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實測數據:人口密集地區農村污水治理關鍵問題

時間:2020-09-17 10:21

來源:給水排水

作者:付浩等

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導 讀:農村生活污水收集治理是解決農村地區環境問題的重要舉措,人口密集地區污水治理情況尤為複雜。針對江蘇在農村生活污水治理進程中遇到的若干問題,深入剖析問題產生原因,在此基礎上,提出當前人口密集地區應重點關注農村生活污水的“最後10 m”,並從縣(市、區)域層面全盤統籌思考農村生活污水治理模式、處理方式及指標確定等若干技術問題。

1 背景情況

中國農村人口基數大,農村污水排放量佔比越來越高,但農村污水處理率僅22%。江蘇省城鄉人口密集,城鎮與鄉村邊界模糊,2017年承載量為778人/km²,城鎮化率68.8%。江蘇省水生態環境敏感,水環境容量低,對生活污水的處理要求高。雖然江蘇省農村污水治理經歷了“村莊環境整治行動”“環境改善提升”等10餘年的努力,先後出台《江蘇省村莊生活污水治理專項規劃編制大綱》《江蘇省村莊生活污水治理適宜技術及建設指南》等系列文件,探索了常熟模式、丹陽模式等治理模式,但在污水治理的規劃設計、收集方式、設施建設及維護方面仍存在一定問題,農村河道水環境並未顯著改善。

在人口密集地區,水質、水量及區域環境均是影響農村生活污水治理的關鍵。水質方面,鄉村生活污水由洗滌用水和廚房用水組成,水質構成單一、波動幅度小,COD和BOD5範圍一般在350~770 mg/L和200~400 mg/L,可生化性良好,SS、TP、TN、pH等指標與城市生活污水差別較小。但江蘇省農村土地利用情況複雜,存在一定的“散亂污”企業,一旦生活污水混入村莊周邊工業污水,則情況異常複雜;水量方面,人口密集地區污水產生量大,必須進行一定程度的處理,但對於單一村莊而言,農村污水產生量極不均勻,如蘇北村莊老年人口過多,日常產生水量少,但逢年過節產生水量驟增,而水量負荷的變化影響污水處理設施的運行;區域環境因素方面,人口密集地區城鎮體系相對完善,村鎮聯繫緊密,自然因素、建設因素、經濟因素等區域因素均影響着農村生活污水治理。本文以江蘇省為例,在抽樣分析污水處理設施運行現狀的基礎上,找出目前污水治理推進過程中存在的問題,深入剖析問題產生的原因,總結人口密集地區農村生活污水治理模式,找出完善農村生活污水治理的關鍵切入點,探討污水收集、處理方式方法等技術問題,為人口密集地區農村生活污水處理工作提供參考。

2 治理概況及存在問題

2.1 污水收集管網的“最後10 m”欠缺關注

農村生活污水治理工程從源頭收集至末端處理可分為三個系統層次,首先為居民户內至户外接入口約10 m的污水源頭產生系統,其次為村內管道至污水處理終端的主幹管收集系統,最後為污水處理終端系統。目前農村生活污水治理主要精力投入在村內主幹管收集系統及污水處理終端系統,僅最後剩下10 m的源頭的產生系統關注度最低,且大部分污水處理終端系統注重建設而忽視運行,源頭產生系統及處理終端系統是目前農村生活污水治理的薄弱環節。

抽樣調查可代表江蘇省蘇南、蘇中、蘇北的A市、B縣、C區三地農村生活污水治理情況( 江蘇省住房與城鄉建設廳曾於2018年對江蘇全省農村生活污水治理情況進行全面調查)。從調查數據來看,在已經實施污水治理的村莊中(A市300個,B縣24個,C區20個),全部建設了村內主幹管網收集系統,但很少關注户內源頭收集系統,源頭收集系統主要為收集“四支水”,即村民户內化糞池、廚房、淋浴及洗衣機4個不同路徑產生的污水。A市“四支水”收水百分比情況依次為100%、30%、50%、50%,已實施農村生活污水收集處理的村莊中,有23.6%存在污水散排情況。B縣“四支水”收水百分比依次為100%、18%、32%、30%,已實施農村生活污水收集處理的村莊中,有318%存在污水散排情況。C區“四支水”接收百分比情況依次為100%、15%、21%、18%,已實施農村生活污水收集處理的村莊中,有66.7%存在污水散排情況。廚房、淋浴及洗衣機產生的污水未應收盡收,從居民户外接入口至衞生器具的“最後10 m”需重點關注(見圖1)。

