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随着新农村政策的推行， 我国农村经济快速发展， 由此引起的环境污染尤其是水体污染问题日益突出。 改善农村污水的处理现状不仅关系到农村居民的人居生存环境， 也影响我国整体环境治理工作的推进， 寻求适宜农村地区尤其是北方寒冷地区推广应用的污水处理方法尤为重要。
1 北方农村污水的组成与特征
我国农村污水主要分为生活污水、 畜牧污水及工业废水。 农村生活污水来源于日常家庭生活，经济条件较差的农户往往反复用水后再排放， 导致相较于城镇生活污水， 农村生活污水的 BOD 和COD 一般较高。 北方地区的规�；吵Ф嗖捎酶汕宸喙ひ�， 所以北方农村畜牧污水多以畜舍冲洗水和尿液为主，氮磷含量高。村镇工业废水水质与城市污水接近，其污水类型又因产业类型而异。
农村污水排放量与其所在地区的经济发展情况及农户的节水意识密切相关。 我国北方农村的人均用水量低于南方农村， 但同一地区的污水量波动主要受生活规律和季节的影响， 其中北方农村春夏季的水质较稳定，冬季则波动较大，且冬季夜晚排水量小，甚至有断流的情况发生。 总的来说，农村生活污水的特点为污水量较小、变化大。
1 农村污水处理模式与系统
农村污水处理模式包括分散处理、集中处理、接入市政管网。 污水处理系统又主要分为无动力系统与有动力系统。与有动力系统相比，无动力系统的前期投入成本较低，但普遍占地面积大，后期维护人力需求高。选择适宜当地的污水处理模式与工艺，应结合当地农村的具体实际综合考虑。
目前辽宁省村级污水处理工程的主要工艺有 3种： 接触氧化与人工湿地组合工艺、MBBR 工艺及兼氧 MBR 工艺，上述工艺均属于有动力处理系统，处理效果较好，在辽宁省都有成功应用案例。 但目前对1 种工艺进行跟踪监测发现，人工湿地技术在北方冬季低温条件下的处理效率低，为提高处理效率必须采取必要的保温、加热措施，增加额外维护费用;MBBR工艺目前在抚顺市大伙房水库周边地区有应用，但生物填料费用较高， 应用过程中采用常规 220 V 供电，吨水投资为 4 000 元左右， 对运行维护技术要求较高。 在目前辽宁省农村污水运行费用尚不能妥善解决的前提下，不适于间歇运行，对处理水量不大的农村地区会造成经济上的浪费。
相较于前 2 种工艺， 兼氧 MBR 工艺可随时开机，随时保证出水达标，满足间歇运行要求，地埋式设计可满足冬季运行要求。 MBR 工艺一体化设备处理规模在 5~100 m3 不等，满足辽宁农村污水处理需要。 能够在经济与环境条件限制下，满足出水要求。
3 兼氧MBR 工艺在北方农村地区的工程应用
3.1 工程概况
该工程位于辽宁省某村，村内总人口 420 户，平均每户约有 4 人。 该村日常用水主要为自来水，此外，多数住户还配有自备井;污水主要来源为常驻居民的日常生活污水、餐饮娱乐污水及畜牧污水。根据当地自来水公司提供的数据， 每人每天排水量按0.05 m3 估算，污水排放总量约为 84 m3/d， 但因采用雨污分流的排水体制， 且需考虑未来农家乐等旅游项目的开展，工程设计污水处理量为 100 m3/d。 村内无大型工业企业，故污水组成中无工业废水，污染物以有机物为主， 可生化性好， 同时含有一定氮、磷及浮油，无有毒物质。 设计该村的污水处理站出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级 B 标准。 工程进水及出水水质见表 1。
3.2 主体工艺及流程
根据该村的排污特点， 选定基于兼氧 MBR 技术研发的分散式污水处理与回用一体化装置作为污水处理的主体工艺装置，设备结构如图 1 所示。该处理站在兼氧 MBR 后设表流人工湿地， 进一步增强净化效果和景观效果。
图 1 兼氧 MBR 一体化设备
工艺流程为： 生活污水→预处理池→膜技术污水处理器→表流人工湿地→回用或达标排放。
生活污水经各支管由干管输送至污水处理站，经预处理池均匀水质、水量，降解部分有机物，随后进入兼氧 MBR 反应池。 在大量经驯化的兼氧、好氧微生物作用下，污水中的污染物得以去除。同时膜组件的过滤作用使污水中的微小悬浮物得以去除，保证出水浊度符合排放标准。 使用过程中膜组件不可避免地会受到污染， 为保证设备正常运行及尽量减少更换膜组件产生的成本，添加曝气反冲洗过程，并定时在使用过程中添加次氯酸钠， 使膜组件浸泡自清洗。膜组件处理后，出水由抽吸泵提升进入清水池排出设备，设备出水排入表流人工湿地进一步净化。废水处理系统出水可直接回用或达标排放。
3.3 工程设备及参数
兼氧 MBR 一体化设备： 根据排水量选用兼氧 MBR-100 型成套设备，采用碳钢防腐。 1 座配套混凝土设备基础，尺寸为 10.5 m×2.8 m×0.4 m(H)。
电气设计：根据北方地区晴天少雨、光照时间长的特点，选用光伏发电系统为污水站正常运行供电，由外接至低压配电箱的供电电缆作为备用电源。 针对该村具体情况采用 380 V 低压供电， 总装机容量4.4 kW( 提升泵 1.1 kW， 一体化设备本体 3.3 kW)。
