农村生活污水处理设施优先控制区域识别与监管策略

王 敏,许 枫,宋小燕,刘 锐,张永明,陈吕军,4**

农村生活污水处理设施优先控制区域识别与监管策略

王 敏1,2,许 枫3,宋小燕2*,刘 锐2,张永明1,陈吕军2,4**

(1.上海师范大学环境与地理科学学院,上海 200234；2.浙江清华长三角研究院生态环境研究所,浙江省水质科学与技术重点实验室,浙江 嘉兴 314006；3.嘉兴市住房和城乡建设局,嘉兴 314006；4.清华大学环境学院,北京 100084)

选取嘉兴市秀洲区和海宁市为研究对象,以乡镇区划为研究单元,采用综合源强估算法和GIS软件,对处理设施的氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)排放强度进行定量估算和空间分析.结果表明,秀洲区处理设施的NH3-N和COD排放强度高于海宁市,而TP排放强度与海宁市差不多.秀洲区内,洪合镇各污染物的排放强度均最高;海宁市内,盐官镇NH3-N排放强度最高,许村镇TP和COD排放强度最高.采用因子分析法和加权指数法计算排污权重,再结合生态敏感性评价和环境功能区划,筛选出运维和监管优先控制区.秀洲区内,洪合镇、王江泾镇、油车港镇被划分为优先控制区,该优先控制区内处理设施数量占比27.87%,排污权重占比72.42%,通过重点监管17.66%的设施,可监管秀洲区59.98%的污染物排放.海宁市内,长安镇、许村镇、海洲街道、盐官镇、袁花镇被划分为优先控制区,该优先控制区内设施数量占比69.10%,排污权重占比71.23%,通过重点监管16.85%的设施,可监管海宁市43.54%的污染物排放.研究结果可为提高设施的运维监管效率提供技术支撑.

农村生活污水处理设施；排放强度；生态敏感性评价；优先控制；运维监管

嘉兴市位于杭嘉湖平原河网下游,来水水质差,人口密度高,内源污染物排放量大;地势低洼,河水流动缓慢,水体自净能力差.2017年,全市130个地表水监测断面,水质达到地表水I~III类标准的仅占9.3%,IV类占85.3%,V类占3.1%,劣V类占2.3%[1],与“水十条”提出的III类水体为主的目标差距很大.嘉兴市农村人口约占全市人口总数的37%,农村生活污水排放量约20万t/d,占全市污水排放总量的19%.目前,全市工业废水和城市生活污水基本通过污水管网收集后,进入大型污水厂集中处理,尾水排海,排入内河的水量很少,要进一步提升内河水质,处理好农村生活污水至关重要.嘉兴市“十二五”期间已建成了数千座农村生活污水处理设施,“十三五”期间如何对已建成的农村生活污水处理设施进行高效运维监管成为迫切需要解决的问题.有必要研究制定高效经济的监管策略,通过抽查少数的处理设施,最大限度地监管污染物排放.农村生活污水处理设施的优先控制区识别可为上述监管策略的制定提供技术支撑.

优先控制区的识别迄今为止经历了从定性研究到定量研究的转变,其中,对污染物定量核算是评估污染现状、识别优先控制区的关键.国外常采用ANSWER、AGNPS、SWAT等数学模型对污染物进行定量核算[2-4],但上述模型所采用的经验公式和参数与我国实际情况相差较大,适用性较差.以综合调查为基础的综合源强系数法逐渐受到重视,广泛应用于污染物的定量核算,并与研究区域的生态敏感性相结合,进行优先控制区识别.周亮等[5]对淮河流域研究发现,沙河、颍河、北汝河、贾鲁河以及清潩河等子流域为淮河流域农业非点源污染的敏感区和优先控制区.卢少勇等[6]对洞庭湖区域研究发现,桃源县、汉寿、澧县、鼎城、南县、安化、华容、平江是农业非点源污染的优先控制区.我国对优先控制区的识别多集中在农业非点源污染方面,而针对农村生活污水处理设施进行污染控制区域识别和监管策略的研究还未见报道.

