农村污水处理模式分析-以江苏省为例

左雨航 宋明志 骆 辉* 蔡冰鑫 掌文浩 王俊涛 荆肇乾 何宝杰

(1.江苏海洋大学 土木与港海工程学院,江苏 连云港 222005; 2. 南京林业大学 土木工程学院,南京 210037;3. 重庆大学 建筑城规学院,重庆 400030)

随着农村经济的发展,农民生活水平的不断提高,农村污水的排放量也逐年增加。据初步统计,

2019年村镇污水排放量为216亿吨,2020年村镇污水排放量为233亿吨[1],增长约7.9%;而2016年农村污水的处理率为22%[2],2021年农村污水的处理率为28%,5年间增长了6个百分点。根据2021年全国第七次人口普查数据显示,全国农村人口为50979万人,每天大约能产生2300万吨的生活污水;江苏农村人口为2400万人,每天大约能产生160万吨的生活污水[3-4]。农村的生活污水问题已成为影响农村居住环境和生态环境的重要因素。农村生活污水的主要成分是淀粉、糖类、脂类和蛋白质以及氮、磷等,这些成分易造成农村水体的富营养化现象[5],会极大地影响地下水、湖泊等水质,破坏生态环境平衡;若得不到有效的治理还会影响村镇的饮水安全,威胁农村居民的身体健康[6]。因此,选择适宜的农村污水处理模式对农村实施乡村振兴战略,提升农村基本公共服务水平、建设美丽乡村、推进城乡发展一体化有着重要意义[7]。

据生态环境部统计,2020年底全国城镇污水治理率已经超过95%[8],而农村生活污水治理率仅为25.5%,从区域分布来看,经济条件较发达的东部地区的农村污水治理率也只有36.3%,高于中部地区的19.3%和西部地区的16.8%[9]。研究发现[7, 10-13],我国农村污水排放存在着排放分散,收集点较多;间歇排放,时空分布变化大;有机物含量高,具有可生化性;重金属等有害物质含量少,水质稳定等特点。农村污水排放的特点也导致了污水在收集处理时还面临着一些关键性的问题,如农户居住分散,部分地区地势差异较大[1],导致管网建设难度大,污水收集困难;农户的用水量随时间的变化大,对农村污水的处理设施有一定的冲击性[1];同时农村的经济水平较低,建设和运营管理的资金来源少,资金缺口大[14];且存在部分农户环保意识薄弱,拒绝配合现象,而导致设施的建设、管理难度大,监督困难等问题[15]。

本文以江苏省农村污水的处理现状为背景,介绍了现阶段常用的三种污水处理模式,阐述了新型污水处理模式的工作原理,综合对比了分散式处理模式、相对集中式污水处理模式、纳管处理模式这三种不同的处理模式在经济上、施工上和对进水水质影响上的区别,以期为我国农村污水治理模式的选取提供参考。

1 江苏省农村污水的处理现状研究

1.1 农村污水的水质水量特征

农村生活污水的组分及污染物浓度与农户的生活环境、经济水平、用水量等因素有关[16],主要的污染物为化学需氧量(COD)、氮和磷等,一般不含有毒物质,同时也会存在一些合成洗涤剂及细菌、寄生虫卵等,不同时段的水质也不尽相同[17-18]。一般农村生活污水的水质:COD为250～400 mg/L,BOD5为120～200 mg/L,NH3-N和TP分别为40.0～60.0和2.5～5.0 mg/L[19]。

农村生活污水的水量一般较小,但是日变化系数大,为3.0～5.0[20],且一般早、中、晚排放量较大,夜间排水量最小,呈瞬时排放,波动较大[21]。农村生活污水的排放一般呈粗放型排放[22],不仅污染了农村的水环境,污染了农村的生态系统,而且极大程度的威胁着人类的身体健康。

1.2 江苏省农村污水治理工作的特点

江苏省经济繁荣,境内河湖众多、河网交错,处长江中下游平原地区,农村人口居住密集。但是不同地区在经济发展、生活习惯等方面仍然存在着一定的差异,尤其苏南、苏北差异较为明显。苏南地区地处太湖流域,经济发达,人口密集,农村生活水平较高而且农村生活污水治理工作起步较早;而苏北地区地处淮河流域,经济相对较为落后,土地资源相对充足,村庄也相对分散,农村生活污水治理工作相对于苏南地区起步较晚。据统计苏南地区农村污水集中或相对集中处理的村庄占比达到73.4%,而苏北地区仅仅只有23.6%[23]。

