河北省清水河流域農村生活污水產污特征

杜 歡， 劉春敬， 宋漫利， 高志嶺， 謝建治

(河北農業大學資源與環境科學學院/河北省農田生態環境重點實驗室，河北保定 071001)

永定河-洋河段位于海河北系，是官廳水庫流域水質改善與水污染防治的重點流域，其水質的改善將為海河流域的水質改善奠定堅實基礎。清水河屬海河流域永定河水系上游，洋河上的支流，發源于河北省張家口市崇禮縣樺皮嶺南麓，主要由東溝、中溝和西溝等3條溝組成。3溝匯合后流經河北省張家口市大境門外與元寶山西溝匯合，穿越張家口市區至清水河村西南2.5 km處注入洋河，由洋河流入官廳水庫，河道全長109 km，流域面積2 380 km2[1]。北京-張家口成功申辦的2022年冬季奧林匹克運動會雪上項目比賽場地位于崇禮縣清水河流域，這對清水河流域的水污染防治提出更高的要求，亟待明確清水河的水環境和水資源支撐能力，加強清水河流域的水污染防治和生態環境保護。隨著工業廢水和城市生活污水等點源污染得到有效控制，農村非點源污染已經取代點源污染成為水環境污染的最重要來源[2]，而造成水體污染的一項重要原因是包括農村生活污水污染在內的農村非點源污染的治理沒有跟上，另外農村生活污水造成的環境污染問題嚴重影響農民生活質量，是改善農村人居環境亟須解決的問題[3]。目前雖然國家有相關地域農村生活污水水質水量參考值，但是很多工程實踐表明，農村生活污水的治理存在大馬拉小車的現象，因此有必要對農村生活污水的產生特征進行系統調查，清楚掌握農村生活污水水質水量的基本情況，是研究和解決農村生活污水問題的一個重要環節[4]。由于缺乏清水河流域內農村生活污水污染現狀的基礎資料，很多工作不能因地制宜地開展。本試驗選擇崇禮縣距清水河東溝、中溝和西溝1 km范圍內的農戶，調查并研究該流域范圍內農村生活污水污染狀況，為治理清水河流域農村面源污染和實施分散型農村生活污水處理技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 調查時間與范圍

本調查在冬季和夏季進行，時間分別為2015年11月2日至2015年11月5日和2016年7月20日至2016年7月24日，根據河北省張家口市崇禮縣清水河流域地勢地貌和村莊分布情況選擇距清水河東溝、中溝和西溝1 km范圍內的行政村，調查地點依據在經濟水平、人口數量、年齡結構等方面具有代表性的原則抽樣選取獅子溝鄉六號村、高家營鎮下新營村和高家營村、紅旗營鄉西紅旗營村和下雙臺村、石嘴子鄉石嘴子村，分別編號為A、C、G、D、E、F，共計6個行政村，每個行政村隨機抽樣選擇5家農戶，標為1～5號，對選定的30家農戶進行農村生活污水污染現狀調查。

1.2 調查內容

對抽樣選定的30家農戶進行連續跟蹤調查，冬季持續時間為4 d，夏季持續時間為5 d，跟蹤記錄每戶每天的生活污水產生量，對1個行政村5家農戶所產生的生活污水以村為單位取混合污水樣1 000 mL，所有監測指標均在12 h內完成測定，連續監測6個村每天的生活污水水質情況。

1.3 監測項目與方法

1.3.1 生活污水產生量 為抽樣選定的30家農戶統一發放1～2個帶有刻度線的60 L塑料大桶作為生活污水收集容器，每24 h記錄1次生活污水產生量。

1.3.2 生活污水水質 共監測7項農村生活污水水質指標，分別是化學需氧量(chemical oxygen demand，簡稱COD)、溶解氧(dissolved oxygen，簡稱DO)濃度、酸堿度(pH值)以及氨態氮(ammonia nitrogen，簡稱NH3-N)、總磷(total phosphorus，簡稱TP)、總氮(total nitrogen，簡稱TN)、懸浮物(suspended solids，簡稱SS)濃度，所有監測指標均采用國家標準分析方法[5]進行測定：COD采用重鉻酸鉀法測定；NH3-N濃度采用納氏試劑分光光度法測定；TN濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；SS和DO濃度采用便攜式儀器測定；pH值采用玻璃電極法測定。