本研究选取嘉兴市秀洲区和海宁市为研究对象,以乡镇区划为研究单元,采用综合源强估算法核算农村生活污水处理设施的氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)排放量和排放强度.采用因子分析法和加权指数法,确定排污权重;通过聚类分析,划分排污区;结合生态敏感性评价和环境功能区划,识别出秀洲区和海宁市农村生活污水处理设施的优先控制区.最后,综合分析比较优先控制区内不同处理规模设施的排污权重和数量,提出各区(市)内处理设施的高效经济的运维监管策略.研究结果有助于在有限人力物力情况下锁定工作重点,提高对农村生活污水处理设施的运维监管效率,促使农村污水处理设施最大限度发挥污染物削减作用.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

秀洲区位于嘉兴市中北部,总面积为520.2km2,下辖5镇2街道,农村人口20.5万,占总人口的60.0%.海宁市位于嘉兴市南部,总面积731.2km2,下辖8镇4街道,农村人口26.6万,占总人口的39.5%.截止2017年末,嘉兴市秀洲区和海宁市纳入建设部门监管的集中式污水处理终端(规模≥5t/d)分别为470,178座,占嘉兴市已监管处理设施总数的21.9%和8.3%;累计处理规模占嘉兴市已监管设施总处理规模的31.4%和11.4%;累计受益户数占嘉兴市已监管设施总受益户数的30.9%和18.2%.

1.2 农村生活污水处理设施污染排放强度核算

本研究以秀洲区和海宁市各镇(街道)为研究单元,利用综合源强估算法[7-10],根据式(1)~(3)估算各研究单元农村生活污水处理设施的污染物排放系数、排放量、排放强度.利用因子分析法[11-13]和加权指数法,确定各研究单元排污权重.

式中:p为农村居民生活污水中污染物(NH3-N、TP、COD)的排放系数,g/(d·人);P为农村居民生活污水中污染物年排放量,t/a;P为农村生活污水年排放强度,t/(km2·a);p为农村居民人均用水量, L/ (d·人);为各研究单元设施的污染物排放浓度, mg/ L;Q为污水利用量,L/(d·人);为各研究单元实际受益人数,人;为各研究单元面积,km2.

本研究通过水质实测获得.按照空间连续性、季节一致性、规模全面性原则,2018年5~6月在秀洲区和海宁市各随机抽检近30%处理设施共计出水181组,依据《浙江农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB33/973 2015)[14]选择NH3-N、TP、COD为水质评价参数,根据国家标准方法[15]测试出水浓度,取各研究单元所调研设施NH3-N、TP、COD浓度平均值为各研究单元农村生活污水处理设施的污染物排放浓度.p参考《2017年浙江省水资源公报》[16],采用数值120.54L/(d·人).嘉兴市已全域实现城乡一体化供水,而农村生活污水重复利用情况较少,n取值0L/(d·人).参考嘉兴市住房与城乡建设局提供的嘉兴市农村生活污水处理设施基础信息库;参考《秀洲区统计年鉴2017》[17]、《2017年秀洲区国民经济和社会发展统计公报》[18]、《海宁市统计年鉴2017》[19]和《2017年海宁市国民经济和社会发展统计公报》[20].

1.3 农村生活污水处理设施污染生态敏感性评价

各研究单元农村生活污水处理设施污染的生态敏感性主要用于反映地表水环境对农村生活污水处理设施污染物排放的敏感程度[21].按照敏感性从大到小,一般可分为极度敏感区、高度敏感区、中度敏感区、轻度敏感区和不敏感区[22](根据实际情况可适当增减).本研究分别以秀洲区和海宁市各镇(街道)为研究单元,综合采用单因子水质指数法[23-24]、内梅罗综合指数法[25-29],根据式(4)和(5)分别估算单因子水质指数和内梅罗综合指数.以各研究单元农村生活污水处理设施污染物(NH3-N、TP、COD)的单因子水质指数和内梅罗综合指数为变量,进行聚类分析[30-32],并进行生态敏感性分级评价.

