我国有284.221×10⁴多个行政村和自然村^[1]，农村人口总基数约为5.1×10^8[2]，农村水污染物排放量达592.26×10⁴ t，占全国水污染物总量的47%^[3]。随着我国社会经济的发展，农村居民人均水污染物排放量逐渐增加，然而农村污水处理率较低，2021年农村生活污水治理率仅为28%左右^[4]。

我国农村生活污水主要包括分散式和集中式2种，其中集中式收集适用于邻近城镇排水管网，村户相对集中和基础建设较为完善的农村地区^[5]。于洋等^[6]通过分析莱芜市农村污水排放特点，提出房屋户数不低于50户的片区可以考虑集中式收集模式。集中处理需要大量铺设污水管道，污水管网的建设费用一般占工程总费用的50%以上^[7]。除了经济条件外，地理条件也是影响集中式收集模式的重要因素，尤其是山区，地势起伏较大，村庄地理位置分散，村庄之间排污量差距较大。许巧哲等、黄维等^[8-9]在村庄内铺设重力流污水管网，通过一体化泵站输送至压力流污水主管，再设置中间提升泵站送至污水处理设施。集中收集模式是平原地区的农村污水治理的主要模式^[10-11]。农村污水处理设施在设计之初要充分调查区域居民的实际用水量和人口流动情况，保证设计规模满足居民排污量的同时也满足污水处理设施的运行所需进水量。张同亮等^[12]分析了内蒙古自治区农村污水的产排特征，发现集中处理设施的实际处理规模仅为设计规模的60%左右，可能的原因是设计时高估了当地的排水总量和污水收集系统建设滞后。

我国处理农村生活污水根据工艺原理可以分为2种：1种是小型化城镇污水站，处理流程类似城镇污水处理站；另1种是自然处理系统，以土地渗滤、植物吸收和微生物分解为原理的处理系统。除此之外，还有利用以上2种混合的处理工艺^[13]。章明旭等^[14]和张茗等^[15]分别采用AO+MBBR和A²O+MBBR工艺对农村生活污水进行处理，COD、NH₃-N、TP、TN平均去除率高达90%以上。A³O+MBBR是在传统A²O污水生物处理工艺基础上进行全面提升优化的处理工艺^[16]。传统A²O工艺中各种功能菌群对营养物质的竞争，脱氮除磷的效果难以达到更高要求^[17-18]。A³O工艺是在A²O工艺的基础上设置了预脱硝区，可提前去除污水中的硝态氮，以确保厌氧聚磷菌(Polyphosphateaccumulating organisms，PAOs)不受反硝化菌环境竞争影响，强化脱氮除磷效果^[19]。但由于进水COD首先被用于缺氧反硝化过程，厌氧阶段PAOs因进水碳源含量较低，释磷效率降低^[20]，因此，在碳氮比较低时需投加除磷剂。移动床生物膜反应器(Moving-Bed Biofilm Reactor，MBBR)，通过在好氧区或厌氧区投加比重接近水的悬浮填料，使得氧气利用率有所提高^[21]，有利于世代时间长的微生物依附生长于其表面并形成生物膜^[22-23]，并且具有抗冲击负荷能力强、占地面积小等诸多优点^[24-25]。A³O+MBBR的组合工艺结合了A³O与MBBR的优点，适用于处理我国北方农村地区生活污水。

因此，本研究对我国北方平原农村地区75座集中式收集生活污水处理站的进水量、进水水质进行研究，以了解集中式收集处理模式下农村居民生活污水的用水习惯和进水特征，并通过分析A³O+MBBR处理工艺的去除效果，以期为我国农村集中式收集和处理生活污水提供参考和建议。

1.   材料与方法

1.1   研究对象

本研究以河北省某农村地区的75座农村生活污水处理站进水数据为研究对象，涵盖110个村共计15×10⁴余人，处理设计规模在50~300 m³·d⁻¹，总规模为8 730 m³·d⁻¹，污水处理工艺均采用格栅调节池+A³O(MBBR)+砂滤+次氯酸钠消毒工艺。不同设计规模的污水处理站分成小型污水处理站(DS1，0~60 m³·d⁻¹)共22座，占比29.33%；中型污水处理站(DS2，100~150 m³·d⁻¹)共41座，占比54.67%；大型污水处理站(DS3，200~300 m³·d⁻¹)共12座，占比16%。由此可以推断出，该地区农村污水处理站绝大多数为中小型污水处理站，设计规模大多在50~150 m³·d⁻¹，数量最多的是100 m³·d⁻¹的污水处理站。

