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随着社会和经济的发展，国家对水生态环境的保护力度不断增强。截至2020年，全国城镇污水处理能力已达2.3亿m3/d，年化学需氧量（COD）削减约1 500万吨，年氨氮（NH3-N）削减约160万吨[1]。2021年，3 641个国家地表水考核断面中，水质优良（Ⅰ～Ⅲ类）断面比例为89.1%，同比上升4.3个百分点；劣Ⅴ类断面比例为1.0%，同比下降1.2个百分点。主要污染指标为COD、总磷和高锰酸盐指数[2]。
目前，常用的污水处理工艺主要有A2/O（好氧-缺氧-厌氧）工艺、活性污泥法、SBR工艺和A/O工艺等。移动床生物膜反应器（moving bed biofilm reactor，MBBR）工艺结合了活性污泥法和生物膜法的诸多优点，具有填料比表面积大、微生物种类丰富、运转灵活、耐冲击负荷、剩余污泥量少、无需载体回流、减少机器堵塞和无需清洗滤料等优点，与传统方法相比，被认为是最简单高效的污水处理工艺之一[3-5]。
MBBR高效运行的核心是悬浮填料的快速挂膜，为了提高挂膜的速度和质量，研究者开展了深入的探究，目前常用的挂膜方法主要有4种：（1）自然挂膜法：陈洪斌等[6]采用此方法，利用进水中的微生物接种，由于接种量少，生物膜形成速度慢，但是生物膜与填料之间的黏合度高；（2）接种排泥挂膜法：以活性污泥为接种物，克服微生物量少和挂膜速度慢的不足，但是接种污泥与初期生物膜微生物存在营养竞争；（3）流量递增挂膜法：即逐渐增加进水流量到设计流量的方法，加快反应器的启动。傅金祥等[7]以污水处理厂二级处理出水为原水，逐渐增加滤速，缩短了启动时间，完成挂膜；（4）间歇曝气法，GUO et al[8]利用预处理后的石油化工废水，采用此方法挂膜，发现填料表面微生物浓度高，有利于微生物附着，适用于初期难以形成生物膜的废水。
本研究尝试采用接种排泥和间歇性曝气联合挂膜的方法，在有机物浓度较高的进水条件下尝试实现快速挂膜，通过继续提高进水有机负荷，进一步增加生物膜厚度。借助16S rRNA基因高通量测序对不同尺寸填料上的生物膜进行菌群结构分析，探究不同尺寸填料的挂膜特征与差异，并以投加不同尺寸填料的MBBR对校园内景观池塘的实际水进行净化处置，对比处理效率差异。
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MBBR使用的填料为聚乙烯（PE）塑料材质，具有质量轻、比表面积大、附着能力强和不易破碎等特点。实验使用2种常用规格的填料：大填料（直径2.5 cm，厚1 cm）和小填料（直径1 cm，厚1 cm）。
挂膜实验使用2个相同规格的MBBR反应器平行进行，见图1。1号反应器（R1）投放大填料，2号反应器（R2）投放小填料，投放体积比均为30%。反应器底部安装曝气盘曝气；进水流量由蠕动泵控制，排水由磁力阀控制；通过时控开关控制反应器曝气和自动进、出水。
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采用接种排泥法和间歇性曝气法联合进行填料挂膜。起始阶段闷曝2 d，之后间歇曝气20 d，每6 h为1个循环，包括进水、曝气、静置和出水。在MBBR挂膜阶段采用人工模拟废水，室温运行，分别以葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾为碳、氮和磷源。在间歇曝气的前15 d，进水COD为300 mg/L，NH3-N为10 mg/L，磷酸盐为1 mg/L；之后进水COD浓度增加至500 mg/L，NH3-N与磷酸盐的含量也适当提升。
在实际污水处理实验中，使用5组相同的MBBR平行运行，分别按如下设置：R0为空白对照组，无填料；R1投放大填料，填充率为30%；R2投放小填料，填充率为30%；R3投放大填料，填充率为15%；R4投放小填料，填充率为15%，溶解氧（4.0±0.1） mg/L。进水使用东北大学校园内景观池塘的池水，由于深秋季节雨水较少，落叶等有机物在底层分解，使水中的污染物偏高，COD含量约为（120±5） mg/L，NH3-N为（8±1）mg/L，实验温度（20±1） ℃，单个运行周期8 h。
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实验中的COD、NH3-N含量根据国标法进行测定，COD采用重铬酸钾法测定，NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定[9]。
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在挂膜实验结束后，分别从R1和R2中随机抽取填料，利用16S rRNA基因高通量测序对填料挂膜菌群结构进行分析。扩增16S rRNA基因的V3～V4区域，引物为341F：CCT ACG GNG GCW GCA G和805R：GAC TA C HVG GTA TCT AAT CC，测序结果利用USEARCH[10]软件进行聚类分析，相似度97%设为1个操作分类单元（Operational Taxonomic Unit，OTU）。用Mothur计算Alpha多样性指数，采用Silva进行比对。
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填料挂膜期间进出水的COD变化，见图2。
挂膜初期，COD的去除效率随时间的推移逐渐增高，并在8 d后达到稳定，此时，R1和R2的COD去除率分别为85.3%和86.4%。从16 d开始增加有机负荷，去除效率出现明显波动，主要因为系统中的细菌未适应负荷冲击，两组反应器去除率均较低。经过3 d左右的适应期，去除率再次达到稳定，分别为87.0%和89.3%。
挂膜期间的进出水NH3-N变化见图3。
随着悬浮填料挂膜时间的延长，NH3-N的去除效率逐渐增高，第8 天开始，去除速率逐渐变缓，第10 天之后达到稳定，R1和R2的NH3-N去除率分别为66.1%和74.5%；第12 天左右R1的去除效率稍有起伏；在第16天，提高有机负荷，初期R1和R2的NH3-N去除效果的变化趋势与COD保持一致，微生物不适应负荷变化，处理效果较差；随着对负荷的适应，去除率趋于稳定，均保持在68%左右，R2略高。
两组MBBR对COD和NH3-N的去除效率基本相同，而两种填料的挂膜效果略有不同，见图4。
