膠州市村鎮污水處理系統構建方案研究

吳艾歡，楊婷婷，呂 謀，王潤致，曹偉奎

(青島理工大學 環境與市政工程學院，山東 青島 266033)

在如此快速的城市化進程中，如何提高村鎮的污水處理水平，特別是農村的污水處理水平，已經成為了一個關鍵性的問題。相比城市生活污水處理而言，農村的污水處理問題更加嚴峻[1]。由于農村污水的空間上的分散性和時間上的變化性，使得城市污水處理模式應用于農村的成本過高，這個問題同樣存在于發達國家[2]。美國對污水處理的處理模式劃分了四個等級，如圖1所示，主要分為原位處理、集群處理、社區集中處理以及地區集中處理，分別對應于散戶、農村、小城鎮和城市規模的污水[3]。從處理規模上看，美國的分散污水處理主要對應于我國污水處理系統中的散戶和農村這兩個級別的污水處理。

圖1 美國污水處理模式劃分Fig.1 Sewage treatment model in USA

針對我國的具體情況，村鎮污水系統的構建按照行政區劃來分，可分為4個層級：市區污水處理系統、鄉鎮污水處理系統、農村污水處理系統以及散戶污水處理系統；按照處理模式來分，則有五種處理模式：城市污水處理模式、區域集中污水處理模式、區域小集中污水處理模式、分散型污水處理模式以及原位污水處理模式。

1 膠州市水環境概況

膠州市地處黃海之濱、膠州灣畔，東經119°37′至126°12′、北緯36°至36°30′，是山東半島聯結內陸其他各省的重要交通樞紐，2016年GDP生產總值1 035.9 億元。膠州市水資源十分貧乏，總量僅有2.262 億m3，人均占有水資源量約302 m3，僅占全國人均水量的1/8，相當于世界人均水量的1/32。水資源的缺乏已經成為膠州市產業集聚及社會經濟發展的障礙。

1.1 生活污水排放現狀

我國農村人口基數大，污水排放量和污染物產生量很大，但目前我國農村污水收集和處理率還處于較低水平[4]。以2015年膠州市人口統計數據為基礎，計算得膠州市11個鄉鎮城鎮生活污水年排放量235.77 萬t，生活污水日排放量6 459.45 t；11個鄉鎮農村生活污水年排放量881.01 萬t，生活污水日排放量24 137.21 t。膠州市人口較多，生活污水產生量上升趨勢較快。

1.2 工業廢水排放現狀

根據2015年水資源公報中膠州市工業用水量統計數據為基礎，計算各鄉鎮工業廢水排放量。2015年，城區內工業供水量為682 萬t，耗水率為22%，因此工業廢水折污系數取0.78。根據2015年環統工業數據，103家企業廢水總排放量為3 405 943 t。膠州市工業發展速度較快，工業廢水量和污染物總量很大。

2 方案構建

科學合理有效地進行村鎮污水系統規劃是成功改善村鎮水環境的關鍵[5]。目前對于村鎮級污水處理系統的構建尚未有固定的模式，是區域集中建設大規模污水處理廠，還是分區建設不同規模的小型污水處理廠，各地說法不一、爭議較大，關鍵是要因地制宜，選擇本地實際情況的方案[6-9]。農村生活污水有城市污水所不具備的特點：空間分布上較為分散，污水收集面廣；時間上水量變化大，排放不均勻；水量增長速度快；污染物濃度低、可生化性好[10]。根據膠州市的環境特點，目前有以下3種方案：大集中方案、區域整合方案和以行政區劃為界的各鄉鎮獨立建廠方案[11]，下面就3種方案各自的特征及優缺點進行比較與探討。

2.1 方案構建思路

2.1.1 大集中式方案

大集中式的整體思路是通過建設提升泵站、構建較大的管網系統，實現幾個區域的大集中，而單個鄉鎮少建或者不建污水處理廠，避免規模較小的污水處理廠出現負荷率不足、造成資源的浪費[12]，大集中式方案思路見圖2。