本研究调查的75座污水处理站，有6座存在未收集到进水的情况，有1座进水质量浓度远超其他污水处理站，本研究主要针对剩余68座污水处理站进行进水特征分析。

1.2   检测方法

数据统计时间为2022年9月—2024年2月，共计18个月。利用管道流量记录得到进水量数据，每个月进行一次进水水质检测。检测项目为COD、NH₃-N、TN和TP，各水质均按照国家环境保护标准^[26]进行测定：使用重铬酸钾法测定COD；使用纳氏试剂分光光度法测定NH₃-N；使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN；使用钼酸铵分光光度法测定TP。

2.   结果与讨论

2.1   集中式收集模式进水量特征

从理论上来讲，农村生活污水产生量应根据农村供水水平、污水处理设施条件、排水管网建设程度等确定，因此，农村生活污水产生量很难精细分析原因^[27]。图1是3种不同设计规模污水处理站2022年9月—2024年2月每月的日均总进水量。对于DS1处理站，在2023年8月进水水量最低，为500.32 m³·d⁻¹，最高的是2022年12月为860.85 m³·d⁻¹；对于DS2处理站，在2023年5月进水水量最低，为2 314.05 m³·d⁻¹，最高的是2024年2月为3 536.59 m³·d⁻¹；对于DS3处理站，在2023年6月进水水量最低，为882.14 m³·d⁻¹，最高的是2023年1月为1 622.93 m³·d⁻¹。3种处理规模整体进水量在冬季11月至次年2月较多，其中只有DS1在夏季的6月份有所升高，但在7月和8月明显降低。这一结果与许多学者研究结果不同，多数研究^[28-29]认为农村地区生活污水污染物质量浓度在冬季因用水量的降低而升高。

图 1  不同规模污水处理站各月的日均总进水流量

Figure 1.  Daily average total influent water quantity of each month in different sizes wastewater treatment stations

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旱厕、分散式(三格化粪池)和自然沟渠排放模式的农村生活污水产生量要小于水冲厕管道集中式收集处理的污水水量。旱厕改成水冲厕加大了农村污水产生量，而集中式收集方便了农村居民排除污染物，并且很多农村地区存在坑塘和水井，居民不用考虑水费或者价格低廉，因此，最终农村的用水量逐渐增加并接近一般城镇居民污水产生量。本研究通过调查发现该地区冬季气温较低，入户管道内留存的污水会发生冻结，为了避免污水收集管道冻结堵塞甚至爆裂的现象，该地区农村居民有在冬季会保持下水管道内常有水流通过的用水习惯，这可能是导致该地区冬季用水量大于其他月份的原因之一。

2022年12月中旬至2023年1月初旬，国内各地区疫情封控解封，社会面积极响应政府的卫生隔离要求，这极大地改变了农村地区的人口流动现象，该阶段的居民在家的时间比以往任何时候都多，这意味着消耗了更多的家庭资源(电力、天然气和水)^[30-34]。受疫情影响最大的用水习惯是洗手、家庭清洁、食品卫生和洗浴，但是这些普遍在有老人的家庭中更加显著，因为人们认为老年人更容易感染病毒^[35]，而农村地区主要人口是老人和儿童。因此，12月至1月居民进水量较大的原因可能是管道防冻常流水和疫情改变了居民用水习惯共同影响的结果。自2月开始，进水量数据开始降低，除了春节返乡影响，更大的影响应该是国内正处复工阶段，群众开始重新参加公共活动，当居民开始正常社会面流动时，住宅用水量开始大幅度降低。

2023年6月在3种设计规模污水处理站中进水量处于较低值，大部分研究结果表现为夏季居民因洗浴需求导致用水量增高，但该地区外出务工人口流动较大，村落内大部分人口为老人和儿童，用水量较少。除了人口流动，雨季因素也影响污水处理站的进水量，但是该地区采用集中式入户式收集居民生活污水，流入污水管网的入口在居民室内，雨水形成地表径流随重力作用流入村落旁的水渠或坑塘，而污水收集管道埋深在地下，雨水很难混入污水处理站。2023年8月华北地区发生特大暴雨，京津冀地区遭受不同程度的洪水灾害，部分村庄被洪水淹没，而污水处理设施一般处于村庄的地势较低区域，该地区部分站点因洪水淹没而发生停运和雨水渗入现象，但是整体来说该工艺具有较好的抗负载性和密封性。

