農村污水處理模式分析-以江蘇省為例

左雨航 宋明志 駱 輝* 蔡冰鑫 掌文浩 王俊濤 荊肇乾 何寶杰

(1.江蘇海洋大學 土木與港海工程學院,江蘇 連云港 222005; 2. 南京林業大學 土木工程學院,南京 210037;3. 重慶大學 建筑城規學院,重慶 400030)

隨著農村經濟的發展,農民生活水平的不斷提高,農村污水的排放量也逐年增加。據初步統計,

2019年村鎮污水排放量為216億噸,2020年村鎮污水排放量為233億噸[1],增長約7.9%;而2016年農村污水的處理率為22%[2],2021年農村污水的處理率為28%,5年間增長了6個百分點。根據2021年全國第七次人口普查數據顯示,全國農村人口為50979萬人,每天大約能產生2300萬噸的生活污水;江蘇農村人口為2400萬人,每天大約能產生160萬噸的生活污水[3-4]。農村的生活污水問題已成為影響農村居住環境和生態環境的重要因素。農村生活污水的主要成分是淀粉、糖類、脂類和蛋白質以及氮、磷等,這些成分易造成農村水體的富營養化現象[5],會極大地影響地下水、湖泊等水質,破壞生態環境平衡;若得不到有效的治理還會影響村鎮的飲水安全,威脅農村居民的身體健康[6]。因此,選擇適宜的農村污水處理模式對農村實施鄉村振興戰略,提升農村基本公共服務水平、建設美麗鄉村、推進城鄉發展一體化有著重要意義[7]。

據生態環境部統計,2020年底全國城鎮污水治理率已經超過95%[8],而農村生活污水治理率僅為25.5%,從區域分布來看,經濟條件較發達的東部地區的農村污水治理率也只有36.3%,高于中部地區的19.3%和西部地區的16.8%[9]。研究發現[7, 10-13],我國農村污水排放存在著排放分散,收集點較多;間歇排放,時空分布變化大;有機物含量高,具有可生化性;重金屬等有害物質含量少,水質穩定等特點。農村污水排放的特點也導致了污水在收集處理時還面臨著一些關鍵性的問題,如農戶居住分散,部分地區地勢差異較大[1],導致管網建設難度大,污水收集困難;農戶的用水量隨時間的變化大,對農村污水的處理設施有一定的沖擊性[1];同時農村的經濟水平較低,建設和運營管理的資金來源少,資金缺口大[14];且存在部分農戶環保意識薄弱,拒絕配合現象,而導致設施的建設、管理難度大,監督困難等問題[15]。

本文以江蘇省農村污水的處理現狀為背景,介紹了現階段常用的三種污水處理模式,闡述了新型污水處理模式的工作原理,綜合對比了分散式處理模式、相對集中式污水處理模式、納管處理模式這三種不同的處理模式在經濟上、施工上和對進水水質影響上的區別,以期為我國農村污水治理模式的選取提供參考。

1 江蘇省農村污水的處理現狀研究

1.1 農村污水的水質水量特征

農村生活污水的組分及污染物濃度與農戶的生活環境、經濟水平、用水量等因素有關[16],主要的污染物為化學需氧量(COD)、氮和磷等,一般不含有毒物質,同時也會存在一些合成洗滌劑及細菌、寄生蟲卵等,不同時段的水質也不盡相同[17-18]。一般農村生活污水的水質:COD為250～400 mg/L,BOD5為120～200 mg/L,NH3-N和TP分別為40.0～60.0和2.5～5.0 mg/L[19]。

農村生活污水的水量一般較小,但是日變化系數大,為3.0～5.0[20],且一般早、中、晚排放量較大,夜間排水量最小,呈瞬時排放,波動較大[21]。農村生活污水的排放一般呈粗放型排放[22],不僅污染了農村的水環境,污染了農村的生態系統,而且極大程度的威脅著人類的身體健康。

