辽宁省农村生活污水产污特征及其系数测算研究

刘岚昕，何 军，王留锁，赵鹏雷，史美玲

(辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁 沈阳 110061)

农村生活污染是指在村镇居民日常生活或为日常生活提供服务的活动中产生的生活污水、生活垃圾、人畜粪便和农田废弃物等污染，是非点源污染的一种类型[1]。农村生活污染具有分布广且分散、随机、开放式等特点，农村生活污水随意排放、生活垃圾乱堆乱放及末端处置等问题是导致江河湖泊富营养化和水环境恶化的重要原因之一[2-3]。虽然“十三五”期间污染防治力度加大，生态环境明显改善，美丽中国建设迈出坚实步伐，但环境保护的结构性、根源性、趋势性压力尚未根本解决，环境保护任重而道远[4-5]。实施乡村振兴战略是建设美丽中国的关键举措，而准确把握农村生态环保问题是助推乡村振兴的关键因素[6]，因此摸清农村生活污水的产污特征，可为掌握农村生活污水产生、排放和处理情况，改善环境质量提供理论依据，对保护“绿水青山”和推动实现乡村振兴战略具有重要的指导意义[7]。

国内村镇生活污染特征研究集中于太湖、巢湖、滇池流域和三峡库区等重点流域。王文林等[8]2010年在太湖流域大浦镇4个村选择9户农户开展调查，监测生活污水排放量和各种污染物指标，分析了影响污染物排污系数的主导因素。谭平等[9]对巢湖流域农村地区进行调研，分4个季节进行采样监测，每次连续收集3 d的生活污水，测算了农村生活污水中COD、TN、NH4+-N、TP的产排污系数，提出了适合我国农村地区的污水处理模式，为农村生活污水减排计划的实施提供理论依据。彭绪亚等[10]选取重庆三峡库区3个行政区中不同经济收入水平、有无下水设施的18户农户为研究对象，对生活污水日产生量、pH、COD、TP、TN、TAN等指标进行了连续12个月的跟踪监测，初步掌握了重庆三峡库区农村生活污水的排放特征及关键影响因素。江科等[11]运用GIS空间数据分析技术、最近邻点指数与实地调查等方法，对三峡库区龙王沟小流域的农村生活污水排放格局、不同来源的生活污水水质特征进行了研究，为库区流域农村生活污水的收集治理和整个三峡库区流域水质的规划保护提供参考。

目前，关于辽宁省农村生活污水产污特征及其系数测算的研究鲜见报道，已有研究多从治理的角度对农村生活污水排放特征进行分析[12]，对于产污特征和系数测算的研究不足。因此，笔者以辽宁省农村生活污水为研究对象，开展农村生活污水产污特征及其系数测算的研究，以期为全国分区域与流域的农村生活源污染物入河量核算提供基础数据，并为农村生活污水治理工作提供支撑。

1 研究区概况

研究区位于我国东北平原南部，地处北纬38°43′～43°29′，东经118°50′～125°47′之间。全省陆域总面积为14.75万km2，地形地貌多样，东西两侧为山地丘陵，中部为平原，东西部山地丘陵一般海拔在500 m左右，平原南部地势低洼，海拔在50 m左右。该区域属温带大陆性季风气候区，年平均气温为4.8～10.4 ℃，年均降水量为986.67亿m3。2016年末，76.0%的村生活垃圾集中处理或部分集中处理，8.4%的村生活污水集中处理或部分集中处理，24.8%的村完成或部分完成改厕[13]。全省纳入监管的农村污水处理设施为224座，总设计处理能力为46万t·d-1。

2 数据来源与研究方法

2.1 监测点的设置及采样方法

该研究中农村居民生活污水指农村家庭户在居家日常生活中所产生的污水，由于监测农户多使用旱厕，所以该研究不包含厕所污水，主要包括洗衣、洗漱、餐厨、洗澡、房屋清洁的污水。影响污水产生和排放的因素主要包括生活用水供水量、经济发展水平、收入水平、消费水平、生活方式、人口数、地域、季节、气候和有无下水设施等。由于每个地区居民消费水平、生活方式、气候等因素相似，研究从沿海、中部平原、东部山区、辽西北丘陵山地农村分层抽取样本，其中沿海(中部平原)、东部山区、丘陵山地依次代表生活水平高、中、低。结合典型性、代表性和合理性原则，于2018年选取90户典型农户为总污水监测对象，按地市、乡镇、村、农户的实测抽样模式(即3×3×2×5)进行布点(表1)，2019年选取12户典型农户为分类污水监测对象进行验证，同时构建了相应的生活污水样品收集设施。

表1 布点情况

样品采集参考HJ/T 91—2002《地表水和污水监测技术规范》和HJ 494—2009《水质采样技术指导》中的相关规定，分别于2018年9、10、11月采集3期总生活污水，2019年7、8月采集2期分类生活污水，每期3 d，详细记录每日各类生活污水排放量，与此同时，随机抽取每批样品的10%作为样品的平行样。

