農村生活污水處理設施優先控制區域識別與監管策略

王 敏,許 楓,宋小燕,劉 銳,張永明,陳呂軍,4**

農村生活污水處理設施優先控制區域識別與監管策略

王 敏1,2,許 楓3,宋小燕2*,劉 銳2,張永明1,陳呂軍2,4**

(1.上海師范大學環境與地理科學學院,上海 200234；2.浙江清華長三角研究院生態環境研究所,浙江省水質科學與技術重點實驗室,浙江 嘉興 314006；3.嘉興市住房和城鄉建設局,嘉興 314006；4.清華大學環境學院,北京 100084)

選取嘉興市秀洲區和海寧市為研究對象,以鄉鎮區劃為研究單元,采用綜合源強估算法和GIS軟件,對處理設施的氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)排放強度進行定量估算和空間分析.結果表明,秀洲區處理設施的NH3-N和COD排放強度高于海寧市,而TP排放強度與海寧市差不多.秀洲區內,洪合鎮各污染物的排放強度均最高;海寧市內,鹽官鎮NH3-N排放強度最高,許村鎮TP和COD排放強度最高.采用因子分析法和加權指數法計算排污權重,再結合生態敏感性評價和環境功能區劃,篩選出運維和監管優先控制區.秀洲區內,洪合鎮、王江涇鎮、油車港鎮被劃分為優先控制區,該優先控制區內處理設施數量占比27.87%,排污權重占比72.42%,通過重點監管17.66%的設施,可監管秀洲區59.98%的污染物排放.海寧市內,長安鎮、許村鎮、海洲街道、鹽官鎮、袁花鎮被劃分為優先控制區,該優先控制區內設施數量占比69.10%,排污權重占比71.23%,通過重點監管16.85%的設施,可監管海寧市43.54%的污染物排放.研究結果可為提高設施的運維監管效率提供技術支撐.

農村生活污水處理設施；排放強度；生態敏感性評價；優先控制；運維監管

嘉興市位于杭嘉湖平原河網下游,來水水質差,人口密度高,內源污染物排放量大;地勢低洼,河水流動緩慢,水體自凈能力差.2017年,全市130個地表水監測斷面,水質達到地表水I~III類標準的僅占9.3%,IV類占85.3%,V類占3.1%,劣V類占2.3%[1],與“水十條”提出的III類水體為主的目標差距很大.嘉興市農村人口約占全市人口總數的37%,農村生活污水排放量約20萬t/d,占全市污水排放總量的19%.目前,全市工業廢水和城市生活污水基本通過污水管網收集后,進入大型污水廠集中處理,尾水排海,排入內河的水量很少,要進一步提升內河水質,處理好農村生活污水至關重要.嘉興市“十二五”期間已建成了數千座農村生活污水處理設施,“十三五”期間如何對已建成的農村生活污水處理設施進行高效運維監管成為迫切需要解決的問題.有必要研究制定高效經濟的監管策略,通過抽查少數的處理設施,最大限度地監管污染物排放.農村生活污水處理設施的優先控制區識別可為上述監管策略的制定提供技術支撐.

優先控制區的識別迄今為止經歷了從定性研究到定量研究的轉變,其中,對污染物定量核算是評估污染現狀、識別優先控制區的關鍵.國外常采用ANSWER、AGNPS、SWAT等數學模型對污染物進行定量核算[2-4],但上述模型所采用的經驗公式和參數與我國實際情況相差較大,適用性較差.以綜合調查為基礎的綜合源強系數法逐漸受到重視,廣泛應用于污染物的定量核算,并與研究區域的生態敏感性相結合,進行優先控制區識別.周亮等[5]對淮河流域研究發現,沙河、潁河、北汝河、賈魯河以及清潩河等子流域為淮河流域農業非點源污染的敏感區和優先控制區.盧少勇等[6]對洞庭湖區域研究發現,桃源縣、漢壽、澧縣、鼎城、南縣、安化、華容、平江是農業非點源污染的優先控制區.我國對優先控制區的識別多集中在農業非點源污染方面,而針對農村生活污水處理設施進行污染控制區域識別和監管策略的研究還未見報道.