1.2 江蘇省農村污水治理工作的特點

江蘇省經濟繁榮,境內河湖眾多、河網交錯,處長江中下游平原地區,農村人口居住密集。但是不同地區在經濟發展、生活習慣等方面仍然存在著一定的差異,尤其蘇南、蘇北差異較為明顯。蘇南地區地處太湖流域,經濟發達,人口密集,農村生活水平較高而且農村生活污水治理工作起步較早;而蘇北地區地處淮河流域,經濟相對較為落后,土地資源相對充足,村莊也相對分散,農村生活污水治理工作相對于蘇南地區起步較晚。據統計蘇南地區農村污水集中或相對集中處理的村莊占比達到73.4%,而蘇北地區僅僅只有23.6%[23]。

1.3 江蘇省農村污水的處理工藝

農村污水的處理工藝主要有生物處理技術、生態處理技術和生物生態組合技術[24]。生物處理技術處理農村生活污水主要是依靠微生物的新陳代謝作用[25],常見的有凈化槽工藝、好氧單元和厭氧單元的組合工藝(A/O工藝)、生物濾池等;生態處理技術是利用微生物、土壤、動植物之間產生的一系列物理、化學、生物學的作用對農村污水中的污染物進行降解的污水處理技術[26],其主要包括人工濕地技術、土地滲濾工藝、穩定塘技術、蚯蚓生態濾池等;生物生態組合技術就是將微生物通過新陳代謝作用去除有機物和通過生態處理技術進一步脫氮除磷結合起來,形成優勢互補,保證出水的水質穩定[27],包括了生物+人工濕地組合技術、生物+其他生態組合技術。具體見表1。

表1 農村污水處理工藝對比分析

1.4 農村污水處理設施運維體制及運維資金籌措

據調查,江蘇省農村生活污水處理設施的運管模式主要有四種,分別為鎮/村聯合統一管理模式、各部門聯合管理模式、城鄉水務一體化管理模式和委托第三方運行統一管理模式[28]。鎮/村聯合統一管理主要是由所屬地的鎮/村負責設施的運維管理;各部門聯合管理指的是生態環境、財政、住建、水利等部門組成工作小組,具體推進農村生活污水的處理工作;城鄉水務一體化管理模式是地方組建的水務集團負責設施的運管;委托第三方運行統一管理則是委托相應資質公司對設施進行運維管護。其中以鎮/村聯合統一管理模式應用最多,而對于管護效果較好的城鄉水務一體化管理模式和委托第三方運行統一管理模式,主要應用于一些經濟條件較好的地區。大多數地區選擇鎮/村聯合統一管理模式的主要原因還是主管部門缺乏必要的管理制度、人員和經費支持[29],只能選擇運行成本低、管理簡單的此種運管模式。

江蘇省太湖流域農村生活污水處理設施建設和運維資金的來源較為單一,僅財政補貼和自籌兩種方式。省級補貼主要采取“以獎代補”的形式,且主要用于污水處理設施和管網的建設,對于建成之后的運行和管理維護并沒有安排相應的資金進行補助[30],運維費用的來源仍要依靠縣級財政投入[31]。也有調研發現,部分地區的運維費用是由鎮/村自籌,此種方式這對于經濟力量相對薄弱的地區而言是一筆不小的開支[32],同時也會導致因缺乏資金投入和科學的運維管理而出現設施使用壽命降低、治污能力下降等問題[33]。拓寬資金來源,形成多元化投入是污水處理設施長效運維管理的重要保障。

2 江蘇省農村污水的處理模式

傳統的農村生活污水處理模式可分為:分散式處理模式、相對集中式污水處理模式、納管處理模式[34-36]。近些年來,在傳統污水處理模式的基礎上,逐漸演化出了以灰黑分流式為代表的一些新型農村污水處理模式。