1.3 江苏省农村污水的处理工艺

农村污水的处理工艺主要有生物处理技术、生态处理技术和生物生态组合技术[24]。生物处理技术处理农村生活污水主要是依靠微生物的新陈代谢作用[25],常见的有净化槽工艺、好氧单元和厌氧单元的组合工艺(A/O工艺)、生物滤池等;生态处理技术是利用微生物、土壤、动植物之间产生的一系列物理、化学、生物学的作用对农村污水中的污染物进行降解的污水处理技术[26],其主要包括人工湿地技术、土地渗滤工艺、稳定塘技术、蚯蚓生态滤池等;生物生态组合技术就是将微生物通过新陈代谢作用去除有机物和通过生态处理技术进一步脱氮除磷结合起来,形成优势互补,保证出水的水质稳定[27],包括了生物+人工湿地组合技术、生物+其他生态组合技术。具体见表1。

表1 农村污水处理工艺对比分析

1.4 农村污水处理设施运维体制及运维资金筹措

据调查,江苏省农村生活污水处理设施的运管模式主要有四种,分别为镇/村联合统一管理模式、各部门联合管理模式、城乡水务一体化管理模式和委托第三方运行统一管理模式[28]。镇/村联合统一管理主要是由所属地的镇/村负责设施的运维管理;各部门联合管理指的是生态环境、财政、住建、水利等部门组成工作小组,具体推进农村生活污水的处理工作;城乡水务一体化管理模式是地方组建的水务集团负责设施的运管;委托第三方运行统一管理则是委托相应资质公司对设施进行运维管护。其中以镇/村联合统一管理模式应用最多,而对于管护效果较好的城乡水务一体化管理模式和委托第三方运行统一管理模式,主要应用于一些经济条件较好的地区。大多数地区选择镇/村联合统一管理模式的主要原因还是主管部门缺乏必要的管理制度、人员和经费支持[29],只能选择运行成本低、管理简单的此种运管模式。

江苏省太湖流域农村生活污水处理设施建设和运维资金的来源较为单一,仅财政补贴和自筹两种方式。省级补贴主要采取“以奖代补”的形式,且主要用于污水处理设施和管网的建设,对于建成之后的运行和管理维护并没有安排相应的资金进行补助[30],运维费用的来源仍要依靠县级财政投入[31]。也有调研发现,部分地区的运维费用是由镇/村自筹,此种方式这对于经济力量相对薄弱的地区而言是一笔不小的开支[32],同时也会导致因缺乏资金投入和科学的运维管理而出现设施使用寿命降低、治污能力下降等问题[33]。拓宽资金来源,形成多元化投入是污水处理设施长效运维管理的重要保障。

2 江苏省农村污水的处理模式

传统的农村生活污水处理模式可分为:分散式处理模式、相对集中式污水处理模式、纳管处理模式[34-36]。近些年来,在传统污水处理模式的基础上,逐渐演化出了以灰黑分流式为代表的一些新型农村污水处理模式。

2.1 分散式污水处理模式

我国众多农村地区广大辽阔,大部分农户居住都较为分散,导致产生的污水具有分散性且较难用管网进行收集[7]。因此提出分散式污水处理模式(图1),该模式是将单户或者附近几户农户的污水进行收集处理,具有污水收集灵活,收集效率高,受地形限制较小等优点,但是设备点多运行管理维护量大,设备投资较大。分散式污水处理模式适用于农户居住分散,地形条件复杂,污水不易集中收集的村庄[36],是一种较为符合农村实际情况的处理模式,能有效提高农村污水的处理效率[7]。

图1 分散式农村生活污水处理模式

2.2 相对集中式污水处理模式

相对集中式污水处理模式区(图2)别于分散处理模式,他是将村落内聚居在一起的住户污水统一收集输送到污水处理设备中集中处理。具有设备量少方便维护管理,投资省等优点,但是存在污水收集系统投资加大,对管网维护要求较高,施工相对困难等缺点。该模式适用于污水量较大,人口密度大,地势平缓,远离城镇的农村地区[34]。

图2 集中式农村生活污水处理模式

2.3 纳管处理模式

纳管处理模式(图3)即纳入城镇污水管道排入城镇污水处理厂统一处理,适用于距离城镇污水管道较近的村落,相对于另外两种模式而言,纳管处理模式省去了新建污水处理设备的投资,具有投资较省,施工方便等优点,但是同样对管道收集系统要求较高,且受地域限制较大。该处理模式适用于距离城镇较近,经济条件较好,具备铺设污水收集管道条件的农村地区[34]。

2.4 新型处理模式

近年来,基于源头分离、分质处理、资源化利用等理念在国内外得到广泛的研究,Hammes F[37]等通过对生活污水的研究提出农村生活污水按照来源可分为黑水和灰水两部分,大小便厕所出水为黑水,灰水则包含厨房用水和洗澡水等生活用水。陈月芳等[16]对农村污水的组成和成分进行了分类,见表2;刘晓慧[38]对我国农村生活污水的组成成分进行研究,我国农村生活污水黑水和灰水的化学组成以及占比见表3。