本研究選取嘉興市秀洲區和海寧市為研究對象,以鄉鎮區劃為研究單元,采用綜合源強估算法核算農村生活污水處理設施的氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)排放量和排放強度.采用因子分析法和加權指數法,確定排污權重;通過聚類分析,劃分排污區;結合生態敏感性評價和環境功能區劃,識別出秀洲區和海寧市農村生活污水處理設施的優先控制區.最后,綜合分析比較優先控制區內不同處理規模設施的排污權重和數量,提出各區(市)內處理設施的高效經濟的運維監管策略.研究結果有助于在有限人力物力情況下鎖定工作重點,提高對農村生活污水處理設施的運維監管效率,促使農村污水處理設施最大限度發揮污染物削減作用.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

秀洲區位于嘉興市中北部,總面積為520.2km2,下轄5鎮2街道,農村人口20.5萬,占總人口的60.0%.海寧市位于嘉興市南部,總面積731.2km2,下轄8鎮4街道,農村人口26.6萬,占總人口的39.5%.截止2017年末,嘉興市秀洲區和海寧市納入建設部門監管的集中式污水處理終端(規模≥5t/d)分別為470,178座,占嘉興市已監管處理設施總數的21.9%和8.3%;累計處理規模占嘉興市已監管設施總處理規模的31.4%和11.4%;累計受益戶數占嘉興市已監管設施總受益戶數的30.9%和18.2%.

1.2 農村生活污水處理設施污染排放強度核算

本研究以秀洲區和海寧市各鎮(街道)為研究單元,利用綜合源強估算法[7-10],根據式(1)~(3)估算各研究單元農村生活污水處理設施的污染物排放系數、排放量、排放強度.利用因子分析法[11-13]和加權指數法,確定各研究單元排污權重.

式中:p為農村居民生活污水中污染物(NH3-N、TP、COD)的排放系數,g/(d·人);P為農村居民生活污水中污染物年排放量,t/a;P為農村生活污水年排放強度,t/(km2·a);p為農村居民人均用水量, L/ (d·人);為各研究單元設施的污染物排放濃度, mg/ L;Q為污水利用量,L/(d·人);為各研究單元實際受益人數,人;為各研究單元面積,km2.

本研究通過水質實測獲得.按照空間連續性、季節一致性、規模全面性原則,2018年5~6月在秀洲區和海寧市各隨機抽檢近30%處理設施共計出水181組,依據《浙江農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB33/973 2015)[14]選擇NH3-N、TP、COD為水質評價參數,根據國家標準方法[15]測試出水濃度,取各研究單元所調研設施NH3-N、TP、COD濃度平均值為各研究單元農村生活污水處理設施的污染物排放濃度.p參考《2017年浙江省水資源公報》[16],采用數值120.54L/(d·人).嘉興市已全域實現城鄉一體化供水,而農村生活污水重復利用情況較少,n取值0L/(d·人).參考嘉興市住房與城鄉建設局提供的嘉興市農村生活污水處理設施基礎信息庫;參考《秀洲區統計年鑒2017》[17]、《2017年秀洲區國民經濟和社會發展統計公報》[18]、《海寧市統計年鑒2017》[19]和《2017年海寧市國民經濟和社會發展統計公報》[20].