2.1 分散式污水處理模式

我國眾多農村地區廣大遼闊,大部分農戶居住都較為分散,導致產生的污水具有分散性且較難用管網進行收集[7]。因此提出分散式污水處理模式(圖1),該模式是將單戶或者附近幾戶農戶的污水進行收集處理,具有污水收集靈活,收集效率高,受地形限制較小等優點,但是設備點多運行管理維護量大,設備投資較大。分散式污水處理模式適用于農戶居住分散,地形條件復雜,污水不易集中收集的村莊[36],是一種較為符合農村實際情況的處理模式,能有效提高農村污水的處理效率[7]。

圖1 分散式農村生活污水處理模式

2.2 相對集中式污水處理模式

相對集中式污水處理模式區(圖2)別于分散處理模式,他是將村落內聚居在一起的住戶污水統一收集輸送到污水處理設備中集中處理。具有設備量少方便維護管理,投資省等優點,但是存在污水收集系統投資加大,對管網維護要求較高,施工相對困難等缺點。該模式適用于污水量較大,人口密度大,地勢平緩,遠離城鎮的農村地區[34]。

圖2 集中式農村生活污水處理模式

2.3 納管處理模式

納管處理模式(圖3)即納入城鎮污水管道排入城鎮污水處理廠統一處理,適用于距離城鎮污水管道較近的村落,相對于另外兩種模式而言,納管處理模式省去了新建污水處理設備的投資,具有投資較省,施工方便等優點,但是同樣對管道收集系統要求較高,且受地域限制較大。該處理模式適用于距離城鎮較近,經濟條件較好,具備鋪設污水收集管道條件的農村地區[34]。

2.4 新型處理模式

近年來,基于源頭分離、分質處理、資源化利用等理念在國內外得到廣泛的研究,Hammes F[37]等通過對生活污水的研究提出農村生活污水按照來源可分為黑水和灰水兩部分,大小便廁所出水為黑水,灰水則包含廚房用水和洗澡水等生活用水。陳月芳等[16]對農村污水的組成和成分進行了分類,見表2;劉曉慧[38]對我國農村生活污水的組成成分進行研究,我國農村生活污水黑水和灰水的化學組成以及占比見表3。

表2 農村生活污水分類[16]

表3 黑水灰水污染物排放量及占比表[38] 單位:kg/(人·a)

表3顯示灰水是農村污水的主要來源,占據了整個農村污水的62%;且黑水與灰水的成分存在一定的差別,污水中的氮、磷等污染物大部分來自黑水。針對于以上的特點,陳方奎等[39]基于源頭分類收集的處理理念,提出了一種灰黑分離初級處理和收集(SSPC)模式,將高污染物濃度的黑水進行初步處理后再與分離的灰水匯集,一起排入污水處理設施內。該模式將高濃度、小排放量的黑水先經過戶用初步處理裝置(化糞池)處理,使其能夠得到充分的發酵和硝化,高效地削減COD等污染指標,提高了污染物的去除效率。

而呂錫武團隊[40-41]則是將灰水與黑水完全分開處理,將黑水通過吸糞車集中收集后利用秸稈異位發酵床制取有機肥,從而達到N、P資源的資源化利用[42],實現污染物零排放,而且可以幫助農村解決秸稈處理難題,并產生經濟效益;灰水部分則可以通過簡單的沉淀后直接排入生態溝渠或者人工濕地處理,簡化了污水處理工藝,且降低了建設和運行成本。見圖4。

圖4 灰黑分離異位發酵床處理系統

3 江蘇省農村污水處理模式的對比分析

各地農村地區的地形地貌差異大,人民的經濟水平和生活規律都存在著明顯的不同,農村房屋的建設也不像城市那樣的規整,因此在農村地區選擇合適的污水處理模式需要綜合考慮當地的經濟水平、地形地貌、所處的地理位置以及后期維護等諸多因素。污水處理模式的選擇直接影響著污水的收集效率,在選擇時,應根據當地的實際情況,針對各個模式的適用條件和特點因地制宜地使用各種處理模式,這是解決農村生活污水收集困難的關鍵。表4為各農村污水處理模式的概況和適用條件。