1.3.3 計算公式 對1個村1 d內生活污水中的各污染物濃度與1 d內生活污水產生量加權平均得到1個村生活污水中各污染物的日均濃度：

(1)

對6個村生活污水中的各污染物日均濃度與其日生活污水產生量均值加權平均得到清水河流域農村生活污水各污染物濃度：

(2)

農村生活污水COD、NH3-N、TN、TP的產污系數為

(3)

式中：Wp，k為農村生活污水污染物k的產污系數，g/(d·人)；Qp為污水產生量，L/(d·村)，表示每村所調查5戶的監測值；x為村莊i的人口，人/村，表示每村所調查5戶的人口。

2 結果與分析

本調查所選的六號村、下新營村、西紅旗營村、下雙臺村、石嘴子村和高家營村等6個村的飲用水來源于各村自建飲用水井，自來水普及率為100%。由于當地氣候條件、經濟水平等因素的限制以及村民生活習慣的原因，調查區域內的所有農戶均沒有水沖式廁所和淋浴設施，農戶使用的均是旱廁，因此收集的生活污水主要包括廚余廢水和洗衣廢水等灰水。76.7%的農戶受當地氣候環境和長期生活習慣的影響，1 d只吃2頓正餐，與其他地區一日三餐的習慣有明顯差異。6個村均無生活污水收集管網和處理設施，農戶的環保意識較薄弱，所有生活污水隨意潑灑至開闊地、街道路面、雨水渠或河溝等。

2.1 清水河流域農村分散生活污水水量產生特征分析

在冬季、夏季分別連續4、5 d監測6個村30家農戶每天的生活污水產生量，發現清水河流域農戶每天的人均生活污水產生量極不穩定，在冬季和夏季所有監測數據中的極值分別為1.0、38.0 L/(d·人)和1.7、33.0 L/(d·人)。對30家農戶的人均生活污水產生量監測可知，冬季每戶人均生活污水產生量4 d的平均值范圍為1.5～18.5 L/(d·人)，夏季每戶人均生活污水產生量5 d的平均值范圍為4.4～14.1 L/(d·人)，遠低于我國其他省(市)地域農村人均生活污水產生量(表1)[4，6-13]。調查發現，各個村基礎設施條件差異不明顯，每戶的人均生活污水產生量與該戶人均收入和所處的村鎮經濟水平關系不大，農戶的生活習慣、家庭成員年齡結構和節水意識是影響生活污水產生量的重要因素。如下雙臺村和六號村整體經濟條件不如高家營村和石嘴子村，農戶人均收入也較低，但是下雙臺村和六號村每戶人均生活污水產生量較高。E1號、E3號、D2號和D5號等4家農戶家中均有兒童，且家庭成員年齡結構較為年輕，在冬夏2季每戶人均生活污水產生量都相對較高。六號村A4號與該村其他4家農戶基本情況差異不大，但該戶節水意識較弱，所以人均生活污水產生量比其他4戶都高。

表1 部分省(市)農村人均生活污水產生量[4，6-13]

注：“—”表示無具體區域。

由表2可知，雖然各戶人均生活污水產生量波動較大，但是以每個村為單位核算出的人均生活污水產生量波動相對較小，其中冬季波動最大的是西紅旗營村，人均生活污水產生量的范圍為6.9～15.3 L/(d·人)，夏季波動最大的是下雙臺村，人均生活污水產生量范圍為6.5～17.4 L/(d·人)。由于清水河流域地處張家口北部，冬季氣候寒冷且持續時間長(約為5～6個月)，導致6個村冬季人均生活污水產生量整體略低于夏季，冬、夏季均值分別為7.0、8.4 L/(d·人)，就冬夏2季對6個村的調查數據均值來看差異并不大，僅為1.4 L/(d·人)，但夏季人均生活污水產生量波動更小。總體而言，清水河流域農村地處山區，氣候寒冷，經濟欠發達，基礎設施落后，加上農戶的生活習慣等因素，農村人均生活污水產生量極低，僅為7.8 L/(d·人)，遠小于華北地區農村居民人均生活污水排放量參考取值15.0～25.0 L/(d·人)(戶內有給水龍頭，無衛生設備，只收集全部灰水進入污水管網)，造成這種差異的主要原因在于生活水平、水資源的豐富程度和地區的文化差異等[14-15]。

