生物作用下，污水中的污染物得以去除。同時膜組件的過濾作用使污水中的微小懸浮物得以去除，保證出水濁度符合排放標準。 使用過程中膜組件不可避免地會受到污染， 為保證設備正常運行及盡量減少更換膜組件產生的成本，添加曝氣反沖洗過程，并定時在使用過程中添加次氯酸鈉， 使膜組件浸泡自清洗。膜組件處理后，出水由抽吸泵提升進入清水池排出設備，設備出水排入表流人工濕地進一步凈化。廢水處理系統出水可直接回用或達標排放。
3.3 工程設備及參數
兼氧 MBR 一體化設備： 根據排水量選用兼氧 MBR-100 型成套設備，采用碳鋼防腐。 1 座配套混凝土設備基礎，尺寸為 10.5 m×2.8 m×0.4 m(H)。
電氣設計：根據北方地區晴天少雨、光照時間長的特點，選用光伏發電系統為污水站正常運行供電，由外接至低壓配電箱的供電電纜作為備用電源。 針對該村具體情況采用 380 V 低壓供電， 總裝機容量4.4 kW( 提升泵 1.1 kW， 一體化設備本體 3.3 kW)。
光伏發電系統主體選用 PRNZ-CL15KS 離網光伏控制逆變匯流一體機。根據現場要求，現場有效光照時數為 4 h，負載為 4.4 kW，要求每天工作時間為 15 h， 1 d 用電量為 65.12 kW·h。外部休閑島：一體化設施占地 30 m3， 在其外圍建立生態休閑島，既增加了村民的休閑場所，又為設備提供保溫環境，確保設備在冬季的正常運行，使設備的功能性與景觀性兩者融合。
3.4 工程調試運行
在工程完成并進行清水聯動試車后，開始為期3 個月(9 月~11 月)的調試運行。 運行初期進水量穩定在 50~60 m3/d，初始系統設計曝氣量為 0.02 m3/s，氣水比 30∶1，預處理池 HRT 為 2 h， 兼氧 MBR 反應池 HRT 為 2~4 h。 生物膜法處理污水時，常以 NH +-N去除率和 COD 去除率來判斷生物膜是否成熟，故在試運行期間以出水 COD 和 NH4+-N 為主要測試指標。 在高效膜生物掛膜完成及活性污泥馴化完成后， 系統進水量增加到 90~100 m3/d， 系統出水各項指標均可達到一級 B 標準，進入穩定運行期。具體聯系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3.4.1 COD 去除效果
試運行期間每 5 d 測定 1 次進水 COD 平均值及同時段出水 COD 平均值。 由于 9、10 月處于夏秋相交之際， 村民日常生活用水行為導致此兩月的進水 COD 比寒冷的 11 月數值更高。 又因國家法定假日及雙休日的存在， 城市務工人口返鄉導致用水量增加，COD 短期內升高。 在進水 COD 波動較大(205~380 mg/L)的情況下，MBR 工藝仍能保證出水COD 在 50~60 mg/L，符合 GB 18918—2002 一級 B 排放標準，顯示出較高的抗沖擊能力，處理效果穩定。
3.4.2 常溫下 NH +-N 去除效果每5 d 測定 1 次進水 NH4+-N 平均值及同時段出水 NH +-N 平均值，結果如圖 2 所示。
圖 2 常溫條件下試運行期間進水與出水 NH +-N 變化情況
圖 2 中， 進水NH +-N 的變化趨勢與進水 COD的基本一致，形成原因也相同。 在試運行期間的前 2個月，平均溫度均處于 12 ℃以上，導致出水 NH +-N較高，但仍均低于 15 mg/L，符合 GB 18918—2002 一級 B 水質要求。
3.4.1 低溫下 NH +-N 去除效果
遼寧鄉村冬季溫度多在-15 ℃以下， 地埋式系統的工作溫度處于 3~5 ℃之間。 選取 2017 年 2 月數據進行分析，此時運行溫度接近冬季平均溫度。 每 2 d取樣 1 次， 測定進水平均 NH4 -N 及同時段出水平均 NH +-N，結果如圖 3 所示。
圖 3 2017 年 2 月進、出水 NH +-N 變化情況
圖 3 顯示，低溫下即使日進水量及進水NH +-N均降低， 出水 NH4+-N 仍略高于低溫條件時( 低于 12 ℃)的一級 B 排放標準(NH +-N<8 mg/L)。 主要原因是在寒冷農村地區的低溫環境下生物膜中的微生 物活躍性較低，處理效率下降。 為此，將設計曝氣量從原來的 0.05 m3/h 調整到 0.09 m3/h， 水中 DO 增至 4 mg/L，以保證兼性厭氧菌活性，增強處理效果。3 月氣溫逐漸回升， 機組工作環境溫度達到 12 ℃以上，出水 NH4 +-N 均<8 mg/L。 在后續跟蹤調查中， 于2018 年 2 月重新測定低溫下水中 NH +-N， 出水水質全部符合一級 B 排放標準要求，結果見圖 4。
圖 4 2018 年 2 月進、出水 NH +-N 變化情況（曝氣量調整后）
3.4.1 其他指標去除效果
除定期檢測主要指標外，對 BOD5、SS、TP、pH 進行檢測，結果如表 2 所示。
由表2 可見，各指標均符合一級 B 排放標準。 調試運行期間，COD、NH4+-N 去除效果好， 其他指標均達標，故增大系統進水量，設備進入穩定運行期。
3.5 長期運行效果
該套系統已投入運行 1 年多， 整體運行情況良好，主要膜組件至今沒有更換。 后續工作狀態下，出水CODCr、BOD、SS、NH4+-N 及 TP 的去除率均在 60%以上，出水 CODCr 最高達 52 mg/L，SS 未檢出，其余指標均達到一級 B 排放標準要求。村內原有露天臭水塘全部被填埋，居民生活污水集中排放處理率達到 100%，極大地改善了居民的生活和居住環境。
4 結論
(1) 采用兼氧 MBR 一體化設備作為主體工藝處理農村生活污水，操作簡單，維護費用低。 長期運行出水 CODCr、BOD5、SS、NH +-N、TP 及 pH 平均值分別為 51.2 mg/L、15.8 mg/L、 未檢出、14.2 mg/L、0.8 mg/L、6.8， 均達到 GB 18918—2002 一級 B 排放標準。兼性厭氧菌對含氧量變化的適應性強，在進水量波動較大的北方農村仍可保持水質達標，適宜使用。
(2)一體化設備使用地下埋置的方法，充分利用了地下保溫的優勢，使整體機組在無需外加保溫設施的情況下，也能保證機組在溫度較低的北方冬季正常運行，降低成本投入。 且可防止污水處理過程中不良氣味的散發，減少了居民的抵觸情緒，更易推廣。
(3)生物掛膜作為 MBR 的關鍵工藝，掛膜速率及厚度受當地水質及溫度影響較大。 在工程實際應用中，應根據出水水質及時做出相應設計變更。(來源：沈陽建筑大學市政與環境工程學院)