表4 農村污水處理模式的概況及適用條件

3.1 經濟性對比分析

課題組對靖江市新橋鎮某村7組的26戶進行不同模式的規范化設計后進行投資概算分析,采用一組分散式和兩組相對集中式進行比對分析,規模分別為13套1m3/d的設備、2套5m3/d的設備和1套10m3/d的設備,設備選用凈化槽。對整個污水處理系統中管網收集系統以及污水處理設備的施工工程費用以及材料費按照實時市場行情進行經濟分析,最終戶均建設費用比較見表5,詳細費用明細表見表6。

表5 污水處理模式經濟分析

表6 污水處理模式經濟分析詳表

由表5可知不含設備的戶均費用以分散式最低,以設備大小為10 m3/d的相對集中式最高。這是由于分散式管網的主要管材采用De110管徑,而且其管道長度較小、埋深較淺,土方工程施工也較為容易,因而其費用低;由于設備大小為10 m3/d的相對集中式使用的設備量最少,因此其所需管網的長度要相應增加,管徑也要加大(De160、De200管徑成為主要管材),導致埋深增大,土方工程施工難度也隨之加大,從而使得綜合費用更高。從表6也可看出管網收集系統和土方工程費用都是隨著噸位的增大而增大。

含設備的戶均費用分散式的比相對集中式的要低,這是由于此種類型凈化槽設備價格與噸位成一定的比例,大小設備每噸攤銷價格相近,但是大噸位相對于小噸位設備前增加了一套前提升設備,而且小設備管網長度小,堵塞風險小,可不設化糞池,所以含設備的戶均費用分散式處理模式費用較低。但是更大的噸位,每噸的設備費用占比下降很大,就可能存在每戶設備費用攤銷比例下降的情況,如此彌補了大噸位土建費用的增加,從而導致一套10 m3/d污水處理系統反而比兩套5 m3/d的含設備戶均費用要低。

通過在實際工程中對不同農村污水處理模式的經濟性分析可以發現,分散式污水處理模式收集系統建設費用以及土方工程施工費用比相對集中式更省,但是由于每種處理設備的設備價格與噸位比例不盡相同,因此分散式與相對集中式這兩種農村污水處理模式在經濟投資上并沒有絕對的優勢劣勢,實際選擇時還應根據現場實際情況以及針對相應的污水處理設備進行投資預算來比選。

3.2 施工可行性分析

對南京市江寧區湖熟街道三個村莊的施工建設進行調研,對施工過程中管網收集系統以及污水處理設施的建設施工工作量進行比對分析,以工人工時作為施工工作量的比對依據,調查結果見表7。

表7 施工工作量比對表

表7中由于每個村莊內道路硬化以及施工條件、施工隊伍有所差別,所以施工工作量有所差別,但是顯然管網收集系統工作量遠比污水處理設施的建設工作量要大,農村生活污水建設工程中管網收集系統的建設工作量要占到75%～80%。因此管網收集系統決定了施工的可行性。

對南京市湖熟街道第二批農村生活污水處理設施建設當中的現場矛盾進行了調查反饋(圖5及表8),可知施工過程中由于管網收集系統建設矛盾而影響施工占比達到73.08%,而污水處理設施建設矛盾則只占26.92%,由此可見管網收集系統在施工中起決定性的作用。

圖5 施工矛盾分析圖

表8 施工過程主要矛盾分析

分散式污水處理模式由于管網收集系統簡單,所以施工更為方便,污水處理設備地址選擇也較為靈活,受地形限制較小,但是設備過多會增加后期管理運行維護的負擔。而相對集中式污水處理模式則受地形限制較大,設備地址的選擇不僅需要選擇地勢相對低洼的地方來避免埋深過大從而增加施工難度,而且需要更大的占地空間,但是相反其設備量少,管理運行維護方便。因此需要根據現場地勢條件以及施工可行性來對污水處理模式靈活運用。