2023年9月至2023年11月，DS1的进水量保持相对平稳，DS2和DS3的进水量均逐渐增加。这一现象可能的原因是农村地区改厕和入户管网的不断完善，以及乡镇内部分小区的生活污水接入进水量未满负荷的污水处理站中，从而增加了进水来源及进水量。2023年12月至2024年2月，因春节返乡村落内人口数量增加，居民用水量增加从而导致污水处理站进水量增加。冬季部分居民为了保温取暖选择将暖气改成地暖，将地暖水直接排入下水管道，同时冬季农村居民为了避免管道冻结保持下水管道常流水的现象普遍存在。

2.2   集中式收集模式进水水质特征

2022年9月至2024年2月该地区农村生活污水进水水质COD在13~1283 mg·L⁻¹，88.98%的COD质量浓度小于250 mg·L⁻¹，其中占比最大的是50~100 mg·L⁻¹，为31.29%。NH₃-N质量浓度在2.09~160.20 mg·L⁻¹，89.32%的NH₃-N质量浓度小于60 mg·L⁻¹，其中占比最大的是20~40 mg·L⁻¹，为38.43%。TP质量浓度在0.105~19.59 mg·L⁻¹，88.79%的TP质量浓度小于5 mg·L⁻¹，其中占比最大的是1~2 mg·L⁻¹，为26.48%。TN质量浓度在2.44~164.30 mg·L⁻¹，88.04%的TN质量浓度小于60 mg·L⁻¹，其中占比最大的是20~40 mg·L⁻¹，为39.64%。

图2为3种设计规模污水处理站进水水质与进水量的变化规律。可以看出DS1进水量主要为0~60 m³·d⁻¹，DS2为0~160 m³·d⁻¹，DS3为0~180 m³·d⁻¹。3种设计规模存在部分用水量较长时期承载力不足的情况，但大部分情况基本满足该地区农村生活污水的排放需求。对比4种常规进水污染物指标发现其均呈现出随进水量增大质量浓度降低的变化趋势，以污水处理站数量较多的DS1和DS2为例，COD主要在0~200 mg·L⁻¹，受进水量影响，当DS1进水量小于40 m³·d⁻¹，DS2进水量小于120 m³·d⁻¹时，COD主要在0~300 mg·L⁻¹，部分情况下COD甚至可超过500 mg·L⁻¹。NH₃-N和TN在3种设计规模污水处理站中的变化规律基本一致，质量浓度主要在0~50 mg·L⁻¹。TP的变化规律受进水量影响较大，在DS1和DS2中的质量浓度主要在0~4 mg·L⁻¹，在DS3中则集中在0~3 mg·L⁻¹。

图 2  不同规模污水处理站进水水质与水量的变化规律

Figure 2.  The variation of influent water quality and quantity in different sizes wastewater treatment stations

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进水水质质量浓度变化除了受进水量的影响，还受季节和地区居民用水习惯等因素的影响。图3为3种不同设计规模污水处理站2022年9月—2024年2月进水水质质量浓度变化。可见，在DS1和DS2中4种污染物在2022年12月、2023年6月和2023年12月质量浓度最低，在2023年1月—2023年5月质量浓度有所升高，结合图1中进水量的变化可知，在DS1和DS2地区居民用水量开始减少，污染物质量浓度开始升高。在2023年7月—2023年11月，DS2污染物质量浓度逐渐上升，但DS1保持为一条直线，结合图1可知，DS1的进水量相对稳定，而DS2的进水量逐渐增加。发生这一现象的原因可能是DS2地区可能流入了新的污染源，根据走访可知，这一时期该地区村民有大规模洗红薯粉的行为，并且有部分村庄内工厂的排水混入到生活污水管道中。在DS3中4种污染物在2022年12月和2023年12月质量浓度最低，而在2023年6月最高，结合图1可知DS3地区居民在夏季用水量较少，导致进水污染物质量浓度升高。

图 3  不同规模污水处理站各月进水水质变化规律

Figure 3.  Monthly variation of influent water quality in different sizes wastewater treatment stations

