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实测数据:人口密集地区农村污水治理关键问题

时间:2020-09-17 10:21

来源:给水排水

作者:付浩等

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导 读:农村生活污水收集治理是解决农村地区环境问题的重要举措,人口密集地区污水治理情况尤为复杂。针对江苏在农村生活污水治理进程中遇到的若干问题,深入剖析问题产生原因,在此基础上,提出当前人口密集地区应重点关注农村生活污水的“最后10 m”,并从县(市、区)域层面全盘统筹思考农村生活污水治理模式、处理方式及指标确定等若干技术问题。

1 背景情况

中国农村人口基数大,农村污水排放量占比越来越高,但农村污水处理率仅22%。江苏省城乡人口密集,城镇与乡村边界模糊,2017年承载量为778人/km²,城镇化率68.8%。江苏省水生态环境敏感,水环境容量低,对生活污水的处理要求高。虽然江苏省农村污水治理经历了“村庄环境整治行动”“环境改善提升”等10余年的努力,先后出台《江苏省村庄生活污水治理专项规划编制大纲》《江苏省村庄生活污水治理适宜技术及建设指南》等系列文件,探索了常熟模式、丹阳模式等治理模式,但在污水治理的规划设计、收集方式、设施建设及维护方面仍存在一定问题,农村河道水环境并未显著改善。

在人口密集地区,水质、水量及区域环境均是影响农村生活污水治理的关键。水质方面,乡村生活污水由洗涤用水和厨房用水组成,水质构成单一、波动幅度小,COD和BOD5范围一般在350~770 mg/L和200~400 mg/L,可生化性良好,SS、TP、TN、pH等指标与城市生活污水差别较小。但江苏省农村土地利用情况复杂,存在一定的“散乱污”企业,一旦生活污水混入村庄周边工业污水,则情况异常复杂;水量方面,人口密集地区污水产生量大,必须进行一定程度的处理,但对于单一村庄而言,农村污水产生量极不均匀,如苏北村庄老年人口过多,日常产生水量少,但逢年过节产生水量骤增,而水量负荷的变化影响污水处理设施的运行;区域环境因素方面,人口密集地区城镇体系相对完善,村镇联系紧密,自然因素、建设因素、经济因素等区域因素均影响着农村生活污水治理。本文以江苏省为例,在抽样分析污水处理设施运行现状的基础上,找出目前污水治理推进过程中存在的问题,深入剖析问题产生的原因,总结人口密集地区农村生活污水治理模式,找出完善农村生活污水治理的关键切入点,探讨污水收集、处理方式方法等技术问题,为人口密集地区农村生活污水处理工作提供参考。

2 治理概况及存在问题

2.1 污水收集管网的“最后10 m”欠缺关注

农村生活污水治理工程从源头收集至末端处理可分为三个系统层次,首先为居民户内至户外接入口约10 m的污水源头产生系统,其次为村内管道至污水处理终端的主干管收集系统,最后为污水处理终端系统。目前农村生活污水治理主要精力投入在村内主干管收集系统及污水处理终端系统,仅最后剩下10 m的源头的产生系统关注度最低,且大部分污水处理终端系统注重建设而忽视运行,源头产生系统及处理终端系统是目前农村生活污水治理的薄弱环节。

抽样调查可代表江苏省苏南、苏中、苏北的A市、B县、C区三地农村生活污水治理情况( 江苏省住房与城乡建设厅曾于2018年对江苏全省农村生活污水治理情况进行全面调查)。从调查数据来看,在已经实施污水治理的村庄中(A市300个,B县24个,C区20个),全部建设了村内主干管网收集系统,但很少关注户内源头收集系统,源头收集系统主要为收集“四支水”,即村民户内化粪池、厨房、淋浴及洗衣机4个不同路径产生的污水。A市“四支水”收水百分比情况依次为100%、30%、50%、50%,已实施农村生活污水收集处理的村庄中,有23.6%存在污水散排情况。B县“四支水”收水百分比依次为100%、18%、32%、30%,已实施农村生活污水收集处理的村庄中,有318%存在污水散排情况。C区“四支水”接收百分比情况依次为100%、15%、21%、18%,已实施农村生活污水收集处理的村庄中,有66.7%存在污水散排情况。厨房、淋浴及洗衣机产生的污水未应收尽收,从居民户外接入口至卫生器具的“最后10 m”需重点关注(见图1)。