2.2 清水河流域農村分散生活污水水質特征分析

冬、夏季分別連續4、5 d監測6個村的生活污水水質，冬季監測各村每天的COD、NH3-N濃度、TP濃度和pH值等4項指標，夏季增加了對TN、SS、DO濃度的監測，6個村的生活污水水質指標見圖1至圖6。

由圖1可知，6個村生活污水中的COD與季節變化關系不大，冬夏季沒有明顯差異，并沒有因為夏季生活污水產生量較高而導致COD整體較低，每個村每天生活污水中的COD均有不同程度的波動變化，六號村、下新營村、西紅旗營村、下雙臺村、石嘴子村、 高家營村等6個村生活污水中的COD分別為760～1 465、392～2 320、392～3 600、588～2 000、640～1 805、710～1 960 mg/L。各村生活污水中的COD日均值分別是六號村910.5 mg/L、下新營村1 115.9 mg/L、西紅旗營村1 487.4 mg/L、下雙臺村 1 031.8 mg/L、石嘴子村 1 122.5 mg/L、高家營村 1 235.7 mg/L。對6個村生活污水中的COD日均值與其日生活污水產生量均值加權平均求得清水河流域農村生活污水的COD為1 157.8 mg/L，可見無論是各村的最大COD還是平均值，都遠高于華北地區農村居民生活污水水質COD參考取值200～450 mg/L，與巢湖流域和滇池流域農村生活污水的COD相當[14，16]。

表2 6個村人均生活污水產生量

由圖2可知，六號村、下新營村、西紅旗營村、下雙臺村、石嘴子村、高家營村等6個村的生活污水NH3-N濃度分別為2.3～30.2、5.3～33.2、3.5～32.6、6.0～46.5、4.4～34.6、1.0～31.3 mg/L，各村生活污水中的NH3-N濃度日均值分別是六號村14.2 mg/L、下新營村10.8 mg/L、西紅旗營村 11.6 mg/L、下雙臺村18.1 mg/L、石嘴子村16.7 mg/L、高家營村11.0 mg/L，其中經濟條件較差的下雙臺村無論是最大濃度還是日均值都是6個村中最高的，其次是經濟條件較好的石嘴子村，可見生活污水中的NH3-N濃度與經濟條件無關。對6個村生活污水中的NH3-N濃度日均值與其日生活污水產生量均值加權平均求得清水河流域農村生活污水中的NH3-N濃度為14.0 mg/L，該值與城鎮生活污水中的NH3-N濃度相當，較華北地區農村居民生活污水水質NH3-N參考取值20～90 mg/L略低。

由圖3可知，六號村、下新營村、西紅旗營村、下雙臺村、石嘴子村、高家營村等6個村的生活污水TP濃度分別為 2.5～9.4、0.6～13.3、1.8～19.5、2.5～9.5、2.7～18.4、0.5～6.5 mg/L，各村生活污水TP濃度日均值分別是六號村 4.7 mg/L、下新營村5.0 mg/L、西紅旗營村7.0 mg/L、下雙臺村4.9 mg/L、石嘴子村6.9 mg/L、高家營村3.1 mg/L，其中經濟水平較好的下新營村、西紅旗營村、石嘴子村無論是最大TP濃度還是日均值都較大，與這3個村經濟水平較好的農戶洗滌劑用量較大有關。對6個村生活污水中的TP濃度日均值與其日生活污水產生量均值加權平均求得清水河流域農村生活污水中的TP濃度為5.4 mg/L，在華北地區農村居民生活污水水質TP濃度參考取值2.0～6.5 mg/L的范圍內。