在第3天，大小填料上均出现黄褐色絮状物，但轻甩便会脱落；在6～14 d，填料上絮状物不断增多，颜色加深，轻甩不易脱落，填料上出现生物积累，初步形成生物膜，小填料上的絮状物要多于大填料；第22天，小填料生物膜厚度约为2 mm，大填料生物膜厚度约为1 mm，小填料的生物膜颜色略深于大填料。
采用接种排泥法和间歇性曝气法联合挂膜，在（20±1） ℃条件，15 d便可挂膜成功，与其他研究学者的挂膜方法进行比较，见表1，缩短了6～13 d，提高了挂膜效率。另外，随着进水污染物浓度的升高, 系统受到了负荷冲击，出水污染物浓度虽有所升高，但最终NH3-N浓度能够稳定在5 mg/L以下，COD浓度能够稳定在70 mg/L以下，去除率波动不大。表明MBBR系统具有较强的抗冲击性能。
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两种悬浮填料生物膜的微生物多样性指数，见表2。
表2可知，ACE指数，Shannon指数和Simpson指数用来评估样品的微生物多样性，Chao1指数是菌种丰富度指数。R1和R2分别获得48 360和40 068条有效序列，覆盖度均>99.9%，样品测序深度能较好地代表样品中的微生物组成，结果能有效反映样品的真实状况。R1和R2分别有453个和417个OTUs，表明2种填料上微生物种类数目存在一定的不同。
图5可知，OTU水平的Alpha指数曲线随着测序量的增加而趋于平缓，OTU不再显著上升，测序深度足够，可以反映绝大多数微生物信息。R2的曲线低于R1，表明在门水平R2的生物丰度略少于R1。
对2种填料的生物膜进行门水平的菌群分析，见图6。
R1填料上附着的生物膜中主要包括Candidatus Saccharibacteria（48.71%）、Proteobacteria（18.92%）、Bacteroidetes（9.94%）、Acidobacteria（7.21%）和Planctomycetes（6.58%）。在R2填料中，主要包括Candidatus Saccharibacteria（42.34%）、Proteobacteria（27.05%）、Planctomycetes（11.82%）、Actinobacteria（5.14%）、Acidobacteria（3.29%）和Bacteroidetes（1.87%）。2组填料生物膜的菌群结构整体相接近，但略有不同。
对比小填料和大填料生物膜的属水平的菌群结构，见图7。
在细菌的属水平上，2组MBBR填料生物膜上相对含量占比最高的优势菌属均为Candidatus Saccharibacteria门，norank Candidatus Saccharibacteria科的Saccharibacteria genera incertae sedis，占比分别为R1：48.71%、R2：42.34%，其余菌属占比较小。R1中的其他优势菌属为unclassified Rhizobiales（4.80%）、unclassified Planctomycetaceae（4.40%）、Aridibacter（2.99%）和Terrimonas（2.19%）；R2中的其他优势菌属为unclassified Enterobacteriaceae（12.38%）、unclassified Planctomycetaceae（8.80%）、Nakamurella（1.92%）和Micropruina（1.87%）。由于不同尺寸填料的表观接触面积不同，填料内部溶解氧含量存在差异，导致好氧菌和厌氧菌的菌群结构形成略有不同。前人的研究中也发现，改善进水的C/N有利于Candidatus Saccharibacteria在生物膜上的富集[11]。Candidatus Saccharibacteria是广泛存在于自然界中的一种细菌，王伟等[12]在对污水厂尾水处理的研究中发现，投加葡萄糖会对填料的挂膜和细菌群落产生显著影响，引起Candidatus Saccharibacteria门细菌的高度富集。2019年，Candidatus Saccharibacteria首次被报道为反硝化污泥中的主要细菌，可在缺氧条件下降解有机物并参与NO3−-N的还原[13-14]。Candidatus Saccharibacteria具有在好氧、缺氧和厌氧条件下降解多种有机污染物的能力[15]。生物膜中还存在具有反硝化能力的Terrimonas [16]，与实验中2组MBBR具有较高的脱氮效率相符。R1中的unclassified Rhizobiales和R2中的unclassified Enterobacteriaceae都属于变形菌门，Proteobacteria是细菌中最大的一门，该菌门中很多细菌在降解有机物的同时可以实现脱氮除磷[14]。unclassified Planctomycetaceae属于浮霉菌门，与厌氧氨氧化细菌属于同一菌门，该类细菌可在缺氧环境下利用亚硝酸盐氧化铵离子生成氮气，因此推测unclassified Planctomycetaceae参与了系统中的脱氮过程[14]。在R2中，Nakamurella和Micropruina 属于放线菌门，Nakamurella是一种可以生产大量胞外多糖的细菌，有利于生物膜的形成和在填料上附着 [17]；Micropruina一般存在于好氧颗粒污泥中，具有很好的COD和NH3-N去除能力[18]，也被认为参与了好氧颗粒污泥的形成与稳定过程[19]，而放线菌门在小填料中含量较高，推断其对小填料表面生物膜的形成有促进作用；其他占比较少的未分类菌属大多也属于变形菌门，对系统的脱氮脱磷也有一定作用。
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在实际污水净化实验中，每小时均对5组反应器中的水质进行测定，见图8和图9。
实验初期，R1和R2填料的微生物迅速适应环境变化，大部分COD在此阶段被利用，COD去除效果明显高于其他3组，R3和R4的去除速率与R0基本一致；在3～4 h后，R1和R2的COD去除速率有下降趋势，R3和R4的细菌开始适应环境变化，去除速率开始增大；至8 h，除R0组，4组反应器的COD去除速率趋于稳定，其中R2组的处理效果远优于其他3组，出水COD低于5 mg/L，R1出水COD在20 mg/L左右，R3和R4均在30 mg/L左右。