圖2 大集中式方案思路圖Fig.2 Large centralized plan

2.1.2 區域整合方案

本構建方案在思路上謂之“集中之中有分散，分散之中有集中”，即在劃分大的排水流域之后，根據高程、鎮駐地和工業園的分布進行進一步劃分，整體上以分散為主，局部進行整合和集中[13]。處理深度與局部地區的具體情況密切相關，當該地區水環境敏感、排放要求高，或者水資源較為匱乏，則對污水進行深度處理，最后循環利用；當該地區水環境對排放沒有嚴格限制，或者水資源較為豐富，則進行適度處理后達標排放，區域整合方案思路見圖3。

圖3 區域整合方案思路圖Fig.3 Regional integration plan

2.1.3 各鎮獨立建設方案

該構建方案在思路上以鄉鎮為單位，以行政區劃為界線，對污水處理設施的服務范圍進行劃分。該方案不以流域與整體地勢為考慮因素，主要關注鎮駐地、農村和工業園的分布，污水處理深度與再生水是否回用視該地區的具體情況與需求而定，各鎮獨立建設方案思路見圖4。

圖4 各鎮獨立建設方案思路圖Fig.4 Independent towns construction plan

2.2 方案構建目標

大集中方案沿用了一貫的污水處理思路，以達標排放為最終目標；區域整合方案在部分地區提高處理深度，進行污水再生利用，以全面處理鄉鎮與農村污水、改善水環境、促進膠州市整體水資源系統健康循環為最終目標；鄉鎮獨立建設方案以全面處理本鎮與周圍農村污水、改善各鎮水環境、促進各鎮水資源循環為最終目標。

3 方案實施措施

3.1 大集中方案

大集中方案通過設立泵站，將污水收集匯入現有已建或正在建設當中的污水處理廠，管網大幅度跨越各鄉鎮，形成相對集中的布局模式，如圖5所示。

圖5 大集中方案污水處理廠和管網布局圖Fig.5 Sewage treatment plant and pipe network layout of large centralized plan

3.2 區域整合方案

區域整合方案是在現有已經運行的4個污水處理廠的基礎上，增設7個鄉鎮級污水處理廠，根據水系流域和實際情況進行選址布局，在水資源匱乏地區提高污水處理深度，以達到循環利用的目的。在膠州市6個自然排水流域劃分的基礎上，根據各鎮地形地勢、河流分布以及村莊分布特點，對六大系統做進一步細分，部分鄉鎮適度進行集約化，采取區域集中模式。

這樣就使得污水處理按照小流域形成了相對分散的布局模式，如圖6所示。

圖6 區域整合方案污水處理廠布局圖Fig.6 Sewage treatment plant layout of regional integration plan

3.3 鄉鎮獨立建設方案

鄉鎮獨立建設方案是在現有4個污水處理廠的基礎上，新建7座污水處理廠，即按照行政區劃每個鄉鎮都有一座服務各自鄉鎮的污水處理廠，鄉鎮按照自己的實際情況獨立進行選址、處理各自的生活污水與工業廢水。如圖7所示。

圖7 各鎮獨立建設方案污水處理廠布局圖Fig.7 Sewage treatment plant layout of independent towns construction plan

4 方案比選

4.1 優劣分析

4.1.1 大集中方案

優點：整合方案按照統一收集、集中處理、達標排放的構建思路，對鄉鎮污水處理系統進行了整合，可以有效減少鎮域污水處理廠數量，增強污水收集能力，防止大多數污水處理系統因污水量達不到設計處理能力而造成的資源浪費。

缺點：管網建設與泵站運輸污水的運行費用較高；未考慮再生水的循環利用。整合方案規劃的大型的集中式污水處理廠多數在流域下游或者入海口附近，經處理后的尾水經長距離的管道運輸后最終排放至膠州灣，沒有對本區域的用水和水環境形成補充，因此不能解決膠州市目前水資源的短缺問題。

