農(nóng)村生活污水收集模式及污水處理現(xiàn)狀分析

周 浩，盧 楠，鄒家樂，劉夢夢，朱兆亮

(1. 山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250010；2. 山東第一醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院，山東濟(jì)南 250117)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平提高，農(nóng)村污水量逐年上升，但并沒有得到妥善治理。據(jù)統(tǒng)計，2014年，農(nóng)村污水處理率為9.98%[1]，2016年為22%[2]，2017年接近30%[3]。雖然農(nóng)村污水處理率逐漸增加，但仍然落后于城市地區(qū)，農(nóng)村生活污水的隨意排放導(dǎo)致周圍水體中污染物總量超過其自凈能力，嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)平衡[4]。近年來，政府越來越重視農(nóng)村水環(huán)境的治理，先后宣布實(shí)施《中共中央國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》、《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》等一系列文件，將農(nóng)村生活環(huán)境的治理放在了重要位置，以污水治理提升為主攻方向，提出加強(qiáng)農(nóng)村水環(huán)境治理和農(nóng)村飲用水水源保護(hù)，實(shí)施農(nóng)村生態(tài)清潔小流域建設(shè)，持續(xù)改善農(nóng)村人居環(huán)境。

農(nóng)村污水處理率低主要是因?yàn)闆]有完善的收集、處理設(shè)施及后期的運(yùn)維系統(tǒng)，農(nóng)村人口分布分散、地形多變及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、人員水平等因素限制了污水的收集和處理設(shè)施的發(fā)展。針對目前主要的農(nóng)村污水收集問題，提出污水收集策略，并根據(jù)最近各地新頒布的農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)村污水的水量水質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合工程案例分析了當(dāng)前國內(nèi)農(nóng)村污水處理技術(shù)，為農(nóng)村地區(qū)選擇合適的污水處理技術(shù)和收集模式提供參考。

1 農(nóng)村生活污水的收集

農(nóng)村生活污水治理包括污水收集系統(tǒng)、處理設(shè)施以及運(yùn)維管理，由于管網(wǎng)投資巨大和污水處理設(shè)施運(yùn)維管理的持久性、復(fù)雜性，當(dāng)前的農(nóng)村污水處理工程往往集中在污水處理設(shè)施建設(shè)，忽視了前段管網(wǎng)的建設(shè)和后段的運(yùn)維管理，帶來污水處理設(shè)施建完后無水可進(jìn)和后期無法正常運(yùn)行維護(hù)的局面。

1.1 收集現(xiàn)狀

我國農(nóng)村生活污水收集率相對較低，主要包括以下原因。

(1)污水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)薄弱，缺乏完善的污水處理設(shè)備以及專業(yè)人員[5-7]。

(2)農(nóng)村幅員遼闊，經(jīng)濟(jì)條件較城市差，且整體的布局較為分散、道路狹窄、地形復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱。

(3)部分農(nóng)戶缺乏節(jié)水意識和環(huán)保意識。目前，污水處理工程并未得到村民的廣泛擁護(hù)與支持，調(diào)研顯示，部分村民認(rèn)為這項(xiàng)工程沒有意義[8]。

(4)“旱廁改造”效果不理想。近年來，國家住建部實(shí)施了農(nóng)村“旱廁改造”工程，目標(biāo)是改善農(nóng)村人民群眾的生活環(huán)境，避免廁所污物污染水源、傳播疾病，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[9]。但旱廁改造帶來一系列問題，如前期投資過大、用水量較多，后期運(yùn)行成本高、只是將糞液/糞渣儲存在罐中、沒有系統(tǒng)的后續(xù)處理設(shè)施。部分農(nóng)戶定期掏挖尿液和沉泥發(fā)酵后回歸農(nóng)田，部分農(nóng)戶花費(fèi)請環(huán)衛(wèi)車定期抽走。后期檢查巡視過程也發(fā)現(xiàn)存在旱廁設(shè)備“曬太陽”、“儲物間”、“罐滿自流”等問題。另外，旱廁改造只解決了廁所黑水，村民廚房洗滌廢水、洗衣廢水、洗刷淋浴廢水等灰水仍沒有去處，單戶排出到街道，造成散排亂排的亂象[10]，帶來生活不便及衛(wèi)生環(huán)境較差。

1.2 收集模式

通常，污水的收集多采用重力管道。除了采用重力收集外，綜合考慮農(nóng)村位置具有分散性的特點(diǎn)，也可以采用負(fù)壓收集和正壓排放等方式。

(1)重力收集

在人口居住密集區(qū)，多采用重力式收集模式收集污水，建筑物內(nèi)污水流入室外污水井內(nèi)，污水管道按一定坡度建設(shè)，污水依靠重力沿管道輸送到污水提升井，由泵站提升到污水處理設(shè)施。我國絕大多數(shù)城鎮(zhèn)都采用了重力收集模式，具有地形優(yōu)勢的南方農(nóng)村地區(qū)可以采用重力收集模式收集生活污水。重力收集模式無動力消耗、無維護(hù)成本，但易受地形限制，需要較大的坡度和埋深，投資大，施工困難。