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2.2 處理工藝仍需進一步科學選擇

在調查的蘇南已實施污水治理的村莊中,接至城鎮污水處理廠的村莊有269個,採用獨立設施自行處理的村莊有31個,處理工藝均為AO法(見圖2)。太湖流域水環境承載力低,對尾水排放要求嚴格,AO不能有效滿足蘇南地區污水處理要求,農村生活污水處理實踐中AO工藝整體運行不理想,出水水質波動性大。

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蘇中地區採用的污水處理工藝多樣,主要有AO工藝、一體化生物轉盤工藝、厭氧+人工濕地工藝、複合生物濾池+人工濕地工藝及膜生物反應器工藝,種類偏多,不便於統一維護管理;蘇中地區水量波動較大,需選擇抗負荷衝擊較強的工藝,一體化生物轉盤工藝抗水量負荷衝擊能力弱、能耗大,運行效果不佳,不適用於蘇中地區農村生活污水的處理。

從蘇北地區農村生活污水處理工藝來看,處理工藝主要採用AO及膜生物反應器工藝,膜生物反應器工藝運行及維護成本均較高,不適合大範圍的推廣使用。

2.3 終端處理設施缺乏維護,管道施工水平不佳

農村生活污水處理設施往往建設易,維護難,據抽樣資料,A市31個獨立設施中有28個未正常運行,B縣24個獨立設施中23個未正常運行,C區19個獨立設施均未正常運行,污水處理設施淪為“曬太陽工程”。農村生活污水處理設施缺乏長效運行管理的人才隊伍,缺乏運行維護經驗,且農村管道施工質量差,施工隊伍能力有限,不按設計圖紙或不規範施工時有發生,造成污水大量漏損、入滲土壤,導致大批設備停滯運行(見圖3)。

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2.4 規劃設計應更注重實用

規劃層面,污水處理設施規模預測是設施規劃建設的重要前提,目前大部分規劃在供水、污水設施規模預測過分追求所謂“高標準”,如設施規模設計套用城鎮的規劃設計指標,《鎮(鄉)村供水工程規劃規範》(CJJ/T 246-2016)中江蘇省人均綜合用水量為100~260 L/(人·d),該指標跨度大,大部分規劃設計單位在設計污水收集處理設施時都會考慮人口密集地區經濟發展水平高,故在規劃過程中在指標選取時通常會選擇偏大的區間。根據蘇南、蘇北、蘇中村莊抽樣調查實際污水排放量數據顯示,蘇南地區污水處理設施設計規模是生活污水實際排放量的1.5~2倍,而蘇中、蘇北地區已達到2.5~3.5倍。若再遇到鄉村空心化嚴重,常住人口遠低於户籍人口的鄉村,易造成設施長期低負荷運行,利用率低,形成浪費。

3 農村生活污水治理若干問題探討

3.1 治理模式探討

人口密集地區農村生活污水治理模式不能僅針對具體村莊開展個體研究,必須從縣(市、區)域層面統籌考慮,建議從改善縣(市、區)域鄉村水生態基底及統籌規劃、建設、管理兩方便合理確定農村生活污水治理模式。

農村水環境的改善是區域性問題。農村生活污水治理多年但農村水環境改善效果甚微,其原因是區域水力條件的改變。人口密集地區多為平原河網,區域層面水動力條件差,鎮級以下河流的流動性較差,農村生活生產帶來的污染源入河而無法進行削減,形如“進多出少”的黑箱模型,加劇了農村黑臭水體的發生。區域水力條件對鄉村生態環境產生根本影響,必須進行縣(市、區)域層面的區域聯動,可在編制縣域鄉村相關規劃中考慮解決鄉村“死氣沉沉”的水系問題,在縣域層面的水系、基礎設施專項規劃中,首先應理順鄉村水系與外部鎮級及以上水系的關係,充分考慮補水活水條件,探索生態引調水的可能性,呈現鄉村“河是活的,水是清的”生態基底。

農村生活污水治理是系統性問題。在規劃階段,應進行縣(市、區)域農村生活污水統籌規劃,確定適宜的處理方式、處理工藝等。在建設階段,應繼續鼓勵從工程方案設計至工程正常運轉的一體化“丹陽模式”,其主要創新亮點為:建設中注重方案、嚴控質量,工程設計需多方簽字確認,注重污水檢查井、化糞池、油污分離池、管道等施工質量。重視運維、付費運維,建設期3年,運維期20年,保證正常運行。嚴格監管,實施建設過程中的現場隨機抽檢、污水處理設施的出水水質及使用壽命監管、長效運行監管等措施。只有把分散的鄉村服務產品進行“集聚”才更有吸引力,地方將全域村莊進行統一“打包”,吸引品牌企業採用設計施工一體化(EPC)、設計施工一體化與運行維護(EPC+O)等模式進行建設,形成15~20年的長期合作伙伴關係。