2.2 分析方法

各指标分析方法参照文献[14]进行。其中污水量采用直接容积法测定，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、动植物油浓度分别采用重铬酸盐法(HJ 828—2017)、稀释与接种法(HJ 505—2009)、纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)、钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989)、红外分光光度法(HJ 637—2012)进行测定。各指标在测定过程中同时进行标样跟踪、平行双样测定，以保证监测结果准确。

2.3 产排污系数界定

污水及污染物产生系数指农村家庭户在居家生活中日均每人产生的生活污水量及污染物量。通过调查相应的农户人数、用水量和生活习惯，监测污染物的实测浓度，确定其人均污水量和主要污染物产生系数。

每日人均生活污水量计算公式为

Qc=Wc/(n×N)。

(1)

式(1)中，Qc为每人每日污水产生量，L·人-1·d-1；Wc为农户生活污水产生量的监测值，m3·d-1；n为对应于日的系数，取值1；N为农户常住人口数调查值。

水污染物产生量计算公式为

Gi=k×Q×Ci。

(2)

式(2)中，Gi为污水中污染物i的产生量，kg·a-1；Q为污水产生总量，m3·a-1；k为单位换算系数；Ci为污染物i的质量浓度监测值，mg·L-1。

人均产污系数计算公式为

Fi=Gi/(0.365N)×103。

(3)

式(3)中，Fi为废水中污染物i的产生系数，g·人-1·d-1。

3 结果与讨论

3.1 产污特征分析

3.1.1水质特征

从表2可知，人均日产污水量及COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、动植物油浓度变化幅度较大，变异系数均高于50%，这表明污水水质指标随地域、季节、气候及农户生活方式等因素的不同而存在较大差异。从偏度和峰度来看，人均日产污水量及COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、动植物油浓度均不服从正态分布。据其分布形态，分别进行自然对数变换。

表2 90户对象农户生活污水监测指标统计

对数据转化前后的分布形态进行Kolmogorov-Smirnov检验，由表3可知，总生活污水的各监测指标浓度数据经自然对数变换后符合正态分布，故用几何平均数代表各监测指标浓度的平均水平，农村总人均日产污水量为21.81 L·人-1·d-1，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、动植物油平均质量浓度分别为788.22、385.61、3.19、20.15、3.04和7.56 mg·L-1。

表3 90户对象农户生活污水各监测指标对数转换后的K-S检验结果

根据文献[15]可知，研究区农村生活污水人均日产生量、NH3-N浓度低于技术指南中北方村庄居民水质标准，COD浓度高于技术指南中北方村庄居民水质标准。分析原因，其一是笔者测量污水的方法为容积法，收集的污水并不包括水冲式厕所产生的冲厕水，同时监测时间集中在9—11月，处于农忙季节，用水量相对偏少；其二是部分农村地区并没有给水管网和排水收集系统，导致农户产生的污染物浓度变化较大。

3.1.2污水特性影响因素分析

农村生活污水产污特性的影响因素主要包括地域、季节、农户收入水平、有无下水设施等，为明晰各因素的具体作用，以地域为随机因素，季节、农户收入水平、有无下水设施为固定因素，利用SPSS软件的一般线性模型对转换后符合正态分布的数据进行分析。

由表4可知，各监测指标在地域上具有显著的统计学意义(P<0.05)，这说明农村生活污水各监测指标存在变异的监测点位，同一地域内的农户由于所处环境、生活方式、生活用水量、自然属性相似，而导致生活污水及各类污染物的含量具有一定的相似性。结合随机效应和固定效应，以显著水平为依据，分析发现人均日产污水量和NH3-N浓度的主要影响因素为地域和季节，这是由于部分地区受供水和农忙季节的影响较大；COD、BOD5、TN、TP浓度的主要影响因素为地域和收入水平，动植物油浓度的主要影响因素为地域、收入水平和季节，这表明辽宁省农村生活污水各指标的主要影响因素为地域和收入水平。

表4 农村生活污水特性影响因素的一般线性模型分析结果

3.1.3污水各特征指标相关性分析

不同地域农村生活污水的组成表现出不一致性，为探析农村生活污水产污特性各指标的相关性，针对转换后符合正态分布的数据，计算各污染物的Spearman相关系数。由表5可知，农村生活污水人均日产生量与NH3-N、TN、TP浓度之间存在负相关性，即人均日产污水量越大，污水的NH3-N、TN、TP浓度越低；人均污水日产量与污水的动植物油浓度呈显著正相关，可能是由于生活污水主要来源于农户的餐厨污水；而人均日产污水量与污水的COD、BOD5浓度相关性不显著，其原因是污水含有较少的有机质，而NH3-N、TN、TP主要来源于洗衣、洗漱、房屋清洁等污水，其清洁用品中含有大量的N、P等元素，有机质含量较少。COD、BOD5、NH3-N、TN、TP浓度之间具有显著正相关性，其浓度大小由农户的消费水平和生活方式等因素共同决定。