表2 农村生活污水分类[16]

表3 黑水灰水污染物排放量及占比表[38] 单位:kg/(人·a)

表3显示灰水是农村污水的主要来源,占据了整个农村污水的62%;且黑水与灰水的成分存在一定的差别,污水中的氮、磷等污染物大部分来自黑水。针对于以上的特点,陈方奎等[39]基于源头分类收集的处理理念,提出了一种灰黑分离初级处理和收集(SSPC)模式,将高污染物浓度的黑水进行初步处理后再与分离的灰水汇集,一起排入污水处理设施内。该模式将高浓度、小排放量的黑水先经过户用初步处理装置(化粪池)处理,使其能够得到充分的发酵和硝化,高效地削减COD等污染指标,提高了污染物的去除效率。

而吕锡武团队[40-41]则是将灰水与黑水完全分开处理,将黑水通过吸粪车集中收集后利用秸秆异位发酵床制取有机肥,从而达到N、P资源的资源化利用[42],实现污染物零排放,而且可以帮助农村解决秸秆处理难题,并产生经济效益;灰水部分则可以通过简单的沉淀后直接排入生态沟渠或者人工湿地处理,简化了污水处理工艺,且降低了建设和运行成本。见图4。

图4 灰黑分离异位发酵床处理系统

3 江苏省农村污水处理模式的对比分析

各地农村地区的地形地貌差异大,人民的经济水平和生活规律都存在着明显的不同,农村房屋的建设也不像城市那样的规整,因此在农村地区选择合适的污水处理模式需要综合考虑当地的经济水平、地形地貌、所处的地理位置以及后期维护等诸多因素。污水处理模式的选择直接影响着污水的收集效率,在选择时,应根据当地的实际情况,针对各个模式的适用条件和特点因地制宜地使用各种处理模式,这是解决农村生活污水收集困难的关键。表4为各农村污水处理模式的概况和适用条件。

表4 农村污水处理模式的概况及适用条件

3.1 经济性对比分析

课题组对靖江市新桥镇某村7组的26户进行不同模式的规范化设计后进行投资概算分析,采用一组分散式和两组相对集中式进行比对分析,规模分别为13套1m3/d的设备、2套5m3/d的设备和1套10m3/d的设备,设备选用净化槽。对整个污水处理系统中管网收集系统以及污水处理设备的施工工程费用以及材料费按照实时市场行情进行经济分析,最终户均建设费用比较见表5,详细费用明细表见表6。

表5 污水处理模式经济分析

表6 污水处理模式经济分析详表

由表5可知不含设备的户均费用以分散式最低,以设备大小为10 m3/d的相对集中式最高。这是由于分散式管网的主要管材采用De110管径,而且其管道长度较小、埋深较浅,土方工程施工也较为容易,因而其费用低;由于设备大小为10 m3/d的相对集中式使用的设备量最少,因此其所需管网的长度要相应增加,管径也要加大(De160、De200管径成为主要管材),导致埋深增大,土方工程施工难度也随之加大,从而使得综合费用更高。从表6也可看出管网收集系统和土方工程费用都是随着吨位的增大而增大。

含设备的户均费用分散式的比相对集中式的要低,这是由于此种类型净化槽设备价格与吨位成一定的比例,大小设备每吨摊销价格相近,但是大吨位相对于小吨位设备前增加了一套前提升设备,而且小设备管网长度小,堵塞风险小,可不设化粪池,所以含设备的户均费用分散式处理模式费用较低。但是更大的吨位,每吨的设备费用占比下降很大,就可能存在每户设备费用摊销比例下降的情况,如此弥补了大吨位土建费用的增加,从而导致一套10 m3/d污水处理系统反而比两套5 m3/d的含设备户均费用要低。

通过在实际工程中对不同农村污水处理模式的经济性分析可以发现,分散式污水处理模式收集系统建设费用以及土方工程施工费用比相对集中式更省,但是由于每种处理设备的设备价格与吨位比例不尽相同,因此分散式与相对集中式这两种农村污水处理模式在经济投资上并没有绝对的优势劣势,实际选择时还应根据现场实际情况以及针对相应的污水处理设备进行投资预算来比选。

3.2 施工可行性分析

对南京市江宁区湖熟街道三个村庄的施工建设进行调研,对施工过程中管网收集系统以及污水处理设施的建设施工工作量进行比对分析,以工人工时作为施工工作量的比对依据,调查结果见表7。

表7 施工工作量比对表

表7中由于每个村庄内道路硬化以及施工条件、施工队伍有所差别,所以施工工作量有所差别,但是显然管网收集系统工作量远比污水处理设施的建设工作量要大,农村生活污水建设工程中管网收集系统的建设工作量要占到75%～80%。因此管网收集系统决定了施工的可行性。