图9可知，在运行初期，R1和R3的去除速率略高于其他3组，推测大填料上与脱氮相关的微生物优先适应环境变化，初期处理效果明显，其他3组反应器NH3-N去除速率无显著差异；但在3～4 h，R2的NH3-N去除速率迅速增大，主要由于R2中填料上微生物开始适应环境变化，同时填料的生物量较大，去除效果优于其他4组；第5 h后，5组反应器去除速率逐渐趋于平缓。将5组反应器NH3-N去除率进行比较，发现填充率为30%的2组R1和R2的去除率高于填充率为15%的R3和R4，同时R2组的去除效果要优于R1组，R3和R4的最终去除率相等，但R3初期去除效果更好；仅R2的出水NH3-N稳定在2 mg/L以下。
除对照组，4组反应器出水污染物浓度逐渐稳定，主要是由于反应器里的微生物总数相对有限，其污染物去除能力有限，当运行时间达到6 h之后，污染物的去除效率上升趋势逐渐平缓。
最终R0、R1、R2、R3和R4出水COD分别为82.14、18.86、31.43、3.73和24.73 mg/L，NH3-N分别为6.57 、2.81、1.31、3.95和3.95 mg/L。通过对比可以发现，投放已挂膜的大填料与小填料的实验组处理效果显著；NH3-N的平均去除率可达65%，COD的去除率可达到80%。
地表水环境质量标准中Ⅳ类水的COD与NH3-N限值分别为30和1.5 mg/L，Ⅴ类水为40和2.0 mg/L。除R0外，4组反应器最终出水的COD值均低于40 mg/L，其中R2在5 h的出水COD 已低于30 mg/L。而对于NH3-N，只有R2在8 h达到1.31 mg/L，出水水质满足地表水Ⅳ类水质标准，其余反应器均尚未满足Ⅴ类水质标准。总体来说，反应器对COD的去除效果优于对NH3-N的去除。
当填料大小相同时，填充率为30%的实验组的生物量更高，因此，污水处理效率明显优于填充率为15%的实验组。有研究表明MBBR填料填充率为30%～40%时，对COD的去除率比在40%～50%高[4]，填料填充率与处理效果并不完全成正比。从填料尺寸来看，相同填充率条件下，小填料与污水表观接触面积更大。聂泽兵等[20]对3种不同尺寸填料生物膜的生物量进行了测定，表明相同曝气量的情况下，气泡对大尺寸填料生物膜的水流剪切力不足，导致老化生物膜的积累，填料内部出现厌氧区域，丝状菌大量增殖，挤压了硝化菌生存空间，降低生物活性。可以推断，小填料更有利于生长在填料表面的微生物充分利用溶解氧和基质，为异养菌营造适宜的生长条件，与大填料相比，小填料内部厌氧区较小，与硝化作用有关的Candidatus Saccharibacteria丰度较低。但是，小填料的数量较多，有利于对气泡进行切割，增加气泡停留时间，提高传质效率[21]，使生物膜上活性差的异养菌及时脱落，保证了较高的生物量，以弥补对污水处理起主要作用的菌群丰度较低所产生的影响，因此有更好的处理效果。
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使用接种排泥法和间歇性曝气法联合进行MBBR填料挂膜，在15 d基本完成挂膜，效果优于已有方法，生物膜对有机负荷和污染物波动具有较好的耐受性，且尺寸较小的填料的挂膜效率优于大填料。Candidatus Saccharibacteria是MBBR填料生物膜中的主要功能微生物，在大小填料中占比均超过40%，推断与污染物高效去除有关。MBBR投放30%填充比的小尺寸填料对实际地表水具有更好的净化效果。
MBBR填料快速挂膜的菌群特征与校园景观池水净化试验
Bacterial diversity in rapid biofilm culturing of MBBR fillers and campus landscape pond water purification
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摘要: 采用接种排泥和间歇性曝气联合进行MBBR挂膜，并探究不同尺寸、不同填充率对填料生物挂膜、微生物群落结构和污染物去除效率的影响。采用联合法挂膜培养，兼顾两者优点，可以在15 d实现挂膜，附着的生物膜对有机负荷和污染波动具有较好耐受性，对污染物的去除效果较好。16S rRNA基因高通量测序结果显示，不同尺寸填料上生物膜中的优势菌均为Candidatus Saccharibacteria，占比均超过40%。以分别投放有两种尺寸的挂膜填料的MBBR处理校园景观池水，填充率为30%的小填料具有更高的污染物去除能力，8 h后出水水质可达到地表水Ⅳ类水质标准。
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关键词:
- MBBR /
- 填料挂膜 /
- 菌群结构 /
- Candidatus Saccharibacteria /
- 水体净化
Abstract: The combination of inoculation sludge discharge and intermittent aeration was used for MBBR biofilm culturing, and the effects of different sizes and filling rates on biofilm culturing, microbial community and pollutants removal efficiency were investigated. The biofilm could form in 15 d with the combined method, which showed the advantages of the two methods. The attached biofilm had a good tolerance to organic load and pollution fluctuation with a high pollutant removal efficiency. The 16S rRNA gene MiSeq result indicated that the dominant bacteria in biofilms with different sizes of fillers were Candidatus Saccharibacteria, accounting for more than 40%. The campus landscape pool water was treated by MBBR with two sizes fillers with biofilm, respectively. The smaller fillers with a filling rate of 30% had a higher pollutant removal efficiency, and the effluent could meet the Class IV Water Standard of surface water within an 8 h treatment. -