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2.2 处理工艺仍需进一步科学选择

在调查的苏南已实施污水治理的村庄中,接至城镇污水处理厂的村庄有269个,采用独立设施自行处理的村庄有31个,处理工艺均为AO法(见图2)。太湖流域水环境承载力低,对尾水排放要求严格,AO不能有效满足苏南地区污水处理要求,农村生活污水处理实践中AO工艺整体运行不理想,出水水质波动性大。

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苏中地区采用的污水处理工艺多样,主要有AO工艺、一体化生物转盘工艺、厌氧+人工湿地工艺、复合生物滤池+人工湿地工艺及膜生物反应器工艺,种类偏多,不便于统一维护管理;苏中地区水量波动较大,需选择抗负荷冲击较强的工艺,一体化生物转盘工艺抗水量负荷冲击能力弱、能耗大,运行效果不佳,不适用于苏中地区农村生活污水的处理。

从苏北地区农村生活污水处理工艺来看,处理工艺主要采用AO及膜生物反应器工艺,膜生物反应器工艺运行及维护成本均较高,不适合大范围的推广使用。

2.3 终端处理设施缺乏维护,管道施工水平不佳

农村生活污水处理设施往往建设易,维护难,据抽样资料,A市31个独立设施中有28个未正常运行,B县24个独立设施中23个未正常运行,C区19个独立设施均未正常运行,污水处理设施沦为“晒太阳工程”。农村生活污水处理设施缺乏长效运行管理的人才队伍,缺乏运行维护经验,且农村管道施工质量差,施工队伍能力有限,不按设计图纸或不规范施工时有发生,造成污水大量漏损、入渗土壤,导致大批设备停滞运行(见图3)。

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2.4 规划设计应更注重实用

规划层面,污水处理设施规模预测是设施规划建设的重要前提,目前大部分规划在供水、污水设施规模预测过分追求所谓“高标准”,如设施规模设计套用城镇的规划设计指标,《镇(乡)村供水工程规划规范》(CJJ/T 246-2016)中江苏省人均综合用水量为100~260 L/(人·d),该指标跨度大,大部分规划设计单位在设计污水收集处理设施时都会考虑人口密集地区经济发展水平高,故在规划过程中在指标选取时通常会选择偏大的区间。根据苏南、苏北、苏中村庄抽样调查实际污水排放量数据显示,苏南地区污水处理设施设计规模是生活污水实际排放量的1.5~2倍,而苏中、苏北地区已达到2.5~3.5倍。若再遇到乡村空心化严重,常住人口远低于户籍人口的乡村,易造成设施长期低负荷运行,利用率低,形成浪费。

3 农村生活污水治理若干问题探讨

3.1 治理模式探讨

人口密集地区农村生活污水治理模式不能仅针对具体村庄开展个体研究,必须从县(市、区)域层面统筹考虑,建议从改善县(市、区)域乡村水生态基底及统筹规划、建设、管理两方便合理确定农村生活污水治理模式。

农村水环境的改善是区域性问题。农村生活污水治理多年但农村水环境改善效果甚微,其原因是区域水力条件的改变。人口密集地区多为平原河网,区域层面水动力条件差,镇级以下河流的流动性较差,农村生活生产带来的污染源入河而无法进行削减,形如“进多出少”的黑箱模型,加剧了农村黑臭水体的发生。区域水力条件对乡村生态环境产生根本影响,必须进行县(市、区)域层面的区域联动,可在编制县域乡村相关规划中考虑解决乡村“死气沉沉”的水系问题,在县域层面的水系、基础设施专项规划中,首先应理顺乡村水系与外部镇级及以上水系的关系,充分考虑补水活水条件,探索生态引调水的可能性,呈现乡村“河是活的,水是清的”生态基底。

农村生活污水治理是系统性问题。在规划阶段,应进行县(市、区)域农村生活污水统筹规划,确定适宜的处理方式、处理工艺等。在建设阶段,应继续鼓励从工程方案设计至工程正常运转的一体化“丹阳模式”,其主要创新亮点为:建设中注重方案、严控质量,工程设计需多方签字确认,注重污水检查井、化粪池、油污分离池、管道等施工质量。重视运维、付费运维,建设期3年,运维期20年,保证正常运行。严格监管,实施建设过程中的现场随机抽检、污水处理设施的出水水质及使用寿命监管、长效运行监管等措施。只有把分散的乡村服务产品进行“集聚”才更有吸引力,地方将全域村庄进行统一“打包”,吸引品牌企业采用设计施工一体化(EPC)、设计施工一体化与运行维护(EPC+O)等模式进行建设,形成15~20年的长期合作伙伴关系。

3.2 解决“最后10 m”