4.1.2 區域整合方案

優點：方案對城市與鄉村進行了統籌規劃，減少了對大型管道的需求，提高了污水處理深度，實現再生水回用，一方面可以作為市政用水及工業低質用水，遠期可作為河流和湖泊的生態補充水，促進膠州市水資源的健康循環和可持續發展。

缺點：污水處理廠數量較多，水廠建設費用相對較高。

4.1.3 鄉鎮獨立建設方案

優點：減少大型管道和泵站建設需求；有利于本鄉鎮遠期社區和規模較大的農村的集中式收集處理。

缺點：只關注行政區劃，沒有考慮流域特征，不利于水環境污染的綜合治理，規模效益??；在目前膠州水資源嚴重不足的情況下，應該改變傳統的污水處理系統構建的方法，以提高水環境質量為目標進行污水深度處理和循環再利用。

4.2 成本效益分析

在對村鎮污水處理系統方案構建時，應考慮到當地的水資源現狀與水環境容量，對社會效益、環境效益和經濟效益進行分析后確定污水處理系統的具體實施方案[14]。

4.2.1 社會效益

大集中式方案主要考慮了各村鎮鎮駐地和工業園的廢水處理；區域整合方案對膠州市污水處理系統分層級、分階段進行構建，除了鎮駐地和工業園區外，還考慮到了社區及農村的分散型污水處理。

對于膠州市目前的形勢，部分區域污水的深度處理和回用迫在眉睫。例如對于躍進河-如意湖的治理，由于躍進河河道較短，水量較小，基本沒有天然徑流，該段水系污染嚴重，水質為劣Ⅴ類，要改善躍進河-如意湖的水環境狀況，一方面要對躍進河兩岸進行截污納管，另一方面要補充躍進河水資源量，加強其生態修復，提高其環境容量與抗沖擊負荷能力。因此在九龍鎮設立污水處理廠，對其執行的排放標準要求適度超前，即高于一級A的標準，污水經過深度處理后通過泵站注入躍進河上游，從而在改善躍進河水質的同時，增加其水量，在近期達到恢復躍進河生態環境的目的。

根據膠州市總體規劃，膠州市將形成“三區兩帶”大環境綠化體系，其中艾山生態綠化區位于洋河鎮中部，地勢起伏多變，且村落較為分散，其生活污水的治理直接影響了該區域生態環境的保護，而洋河、大沽河既是膠州市的重要水源，也承擔了洋河鎮、膠萊鎮、李哥莊鎮農業灌溉、航運等任務，枯水年供水較為緊張。膠州市是全國缺水城市，“引黃濟青”等跨流域調水工程并不能真正地從根本上解決水資源短缺的問題，而提高水資源利用率、促進污水深度處理循環利用才是解決水資源短缺的權宜之計[15]。

4.2.2 環境效益

膠州市膠萊鎮、膠西鎮、鋪集鎮、李哥莊鎮河網較為密布，但大部分為雨源型河流，基流量小，特別是李哥莊鎮，地區經濟相對發達，人口密度大，保證河流的充水度可大幅提高生態環境質量，增加物種多樣性。區域整合方案將污水廠分散布置在河流的中游，部分污水廠采用深度處理方案，對處理后的污水進行循環利用，可對深度處理后的污水進行河道生態補水，改善水環境質量。大集中式方案是在流域下游(入?？?設置污水廠，這種設置方式可以減少污水廠對河流水質的影響，但目前膠州市大部分河流屬于季節性河流，干旱期處于缺水狀態，環境容量較小，即便是將污水進行二級處理后再排河，不進行深度處理，也不利于膠州市水環境的水質改善；而將污水作為廢物處理后最終排入大海，不利于膠州市整個水環境的大循環，不符合環境保護規劃目標。

4.2.3 經濟效益

在經濟成本分析中，管網造價按照定額2 600 元/m統一計算，泵站運行費用按照400 元/d計算。就運行成本而言，大集中式方案可節省人工費用，但由于膠州市整體地勢較為平坦，污水的長距離輸水在平原地區需要依靠多級泵站進行提升，大集中式方案還需要進行尾水深海排放，這就使得運行管理維護費用大大增加。表1顯示了3種方案污水處理設施和管網投資與運行費用比較。