1.3 農村生活污水處理設施污染生態敏感性評價

各研究單元農村生活污水處理設施污染的生態敏感性主要用于反映地表水環境對農村生活污水處理設施污染物排放的敏感程度[21].按照敏感性從大到小,一般可分為極度敏感區、高度敏感區、中度敏感區、輕度敏感區和不敏感區[22](根據實際情況可適當增減).本研究分別以秀洲區和海寧市各鎮(街道)為研究單元,綜合采用單因子水質指數法[23-24]、內梅羅綜合指數法[25-29],根據式(4)和(5)分別估算單因子水質指數和內梅羅綜合指數.以各研究單元農村生活污水處理設施污染物(NH3-N、TP、COD)的單因子水質指數和內梅羅綜合指數為變量,進行聚類分析[30-32],并進行生態敏感性分級評價.

式中:為單因子水質指數,無量綱;W為污染物的環境質量標準,mg/L.與式(1)為同一數據來源;W參考文獻[33]中的Ⅲ類標準.<1,表明不存在污染風險或污染風險小;>1,表明存在污染風險.因此,單因子水質指數越大,污染程度越嚴重.

式中:為內梅羅綜合指數,max為單因子水質指數的最大值,ave為單因子水質指數的平均值.

1.4 優先控制區的識別

本研究秉持農村生活污水處理設施污染定性與定量分析相結合的原則,基于各研究單元農村生活污水處理設施污染排放強度核算和排污權重聚類分析,識別出重度排污區、中度排污區、一般排污區和輕度排污區(根據實際情況可適當增減).同時綜合考慮生態敏感性評價結果和環境功能區劃,將重度排污區、中度排污區、一般排污區中含有高中度敏感區或者自然生態紅線區的研究單元識別為優先控制區,否則為重點控制區,而輕度排污區識別為一般控制區.具體識別方法如圖1所示.

圖1 農村生活污水處理設施優先控制區識別

2 結果與分析

2.1 農村生活污水處理設施的建設現狀

秀洲海寧農村污水設施的工藝和規模如圖2所示.秀洲區已運維監管的470座設施,分布于王江涇鎮47座、王店鎮190座、油車港鎮39座、洪合鎮46座、新塍鎮148座.主要處理工藝為厭氧-缺氧-好氧(AAO)工藝和AAO與人工濕地的組合工藝,分別占處理設施總數的97.66%和1.70%,此外,有少量膜生物反應器(MBR)工藝.主要處理規模為5~20t/d(含5t/d不含20t/d,下同),占處理設施總數的63.19%;其次分別為50t/d及以上、20~30t/d、30~50t/d,分別占15.96%、11.70%、9.15%.

“”為污水處理設施規模,t/d,下同

海寧市已運維監管的178座設施,分布于硤石街道7座、海洲街道7座、馬橋街道24座、許村鎮42座、長安鎮19座、周王廟鎮5座、丁橋鎮8座、斜橋鎮8座、黃灣鎮3座、鹽官鎮24座、袁花鎮31座.主要處理工藝為AAO工藝和生物濾池(BFP)工藝,分別占處理設施總數的78.65%和19.10%,少量涉及復合生物濾池及復合生物濾池與人工濕地的組合工藝.主要處理規模為5~20t/d,占處理設施總數的47.75%,其次為30~50t/d、50t/d及以上、20~30t/d,分別占25.84%、15.73%、10.67%.

2.2 農村生活污水處理設施的污染物排放強度分析

如圖3所示,秀洲區農村生活污水處理設施的NH3-N、TP、COD總排放強度分別為0.54,0.06,1.32t/ (km2×a);而海寧市分別為0.40,0.06,0.63t/(km2×a).總體上看,秀洲區處理設施的NH3-N和COD排放強度明顯高于海寧市,而TP排放強度與海寧市相當.

秀洲區內,洪合鎮處理設施的NH3-N、TP、COD排放強度均最大,為0.24,0.02,0.49t/(km2×a),分別占秀洲區總排放強度的44.44%、33.33%、37.12%.而海寧市內,鹽官鎮處理設施的NH3-N排放強度最大,為0.15t/(km2×a),占海寧市NH3-N總排放強度的37.50%;許村鎮處理設施的TP、COD排放強度均最大,為0.02,0.20t/(km2×a),分別占海寧市TP、COD排放強度的33.33%、31.75%.