针对抽样调查的农村化粪池、厨房、淋浴及洗衣机“四支水”收集率较低问题,在现阶段江苏农村生活污水治理进程中应更关注收集系统盲区的“最后10 m”。居民户内,建议可采用“自购+补贴”的形式鼓励引导居民完善户内的洗菜、盥洗等洗涤卫生器具,对“四支水”应收尽收,形成有效的户内收集系统,补齐村庄生活污水收集方面的短板。

3.3 收集、处理方式探讨

3.3.1 影响因素

影响农村生活污水收集处理方式的因素主要有自然因素、建设因素及经济因素。自然因素主要为地形地势、地区环境敏感程度、水系特征等;人为因素主要为人类改造自然而建设的因素,主要包含城镇管网建设、道路及污水处理设施建设规模等;经济因素主要为污水收集处理系统建设及维护的资金情况(见表1)。

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3.3.2 科学确定收集、处理方式

人口密集地区农村生活污水收集处理方式主要为纳入城镇污水收集管网及单村或联村集中处理两种。人口密集地区的城镇周边农村生活污水有接入城镇镇区污水处理条件的,应优先选择接入城镇污水处理系统集中处理,该方式对村庄周边的人居环境影响最小,且运行维护成本最低,但长距离的主干管道建设投资费用大且施工条件苛刻。对于可接入城镇污水处理系统但受河流、公路等条件影响的村庄,宜首先分析接入的可行性,并充分比较村庄独立建设污水处理系统利弊,综合各种影响因素,择优选择可行、适宜、经济的污水处理方式(见图4)。

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(1)纳入城镇管网的污水收集、处理方式。不考虑其他因素的复合影响,仅从单因子影响角度出发,提出纳入城镇污水收集管网的建议,在针对具体村庄污水系统设计时,可根据单因子角度的分析结果,设计农村生活污水收集处理的具体方案。

自然因素——距离:人口密集地区村庄考虑将污水纳入城镇收集管网时,首先应考虑自然因素中的距离因素,一般来说,城镇污水收集管网在规划设计时不考虑周边村庄污水接入情况,故村庄污水纳入城镇污水收集管道需进行一次污水提升。当污水收集系统均采用重力流收集时,DN300污水管道可满足2 400 m³/d的污水排放规模,而DN300塑料材质管道设计最小坡度为2‰,当污水管底埋深超过7 m时,考虑设置一次污水提升(不考虑长期压力流提升输送),故考虑以3 km为界进行距离因素的考量,即在靠近城镇污水管道末端处设置一处提升泵站,当距离城镇管道末梢距离大于3 km时,不推荐采用纳入城镇污水处理管网的处理方式。

自然因素——坡度:至城镇管道末梢地形为顺坡或平坡时,推荐采用纳入城镇污水收集管处理方式,但地形存在局部高点或逆坡时,需考虑逆坡的长度、坡度及局部高点的高程,经比选其他因素确定是否适宜。

自然因素——地区环境敏感程度:地区环境敏感程度限制污水排放的受纳水体,位于生态红线范围内及水环境质量要求严格的区域(如太湖流域),建议采用纳入城镇污水收集管处理方式,其他地区可以采用。

自然因素——3 km内河道数量:农村生活污水收集管道穿越河时候,需设置倒虹吸或提升泵站,过河倒虹吸一般加剧0.5 m管道埋深(具体工程根据管道设计水头损失计算),增加工程施工难度及投资,故需考量3 km范围内河道数量,当无河道需管道穿越时,推荐采用纳入城镇污水处理管网的处理方式;当有1条河道需要穿越时,可以采用,当大于等于2条河道时,不推荐采用。

建设因素——城镇管网:完善的城镇污水管网是收集农村生活污水的基础,无城镇管网系统时,不推荐采用纳入城镇污水处理管网的处理方式。

建设因素——污水处理设施建设规模:村庄污水规模越大,收集至城镇污水处理管网的环境效益、设计流速及管道使用寿命等工程效益最好,尤其是环境效益,农村生活污水处理设施一般出水水质标准不高,水量越大,对环境产生的潜在危害越大,一般以50 m³/d为界,当大于50 m³/d时(约村庄常住人口1 000人时),推荐采用纳入城镇污水收集管的处理方式。

建设因素——等级以上道路阻隔:当农村生活污水收集管道穿越等级二级及以上等级道路时,需顶管或拉管等非开挖施工,顶管施工需要管道一般DN600以上,拉管施工一般要求牵引管道两端造斜段长度、牵引距离及角度等,故不推荐采用纳入城镇污水收集管的处理方式,对于穿越二级以下的等级道路,可以采用。