农村黑臭水体治理是改善农村人居环境、解决农村突出水环境问题的重要工作[1-2]。近年来，随着农村社会经济的发展和农民生活水平的提高，加快治理农村地区房前屋后河塘沟渠以及群众反映强烈的黑臭水体势在必行[3-6]。2018年1月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《农村人居环境整治三年行动方案》(中办发[2018]5号)，要求各地采取综合措施恢复水生态，逐步消除农村黑臭水体[7]。沈阳市作为辽宁省省会城市，位于辽宁省中部地区，是东北地区重要的中心城市。沈阳市农村黑臭水体类型丰富、完成治理比例高，2020年有2个区纳入第一批国家级农村黑臭水体治理试点。因此，文章总结分析了沈阳市农村黑臭水体治理工作措施以及治理效果，为辽宁省农村黑臭水体后续治理工作提供参考。
1. 农村黑臭水体现状
1.1 农村黑臭水体排查及分类
2019—2020年，沈阳市启动农村黑臭水体排查及治理工作，2年共排查2 047个点位，累积确认农村黑臭水体154处，见图1。
依据行政划分，各区（县、市）行政区域内，除法库县和新民市确认黑臭水体低于5处，其余区（县、市）在12～35处之间，合计确认农村黑臭水体流域面积359 837 m2，合计长度103 892 m，见表1。依据农村黑臭水体类型划分，全市共有河流型农村黑臭水体32处、塘型农村黑臭水体32处、沟渠型农村黑臭水体83处、排干型农村黑臭水体7处。全市以沟渠型农村黑臭水体占比最多，超过50%。（1）由于农村黑臭水体排查范围主要集中于“房前屋后”的河塘沟渠，而房前屋后主要以沟渠和塘居多；（2）由于当地农民生活习惯，将农业废弃物、垃圾、养殖废弃物等丢弃在“房前屋后”的沟渠和塘中，造成沟渠污染；（3）即使有少量河流在排查范围内，由于本身流动性大，自净能力好，加之无较明显的污染源进入，整体水质达不到黑臭程度。
表 1 沈阳市农村黑臭水体信息汇总Table 1. Summary of information on rural black-odorous water in Shenyang区（县、市） 排查点位/处 农村黑臭水体类型/处 合计/处 合计流域面积/m2 合计长度/m 河 塘 沟渠 排干 浑南区 447 8 0 4 0 12 52 242 19 416 沈北新区 220 10 1 3 0 14 37 480 13 460 于洪区 29 0 1 11 0 12 24 579 5 180 苏家屯区 58 8 3 13 3 27 88 606 21 632 经开区 244 0 11 9 2 22 61 602 18 469 辽中区 230 0 7 19 1 27 25 296 9 073 新民市 340 0 0 4 0 4 1 432 955 法库县 179 1 0 0 0 1 20 5 康平县 300 5 9 20 1 35 68 580 15 702 总计 2 047 32 32 83 7 154 359 837 103 892 | Show Table
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1.2 汇入水体情况
沈阳市农村黑臭水体，最终汇入其他水体（河、湖）的67处，占全市农村黑臭水体的43.5%。其中，河流型农村黑臭水体汇入其他水体比例为100%，最终汇入辽河、浑河、蒲河、北沙河等河流；塘型农村黑臭水体汇入其他水体比例为3.1%，仅1条水体汇入卧龙湖；沟渠型农村黑臭水体汇入其他水体比例为33.7%，最终汇入八家子河、黑柳河、白塔河、小沙河等小型河流；排干型农村黑臭水体汇入其他水体比例为85.7%，最终汇入上一级排干以及蒲河、北沙河等，见表2。
表 2 沈阳市农村黑臭水体汇入河流情况统计Table 2. Statistics on the situation of rural black-odorous water flowing into rivers in Shenyang区（县、市） 河/处 塘/处 沟渠/处 排干/处 占全区黑臭水体比例/% 浑南区 8 0 4 0 100.0 沈北新区 10 0 2 0 85.7 于洪区 0 0 5 0 41.7 苏家屯区 8 0 7 3 66.7 经开区 0 0 3 2 22.7 辽中区 0 0 0 1 3.7 新民市 0 0 0 0 0.0 法库县 1 0 0 0 100.0 康平县 5 1 7 0 37.1 合计 32 1 28 6 43.5 | Show TableDownLoad:
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2. 农村黑臭水体成因
2.1 农村黑臭水体污染情况
为方便后续管理和研究，根据实地调研及跟踪评估，将沈阳市农村黑臭水体污染来源分为农村生活污水、畜禽养殖、水产养殖、种植业污染、企业污染、生活垃圾和固体废弃物、底泥、农厕粪污、其他等9类[8-9]。沈阳市农村黑臭水体因单一污染源导致黑臭的为38处，两类污染源导致黑臭的为42处、三类以上污染源导致黑臭的为74处。154条农村黑臭水体中，受农村生活污水污染的水体有90处，受畜禽养殖污染的有60处，受水产养殖污染的有2处，受种植业污染的有6处，受企业污染的有14处，受生活垃圾和固体废弃物污染的有110处，受底泥污染的有83处，受农厕粪污污染的有7处，受其他污染的有20处，见图2。基于现有数据分析，沈阳市农村黑臭水体污染源主要集中在生活垃圾和固体废弃物、农村生活污水、底泥和畜禽养殖污染。
图 2 沈阳市农村黑臭水体污染源种类及占比Figure 2. Types and proportion of pollution sources of rural black-odorous water in Shenyang2.2 污染源解析
2.2.1 污染源污染形式