以100戶/村為例，污水排放量為50 m3/d時，重力收集模式工程投資估算如表1所示，運(yùn)行費(fèi)用主要是單戶化糞池清理費(fèi)，按80元/次估算，一年清理2次，約1.6萬元/年。

表1 工程投資估算Tab.1 Investment Estimation of the Project

(2)負(fù)壓收集

19世紀(jì)荷蘭工程師提出負(fù)壓排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由真空閥污水井、真空排水管以及真空泵房3部分組成。負(fù)壓排水系統(tǒng)通過真空設(shè)備使排水管道內(nèi)產(chǎn)生一定真空度，利用氣壓差輸送污水。首先，用戶排放的污水以重力流的方式通過污水管排到真空閥污水井，當(dāng)污水達(dá)到一定水位，自動開啟真空閥，將污水井內(nèi)污水與空氣吸入真空排水管。在污水排盡后，真空閥會繼續(xù)吸入空氣，使真空排水管中的污水在空氣膨脹作用下，以氣液二相流的方式排入真空泵站，最后排入污水干管[11-13]，水封式負(fù)壓收集系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)維護(hù)要求高，但具有管徑小、埋深淺、構(gòu)筑物少、鋪設(shè)靈活、不易淤堵和滲漏等優(yōu)點(diǎn)，克服了重力的限制，技術(shù)也逐漸趨于成熟，具有良好的應(yīng)用前景[14-16]。

圖1 水封式負(fù)壓收集系統(tǒng)Fig.1 Water Sealed Negative Pressure Collection System

蘇州市吳中區(qū)甪直鎮(zhèn)甫南村采用負(fù)壓技術(shù)收集生活污水，住戶內(nèi)生活污水通過重力流進(jìn)室外污水井，然后開啟真空站的真空泵，污水重力進(jìn)入水封井，經(jīng)由抽吸直管收集到負(fù)壓管，最后通過負(fù)壓管匯入污水收集罐。該村村民為350人，污水工程管道敷設(shè)費(fèi)用約為46萬元，采用相同管材較重力收集模式可節(jié)省20%的費(fèi)用[17]。負(fù)壓排水系統(tǒng)有效克服了傳統(tǒng)重力管網(wǎng)施工困難、污水管徑大、易堵塞、每戶分散新建化糞池納管等諸多問題，能很好適應(yīng)農(nóng)村地勢地貌復(fù)雜的特點(diǎn)[18]，并能有效節(jié)水節(jié)電。

(3)正壓收集

農(nóng)村生活污水正壓收集模擬系統(tǒng)如圖2所示。廚房廢水、衛(wèi)生間糞便水、洗衣、洗澡水通過下水管集中至收集輸送器，該系統(tǒng)一般在起點(diǎn)設(shè)置污水提升裝置，提升裝置中一般會有研磨泵、液位控制系統(tǒng)等，利用污水泵將收集輸送器內(nèi)的污染物粉碎后泵入污水管道內(nèi)壓力輸出，分散住戶收集輸送器內(nèi)的污染物通過污水支管匯集至主管道內(nèi)，最后流向村內(nèi)的集中式化糞池。生活污水的正壓收集解決了農(nóng)村廢水亂排放的問題，為進(jìn)行后續(xù)的處理、運(yùn)維提供了便捷。該系統(tǒng)投資小、施工難度小、不受地質(zhì)地勢限制，但消耗動力，分散的地區(qū)多處設(shè)置污水提升裝置，需要定期維護(hù)。曹松[19]在某工業(yè)園區(qū)廢水收集改造工程中采用壓力收集模式，降低了投資，目前該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 農(nóng)村生活污水正壓收集系統(tǒng)Fig.2 Positive Pressure Collection System of Rural Domestic Wastewater

以100戶/村為例，污水排放量為50 m3/d，正壓收集模式工程投資估算如表2所示。運(yùn)行費(fèi)用為2萬元，主要包括污水提升器電耗0.3萬元/年，污水提升器每4戶一個，維護(hù)成本為1.5萬元，化糞池清理費(fèi)用為0.2萬元。

表2 工程投資估算Tab.2 Investment Estimation of Project

2 農(nóng)村生活污水的特征

農(nóng)村生活污水包括糞便污水、廚房廢水、洗滌廢水[20]，通常分為黑水和灰水兩部分。黑水通常來源于廁所高濃度污水，灰水通常來源于洗衣、洗澡、廚房等生活污水[21]。

2.1 水量特點(diǎn)