光伏发电系统主体选用 PRNZ-CL15KS 离网光伏控制逆变汇流一体机。根据现场要求，现场有效光照时数为 4 h，负载为 4.4 kW，要求每天工作时间为 15 h， 1 d 用电量为 65.12 kW·h。外部休闲岛：一体化设施占地 30 m3， 在其外围建立生态休闲岛，既增加了村民的休闲场所，又为设备提供保温环境，确保设备在冬季的正常运行，使设备的功能性与景观性两者融合。
3.4 工程调试运行
在工程完成并进行清水联动试车后，开始为期3 个月(9 月~11 月)的调试运行。 运行初期进水量稳定在 50~60 m3/d，初始系统设计曝气量为 0.02 m3/s，气水比 30∶1，预处理池 HRT 为 2 h， 兼氧 MBR 反应池 HRT 为 2~4 h。 生物膜法处理污水时，常以 NH +-N去除率和 COD 去除率来判断生物膜是否成熟，故在试运行期间以出水 COD 和 NH4+-N 为主要测试指标。 在高效膜生物挂膜完成及活性污泥驯化完成后， 系统进水量增加到 90~100 m3/d， 系统出水各项指标均可达到一级 B 标准，进入稳定运行期。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3.4.1 COD 去除效果
试运行期间每 5 d 测定 1 次进水 COD 平均值及同时段出水 COD 平均值。 由于 9、10 月处于夏秋相交之际， 村民日常生活用水行为导致此两月的进水 COD 比寒冷的 11 月数值更高。 又因国家法定假日及双休日的存在， 城市务工人口返乡导致用水量增加，COD 短期内升高。 在进水 COD 波动较大(205~380 mg/L)的情况下，MBR 工艺仍能保证出水COD 在 50~60 mg/L，符合 GB 18918—2002 一级 B 排放标准，显示出较高的抗冲击能力，处理效果稳定。
3.4.2 常温下 NH +-N 去除效果每5 d 测定 1 次进水 NH4+-N 平均值及同时段出水 NH +-N 平均值，结果如图 2 所示。
图 2 常温条件下试运行期间进水与出水 NH +-N 变化情况
图 2 中， 进水NH +-N 的变化趋势与进水 COD的基本一致，形成原因也相同。 在试运行期间的前 2个月，平均温度均处于 12 ℃以上，导致出水 NH +-N较高，但仍均低于 15 mg/L，符合 GB 18918—2002 一级 B 水质要求。
3.4.1 低温下 NH +-N 去除效果
辽宁乡村冬季温度多在-15 ℃以下， 地埋式系统的工作温度处于 3~5 ℃之间。 选取 2017 年 2 月数据进行分析，此时运行温度接近冬季平均温度。 每 2 d取样 1 次， 测定进水平均 NH4 -N 及同时段出水平均 NH +-N，结果如图 3 所示。
图 3 2017 年 2 月进、出水 NH +-N 变化情况
图 3 显示，低温下即使日进水量及进水NH +-N均降低， 出水 NH4+-N 仍略高于低温条件时( 低于 12 ℃)的一级 B 排放标准(NH +-N<8 mg/L)。 主要原因是在寒冷农村地区的低温环境下生物膜中的微生 物活跃性较低，处理效率下降。 为此，将设计曝气量从原来的 0.05 m3/h 调整到 0.09 m3/h， 水中 DO 增至 4 mg/L，以保证兼性厌氧菌活性，增强处理效果。3 月气温逐渐回升， 机组工作环境温度达到 12 ℃以上，出水 NH4 +-N 均<8 mg/L。 在后续跟踪调查中， 于2018 年 2 月重新测定低温下水中 NH +-N， 出水水质全部符合一级 B 排放标准要求，结果见图 4。
图 4 2018 年 2 月进、出水 NH +-N 变化情况（曝气量调整后）
3.4.1 其他指标去除效果
除定期检测主要指标外，对 BOD5、SS、TP、pH 进行检测，结果如表 2 所示。
由表2 可见，各指标均符合一级 B 排放标准。 调试运行期间，COD、NH4+-N 去除效果好， 其他指标均达标，故增大系统进水量，设备进入稳定运行期。
3.5 长期运行效果
该套系统已投入运行 1 年多， 整体运行情况良好，主要膜组件至今没有更换。 后续工作状态下，出水CODCr、BOD、SS、NH4+-N 及 TP 的去除率均在 60%以上，出水 CODCr 最高达 52 mg/L，SS 未检出，其余指标均达到一级 B 排放标准要求。村内原有露天臭水塘全部被填埋，居民生活污水集中排放处理率达到 100%，极大地改善了居民的生活和居住环境。
4 结论
(1) 采用兼氧 MBR 一体化设备作为主体工艺处理农村生活污水，操作简单，维护费用低。 长期运行出水 CODCr、BOD5、SS、NH +-N、TP 及 pH 平均值分别为 51.2 mg/L、15.8 mg/L、 未检出、14.2 mg/L、0.8 mg/L、6.8， 均达到 GB 18918—2002 一级 B 排放标准。兼性厌氧菌对含氧量变化的适应性强，在进水量波动较大的北方农村仍可保持水质达标，适宜使用。
(2)一体化设备使用地下埋置的方法，充分利用了地下保温的优势，使整体机组在无需外加保温设施的情况下，也能保证机组在温度较低的北方冬季正常运行，降低成本投入。 且可防止污水处理过程中不良气味的散发，减少了居民的抵触情绪，更易推广。
(3)生物挂膜作为 MBR 的关键工艺，挂膜速率及厚度受当地水质及温度影响较大。 在工程实际应用中，应根据出水水质及时做出相应设计变更。