对沈阳市农村黑臭水体污染源污染形式进行了总结：（1）农村生活污水污染可分为城郊地区和农村地区生活污水。城郊和乡镇等人口集中地区存在居住用楼房，部分楼房无污水处理设施，生活污水在楼内汇集后直排形成污染；少数因已建设施规模不足或出现破损导致收集后的生活污水直排形成污染；农村地区生活污水由于受地区经济及生活习惯影响，多以20～30 L的桶收集后倾倒，厨余垃圾与生活污水混合形式为主。（2）畜禽养殖可分为养殖户和散养，养殖户养殖规模相对较大但达不到规模化程度，既无畜禽粪污处理设施也无粪污利用途径，导致畜禽粪污直排或者倾倒在村内边沟和塘内；散养畜禽污染则主要以倾倒边沟和塘内为主。（3）水产养殖则以养殖废水排放到邻近的水沟为主。（4）种植业污染主要以农业固体废弃物为主要污染形式，农业废弃物丢弃沟、塘内长期无人清理，经浸泡后逐渐腐烂成为底泥一部分[10-11]。（5）企业污染可分为企业生活污水和企业生产废水，企业生活污水是由于企业员工生活形成的生活污水，直接排放形成污染；企业生产废水因企业类型不同而不同，形成排放主要是为了节约生产成本或已建污水处理设施运行不到位，导致排放污水不达标形成污染。（6）生活垃圾和固体废弃物污染则主要是农村生产生活产生的垃圾和废弃物。（7）底泥污染则是受污染水体长期接收外来污染物，在水体内不断淤积最终形成较厚底泥，底泥的污染来源包括畜禽粪污倾倒、垃圾及渗滤液入河、农业废弃物入河、企业污染等[12-13]。（8）农厕粪污则主要为水体岸边修建的旱厕。
2.2.2 主要污染源解析
对154条农村黑臭水体主要污染原因进行了分析：农村生活污水29处；畜禽养殖44处；水产养殖2处；企业污染7处；生活垃圾和固体废弃物46处；底泥农厕粪污17处；其他9处，见图3。
图 3 沈阳市农村黑臭水体主要污染源分布Figure 3. Distribution map of main pollution sources of rural black-odorous water in Shenyang3. 农村黑臭水体治理
3.1 治理措施
沈阳市农村黑臭水体治理工作从2019年延续至今尚有1条水体未完成治理。对已完成治理的农村黑臭水体治理措施及管控措施如下总结。
3.1.1 生活污水治理措施
90处受农村生活污水污染的水体，分为城郊地区、农村地区以及企业生活污水。其中，城郊地区楼房生活污水距离已有管网距离较近的，采用纳管进行收集占比13.3%；距离已有管网较远的地区，采用新建农村生活污水处理设施收集并处理占比6.7%；维修已建设施破损管网占比1.1%。农村地区生活污水，采用宣传教育、修建告示牌禁等占比57.8%；修建隔离网防止河内倾倒生活污水占比4.4%；修建农村污水处理设施和氧化塘收集处理生活污水占比3.3%；改变村内雨水汇集形成的塘为鱼塘，避免村民倾倒生活污水、垃圾和粪污占比2.2%；将村内雨水汇集形成的塘填埋占比2.2%；村庄搬迁致使污染源间接消失占比1.1.%，见表3。
表 3 生活污水污染治理措施统计Table 3. The statistical table of rural domestic sewage pollution control measures分类 数量/处 治理措施占比/% 纳管 建设施 设施修复与维护 隔离网 管控 搬迁 填埋 其他 城郊 20 13.3 6.7 1.1 - - - - - 农村 65 - 3.3 1.1 4.4 57.8 1.1 2.2 2.2 企业 5 - 1.1 3.3 - 1.1 - - 1.1 | Show TableDownLoad:
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3.1.2 畜禽养殖污染治理措施
60处受畜禽养殖污染的水体，可分为直接排放和粪污倾倒。其中，采用关停或搬迁养殖户解决粪污直排污染占比5.0%；采用修建粪污收储设施解决粪污直排占比28.3%；采用宣传教育、立牌、罚款等禁止排放的监管措施解决粪污直排占比10.0%。对于受倾倒粪污影响的水体，采用设置隔离网解决倾倒占比1.7%；采用宣传教育、立牌等禁止倾倒的监管措施占比45.0%；采用村内雨水汇集形成的塘填埋占比5.0%；采用将水塘改变为鱼塘方式防止倾倒占比5.0%，见表4。
表 4 畜禽养殖污染治理措施统计Table 4. The Statistical table of pollution control measures for livestock and poultry breeding分类 数量/处 治理措施占比/% 关停搬迁 建设施 隔离网 管控 填埋 其他 粪污直排 26 5.0 28.3 - 10.0 - - 粪污倾倒 32 - - 1.7 45.0 5.0 5.0 | Show TableDownLoad:
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3.1.3 水产养殖污染治理措施
2处受水产养殖污染水体治理则全部弃养后清理岸边及水体内垃圾后等待自然修复。
3.1.4 种植业污染治理措施
6处受种植业污染的水体，清理丢弃在水体附近的农业废弃物，并立警示牌。已经进入水体并腐烂的部分，伴随底泥清理而一并清理。
3.1.5 企业污染治理措施
14处受企业污染的水体，可分为企业生活用水污染和企业生产废水污染。针对企业生活污水采用封堵排污口后企业自建设污水处理设施或处理达到标准后进入市政管网的占比35.7%；采用封堵排污口占比14.3%。针对企业生产废水，采用监督企业污水处理设施达标排放措施占比14.3%；采用封堵排污口占比28.6%，采用关停小作坊治理措施占比7.1%，见表5。
表 5 企业污染治理措施统计表Table 5. The Statistical table of enterprise pollution control measures分类 数量 治理措施占比/% 自建设施 管控措施 封堵排污口 关停 其他 生活废水 7 35.7 14.3 - - - 生产废水 7 - 14.3 28.6 7.1 - | Show TableDownLoad:
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3.1.6 生活垃圾和固体废弃物污染治理措施
110处生活垃圾和固体废弃物污染的水体，均对河面和岸边垃圾及固体废弃物进行了清理。其中，新建隔离网避免废弃物入河占比3.6%；其他污染水体则均有垃圾收集装置。
3.1.7 底泥污染治理措施