由圖4至圖6可知，6個村生活污水中的TN、SS、DO濃度范圍分別是3.0～92.0、333.0～1300.0、0.1～3.9 mg/L。各村生活污水中的TN、SS、DO濃度日均值見表3，可見雖然TN濃度有一定波動，但都在合理范圍內，對6個村生活污水中的TN濃度日均值與其日生活污水產生量均值加權平均求得清水河流域農村生活污水中的TN濃度為34.4 mg/L；6個村生活污水中的SS濃度不僅變化范圍較大，而且日均值也非常高，對6個村生活污水中的SS濃度日均值與其日生活污水產生量均值加權平均求得清水河流域農村生活污水中的SS濃度為697.6 mg/L，遠高于華北地區農村居民生活污水水質SS濃度參考取值100～200 mg/L；除六號村和下新營村生活污水中的DO濃度較穩定外，其他4個村生活污水中的DO濃度都很低，對6個村生活污水中的DO濃度日均值與其日生活污水產生量均值加權平均求得清水河流域農村生活污水中的DO濃度為1.4 mg/L，約為城鎮生活污水中DO濃度的40%～50%。6個村生活污水的pH值為5.24～7.45，除極大值7.45外，其他所有監測值均低于7.00，均值為6.14，可見清水河流域農村生活污水整體呈酸性，這主要是由污水中SS濃度較高，同時DO濃度較低，導致微生物厭氧發酵產生酸性物質所造成的。

2.3 清水河流域農村分散生活污水產污系數

根據《第一次全國污染源普查技術規定》，在一定自然環境區域和一定經濟收入水平下，每人每天正常生活所產生污染物的量即為農村生活污染物產污系數[17]。清水河流域抽樣選定的6個村的生活污水中COD、NH3-N、TN、TP產污系數見表4，其中西紅旗營村和下雙臺村人均污水產生量和產污系數均較高，2村在地理位置上均屬于中溝，且經濟水平差異較大，可見生活污水產污系數受經濟水平的影響不大，主要受生活習慣和節水意識等因素的影響。

表3 6個村生活污水污染物日均濃度

表4 6個村生活污水產污系數

清水河流域農村生活污水人均日產生量和各污染物產污系數的平均值均遠小于南方發達地區的農村，與華北平原地區農村相比，除COD略高外，其他3項指標均較低[6，17]，如太湖流域農村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產污系數分別為24.13、4.39、6.49、0.53 g/(d·人)，華北平原地區農村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產污系數分別為7.87、0.58、1.31、0.07 g/(d·人)，造成該現象的原因是清水河流域農村地處寒冷山區，在生活習慣、氣候條件和經濟水平等方面與南方和華北平原地區有較大差異。

對清水河流域農村生活污水水質水量及產污系數的測算研究最終是為了確定農村生活污水對環境的影響程度，為清水河流域水環境保護和實施分散型農村生活污水處理技術提供基礎數據。調查發現，該流域范圍內農村生活污水大部分是通過地表或地下徑流等方式進入清水河的，而生活污水排放對環境的影響在自然環境中有一定的衰減[18]，本試驗測算的農村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產污系數是指入河污染物產生源未經自然環境要素衰減的凈排放，若要更加精確測算該流域內農村生活污水污染物入河量，還須要擴大調查范圍，增加調查樣本，延長調查時間，對影響污染物在環境中削減的要素進行系統定量研究。

3 結論

通過對清水河流域農村生活污水產污特征監測和抽樣調查研究，得出以下結論：

清水河流域農村生活污水人均產生量為7.0～8.4 L/(d·人)，遠低于其他地區，其值的高低與生活習慣、家庭成員年齡結構和節水意識等有關，與經濟水平關系不大，季節差異不明顯。

清水河流域農村生活污水中的COD、SS濃度分別為 1 157.8、697.6 mg/L，均高于其他地區農村生活污水；而DO濃度僅為1.4 mg/L，NH3-N濃度為14.0 mg/L，TN濃度為34.4 mg/L，TP濃度為5.4 mg/L，pH值為6.14，與其他地區農村生活污水相當[6-13]。對該流域內農村生活污水處理工藝的選擇除應遵循低投資、小規模、耐低溫等原則外，也應充分考慮極高的COD、SS濃度。

清水河流域農村生活污水COD、NH3-N、TN、TP產污系數分別為9.038、0.108、0.263、0.042 g/(d·人)，該產污系數可為評估清水河流域內農村生活污水對清水河水環境的影響以及評估華北山區農村生活污水對環境的影響提供一定的數據支持。

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