3.2 解決“最後10 m”

針對抽樣調查的農村化糞池、廚房、淋浴及洗衣機“四支水”收集率較低問題,在現階段江蘇農村生活污水治理進程中應更關注收集系統盲區的“最後10 m”。居民户內,建議可採用“自購+補貼”的形式鼓勵引導居民完善户內的洗菜、盥洗等洗滌衞生器具,對“四支水”應收盡收,形成有效的户內收集系統,補齊村莊生活污水收集方面的短板。

3.3 收集、處理方式探討

3.3.1 影響因素

影響農村生活污水收集處理方式的因素主要有自然因素、建設因素及經濟因素。自然因素主要為地形地勢、地區環境敏感程度、水系特徵等;人為因素主要為人類改造自然而建設的因素,主要包含城鎮管網建設、道路及污水處理設施建設規模等;經濟因素主要為污水收集處理系統建設及維護的資金情況(見表1)。

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3.3.2 科學確定收集、處理方式

人口密集地區農村生活污水收集處理方式主要為納入城鎮污水收集管網及單村或聯村集中處理兩種。人口密集地區的城鎮周邊農村生活污水有接入城鎮鎮區污水處理條件的,應優先選擇接入城鎮污水處理系統集中處理,該方式對村莊周邊的人居環境影響最小,且運行維護成本最低,但長距離的主幹管道建設投資費用大且施工條件苛刻。對於可接入城鎮污水處理系統但受河流、公路等條件影響的村莊,宜首先分析接入的可行性,並充分比較村莊獨立建設污水處理系統利弊,綜合各種影響因素,擇優選擇可行、適宜、經濟的污水處理方式(見圖4)。

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(1)納入城鎮管網的污水收集、處理方式。不考慮其他因素的複合影響,僅從單因子影響角度出發,提出納入城鎮污水收集管網的建議,在針對具體村莊污水系統設計時,可根據單因子角度的分析結果,設計農村生活污水收集處理的具體方案。

自然因素——距離:人口密集地區村莊考慮將污水納入城鎮收集管網時,首先應考慮自然因素中的距離因素,一般來説,城鎮污水收集管網在規劃設計時不考慮周邊村莊污水接入情況,故村莊污水納入城鎮污水收集管道需進行一次污水提升。當污水收集系統均採用重力流收集時,DN300污水管道可滿足2 400 m³/d的污水排放規模,而DN300塑料材質管道設計最小坡度為2‰,當污水管底埋深超過7 m時,考慮設置一次污水提升(不考慮長期壓力流提升輸送),故考慮以3 km為界進行距離因素的考量,即在靠近城鎮污水管道末端處設置一處提升泵站,當距離城鎮管道末梢距離大於3 km時,不推薦採用納入城鎮污水處理管網的處理方式。

自然因素——坡度:至城鎮管道末梢地形為順坡或平坡時,推薦採用納入城鎮污水收集管處理方式,但地形存在局部高點或逆坡時,需考慮逆坡的長度、坡度及局部高點的高程,經比選其他因素確定是否適宜。

自然因素——地區環境敏感程度:地區環境敏感程度限制污水排放的受納水體,位於生態紅線範圍內及水環境質量要求嚴格的區域(如太湖流域),建議採用納入城鎮污水收集管處理方式,其他地區可以採用。

自然因素——3 km內河道數量:農村生活污水收集管道穿越河時候,需設置倒虹吸或提升泵站,過河倒虹吸一般加劇0.5 m管道埋深(具體工程根據管道設計水頭損失計算),增加工程施工難度及投資,故需考量3 km範圍內河道數量,當無河道需管道穿越時,推薦採用納入城鎮污水處理管網的處理方式;當有1條河道需要穿越時,可以採用,當大於等於2條河道時,不推薦採用。

建設因素——城鎮管網:完善的城鎮污水管網是收集農村生活污水的基礎,無城鎮管網系統時,不推薦採用納入城鎮污水處理管網的處理方式。

建設因素——污水處理設施建設規模:村莊污水規模越大,收集至城鎮污水處理管網的環境效益、設計流速及管道使用壽命等工程效益最好,尤其是環境效益,農村生活污水處理設施一般出水水質標準不高,水量越大,對環境產生的潛在危害越大,一般以50 m³/d為界,當大於50 m³/d時(約村莊常住人口1 000人時),推薦採用納入城鎮污水收集管的處理方式。

建設因素——等級以上道路阻隔:當農村生活污水收集管道穿越等級二級及以上等級道路時,需頂管或拉管等非開挖施工,頂管施工需要管道一般DN600以上,拉管施工一般要求牽引管道兩端造斜段長度、牽引距離及角度等,故不推薦採用納入城鎮污水收集管的處理方式,對於穿越二級以下的等級道路,可以採用。