2.3 農村生活污水處理設施的優先控制區域識別

如表1所示,秀洲區內,洪合鎮的排污權重最大,為37.96%;其次是王江涇鎮、王店鎮、油車港鎮,分別為18.58%、17.05%和15.89%;新塍鎮排污權重最小,為10.52%.海寧市內,許村鎮排污權重最大,為27.69%;其次是鹽官鎮、海洲街道、馬橋街道,分別為16.51%、10.95%和10.63%;其它研究單元排污權重均低于10%,其中黃灣鎮排污權重最小,僅為1.41%.

以各研究單元農村生活污水處理設施的排污權重為變量,通過聚類分析,把秀洲區劃分為重度排污區(洪合鎮),中度排污區(王江涇鎮、王店鎮、油車港鎮),一般排污區(新塍鎮);海寧市劃分為重度排污區(許村鎮),中度排污區(鹽官鎮),一般排污區(海洲街道、馬橋街道、袁花鎮、長安鎮);輕度排污區(丁橋鎮、硤石街道、周王廟鎮、斜橋鎮、黃灣鎮).

同時,聚類分析各研究單元農村生活污水處理設施污染物的單因子水質指數和內梅羅綜合指數,把秀洲區和海寧市各研究單元的生態敏感性均劃分為三級(表2).

表1 各研究單元農村生活污水處理設施的排污權重排名

表2 各研究單元的生態敏感性分區

Table 2 The ecological sensitivity partition of each research unit

根據《嘉興市區環境功能區劃》和《海寧市環境功能區劃》,秀洲區王江涇鎮、油車港鎮和海寧市許村鎮、長安鎮含有自然生態紅線區.按照優先控制區劃分原則,綜合考慮排污分區結果、生態敏感性評價結果和環境功能區劃情況,秀洲區內優先控制區為洪合鎮、王江涇鎮、油車港鎮這3個鎮(街道),優先控制區內農村生活污水處理設施有131座,占秀洲區處理設施總數的27.87%,排污權重占72.42%;而海寧市為長安鎮、許村鎮、海洲街道、鹽官鎮、袁花鎮這5個鎮(街道),有農村生活污水處理設施123座,占海寧市處理設施總數的69.10%,排污權重占71.23%(圖4).秀洲區和海寧市優先控制區內設施數量占比少,而排污權重占比高,實地調研發現,秀洲區洪合鎮和海寧市許村鎮兩鎮外來人口數量非常多,設施處理負荷普遍較高,分析是兩鎮農村生活污水處理設施排污權重較高的原因,需要加大監管力度,進一步探究原因,間接也說明本論文的優先控制區識別方法具備相當程度的適用性.

2.4 優先控制區內農村生活污水處理設施的監管策略

在優先控制區內,農村生活污水處理設施呈現不同的規模類型和工藝類型,需要對處理設施進行進一步監管分級.由于優先控制區內AAO工藝類型的設施占比高達90%以上,故本部分僅考慮設施的規模類型作精細化排污權重分析.

如表3所示,秀洲區優先控制區內,洪合鎮50t/d及以上處理設施的總排污權重最大(23.62%),其次為王江涇鎮50t/d及以上設施(18.22%)、洪合鎮30~50t/d設施(9.24%)、油車港鎮30~50t/d設施(8.90%),其它研究單元的設施處理規模權重均低于5%.海寧市優先控制區內,許村鎮50t/d及以上處理設施的總排污權重最大(15.58%),其次為鹽官鎮30~50t/d設施(11.08%)、海洲街道5~20t/d設施(10.95%)、許村鎮20~30t/d設施(6.21%),其它研究單元的設施處理規模權重均低于5%.