83处受底泥污染的水体，均进行了底泥清理。小型沟、渠、塘等主要采用挖掘机、钩机、人工等方式直接进行清理，较大型水体则采用修建临时性拦截坝后进行清淤。清理后的底泥，部分运送至垃圾填埋场填埋，部分经晾晒风干后作为水体护坡进行原位利用。
3.1.8 农厕粪污治理措施
7处受旱厕粪污影响的水体，3处影响较大、沿河旱厕较多的水体进行了沿河旱厕拆除，并修建生态厕所。其他4处未进行处理。
3.1.9 主要治理措施与原因分析
基于以上8类污染因素采取治理措施的基础数据分析，沈阳市农村黑臭水体治理包括工程措施与管控措施。其中，城郊地区生活污水治理主要采用纳管和建设施等工程措施，城郊地区环境敏感、人口相对集中，此方式可从源头控制污染，能取得较好治理效果。农村生活污水治理主要采用修建隔离网等管控措施，农村地区人口稀薄，污水产生量低，修建设施易出现“设施晒太阳”现象，采用纳管措施性价比不高，在做好管理确保生活污水不进入水体前提下，农村地区广袤的土地即为天然的土地渗滤系统，靠当地土壤自净能力，就能较好地去除生活污水中的污染物。畜禽粪污污染则采用管控措施较多，采用修建设施等其他工程措施较少，由于畜禽养殖粪污治理设施投资较多，而国家及省、市相关方面的资金支持不多，农村地区粪污污染主要是养殖户和散养引起的，畜禽养殖污染防治工作在法律层面具有一定的空白性，因此粪污处理设施建设需要政府投资，而当地政府受经济制约，多采取管控措施。水产养殖污染采用弃养为主要治理措施，分析原因是两处鱼塘为村民自行挖掘的养殖鱼塘，经济收益不高，未能形成区域性养殖，采用弃养从源头治理污染既能取得较好治理效果又不会带来较大的经济损失。种植业污染、生活垃圾和固体废弃物污染以及底泥均主要采用清理方式进行治理，能直接解决此类污染问题，经济适用性较高。企业污染则主要以管控措施和封堵排污口为主，分析原因是企业已建设设施的，加强监管提高设施运行效率，即可取得良好的治理效果。同时，企业污染采用修建设施比例也相对较高，分析原因是企业生活污水和企业生产废水排水量高，需采用源头治理工程措施控制污染。农厕粪污只有影响较大的进行了拆除并修建生态厕所，分析原因是这3处水体沿河旱厕数量多，对水体影响大，不进行拆除将持续影响水体水质；其他未治理水体，水体自净能力可以承载少量旱厕，从经济适用性和优先农户生活习惯考虑，并未进行拆除。
3.2 治理效果
3.2.1 水质分析方法
依据国家对农村黑臭水体的排查和评估要求，选取了透明度（SD）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）作为水质分析的3个指标[14]，指标阈值，见表6。透明度采用十字铅盘法、DO采用快速溶氧仪测定法、氨氮则采用快速测定试纸和纳氏试剂分光光度法进行检测。第1年，现场检测氨氮主要采用纳氏试剂分光光度法，第2—3年，氨氮检测则主要以快速测定试纸为主，存有疑问的再次采用纳氏试剂分光光度法进行检测。
表 6 检测指标Table 6. Detection index监测指标 指标阈值 SD/cm ＞25* DO/mg·L−1 NH3-N/mg·L−1 ＞2 ＜15 注：*，透明度水深不足25 cm时，按水深40%取值。 | Show TableDownLoad:
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3.2.2 水质分析结果
去除治理后完全无水和评估期间季节性无水水体，以及未完成治理水体，加上部分水体距离较长，采样点较多，合计共获得有效数据298组。其中，2020年有效数据86组，2021年有效数据93组，2022年有效数据119组。总体上，DO指标合格率为67.33%，NH3-N指标合格率为92.33%，SD指标合格率为96.31%。3年内DO指标合格率在43.01%~92.05%之间，NH3-N指标合格率在89.25%~96.59%之间，SD指标合格率在94.12%~100%之间，见表7。
表 7 沈阳市农村黑臭水体水质范围统计Table 7. The statistics of water quality range of rural black-odorous water in Shenyangt/a DO NH3-N SD 水深/cm 范围/mg·L−1 合格率/% 范围/mg·L−1 合格率/% 范围/cm 合格率/% 2020 0.90～14.90 92.05 0～38.30 96.59 5～90 100 5～90 2021 0.30～14.10 43.01 0～31.00 89.25 2～50 95.70 2～80 2022 0.02～10.95 68.07 0～410.00 91.60 3～70 94.12 3～150 合计 0.02～14.90 67.33 0～410.00 92.33 2～90 96.31 2～150 | Show TableDownLoad:
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298个DO数据范围在0.02～14.9 mg/L，高值与低值各去除5%数据后，90% DO数值分布于0.6～8.2 mg/L之间，见图4（a～c）。NH3-N数据范围在0～410 mg/L，高值与低值各去除5%数据后，90% NH3-N分布于0～24 mg/L之间，见图4（d～f）。SD在2～90 cm之间，高值与低值各去除5%数据后，90%SD分布于5～50 cm之间，见图4（g～i）。
3.2.3 治理效果分析
对于农村黑臭水体治理效果评价，依据生态环境部出台的《农村黑臭水体治理工作指南（试行）》，首先要以感官判断为主，无法判断的采用问卷调查和水体检测方法进行判断[14]。沈阳市判断农村黑臭水体是否黑臭则主要以水质检测为依据，3项指标全部合格的则认定为消除黑臭；NH3-N超标的则直接判定为黑臭；部分水体出现感官十分清澈，但氨氮合格，DO和SD有1项或2项不达标的，则结合感官与水质数据进行综合判断，感官上颜色无异常、气味无异常则认定为消除黑臭。依据上述原则，对2020—2022年沈阳市农村黑臭水体治理效果进行了评估，见表8。
表 8 沈阳市农村黑臭水体治理效果分析Table 8. Analysis on the treatment effect of rural black-odorous water in Shenyangt/a 完成治理/处 返黑返臭/处 综合评估无黑臭（感官正常）/处 3项指标均合格 DO低 SD低 DO、SD低 2020 146 3 137 5 0 1 2021 148 15 91 37 2 3 2022 153 10 112 24 4 3 | Show TableDownLoad:
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3.2.4 返黑返臭原因分析
经统计，3年中出现返黑返臭的水体合计21条，1年出现返黑返臭水体有14条，2年出现返黑返臭水体有7条。1年出现返黑返臭现象的水体中，受畜禽粪污直排影响的2条；受畜禽粪污倾倒影响的7条；受企业生产废水偷排影响的1条；治理完成后逐渐自行修复中1条，目前已经合格；受生活污水影响的3条。2年出现返黑返臭现象的水体中，受畜禽粪污直排影响的5条，受畜禽粪污倾倒影响的2条，见表9。
表 9 农村黑臭水体返黑返臭原因情况Table 9. The causes of rural black-odorous water returning to black and odorous分类 返黑返臭原因 返黑返臭水体/条 采取措施 备注 1年出现返黑返臭 粪污倾倒 7 禁止倾倒 - 粪污直排 1 修建设施 设施储存量不足 1 - 新增直排 企业偷排 1 监管 - 生活污水处理设施 1 生态修复 工艺不合理 1 - 规模不足溢流 生活污水 1 未建设施 - 垃圾倾倒 1 清理垃圾 经自行修复，已消除黑臭 2年出现返黑返臭 粪污倾倒 1 建立岸边清理机制 - 1 - 新增倾倒 粪污直排 1 修建设施 设施储存量不足 1 - 新增直排 3 禁止直排 - | Show TableDownLoad:
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3.2.5 治理措施有效性分析
受城郊生活污水污染影响的水体，采用纳管、建设施、维修已有破损设施治理方式的水体均起到了较好的治理效果；采用水体自净、监管工艺不合理或规模不足设施稳定运行方式的水体，则不同程度出现返黑返臭。农村生活污水采用管控、隔离网、填埋、建设施等取得了较好的治理效果。受畜禽粪污污染影响的水体，采用关停、搬迁治理措施的取得了较好效果；采用修建粪污贮存设施起到了一定作用，但部分因设施修建规模不足，无法满足后期贮存需求而出现了粪污直排和倾倒现象，引起水体返黑返臭；采用宣传、立牌、禁止倾倒等管理措施的，则出现了较明显的返黑返臭现象；另有新出现的畜禽粪污污染源导致水体返黑返臭。水产养殖污染水体弃养后清理并等待自然修复取得了较好效果。清理丢弃的农业废弃物，对改善水体质量有效。受企业污染的水体，建设施、纳管、关停等措施均取得了较好效果，但采用监管手段的尚有部分出现返黑返臭。生活垃圾和固体废弃物污染、底泥污染采取清理、建设隔离网等措施，取得了较好效果。旱厕粪污拆除后并修建生态厕所，取得了较好效果；其他4处未进行处理的旱厕，也并未出现超过水体自净能力导致水体黑臭的现象。
4. 建议
农村黑臭水体治理工作是一项长期而繁重的工作，其发生具有随机性，治理过程具有反复性，应循序渐进开展治理工作。应确保资金支持，避免因治理时间过急或资金不足，出现采取临时性措施应付检查的现象。同时，农村黑臭水体治理工作应确保从源头上根治污染并做好后续监管。（1）对于规模较大的农村生活污水污染源应修建设施或纳管；小规模农村生活污水污染源，应结合辽宁省农村生活污水资源化管控模式，做好污水资源化和地下水监测工作。（2）畜禽养殖粪污治理，修建的设施应具有“防渗、防雨、防外溢”功能，拓展畜禽粪污资源化利用途径，畅通粪污资源化利用渠道，方能有效解决畜禽粪污直排和倾倒问题。（3）对企业污水处理设施和农村生活污水处理设施的运行情况进行监管，落实企业和运营单位主体责任，避免出现偷排、溢流等现象；现有设施规模、工艺等不足以应对处理需求的，应及时进行维护和升级改造。（4）完善农村生活垃圾、农业固体废弃物等收集、运输、处理体系，垃圾和农业废弃物是放错位置的资源，做好垃圾分类和农业废弃物利用，既能有效地改善农村人居环境，又能带来一定的经济效益。（5）应结合当地实际情况，从环境、经济、人文等多角度出发，探索出适合本地区的治理和管理方式，如部分地区将废弃水塘修整为鱼塘并承包给当地居民，既解决了污染问题，又为当地农民带来了一定的经济收益。（6）治理措施应科学合理，如部分地区采用将无水体功能的塘填埋，许多村内水塘均为当地低洼地，填埋后应处理好村内的雨水排水问题。（7）加大宣传力度，农村黑臭水体很大程度上与当地人民的生活习惯息息相关，良好的生活习惯能有效地减少不必要的污染源形成；提升农民、养殖户保护环境的自觉性和能动性，在农村黑臭水体治理过程中具有很重要的意义。（8）建立长期排查、监督、考核制度，及时发现新出现农村黑臭水体，返黑返臭水体及时重新开展治理，做好已完成治理农村黑臭水体效果保持。
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表 2 样品微生物多样性指数统计
Table 2. Microbial diversity indexes
填料 ACE OTUs Chao1 Shannon Simpson 覆盖度/% R1 455.80 453 457.58 3.79 0.12 99.98 R2 437.35 417 447.00 3.87 0.08 99.91
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[1] 国家发展改革委. 国家发展改革委有关负责同志就《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》答记者问[EB/OL].https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/jd/jd/202106/t20210615_1283251.html?code=&state=123,2021-06-17. [2] 生态环境部. 生态环境部通报11月和1～11月全国地表水、环境空气质量状况[EB/OL]. https://www.mee.gov.cn/ywdt/xwfb/202112/t20211221_964784.shtml,2021-12-21. [3] 张鹏, 袁辉洲, 柯水洲. MBBR法处理城市污水去除污染物的特性研究[J]. 水处理技术, 2009, 35(10): 91 − 96. doi: 10.16796/j.cnki.1000-3770.2009.10.022 [4] 施宇震, 刘月, 施永生, 等. 