式中:为单因子水质指数,无量纲;W为污染物的环境质量标准,mg/L.与式(1)为同一数据来源;W参考文献[33]中的Ⅲ类标准.<1,表明不存在污染风险或污染风险小;>1,表明存在污染风险.因此,单因子水质指数越大,污染程度越严重.

式中:为内梅罗综合指数,max为单因子水质指数的最大值,ave为单因子水质指数的平均值.

1.4 优先控制区的识别

本研究秉持农村生活污水处理设施污染定性与定量分析相结合的原则,基于各研究单元农村生活污水处理设施污染排放强度核算和排污权重聚类分析,识别出重度排污区、中度排污区、一般排污区和轻度排污区(根据实际情况可适当增减).同时综合考虑生态敏感性评价结果和环境功能区划,将重度排污区、中度排污区、一般排污区中含有高中度敏感区或者自然生态红线区的研究单元识别为优先控制区,否则为重点控制区,而轻度排污区识别为一般控制区.具体识别方法如图1所示.

图1 农村生活污水处理设施优先控制区识别

2 结果与分析

2.1 农村生活污水处理设施的建设现状

秀洲海宁农村污水设施的工艺和规模如图2所示.秀洲区已运维监管的470座设施,分布于王江泾镇47座、王店镇190座、油车港镇39座、洪合镇46座、新塍镇148座.主要处理工艺为厌氧-缺氧-好氧(AAO)工艺和AAO与人工湿地的组合工艺,分别占处理设施总数的97.66%和1.70%,此外,有少量膜生物反应器(MBR)工艺.主要处理规模为5~20t/d(含5t/d不含20t/d,下同),占处理设施总数的63.19%;其次分别为50t/d及以上、20~30t/d、30~50t/d,分别占15.96%、11.70%、9.15%.

“”为污水处理设施规模,t/d,下同

海宁市已运维监管的178座设施,分布于硖石街道7座、海洲街道7座、马桥街道24座、许村镇42座、长安镇19座、周王庙镇5座、丁桥镇8座、斜桥镇8座、黄湾镇3座、盐官镇24座、袁花镇31座.主要处理工艺为AAO工艺和生物滤池(BFP)工艺,分别占处理设施总数的78.65%和19.10%,少量涉及复合生物滤池及复合生物滤池与人工湿地的组合工艺.主要处理规模为5~20t/d,占处理设施总数的47.75%,其次为30~50t/d、50t/d及以上、20~30t/d,分别占25.84%、15.73%、10.67%.

2.2 农村生活污水处理设施的污染物排放强度分析

如图3所示,秀洲区农村生活污水处理设施的NH3-N、TP、COD总排放强度分别为0.54,0.06,1.32t/ (km2×a);而海宁市分别为0.40,0.06,0.63t/(km2×a).总体上看,秀洲区处理设施的NH3-N和COD排放强度明显高于海宁市,而TP排放强度与海宁市相当.

秀洲区内,洪合镇处理设施的NH3-N、TP、COD排放强度均最大,为0.24,0.02,0.49t/(km2×a),分别占秀洲区总排放强度的44.44%、33.33%、37.12%.而海宁市内,盐官镇处理设施的NH3-N排放强度最大,为0.15t/(km2×a),占海宁市NH3-N总排放强度的37.50%;许村镇处理设施的TP、COD排放强度均最大,为0.02,0.20t/(km2×a),分别占海宁市TP、COD排放强度的33.33%、31.75%.

2.3 农村生活污水处理设施的优先控制区域识别

如表1所示,秀洲区内,洪合镇的排污权重最大,为37.96%;其次是王江泾镇、王店镇、油车港镇,分别为18.58%、17.05%和15.89%;新塍镇排污权重最小,为10.52%.海宁市内,许村镇排污权重最大,为27.69%;其次是盐官镇、海洲街道、马桥街道,分别为16.51%、10.95%和10.63%;其它研究单元排污权重均低于10%,其中黄湾镇排污权重最小,仅为1.41%.