單位處理設施的平均排污權重越大,則該規模區間內設施的監管優先級應越高.因此,基于表3對優先控制區不同規模單位處理設施平均排污權重分析結果,繪制優先控制區內不同處理規模農村生活污水處理設施的累計排污權重和累計數量分布如圖5所示.秀洲區優先控制區內,根據監管順序,洪合鎮50t/d及以上、油車港鎮30~50t/d、洪合鎮30~50t/d和王江涇鎮50t/d及以上設施,宜列入重點監管,其它作為一般監管設施.即重點監管秀洲區17.66%的設施數量,達到監管全區59.98%的農村生活污染物排放.海寧市優先控制區內,根據監管順序,鹽官鎮30t/d及以上、長安鎮50t/d及以上、許村鎮50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花鎮50t/d及以上設施,宜列入重點監管,其它作為一般監管設施.即重點監管海寧16.85%的設施數量,達到監管全市43.54%的農村生活污染物排放.

表3 優先控制區內不同處理規模內單位農村生活污水處理設施的排污權重分析

注:“-”指處理規模設施數為0.

海寧市優先控制區內,監管優先順序從高到低依次為:鹽官鎮50t/d及以上、長安鎮50t/d及以上、許村鎮50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花鎮50t/d及以上、鹽官鎮30~50t/d、長安鎮20~30t/d、長安鎮30~50t/d、許村鎮30~50t/d、袁花鎮20~30t/d、許村鎮20~30t/d、袁花鎮30~50t/d、許村鎮5~20t/d、鹽官鎮5~20t/d、袁花鎮5~20t/d、長安鎮5~20t/d.根據監管順序,鹽官鎮30t/d及以上、長安鎮50t/d及以上、許村鎮50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花鎮50t/d及以上設施,宜列入重點監管,其它作為一般監管設施.即重點監管海寧16.85%的設施數量,達到監管全市43.54%的農村生活污染物排放.

針對秀洲區和海寧市內優先控制區內的重點監管設施,根據設施特點,可進一步分為A、B、C三個監管等級,其中:

(1)A監管等級的設施監管要求最高,主要指水量較大、運行要求高、有動力、周邊環境影響顯著、生態環境敏感區域等.即按照高要求配置適用條件與監控參數,對泵、風機等主要動力設備進行在線監控,同時根據不同工藝類型與水質排放要求,有針對性地篩選并安裝運行在線監測設備以及水質水量在線監測設備,結合不定期巡檢進行校準,并要求實現設施節能降耗的監管考核目標.

(2)B級監管等級的設施其次,為中小規模、運行要求不高、生態環境不敏感區域等.即按照常規要求配置適用條件與監控參數,對泵、風機等主要動力設備、運行狀態和水量進行在線監控,但不使用價格較高的水質在線監測設備,并要求實現設施有效運行率提高的監管考核目標.

(3)C級監管的設施為處理規模較小、位置偏遠、運維人員難到位、管理與經濟條件弱的區域等.即按照低要求配置適用條件與監控參數,僅對泵、風機等主要動力設備(必要時可增加液位、水量)進行在線監控,并要求實現設施運行故障率降低的監管考核目標.

通過對設施進行精細化監管分級,細分運維頻率、運維內容、運維人員素質等,從而實現高效經濟的運維監管,最大限度的發揮農村生活污水處理設施的污染物削減作用.但未來面對提高的排放達標要求,需要進一步探索從管理層面,完善監督管理保障措施.首先,政府應加強組織機構建立,扎實開展農村生活污水治理設施運行維護管理.各級運行維護主管部門要配強配足專職人員,深刻認識農村生活污水處理設施監管的重要性、系統性.其次,加強水量水質監測、巡查維修、設備更換等運行維護管理制度,提高運維管理水平,并綜合運用互聯網、物聯網等技術,提高信息化、智能化管理水平.最后,建立資金籌措機制,加強項目組織實施和對績效目標實施情況的監控.