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3种设计规模污水处理站污染物基本表现为冬季质量浓度高，夏季质量浓度低的变化规律。污水处理站进水水质质量浓度受进水量直接影响，而人口流动可能是影响进水量的主要原因，该农村地区村民外出打工为常态，春节务工人员返乡是引起农村生活污水水量变化的典型特征^[36]。村镇内大部分人口为老人和儿童，用水量较少，导致了夏季用水量较少，冬季用水量较多。除此之外，用水习惯也是影响进水量的主要原因，该农村地区位于我国华北平原，属于温带大陆性气候，冬季气温较低，为了避免污水收集管道冻结堵塞甚至爆裂的现象，该地区农村居民有在冬季会保持下水管道内常有水流通过的用水习惯，因此，该地区冬季用水量大于其他月份。

结合图2和图3可见，NH₃-N与TN的变化趋势和浓度基本一致。将氨氮与总氮进行线性拟合，结果见图4。发现大部分点聚集在拟合线上，其中x轴为NH₃-N质量浓度，y轴为TN质量浓度，说明农村生活污水中氮的形态主要为氨氮。

图 4  进水氨氮与总氮的特征规律

Figure 4.  Characteristics of influent water ammonia nitrogen and total nitrogen

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2.3   A³O+MBBR处理效果分析

该农村地区75座污水处理站采用A³O+MBBR污水处理工艺，是对传统A²O工艺的全面提升。由图5可见，主要工艺单元包括预脱硝池(缺氧)、厌氧池、缺氧池、好氧池(MBBR)、沉淀池和消毒池。农村生活污水通过格栅去除颗粒较大的悬浮物，进入调节池，均质后提升至A³O+MBBR一体化设备。经过预脱硝池(缺氧)反硝化作用，进入厌氧区进行生物释磷反应。在缺氧池继续反硝化后，进入好氧池利用MBBR膜的硝化菌在溶解氧的作用下使氨氮彻底硝化，同时聚磷菌完成摄磷。好氧池主要实现了剩余有机物的降解、氨氮的硝化和磷的去除。经过好氧池的含污泥混合液，进入沉淀池分离出上清液，上清液再经过投药消毒处理后达标排放。污水处理站2022年9月—2024年2月4个常规指标进出水质量浓度变化情况如图6所示。

图 5  A³O+MBBR工艺流程

Figure 5.  A³O+MBBR process flow

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图 6  不同规模污水处理站各月去除效果变化规律

Figure 6.  Monthly variation of the removal effect of different sizes wastewater treatment stations

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1) DS1的进水COD为121.35~234.32 mg·L⁻¹(均值为159.43 mg·L⁻¹)，出水COD为16.31~27.21 mg·L⁻¹(均值为22.23 mg·L⁻¹)，去除率为72.22%~87.49%(均值为78.76%)。DS2的进水COD为94.78~178.33 mg·L⁻¹(均值为141.31 mg·L⁻¹)，出水COD为18.00~27.47 mg·L⁻¹(均值为21.88 mg·L⁻¹)，去除率为72.44%~85.32%(均值为77.88%)。DS3的进水COD为77.00~154.91 mg·L⁻¹(均值为114.09 mg·L⁻¹)，出水COD为15.75~28.91 mg·L⁻¹(均值为22.04 mg·L⁻¹)，去除率为62.30%~84.29%(均值为71.55%)。结果表明，受进水质量浓度和水温影响，A³O+MBBR污水处理工艺在冬季COD的去除率较低，由于该农村地区因长期保持管道内常流水状态，进水量较大进水质量浓度较低。较低的进水质量浓度导致系统内碳源等营养物质不足，需要额外投加碳源，但是由于冬季水温较低，微生物活性降低，去除率相较于其他月份仍是比较低的水平。