以各研究单元农村生活污水处理设施的排污权重为变量,通过聚类分析,把秀洲区划分为重度排污区(洪合镇),中度排污区(王江泾镇、王店镇、油车港镇),一般排污区(新塍镇);海宁市划分为重度排污区(许村镇),中度排污区(盐官镇),一般排污区(海洲街道、马桥街道、袁花镇、长安镇);轻度排污区(丁桥镇、硖石街道、周王庙镇、斜桥镇、黄湾镇).

同时,聚类分析各研究单元农村生活污水处理设施污染物的单因子水质指数和内梅罗综合指数,把秀洲区和海宁市各研究单元的生态敏感性均划分为三级(表2).

表1 各研究单元农村生活污水处理设施的排污权重排名

表2 各研究单元的生态敏感性分区

Table 2 The ecological sensitivity partition of each research unit

根据《嘉兴市区环境功能区划》和《海宁市环境功能区划》,秀洲区王江泾镇、油车港镇和海宁市许村镇、长安镇含有自然生态红线区.按照优先控制区划分原则,综合考虑排污分区结果、生态敏感性评价结果和环境功能区划情况,秀洲区内优先控制区为洪合镇、王江泾镇、油车港镇这3个镇(街道),优先控制区内农村生活污水处理设施有131座,占秀洲区处理设施总数的27.87%,排污权重占72.42%;而海宁市为长安镇、许村镇、海洲街道、盐官镇、袁花镇这5个镇(街道),有农村生活污水处理设施123座,占海宁市处理设施总数的69.10%,排污权重占71.23%(图4).秀洲区和海宁市优先控制区内设施数量占比少,而排污权重占比高,实地调研发现,秀洲区洪合镇和海宁市许村镇两镇外来人口数量非常多,设施处理负荷普遍较高,分析是两镇农村生活污水处理设施排污权重较高的原因,需要加大监管力度,进一步探究原因,间接也说明本论文的优先控制区识别方法具备相当程度的适用性.

2.4 优先控制区内农村生活污水处理设施的监管策略

在优先控制区内,农村生活污水处理设施呈现不同的规模类型和工艺类型,需要对处理设施进行进一步监管分级.由于优先控制区内AAO工艺类型的设施占比高达90%以上,故本部分仅考虑设施的规模类型作精细化排污权重分析.

如表3所示,秀洲区优先控制区内,洪合镇50t/d及以上处理设施的总排污权重最大(23.62%),其次为王江泾镇50t/d及以上设施(18.22%)、洪合镇30~50t/d设施(9.24%)、油车港镇30~50t/d设施(8.90%),其它研究单元的设施处理规模权重均低于5%.海宁市优先控制区内,许村镇50t/d及以上处理设施的总排污权重最大(15.58%),其次为盐官镇30~50t/d设施(11.08%)、海洲街道5~20t/d设施(10.95%)、许村镇20~30t/d设施(6.21%),其它研究单元的设施处理规模权重均低于5%.

单位处理设施的平均排污权重越大,则该规模区间内设施的监管优先级应越高.因此,基于表3对优先控制区不同规模单位处理设施平均排污权重分析结果,绘制优先控制区内不同处理规模农村生活污水处理设施的累计排污权重和累计数量分布如图5所示.秀洲区优先控制区内,根据监管顺序,洪合镇50t/d及以上、油车港镇30~50t/d、洪合镇30~50t/d和王江泾镇50t/d及以上设施,宜列入重点监管,其它作为一般监管设施.即重点监管秀洲区17.66%的设施数量,达到监管全区59.98%的农村生活污染物排放.海宁市优先控制区内,根据监管顺序,盐官镇30t/d及以上、长安镇50t/d及以上、许村镇50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花镇50t/d及以上设施,宜列入重点监管,其它作为一般监管设施.即重点监管海宁16.85%的设施数量,达到监管全市43.54%的农村生活污染物排放.

表3 优先控制区内不同处理规模内单位农村生活污水处理设施的排污权重分析

注:“-”指处理规模设施数为0.