表5 农村生活污水各特征指标的Spearman相关系数

3.2 生活污水产污系数的测算

根据污水特性影响因素分析可知，辽宁省农村生活污水各指标主要影响因素为地域和收入水平，故对高、中、低收入水平下农户生活污水产污系数进行方差分析。结果表明，收入水平对农户总生活污水中COD、BOD5产污系数无显著影响(P>0.05)，但对人均日产污水量影响显著(P<0.05)，对NH3-N、TN、TP、动植物油产污系数影响极显著(P<0.01)。人均日产污水量表现为高收入农户>中收入农户>低收入农户，NH3-N、TP产污系数表现为高收入农户>低收入农户>中收入农户，TN产污系数表现为低收入农户>高收入农户>中收入农户，动植物油产污系数表现为中收入农户>低收入农户>高收入农户。可见收入水平对农户总生活污水中各类污染物产污系数的影响具有明显差异。

由图1～2可知，餐厨污水、洗漱污水、洗澡污水以及洗衣污水的人均日产污水量大小顺序表现为中收入>高收入>低收入，而清洁污水的人均日产污水量表现为高收入>中收入>低收入。这是因为农户人均日产污水量的变化差异由农户的消费水平和生活方式等因素共同决定。

如图2所示，收入水平对清洁、洗澡污水的COD产污系数并无显著影响(P>0.05)，对洗衣、厨房、洗漱污水的COD产污系数影响显著(P<0.05)，表现为中收入农户>高收入农户>低收入农户；对清洁、洗漱、洗澡污水的BOD5产污系数并无显著影响(P>0.05)，对洗衣、厨房污水的BOD5产污系数影响显著(P<0.05)，表现为中收入农户>高收入农户>低收入农户。

这是由于农户生活水平的提高，导致厨房与洗漱、洗衣等用水量增加，餐厨污水氮磷本身含量较低，但富含食物纤维素、淀粉、脂肪、蛋白质、动植物油、各种佐料和洗涤剂等物质，对COD以及BOD5贡献率较大。收入水平对厨房、洗漱污水的NH3-N、TN产污系数无显著影响(P>0.05)，对洗澡、清洁、洗衣污水的产污系数影响显著(P<0.05)，其中洗澡污水表现为中收入农户>高收入农户>低收入农户，而清洁污水表现为高收入农户>中收入农户>低收入农户。收入水平对厨房、洗漱、洗衣、洗澡污水的TP产污系数并无显著影响(P>0.05)，对清洁污水产污系数影响显著(P<0.05)，表现为高收入农户>低收入农户>中收入农户。其原因是随着农户生活水平的提高，洗浴以及清洁用水量增加，富含氮磷的洗洁精、沐浴露以及洗发露等物质对NH3-N、TN以及TP贡献率较大。

将生活污水各指标的产污系数按收入水平划分，取3个收入水平的算术平均值作为统一值，与其他区域的农村生活污水产污系数进行比较，结果见表6。相较于巢湖流域[16]，辽宁省的农村生活污水产生量、TN产污系数与之接近，COD、TP的产污系数偏高；相对于太湖流域[8]，辽宁省人均日产污水量及TN、NH3-N、TP产污系数低于太湖流域，COD产污系数高于太湖流域。

表6 不同收入水平农户生活污水产污系数测算结果

笔者现场调查表明，盘锦市、沈北新区、抚顺市的农村生活污水排入渗水井，北镇市、朝阳市的农村生活污水直排户外，生活污水并未产生地表径流。但笔者认为研究区农户产生的污染物可通过降雨冲刷产生面源污染，同时对地下水产生影响。尚需更多样本，对农户产生污染物在环境中的输移、转化进行系统量化研究，以期精确测算农村生活污水对辽河流域的污染负荷。

4 结论

(1)通过对辽宁省5个地市不同经济收入水平的农户生活源污水排放情况进行跟踪监测，初步掌握了辽宁省农村生活污水的排放特征：生活污水人均日产量为21.81 L·人-1·d-1，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、动植物油污染物浓度的平均水平分别为788.22、385.61、3.19、20.15、3.04和7.56 mg·L-1。

(2)辽宁省农村生活污水人均日产量、NH3-N浓度的主要影响因素为地域和季节，COD、BOD5、TN、TP浓度的主要影响因素为地域和收入水平，动植物油浓度的主要影响因素为地域、收入水平和季节。

(3)生活污水的COD、BOD5、NH3-N、TN、TP浓度之间具有显著的正相关性，其产污系数分别为23.85、11.785、0.12、0.64、0.11 g·人-1·d-1，动植物油的产污系数为0.43 g·人-1·d-1，人均日产污水量为26.49 L·人-1·d-1。