經濟因素——收集處理系統建設及運行維護:考慮一個提升泵站與3 km管道的費用,對於管道建設資金一般的村莊,需比選其他因素確定是否採用納入城鎮污水收集管網的處理方式;對管道建設資金充裕的村莊及缺乏運行維護資金的村莊,推薦採用。

城鎮化率高及“團塊狀”形態村莊,適宜採用納入城鎮污水收集管網的污水處理方式。各因素對納入城鎮污水收集管網處理方式的影響及採用建議見表2。

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(2)單村或聯村的收集、處理方式。不適宜採用納入城鎮污水收集管網處理的村莊,宜採用單村或聯村的收集、處理方式,即將農户污水按照分區進行收集,每個區域污水單獨處理。採用小型或微型污水處理設備或自然處理等形式處理單村或聯村污水。適用於村莊佈局分散、規模較小、地形條件複雜、污水不易集中收集的村莊污水處理,如蘇中“條帶狀”佈局的村莊。

3.4 注重工程建管水平

村莊污水終端系統一般採用活性污泥法或膜生物處理兩大類方法,兩種方法均需要穩定的污水負荷及有效的活性生物。當源頭至終端污水施工質量差時,大部分污水滲漏流失,污水處理終端污水負荷小且不穩定,微生物活性差甚至死亡,終端設施的處理功能減弱甚至消亡。人口密集地區生活污水治理已經發展到了管理大於建設的階段,同城市管道建設程序一致,村莊污水治理工作要注重程序性,規劃設計完成後要組織施工圖審查;管道建設完成後應安排“閉水試驗”等必要的檢驗措施;建議地方應委託有資質的“專人專班”定期監測終端設施的運行情況,避免形成農村生活污水治理的“曬太陽”工程,保障農村生活污水治理工程正常運行。

3.5 其他技術問題探討

3.5.1 合理選取污水治理的規劃設計指標

採用單村或聯村收集處理方式的村莊在設施設計時,應首先考慮農户户內衞生器具的配置,污水應收盡收,並實事求是調查本地村莊污水可收集的量,切莫機械地“生搬硬套”規範規定的相關指標。根據村莊經濟條件及衞生設施的完善程度,可按表3選擇農村生活污水治理的規劃設計指標。

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3.5.2 有效防止“工業型”村莊的污水混合進入

人口密集地區還存在散亂工業混雜於村莊的現象,農村生活污水處理設施是為居民生活污水提供服務的,不能盲目接入生產污水,尤其是污水性質不明或性質不穩定的工業污水,建議散亂於村內的企業應建設滿足自身生產需要的單獨污水處理設施,保障村莊生活污水處理設施的健康運行。

4 建議與展望

4.1 建議

本文在剖析江蘇省當前農村生活污水治理進程的基礎上,總結人口密集地區農村生活污水治理模式,並探討污水收集、處理方式方法等技術問題,主要建議如下:

(1)人口密集地區農村生活污水治理必須從縣(市、區)域層面統籌考慮。應繼續推進“丹陽模式”的實踐,集聚整合分散的“產品資源”,吸引品牌企業採用設計施工一體化(EPC)、設計施工一體化與運行維護(EPC+O)等模式建設,形成長期穩定的污水治理系統。

(2)採用一定比例的“自購+補貼”的形式鼓勵引導居民完善户內衞生器具,要求“四支水”應收盡收,解決生活污水治理的“最後10 m”。

(3)通過距離城鎮管道末梢距離、坡度、地區環境敏感程度、3 km內河道數量、城鎮管網建設情況、農村生活污水處理規模、等級以上道路阻隔、管道建設資金及運行維護資金九方面提出人口密集地區農村生活污水收集處理方式的建議。

(4)人口密集地區農村生活污水治理工作的管理大於建設,必須進一步注重規劃設計、審圖、驗收、長效運行等方面的程序性。

(5)在人口密集地區農村生活污水治理過程中,還應在污水治理系統規劃設計中合理確定相應指標,並防止村莊工業污水的進入。

4.2 展望

農村生活污水治理不僅要從工程技術方面深入研究,還應解放思想觀念,引導居民關注居住環境,增強“可持續發展”意識。本文提出的農村生活污水處理方式是基於單影響因素分析而來,可為人口密集地區農村生活污水收集處理提供一定參考,但具體農村污水處理往往是多因素疊加影響,且影響因素錯綜複雜,在農村生活污水收集處理設計時,還需具體事情具體分析,最終確定符合村莊實際的污水收集處理方式。

編輯:趙凡

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