经济因素——收集处理系统建设及运行维护:考虑一个提升泵站与3 km管道的费用,对于管道建设资金一般的村庄,需比选其他因素确定是否采用纳入城镇污水收集管网的处理方式;对管道建设资金充裕的村庄及缺乏运行维护资金的村庄,推荐采用。

城镇化率高及“团块状”形态村庄,适宜采用纳入城镇污水收集管网的污水处理方式。各因素对纳入城镇污水收集管网处理方式的影响及采用建议见表2。

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(2)单村或联村的收集、处理方式。不适宜采用纳入城镇污水收集管网处理的村庄,宜采用单村或联村的收集、处理方式,即将农户污水按照分区进行收集,每个区域污水单独处理。采用小型或微型污水处理设备或自然处理等形式处理单村或联村污水。适用于村庄布局分散、规模较小、地形条件复杂、污水不易集中收集的村庄污水处理,如苏中“条带状”布局的村庄。

3.4 注重工程建管水平

村庄污水终端系统一般采用活性污泥法或膜生物处理两大类方法,两种方法均需要稳定的污水负荷及有效的活性生物。当源头至终端污水施工质量差时,大部分污水渗漏流失,污水处理终端污水负荷小且不稳定,微生物活性差甚至死亡,终端设施的处理功能减弱甚至消亡。人口密集地区生活污水治理已经发展到了管理大于建设的阶段,同城市管道建设程序一致,村庄污水治理工作要注重程序性,规划设计完成后要组织施工图审查;管道建设完成后应安排“闭水试验”等必要的检验措施;建议地方应委托有资质的“专人专班”定期监测终端设施的运行情况,避免形成农村生活污水治理的“晒太阳”工程,保障农村生活污水治理工程正常运行。

3.5 其他技术问题探讨

3.5.1 合理选取污水治理的规划设计指标

采用单村或联村收集处理方式的村庄在设施设计时,应首先考虑农户户内卫生器具的配置,污水应收尽收,并实事求是调查本地村庄污水可收集的量,切莫机械地“生搬硬套”规范规定的相关指标。根据村庄经济条件及卫生设施的完善程度,可按表3选择农村生活污水治理的规划设计指标。

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3.5.2 有效防止“工业型”村庄的污水混合进入

人口密集地区还存在散乱工业混杂于村庄的现象,农村生活污水处理设施是为居民生活污水提供服务的,不能盲目接入生产污水,尤其是污水性质不明或性质不稳定的工业污水,建议散乱于村内的企业应建设满足自身生产需要的单独污水处理设施,保障村庄生活污水处理设施的健康运行。

4 建议与展望

4.1 建议

本文在剖析江苏省当前农村生活污水治理进程的基础上,总结人口密集地区农村生活污水治理模式,并探讨污水收集、处理方式方法等技术问题,主要建议如下:

(1)人口密集地区农村生活污水治理必须从县(市、区)域层面统筹考虑。应继续推进“丹阳模式”的实践,集聚整合分散的“产品资源”,吸引品牌企业采用设计施工一体化(EPC)、设计施工一体化与运行维护(EPC+O)等模式建设,形成长期稳定的污水治理系统。

(2)采用一定比例的“自购+补贴”的形式鼓励引导居民完善户内卫生器具,要求“四支水”应收尽收,解决生活污水治理的“最后10 m”。

(3)通过距离城镇管道末梢距离、坡度、地区环境敏感程度、3 km内河道数量、城镇管网建设情况、农村生活污水处理规模、等级以上道路阻隔、管道建设资金及运行维护资金九方面提出人口密集地区农村生活污水收集处理方式的建议。

(4)人口密集地区农村生活污水治理工作的管理大于建设,必须进一步注重规划设计、审图、验收、长效运行等方面的程序性。

(5)在人口密集地区农村生活污水治理过程中,还应在污水治理系统规划设计中合理确定相应指标,并防止村庄工业污水的进入。

4.2 展望

农村生活污水治理不仅要从工程技术方面深入研究,还应解放思想观念,引导居民关注居住环境,增强“可持续发展”意识。本文提出的农村生活污水处理方式是基于单影响因素分析而来,可为人口密集地区农村生活污水收集处理提供一定参考,但具体农村污水处理往往是多因素叠加影响,且影响因素错综复杂,在农村生活污水收集处理设计时,还需具体事情具体分析,最终确定符合村庄实际的污水收集处理方式。

编辑:赵凡

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