海宁市优先控制区内,监管优先顺序从高到低依次为:盐官镇50t/d及以上、长安镇50t/d及以上、许村镇50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花镇50t/d及以上、盐官镇30~50t/d、长安镇20~30t/d、长安镇30~50t/d、许村镇30~50t/d、袁花镇20~30t/d、许村镇20~30t/d、袁花镇30~50t/d、许村镇5~20t/d、盐官镇5~20t/d、袁花镇5~20t/d、长安镇5~20t/d.根据监管顺序,盐官镇30t/d及以上、长安镇50t/d及以上、许村镇50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花镇50t/d及以上设施,宜列入重点监管,其它作为一般监管设施.即重点监管海宁16.85%的设施数量,达到监管全市43.54%的农村生活污染物排放.

针对秀洲区和海宁市内优先控制区内的重点监管设施,根据设施特点,可进一步分为A、B、C三个监管等级,其中:

(1)A监管等级的设施监管要求最高,主要指水量较大、运行要求高、有动力、周边环境影响显著、生态环境敏感区域等.即按照高要求配置适用条件与监控参数,对泵、风机等主要动力设备进行在线监控,同时根据不同工艺类型与水质排放要求,有针对性地筛选并安装运行在线监测设备以及水质水量在线监测设备,结合不定期巡检进行校准,并要求实现设施节能降耗的监管考核目标.

(2)B级监管等级的设施其次,为中小规模、运行要求不高、生态环境不敏感区域等.即按照常规要求配置适用条件与监控参数,对泵、风机等主要动力设备、运行状态和水量进行在线监控,但不使用价格较高的水质在线监测设备,并要求实现设施有效运行率提高的监管考核目标.

(3)C级监管的设施为处理规模较小、位置偏远、运维人员难到位、管理与经济条件弱的区域等.即按照低要求配置适用条件与监控参数,仅对泵、风机等主要动力设备(必要时可增加液位、水量)进行在线监控,并要求实现设施运行故障率降低的监管考核目标.

通过对设施进行精细化监管分级,细分运维频率、运维内容、运维人员素质等,从而实现高效经济的运维监管,最大限度的发挥农村生活污水处理设施的污染物削减作用.但未来面对提高的排放达标要求,需要进一步探索从管理层面,完善监督管理保障措施.首先,政府应加强组织机构建立,扎实开展农村生活污水治理设施运行维护管理.各级运行维护主管部门要配强配足专职人员,深刻认识农村生活污水处理设施监管的重要性、系统性.其次,加强水量水质监测、巡查维修、设备更换等运行维护管理制度,提高运维管理水平,并综合运用互联网、物联网等技术,提高信息化、智能化管理水平.最后,建立资金筹措机制,加强项目组织实施和对绩效目标实施情况的监控.

图5 优先控制区内农村生活污水处理设施的累计排污权重和累计设施数量分布

3 结论

3.1 秀洲区农村生活污水处理设施的NH3-N和COD总排放强度高于海宁市,而TP排放强度与海宁相当.秀洲区内洪合镇设施的NH3-N、TP、COD排放强度在全区最高,分别占秀洲全区的44.44%、33.33%、37.12%.

3.2 秀洲区农村生活污水处理设施的优先控制区为洪合镇、王江泾镇、油车港镇,该优先控制区内处理设施数量占全区的27.87%,排污权重占全区的72.42%.重点监管洪合镇50t/d及以上、油车港镇30~50t/d、洪合镇30~50t/d和王江泾镇50t/d及以上设施,即可通过监管全区17.66%的设施数量,而监管全区59.98%的农村生活污染物排放.

3.3 海宁市农村生活污水处理设施的优先控制区为长安镇、许村镇、海洲街道、盐官镇、袁花镇,该优先控制区内处理设施数量占全市的69.10%,排污权重占全市的71.23%.重点监管盐官镇50t/d及以上、长安镇50t/d及以上、许村镇50t/d及以上、海洲街道5~20t/d、袁花镇50t/d及以上和盐官镇30~50t/d设施,即可通过监管全市16.85%的设施数量,而监管到全市43.54%的农村生活污染物排放.

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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,江苏南京人,上海师范大学硕士研究生,主要从事水污染控制研究.

2019-05-08

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07206-004)

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