由表2可知，區域整合方案的基建總費用最低，其中泵站建設和運行費用最低，管網建設費用適中，但水廠運行費用相對較高；各鄉鎮獨立建廠的方案管網造價最低，但是由于該方案只考慮了行政區劃，忽略了河流和地勢，如果要與區域整合方案一樣收集相同量的廢水，就需要建設較多的泵站；大集中方案的水廠建設費用和運行費用最少，但是管網和泵站的建設費用較高，因此導致其總建設費用較高，處理污水量相對其他兩個方案偏高的原因是大集中方案收集的農村污水未考慮其排放特性，實際上此數值應該比預測值低。各個方案十年運行基建總費用分別為：各鄉鎮獨立54 531.2萬元、區域整合54 476.8 萬元、大集中51 369.6 萬元。

4.3 方案選定

區域整合方案在社會效益和環境效益上相較大集中式方案以及鄉鎮獨立建設方案具有顯著優勢。但單從經濟效益上來說，區域整合方案運行費用相較其他兩種方案要高，需要的管理人才也更多，分析各方案十年運行基建總費用發現各個方案遠期投資相差不大。膠州市經濟發展水平較快，廢水排放量逐年上升速度越來越大，在人口增長速度加快和工業進程增長的大環境下膠州市污染物排放總量和上升趨勢相較我國其他縣級市要大許多。研究表明隨著污水處理系統處理規模的增大，污水處理廠的建設成本和運營成本呈現出“規模經濟”效應，而管網建設成本則呈現出“規模不經濟”效應[16]。根據對膠州市污水量的分析，區域整合方案的各個區域在污水處理量上已經可以達到相應規模。膠州市目前的水環境現狀已經制約其經濟發展，鑒于膠州市實際的發展情況、水環境現狀和總體規劃，推薦區域整合方案為實施方案。膠州市村鎮污水處理系統構建方案布局見圖8。

圖8 膠州市村鎮污水處理系統構建方案布局圖Fig.8 Urban and rural sewage treatment system construction plan layout in Jiaozhou

5 結 論

本文以膠州市為例，提出了3種村鎮污水處理系統構建方案，分別代表了污水系統構建的不同規劃理念：大集中式方案是將整個城鎮污水進行收集后在水系的最下游建污水處理廠進行集中的回收和處理，是一種傳統的污水處理達標排放的污水系統規劃方式；而區域整合方案是將城鎮的污水按照小流域相對分散地進行收集和處理，并且在部分地區提高污水廠處理深度使處理后的污水進行循環利用，這是一種增加區域水資源，改善水環境容量的新型污水處理系統構建方案；鄉鎮獨立建設方案是根據各鄉鎮的行政區劃各自投建污水處理系統，這種方案便于各鄉鎮自行管理，雖然也是分區域分散處理污水，但是不利于整個水環境系統的規劃，是一種較為機械的村鎮污水系統構建方案。

建設村鎮污水處理工程，完善各層級排水系統，構建科學合理的污水處理設施運行管理機制，提高村鎮和各工業園區的污水處理率和出水水質，實現水資源的循環利用，是目前城市減輕水環境污染現狀、解決供水用水矛盾的必要途徑，也是優化城市產業格局、促進經濟、社會、環境和諧發展的關鍵任務。

在進行村鎮污水處理系統構建方案研究時，應根據實際情況，從社會效益、環境效益和經濟效益3個方面出發，因地制宜地選擇合適的構建方案，做到城鄉統籌和區域協調，在立足于現狀的情況下根據經濟發展水平適度超前。隨著我國經濟的發展，特別是農村經濟水平的進一步提高，老舊的污水系統構建規劃理念已經不再適用于我國的可持續發展理念。而采用以污水的再生利用、改善水環境質量為目標的新型污水系統構建規劃理念已經成為了解決部分地區水源短缺和水環境惡化的新方法。本文對膠州市村鎮污水處理系統構建方案進行研究，為其他地區污水處理系統構建提供了借鑒。

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