对南京市湖熟街道第二批农村生活污水处理设施建设当中的现场矛盾进行了调查反馈(图5及表8),可知施工过程中由于管网收集系统建设矛盾而影响施工占比达到73.08%,而污水处理设施建设矛盾则只占26.92%,由此可见管网收集系统在施工中起决定性的作用。

图5 施工矛盾分析图

表8 施工过程主要矛盾分析

分散式污水处理模式由于管网收集系统简单,所以施工更为方便,污水处理设备地址选择也较为灵活,受地形限制较小,但是设备过多会增加后期管理运行维护的负担。而相对集中式污水处理模式则受地形限制较大,设备地址的选择不仅需要选择地势相对低洼的地方来避免埋深过大从而增加施工难度,而且需要更大的占地空间,但是相反其设备量少,管理运行维护方便。因此需要根据现场地势条件以及施工可行性来对污水处理模式灵活运用。

3.3 进水水质比较分析

课题组对靖江市2020年农村生活污水治理项目展开调研,选取其中16个污水处理设施(8个相对集中式和8个分散式)进行进水水质调研,分析污水处理模式对进水水质的影响。如图6箱线图所示,分散式农村生活污水处理模式进水污染物浓度整体明显高于相对集中式处理模式。原因主要有两个,一方面靖江市农村生活污水项目中相对集中式污水处理模式基本均接入化粪池设备做了预处理,而分散式的则没有,化粪池对COD、SS等有着相对较高的去除率。另一方面,相对集中式污水处理模式污水收集系统管路较长,实际收水过程中,易有地下水、雨水等进入管路,而分散式管路短、污水收集率高不易受外界水源影响。

图6 不同处理模式进水水质对比分析图

由箱线图的分布区间可知,分散式污水处理模式中各个污染物浓度的分布区间明显大于相对集中式污水处理模式,由此可见,分散式污水处理模式进水污染物浓度波动更大。这主要还是由于分散式污水处理模式之前未设置化粪池作为预处理,可见化粪池不仅可以起到预处理的作用,还能起到水质缓冲调节作用,但是污水经过化粪池预处理过后容易出现进水COD浓度偏低,从而导致碳源不足影响脱氮效果[43]。

4 总结与展望

江苏省开展农村生活污水治理工作较早,已经逐渐摸索出适宜的农村污水治理技术[35],但相较于国外部分发达国家,我省的农村污水处理体系还处于起步阶段。目前,应用较多的农村污水处理模式为分散式处理模式、相对集中式处理模式和纳管式处理模式三种。但在农村污水的处理上还存在着一些尚需解决的问题[15, 29, 30, 33],如部分农户拒绝配合相关部门工作,对污水处理的意识还有待提高;农村经济较城市经济差距较大,建设和管理资金的缺口大;有效营运机制不健全,后期的维护运行缺乏保障机制等。所以农村污水处理体系的研究还应继续,需不断完善农村污水的处理模式,提高农村污水的处理效率。未来在完善农村污水处理体系上还应注重以下方面:

(1)农村污水处理模式的选取。农村污水处理模式的选取需要因地制宜,要充分考虑当地的经济、地理、人文等情况,针对不同处理模式的优缺点及适用条件,结合现场的投资可靠性、施工可行性以及运行管理维护情况进行综合分析,选出最为适宜的农村污水处理模式。灵活组合使用农村污水处理模式是有效解决农村生活污水收集困难的关键。

(2)新型农村污水处理模式的开发。农村污水的收集处理模式是污水处理的第一步,完善污水收集体系,提高污水的收集率是污水治理的关键环节[33]。农村的生活污水大致可以分为黑水和灰水,黑水主要来源是冲厕废水,含有大量的氮、磷等营养物质,污染程度高,水质较稳定[44];灰水的主要来源是厨房用水和洗漱用水,主要成分为有机和无机污染物,污染程度低,水质随季节变化大[44]。黑水与灰水的不同成分也导致了它们适合于不同的处理方式,黑水通过厌氧处理产沼气是实现黑水处理的重要途径;而灰水采用物化、生物和生态处理工艺就可达到USEPA的室外用水标准[45]。因此将黑水与灰水分离处理,不仅使得污水中的营养物质可以循环再利用[46],降低了污水处理系统的运行能耗,而且有效提高了农村污水处理的效率[47]。

(3)农村污水治理是改善农村居住环境,提高农民幸福指数的重要措施之一,要加大宣传力度,提高农民的参与度,提高农民对污水治理问题的认识;要根据苏南、苏北的地方经济差异,有区别的进行资金投入,保证污水处理设备建设和运营维护的资金来源;明确责任与分工,制定相关的规章制度,避免出现任务重叠,责任交叉[30];制定长期有效的农村污水运营管理机制[30],保证农村污水处理设备的工作正常。