隨著新農(nóng)村政策的推行， 我國農(nóng)村經(jīng)濟快速發(fā)展， 由此引起的環(huán)境污染尤其是水體污染問題日益突出。 改善農(nóng)村污水的處理現(xiàn)狀不僅關(guān)系到農(nóng)村居民的人居生存環(huán)境， 也影響我國整體環(huán)境治理工作的推進， 尋求適宜農(nóng)村地區(qū)尤其是北方寒冷地區(qū)推廣應用的污水處理方法尤為重要。
1 北方農(nóng)村污水的組成與特征
我國農(nóng)村污水主要分為生活污水、 畜牧污水及工業(yè)廢水。 農(nóng)村生活污水來源于日常家庭生活，經(jīng)濟條件較差的農(nóng)戶往往反復用水后再排放， 導致相較于城鎮(zhèn)生活污水， 農(nóng)村生活污水的 BOD 和COD 一般較高。 北方地區(qū)的規(guī)模化養(yǎng)殖廠多采用干清糞工藝， 所以北方農(nóng)村畜牧污水多以畜舍沖洗水和尿液為主，氮磷含量高。村鎮(zhèn)工業(yè)廢水水質(zhì)與城市污水接近，其污水類型又因產(chǎn)業(yè)類型而異。
農(nóng)村污水排放量與其所在地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展情況及農(nóng)戶的節(jié)水意識密切相關(guān)。 我國北方農(nóng)村的人均用水量低于南方農(nóng)村， 但同一地區(qū)的污水量波動主要受生活規(guī)律和季節(jié)的影響， 其中北方農(nóng)村春夏季的水質(zhì)較穩(wěn)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(fā)生。 總的來說，農(nóng)村生活污水的特點為污水量較小、變化大。
1 農(nóng)村污水處理模式與系統(tǒng)
農(nóng)村污水處理模式包括分散處理、集中處理、接入市政管網(wǎng)。 污水處理系統(tǒng)又主要分為無動力系統(tǒng)與有動力系統(tǒng)。與有動力系統(tǒng)相比，無動力系統(tǒng)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?shù)氐奈鬯幚砟Ｊ脚c工藝，應結(jié)合當?shù)剞r(nóng)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(tǒng)，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(jiān)測發(fā)現(xiàn)，人工濕地技術(shù)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(qū)有應用，但生物填料費用較高， 應用過程中采用常規(guī) 220 V 供電，噸水投資為 4 000 元左右， 對運行維護技術(shù)要求較高。 在目前遼寧省農(nóng)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(nóng)村地區(qū)會造成經(jīng)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(guī)模在 5~100 m3 不等，滿足遼寧農(nóng)村污水處理需要。 能夠在經(jīng)濟與環(huán)境條件限制下，滿足出水要求。
3 兼氧MBR 工藝在北方農(nóng)村地區(qū)的工程應用
3.1 工程概況
該工程位于遼寧省某村，村內(nèi)總?cè)丝?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(shù)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(jù)當?shù)刈詠硭咎峁┑臄?shù)據(jù)， 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(nóng)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(nèi)無大型工業(yè)企業(yè)，故污水組成中無工業(yè)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(zhì)。 設計該村的污水處理站出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)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(zhì)見表 1。
3.2 主體工藝及流程
根據(jù)該村的排污特點， 選定基于兼氧 MBR 技術(shù)研發(fā)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(jié)構(gòu)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(shù)污水處理器→表流人工濕地→回用或達標排放。
生活污水經(jīng)各支管由干管輸送至污水處理站，經(jīng)預處理池均勻水質(zhì)、水量，降解部分有機物，隨后進入兼氧 MBR 反應池。 在大量經(jīng)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(chǎn)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(tǒng)出水可直接回用或達標排放。
3.3 工程設備及參數(shù)
兼氧 MBR 一體化設備： 根據(jù)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(jù)北方地區(qū)晴天少雨、光照時間長的特點，選用光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)主體選用 PRNZ-CL15KS 離網(wǎng)光伏控制逆變匯流一體機。根據(jù)現(xiàn)場要求，現(xiàn)場有效光照時數(shù)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(tài)休閑島，既增加了村民的休閑場所，又為設備提供保溫環(huán)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(diào)試運行
在工程完成并進行清水聯(lián)動試車后，開始為期3 個月(9 月~11 月)的調(diào)試運行。 運行初期進水量穩(wěn)定在 50~60 m3/d，初始系統(tǒng)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(tǒng)進水量增加到 90~100 m3/d， 系統(tǒng)出水各項指標均可達到一級 B 標準，進入穩(wěn)定運行期。具體聯(lián)系污水寶或參見http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)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(shù)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(xiāng)導致用水量增加，COD 短期內(nèi)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(wěn)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(jié)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(zhì)要求。
3.4.1 低溫下 NH +-N 去除效果
遼寧鄉(xiāng)村冬季溫度多在-15 ℃以下， 地埋式系統(tǒng)的工作溫度處于 3~5 ℃之間。 選取 2017 年 2 月數(shù)據(jù)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(jié)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(nóng)村地區(qū)的低溫環(huán)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(diào)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(huán)境溫度達到 12 ℃以上，出水 NH4 +-N 均<8 mg/L。 在后續(xù)跟蹤調(diào)查中， 于2018 年 2 月重新測定低溫下水中 NH +-N， 出水水質(zhì)全部符合一級 B 排放標準要求，結(jié)果見圖 4。
圖 4 2018 年 2 月進、出水 NH +-N 變化情況（曝氣量調(diào)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(jié)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(diào)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(tǒng)進水量，設備進入穩(wěn)定運行期。
3.5 長期運行效果
該套系統(tǒng)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(xù)工作狀態(tài)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(nèi)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(huán)境。
4 結(jié)論
(1) 采用兼氧 MBR 一體化設備作為主體工藝處理農(nóng)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(nóng)村仍可保持水質(zhì)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(yōu)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(fā)，減少了居民的抵觸情緒，更易推廣。
(3)生物掛膜作為 MBR 的關(guān)鍵工藝，掛膜速率及厚度受當?shù)厮|(zhì)及溫度影響較大。 在工程實際應用中，應根據(jù)出水水質(zhì)及時做出相應設計變更。(來源：沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院)