移动床生物膜反应器(MBBR)工艺的填料填充率中试研究[J]. 中国水运:下半月, 2019, 19(6): 90 − 92. [5] 张新波, 张祖敏, 宋姿, 等. 不同生物膜载体下MBBR中微生物群落变化特征[J]. 中国给水排水, 2019, 35(11): 63 − 68. doi: 10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2019.11.012 [6] 陈洪斌, 梅翔, 高廷耀, 等. 受污染源水生物预处理挂膜过程研究[J]. 水处理技术, 2001, 27(4): 196 − 199. doi: 10.3969/j.issn.1000-3770.2001.04.003 [7] 傅金祥, 许海良, 陈正清. 不同原水条件下曝气生物滤池的挂膜启动[J]. 中国给水排水, 2006, 22(11): 90 − 92. doi: 10.3321/j.issn:1000-4602.2006.11.023 [8] GUO J, FANG M, CHANG C, et al. Start-up of a two-stage bioaugmented anoxic-oxic (A/O) biofilm process treating petrochemical wastewater under different DO concentrations[J]. Bioresource Technology, 2009, 99: 3483 − 3488. [9] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 4版. 北京: 中国环境科学出版社, 2002. [10] EDGAR R C. UPARSE: highly accurate OTU sequences from microbial amplicon reads[J]. Nature Methods, 2013, 10(10): 996 − 998. doi: 10.1038/nmeth.2604 [11] GU Y, WEI Y, XIANG Q, et al. C: N ratio shaped both taxonomic and functional structure of microbial communities in livestock andpoultry breeding wastewater treatment reactor[J]. Science of the Total Environment, 2019, 651: 625 − 633. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.09.234 [12] 王伟, 赵中原, 张鑫, 等. 不同外碳源对尾水极限脱氮性能及微生物群落结构的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(9): 4717 − 4726. doi: 10.13227/j.hjkx.202112238 [13] WANG X, WANG W, ZHANG J, et al. Dominance of Candidatus saccharibacteria in SBRs achieving partial denitrification: effects of sludge acclimating methods on microbial communities and nitrite accumulation[J]. RSC Advances, 2019, 9(20): 11263 − 11271. doi: 10.1039/C8RA09518C [14] 邢金良, 张岩, 陈昌明, 等. CEM-UF组合膜-硝化/反硝化系统处理低C/N废水及种群结构分析[J]. 环境科学, 2018, 39(3): 1342 − 1349. [15] TOMONORI K, SHIRO Y, RYOHEI U, et al. Phylogenetic diversity and ecophysiology of Candidate phylum Saccharibacteria in activated sludge[J]. Fems Microbiology Ecology, 2016, 92(6): 1 − 6. [16] ZHANG M, GAO J, LIU Q, et al. Nitrite accumulation and microbial behavior by seeding denitrifying phosphorus removal sludge for partial denitrification (PD): The effect of COD/NO3- ratio[J]. Bioresource Technology, 2020, 323(4): 124524. [17] 周洪玉, 韩梅琳, 仇天雷, 等. 不同生物过滤系统铵态氮转化速率及生物膜特性分析[J]. 环境科学, 2017, 38(6): 2444 − 2452. doi: 10.13227/j.hjkx.201610142 [18] 李建婷, 纪树兰, 刘志培, 等. 16S rDNA克隆文库方法分析好氧颗粒污泥细菌组成[J]. 环境科学研究, 2009, 22(10): 1218 − 1223. [19] 陈翰. 进水有机物浓度对好氧颗粒污泥形成的影响机制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2019. [20] 聂泽兵, 边德军, 吴忌, 等. 海绵填料尺寸对序批式生物膜系统影响实验研究[J]. 水处理技术, 2018, 44(9): 99 − 103. doi: 10.16796/j.cnki.1000-3770.2018.09.022 [21] 白杨. 填料尺寸及比例对SBBR分散生活污水处理效果研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2021. -
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