3.3 進水水質比較分析

課題組對靖江市2020年農村生活污水治理項目展開調研,選取其中16個污水處理設施(8個相對集中式和8個分散式)進行進水水質調研,分析污水處理模式對進水水質的影響。如圖6箱線圖所示,分散式農村生活污水處理模式進水污染物濃度整體明顯高于相對集中式處理模式。原因主要有兩個,一方面靖江市農村生活污水項目中相對集中式污水處理模式基本均接入化糞池設備做了預處理,而分散式的則沒有,化糞池對COD、SS等有著相對較高的去除率。另一方面,相對集中式污水處理模式污水收集系統管路較長,實際收水過程中,易有地下水、雨水等進入管路,而分散式管路短、污水收集率高不易受外界水源影響。

圖6 不同處理模式進水水質對比分析圖

由箱線圖的分布區間可知,分散式污水處理模式中各個污染物濃度的分布區間明顯大于相對集中式污水處理模式,由此可見,分散式污水處理模式進水污染物濃度波動更大。這主要還是由于分散式污水處理模式之前未設置化糞池作為預處理,可見化糞池不僅可以起到預處理的作用,還能起到水質緩沖調節作用,但是污水經過化糞池預處理過后容易出現進水COD濃度偏低,從而導致碳源不足影響脫氮效果[43]。

4 總結與展望

江蘇省開展農村生活污水治理工作較早,已經逐漸摸索出適宜的農村污水治理技術[35],但相較于國外部分發達國家,我省的農村污水處理體系還處于起步階段。目前,應用較多的農村污水處理模式為分散式處理模式、相對集中式處理模式和納管式處理模式三種。但在農村污水的處理上還存在著一些尚需解決的問題[15, 29, 30, 33],如部分農戶拒絕配合相關部門工作,對污水處理的意識還有待提高;農村經濟較城市經濟差距較大,建設和管理資金的缺口大;有效營運機制不健全,后期的維護運行缺乏保障機制等。所以農村污水處理體系的研究還應繼續,需不斷完善農村污水的處理模式,提高農村污水的處理效率。未來在完善農村污水處理體系上還應注重以下方面:

(1)農村污水處理模式的選取。農村污水處理模式的選取需要因地制宜,要充分考慮當地的經濟、地理、人文等情況,針對不同處理模式的優缺點及適用條件,結合現場的投資可靠性、施工可行性以及運行管理維護情況進行綜合分析,選出最為適宜的農村污水處理模式。靈活組合使用農村污水處理模式是有效解決農村生活污水收集困難的關鍵。

(2)新型農村污水處理模式的開發。農村污水的收集處理模式是污水處理的第一步,完善污水收集體系,提高污水的收集率是污水治理的關鍵環節[33]。農村的生活污水大致可以分為黑水和灰水,黑水主要來源是沖廁廢水,含有大量的氮、磷等營養物質,污染程度高,水質較穩定[44];灰水的主要來源是廚房用水和洗漱用水,主要成分為有機和無機污染物,污染程度低,水質隨季節變化大[44]。黑水與灰水的不同成分也導致了它們適合于不同的處理方式,黑水通過厭氧處理產沼氣是實現黑水處理的重要途徑;而灰水采用物化、生物和生態處理工藝就可達到USEPA的室外用水標準[45]。因此將黑水與灰水分離處理,不僅使得污水中的營養物質可以循環再利用[46],降低了污水處理系統的運行能耗,而且有效提高了農村污水處理的效率[47]。

(3)農村污水治理是改善農村居住環境,提高農民幸福指數的重要措施之一,要加大宣傳力度,提高農民的參與度,提高農民對污水治理問題的認識;要根據蘇南、蘇北的地方經濟差異,有區別的進行資金投入,保證污水處理設備建設和運營維護的資金來源;明確責任與分工,制定相關的規章制度,避免出現任務重疊,責任交叉[30];制定長期有效的農村污水運營管理機制[30],保證農村污水處理設備的工作正常。