我國農(nóng)村人口眾多，污水總量較大，全國農(nóng)村每年的生活污水量超過90億t，但對于住戶個體而言，水量又較少。農(nóng)村生活污水量具有以下幾個特點(diǎn)：(1)不同地區(qū)污水量差異較大，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的農(nóng)村地區(qū)污水量多，經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)污水量較少[22]；(2)污水量日變化系數(shù)大，早晚用水量較多，白天用水量較少；(3)污水量季節(jié)性變化大，夏季水量較多，冬季水量較少[23-24]，尤其對于農(nóng)村旅游度假區(qū)，變化更為明顯。

2.2 水質(zhì)特點(diǎn)

2.3 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

由于缺乏規(guī)范的農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn)，影響農(nóng)村污水處理工藝的選擇，且造成了有關(guān)部門監(jiān)管困難，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范農(nóng)村污水的排放是可行的。目前，北京、天津、陜西、河南等多地環(huán)保廳相繼發(fā)布了新的農(nóng)村生活污水中污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)頒布之前，各地通常借鑒采用《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A/B標(biāo)準(zhǔn)作為農(nóng)村生活污水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

農(nóng)村污水處理設(shè)施的設(shè)計在充分考慮當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)的同時，應(yīng)綜合考慮最終接受水體的自凈能力或污水再生用途，因地制宜研究當(dāng)?shù)剞r(nóng)村污水的水質(zhì)特點(diǎn)、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)條件、管理能力，最終科學(xué)合理地實(shí)施污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)

3.1 存在的問題

(1)基礎(chǔ)設(shè)施資金投入不足

農(nóng)村經(jīng)濟(jì)力量較薄弱，缺乏資金支持，導(dǎo)致基礎(chǔ)配套設(shè)施不足，污水處理設(shè)備不能正常運(yùn)行[33]。政府部門需要加強(qiáng)對農(nóng)村污水處理項(xiàng)目的財政支持，保證污水處理設(shè)施的正常運(yùn)行維護(hù)，同時，農(nóng)村地區(qū)要盡量選擇能耗低、建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用低的污水處理工藝[34]。

(2)技術(shù)適應(yīng)性較差

我國農(nóng)村地區(qū)人口、地形、氣候環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件差異較大[35]，選擇的工藝也不盡相同[36]。部分地區(qū)采用的污水處理項(xiàng)目缺乏科學(xué)技術(shù)論證，造成后續(xù)處理效果較差的局面，在選擇處理工藝時，要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，科學(xué)確定建設(shè)規(guī)模，以防工藝選擇偏離實(shí)際[37]。

(3)缺乏系統(tǒng)的管理運(yùn)行機(jī)制

部分地方政府在農(nóng)村污水處理設(shè)施建設(shè)的工作中缺乏有效的配合，相關(guān)責(zé)任職能不清晰，出現(xiàn)管理散亂的現(xiàn)象[38]。同時，相關(guān)技術(shù)人員的缺乏使污水處理設(shè)施處于無人管理維護(hù)的狀態(tài)[39]。為此，政府部門需要加強(qiáng)相關(guān)政策的落實(shí)和專業(yè)人才的培養(yǎng)，健全污水處理設(shè)施的管理運(yùn)行機(jī)制。

3.2 農(nóng)村生活污水處理工藝

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)應(yīng)該具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、占地面積小、建設(shè)費(fèi)用低、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)運(yùn)行方便等特點(diǎn)[40]。根據(jù)不同農(nóng)村地區(qū)污水特征，因地制宜選擇簡單、經(jīng)濟(jì)、適應(yīng)性強(qiáng)的處理技術(shù)。在土地資源相對豐富的農(nóng)村地區(qū)可采用處理費(fèi)用較低的生態(tài)處理工藝，在土地資源緊張、經(jīng)濟(jì)條件相對較好的地區(qū)應(yīng)盡量選用占地面積較小、處理效率高的生化處理工藝。

(1)人工濕地技術(shù)

人工濕地工藝占地面積大，但具有經(jīng)濟(jì)效益好、耐沖擊負(fù)荷、能耗低、運(yùn)行維護(hù)簡單、美化居住環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[41-42]。武漢市某村采用以厭氧+人工濕地為主要工藝處理生活污水，其中1座處理站處理規(guī)模為40 m3/d，出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級B標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行費(fèi)用為0.12元/m3[43]。陜西省安康市平利縣建設(shè)5座以預(yù)處理+人工濕地工藝為主的污水站處理農(nóng)村生活污水，平均每座規(guī)模為60 m3/d，出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級B標(biāo)準(zhǔn)，5座污水站投資345.36萬元，運(yùn)行費(fèi)用為0.52～0.73元/m3[44]。潼湖鎮(zhèn)黃屋村采用人工濕地技術(shù)處理生活污水，處理規(guī)模為150 m3/d，出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級B標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行費(fèi)用低至0.106元/m3[45]。工藝處理后的污水可以再次利用，成本低，但占地面積大，污水處理的效果易受到季節(jié)的影響，還要考慮防滲、污染地下水的問題，適用于處理水量小、水質(zhì)變化小、土地資源豐富、對水資源需求較大的農(nóng)村地區(qū)[46]。