2) DS1的进水NH₃-N质量浓度为30.06~61.36 mg·L⁻¹(均值为40.12 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为0.49~2.00 mg·L⁻¹(均值为1.23 mg·L⁻¹)，去除率为88.22%~98.32%(均值为94.73%)。DS2的进水NH₃-N质量浓度为24.32~43.40 mg·L⁻¹(均值为32.94 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为0.51~1.86 mg·L⁻¹(均值为1.31 mg·L⁻¹)，去除率为88.20%~98.04%(均值为94.29%)。DS3的进水NH₃-N质量浓度为19.30~36.81 mg·L⁻¹(均值为26.80 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为0.40~2.04 mg·L⁻¹(均值为1.21 mg·L⁻¹)，去除率为88.94%~97.57%(均值为93.34%)。相较于进水质量浓度变化同样较大的COD，NH₃-N的去除率基本保持在90%以上，虽然冬季略有降低，但整体去除效果相对稳定。经分析，好氧池(MBBR)中悬浮填料比表面积大，在水中自由流动可切割曝气产生的气泡，氧气充分利用，满足硝化细菌硝化所需的DO质量浓度，并且避免发生缺氧发生硝态氮转化为氨氮的过程，因此氨氮去除效果较好。

3) DS1的进水TP质量浓度为1.97~6.76 mg·L⁻¹(均值为3.17 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为0.12~0.29 mg·L⁻¹(均值为0.19 mg·L⁻¹)，去除率为77.94%~93.69%(均值为87.99%)。DS2的进水TP质量浓度为1.71~3.60 mg·L⁻¹(均值为2.65 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为0.16~0.26 mg·L⁻¹(均值为0.19 mg·L⁻¹)，去除率为84.53%~93.46%(均值为88.92%)。DS3的进水TP质量浓度为1.55~3.84 mg·L⁻¹(均值为2.54 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为0.14~0.26 mg·L⁻¹(均值为0.19 mg·L⁻¹)，去除率为77.86%~92.61%(均值为88.32%)。A³O+MBBR污水处理工艺的预脱硝池可以减少污水中的硝态氮，确保厌氧池中聚磷菌可以充分释磷，并在好氧区最大程度地摄磷。除此之外，由于冬季低温影响污水处理站按水质质量浓度配置除磷剂，以保证冬季出水水质达标排放。

4) DS1的进水TN质量浓度为32.40~61.90 mg·L⁻¹(均值为42.09 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为6.09~11.33 mg·L⁻¹(均值为9.06 mg·L⁻¹)，去除率为64.31%~78.92%(均值为71.38%)。DS2的进水TN质量浓度为27.71~44.81 mg·L⁻¹(均值为35.36 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为5.79~11.44 mg·L⁻¹(均值为9.12 mg·L⁻¹)，去除率为55.10%~80.57%(均值为66.67%)。DS3的进水TN质量浓度为18.97~38.98 mg·L⁻¹(均值为29.58 mg·L⁻¹)，出水质量浓度为6.05~11.53 mg·L⁻¹(均值为8.83 mg·L⁻¹)，去除率为51.25%~78.19%(均值为61.69%)。结合图4可知水中氮类污染物主要为氨氮，氨氮去除率较高而总氮去除率较低，说明氨氮经硝化作用转化为硝态氮，而硝态氮经反硝化转化为氮气的过程受到影响。对比COD可知，由于进水量较大COD进水质量浓度较低，碳氮比较小，水中缺少碳源，最终导致反硝化过程不充分，最终导致TN去除率较低。

综上所述，4个常规指标均稳定在该地区《农村生活污水排放标准》一级标准限值(COD≤50 mg·L⁻¹，NH₃-N≤5 mg·L⁻¹，TP≤0.5 mg·L⁻¹，TN≤15 mg·L⁻¹)以内，说明A³O+MBBR污水处理工艺可满足我国北方在冬季低温情况下，对农村生活污水中4个常规污染物的去除，且其具有较好的脱氮除磷能力。

3.   结论

1) 该农村地区居民为了避免下水管道冻结，有保持管道内常有流水通过的用水习惯，导致污水进水量在冬季(12月至2月)较大。受疫情封控、工厂复工和外出打工等原因，人口流动因素对污水处理站进水量及进水质量浓度影响占比较大。除此之外，农村地区管网收集的完善程度和工厂用水混排造成污染物质量浓度剧增和骤降的现象明显。

2) 本研究分析了水质与水量、月份和各站之间的关系，发现该农村地区进水质量浓度直接受进水水量的影响，进水量越大进水质量浓度越低，进水质量浓度最低值出现在冬季12月至1月。不同站点之间污染物质量浓度存在差异，设计规模越小进水量越小进水质量浓度越大。

3) A³O+MBBR污水处理工艺可满足我国北方农村生活污水污染物去除要求，但受进水量和低温影响COD和TN的去除效果仍有改进的空间。