圖5 優先控制區內農村生活污水處理設施的累計排污權重和累計設施數量分布

3 結論

3.1 秀洲區農村生活污水處理設施的NH3-N和COD總排放強度高于海寧市,而TP排放強度與海寧相當.秀洲區內洪合鎮設施的NH3-N、TP、COD排放強度在全區最高,分別占秀洲全區的44.44%、33.33%、37.12%.

3.2 秀洲區農村生活污水處理設施的優先控制區為洪合鎮、王江涇鎮、油車港鎮,該優先控制區內處理設施數量占全區的27.87%,排污權重占全區的72.42%.重點監管洪合鎮50t/d及以上、油車港鎮30~50t/d、洪合鎮30~50t/d和王江涇鎮50t/d及以上設施,即可通過監管全區17.66%的設施數量,而監管全區59.98%的農村生活污染物排放.

3.3 海寧市農村生活污水處理設施的優先控制區為長安鎮、許村鎮、海洲街道、鹽官鎮、袁花鎮,該優先控制區內處理設施數量占全市的69.10%,排污權重占全市的71.23%.重點監管鹽官鎮50t/d及以上、長安鎮50t/d及以上、許村鎮50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花鎮50t/d及以上和鹽官鎮30~50t/d設施,即可通過監管全市16.85%的設施數量,而監管到全市43.54%的農村生活污染物排放.

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Priority control area identification and supervision scheme for rural domestic sewage treatment facilities.

WANG Min1,2, XU Feng3, SONG Xiao-yan2*, LIU Rui2, ZHANG Yong-ming1, CHEN Lü-jun2,4**

(1.College of Environmental and Geographic Science, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China；2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Water Science and Technology, Department of Environment,Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University in Zhejiang, Jiaxing 314006, China；3.Jiaxing City Housing and Urban-rural Construction Bureau,Jiaxing 314006, China；4.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)., 2019,39(12)：5368~5376

Xiuzhou district and Haining county in Jiaxing were chosen as the research objects in the present work,and the emission intensity of ammonia nitrogen (NH3-N), total phosphorus (TP) and chemical oxygen demand (COD) from rural sewage treatment facilities in each town were quantitatively estimated and spatially analyzed using a comprehensive source intensity estimation method based on global information system (GIS). The results showed that higher emission intensities of NH3-N and COD were observed in Xiuzhou district, and similar intensity of TP in both areas.And in Xiuzhou district, Honghe town had the highest emission intensities in all the three pollutants. While in Haining county, the highest emission intensity of NH3-N was fonud in Yanguan town and the highest emission intensities of TP and COD were in Xucun town. Rural sewage discharge weights were calculated via both factor analysis and weighted index methods. The priority zones for maintenance and supervision were then screened out based on the rural sewage discharge weights combining with ecological sensitivity assessment and environmental function zoning. In Xiuzhou district, Honghe, Wangjiangjing and Youchegang were selected as the priority control zones, which accounted for 27.87% of facilities and 72.42% of the pollutants discharge. By supervising 17.66% of all the facilities, 59.98% of the pollutants discharge in this district could be monitored. In Haining county, Changan, Xucun, Haizhou, Yanguan and Yuanhua were chosen as the priority control zones, which accounted for 69.10% of facilities and 71.23% of the total pollutant weight. 43.54% of the pollutants discharge in the country could be monitored by supervising 16.85% of the total facilities. The obtained research results could provide technical support to improve the efficiency of facility operation and maintenance supervision.

rural domestic sewage treatment facilities；emission intensity；ecological sensitivity assessment；priority control；operation and maintenance supervision

X321

A

1000-6923(2019)12-5368-09

王 敏(1993-),女,江蘇南京人,上海師范大學碩士研究生,主要從事水污染控制研究.

2019-05-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2017ZX07206-004)

* 責任作者, 工程師, gaoyangmzy88@163.com; ** 教授, chenlj@mail. tsinghua.edu.cn