(2)生物接觸氧化一體化工藝

生物接觸氧化是成熟的活性污泥和生物膜技術(shù)的結(jié)合體，具有處理效果好、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)管理簡單等優(yōu)點(diǎn)。河南某農(nóng)村采用水解酸化+生物接觸氧化+人工濕地工藝處理農(nóng)村生活污水，處理規(guī)模為350 m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，總投資335.63萬元，運(yùn)行費(fèi)用為0.14元/m3[47]。該工藝可以實(shí)現(xiàn)污水的重復(fù)利用，管理簡單，運(yùn)行受季節(jié)性影響較小，但需要提供動力維持運(yùn)行，對經(jīng)濟(jì)條件有一定要求，適合在經(jīng)濟(jì)條件較好、土地寬廣的農(nóng)村地區(qū)使用。

(3)AAO一體化工藝

AAO+MBR工藝在膜過濾、攔截作用下，能夠降低活性污泥的缺失，降低污泥膨脹的影響，確保了較長的污泥齡，同時產(chǎn)生較小的污泥絮體，使硝化反應(yīng)更徹底，可以有效處理生活污水[48]。使用AAO+MBR工藝處理效果好、占地面積小，但需要維護(hù)與清洗，能耗較高，適用于地勢平坦、經(jīng)濟(jì)條件好的地區(qū)[49]。四川馬廟鄉(xiāng)農(nóng)村采用AAO+MBR一體化工藝處理生活污水，處理規(guī)模為200 m3/d，出水水質(zhì)滿足GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，剩余污泥可經(jīng)過自然晾曬脫水后回用于農(nóng)田，該工藝日常運(yùn)行費(fèi)用為0.7元/m3[50]。安徽省淮南市某農(nóng)村以太陽能微動力AAO為主體工藝處理農(nóng)村污水，處理規(guī)模為500 m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，該工程總投資140萬元，綠色能源的使用使運(yùn)行費(fèi)用低至0.1～0.2元/m3[51]。

(4)生物轉(zhuǎn)盤工藝

生物轉(zhuǎn)盤具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，可以有效處理生活污水[52]，生物轉(zhuǎn)盤占地面積小、能耗低、操作方便[53-54]。位于水源保護(hù)區(qū)的某村鎮(zhèn)以生物轉(zhuǎn)盤為主體工藝處理生活污水，處理規(guī)模為600 m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行成本為0.46元/m3[55]。昆山市錦溪污水處理廠采用生物轉(zhuǎn)盤為核心的一體化設(shè)備處理周圍農(nóng)村的生活污水，處理規(guī)模為50 m3/d，出水水質(zhì)達(dá)到GB 18918—2002一級A標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行費(fèi)用為0.91元/m3[56]。

4 結(jié)語與展望

(1)實(shí)施“旱廁改造”工程有效改善了農(nóng)村的人居環(huán)境。面對布局分散、房屋建設(shè)不整齊、基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的農(nóng)村地區(qū)，需逐步建立完善的生活污水收集管網(wǎng)系統(tǒng)。目前，污水廁所黑水與灰水的收集多采用重力管道，但在地形地勢受限制的情況下可以考慮采用負(fù)壓收集和正壓收集的方式。農(nóng)村收集模式的選擇要根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合工程投資運(yùn)行費(fèi)用與施工情況綜合考慮，選擇最合適的收集方案。

(2)農(nóng)村生活污水主要包括糞便污水、廚房廢水、洗滌廢水。我國農(nóng)村污水總量很大，不同地區(qū)污水量差異較大，污水量日變化系數(shù)、季節(jié)性變化大，且農(nóng)村生活污水COD、氮、磷等營養(yǎng)物含量較低，屬于低濃度污水，可生化性強(qiáng)，一般不含有毒物質(zhì)。

(3)生活污水在選擇處理工藝時要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，盡量選擇沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、占地面積小、建設(shè)費(fèi)用低、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)運(yùn)行方便簡單的工藝，目前，人工濕地、生物轉(zhuǎn)盤、一體化設(shè)備等多種工藝能有效處理農(nóng)村污水，對于農(nóng)村糞便黑水、灰水的處理還可以考慮使用具有良好經(jīng)濟(jì)性和處理效果的3格化糞池。農(nóng)村污水處理工藝要結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的自然條件，滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)前提下，選擇出水可以回用于農(nóng)田灌溉或農(nóng)村雜用水的先進(jìn)技術(shù)。