胶州市村镇污水处理系统构建方案研究

吴艾欢，杨婷婷，吕 谋，王润致，曹伟奎

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

在如此快速的城市化进程中，如何提高村镇的污水处理水平，特别是农村的污水处理水平，已经成为了一个关键性的问题。相比城市生活污水处理而言，农村的污水处理问题更加严峻[1]。由于农村污水的空间上的分散性和时间上的变化性，使得城市污水处理模式应用于农村的成本过高，这个问题同样存在于发达国家[2]。美国对污水处理的处理模式划分了四个等级，如图1所示，主要分为原位处理、集群处理、社区集中处理以及地区集中处理，分别对应于散户、农村、小城镇和城市规模的污水[3]。从处理规模上看，美国的分散污水处理主要对应于我国污水处理系统中的散户和农村这两个级别的污水处理。

图1 美国污水处理模式划分Fig.1 Sewage treatment model in USA

针对我国的具体情况，村镇污水系统的构建按照行政区划来分，可分为4个层级：市区污水处理系统、乡镇污水处理系统、农村污水处理系统以及散户污水处理系统；按照处理模式来分，则有五种处理模式：城市污水处理模式、区域集中污水处理模式、区域小集中污水处理模式、分散型污水处理模式以及原位污水处理模式。

1 胶州市水环境概况

胶州市地处黄海之滨、胶州湾畔，东经119°37′至126°12′、北纬36°至36°30′，是山东半岛联结内陆其他各省的重要交通枢纽，2016年GDP生产总值1 035.9 亿元。胶州市水资源十分贫乏，总量仅有2.262 亿m3，人均占有水资源量约302 m3，仅占全国人均水量的1/8，相当于世界人均水量的1/32。水资源的缺乏已经成为胶州市产业集聚及社会经济发展的障碍。

1.1 生活污水排放现状

我国农村人口基数大，污水排放量和污染物产生量很大，但目前我国农村污水收集和处理率还处于较低水平[4]。以2015年胶州市人口统计数据为基础，计算得胶州市11个乡镇城镇生活污水年排放量235.77 万t，生活污水日排放量6 459.45 t；11个乡镇农村生活污水年排放量881.01 万t，生活污水日排放量24 137.21 t。胶州市人口较多，生活污水产生量上升趋势较快。

1.2 工业废水排放现状

根据2015年水资源公报中胶州市工业用水量统计数据为基础，计算各乡镇工业废水排放量。2015年，城区内工业供水量为682 万t，耗水率为22%，因此工业废水折污系数取0.78。根据2015年环统工业数据，103家企业废水总排放量为3 405 943 t。胶州市工业发展速度较快，工业废水量和污染物总量很大。

2 方案构建

科学合理有效地进行村镇污水系统规划是成功改善村镇水环境的关键[5]。目前对于村镇级污水处理系统的构建尚未有固定的模式，是区域集中建设大规模污水处理厂，还是分区建设不同规模的小型污水处理厂，各地说法不一、争议较大，关键是要因地制宜，选择本地实际情况的方案[6-9]。农村生活污水有城市污水所不具备的特点：空间分布上较为分散，污水收集面广；时间上水量变化大，排放不均匀；水量增长速度快；污染物浓度低、可生化性好[10]。根据胶州市的环境特点，目前有以下3种方案：大集中方案、区域整合方案和以行政区划为界的各乡镇独立建厂方案[11]，下面就3种方案各自的特征及优缺点进行比较与探讨。

2.1 方案构建思路

2.1.1 大集中式方案

大集中式的整体思路是通过建设提升泵站、构建较大的管网系统，实现几个区域的大集中，而单个乡镇少建或者不建污水处理厂，避免规模较小的污水处理厂出现负荷率不足、造成资源的浪费[12]，大集中式方案思路见图2。

图2 大集中式方案思路图Fig.2 Large centralized plan

2.1.2 区域整合方案

本构建方案在思路上谓之“集中之中有分散，分散之中有集中”，即在划分大的排水流域之后，根据高程、镇驻地和工业园的分布进行进一步划分，整体上以分散为主，局部进行整合和集中[13]。处理深度与局部地区的具体情况密切相关，当该地区水环境敏感、排放要求高，或者水资源较为匮乏，则对污水进行深度处理，最后循环利用；当该地区水环境对排放没有严格限制，或者水资源较为丰富，则进行适度处理后达标排放，区域整合方案思路见图3。

图3 区域整合方案思路图Fig.3 Regional integration plan

2.1.3 各镇独立建设方案

该构建方案在思路上以乡镇为单位，以行政区划为界线，对污水处理设施的服务范围进行划分。该方案不以流域与整体地势为考虑因素，主要关注镇驻地、农村和工业园的分布，污水处理深度与再生水是否回用视该地区的具体情况与需求而定，各镇独立建设方案思路见图4。

图4 各镇独立建设方案思路图Fig.4 Independent towns construction plan

2.2 方案构建目标

大集中方案沿用了一贯的污水处理思路，以达标排放为最终目标；区域整合方案在部分地区提高处理深度，进行污水再生利用，以全面处理乡镇与农村污水、改善水环境、促进胶州市整体水资源系统健康循环为最终目标；乡镇独立建设方案以全面处理本镇与周围农村污水、改善各镇水环境、促进各镇水资源循环为最终目标。

3 方案实施措施

3.1 大集中方案

大集中方案通过设立泵站，将污水收集汇入现有已建或正在建设当中的污水处理厂，管网大幅度跨越各乡镇，形成相对集中的布局模式，如图5所示。

图5 大集中方案污水处理厂和管网布局图Fig.5 Sewage treatment plant and pipe network layout of large centralized plan

3.2 区域整合方案

区域整合方案是在现有已经运行的4个污水处理厂的基础上，增设7个乡镇级污水处理厂，根据水系流域和实际情况进行选址布局，在水资源匮乏地区提高污水处理深度，以达到循环利用的目的。在胶州市6个自然排水流域划分的基础上，根据各镇地形地势、河流分布以及村庄分布特点，对六大系统做进一步细分，部分乡镇适度进行集约化，采取区域集中模式。

这样就使得污水处理按照小流域形成了相对分散的布局模式，如图6所示。

图6 区域整合方案污水处理厂布局图Fig.6 Sewage treatment plant layout of regional integration plan

3.3 乡镇独立建设方案

乡镇独立建设方案是在现有4个污水处理厂的基础上，新建7座污水处理厂，即按照行政区划每个乡镇都有一座服务各自乡镇的污水处理厂，乡镇按照自己的实际情况独立进行选址、处理各自的生活污水与工业废水。如图7所示。

图7 各镇独立建设方案污水处理厂布局图Fig.7 Sewage treatment plant layout of independent towns construction plan

4 方案比选

4.1 优劣分析

4.1.1 大集中方案

优点：整合方案按照统一收集、集中处理、达标排放的构建思路，对乡镇污水处理系统进行了整合，可以有效减少镇域污水处理厂数量，增强污水收集能力，防止大多数污水处理系统因污水量达不到设计处理能力而造成的资源浪费。

缺点：管网建设与泵站运输污水的运行费用较高；未考虑再生水的循环利用。整合方案规划的大型的集中式污水处理厂多数在流域下游或者入海口附近，经处理后的尾水经长距离的管道运输后最终排放至胶州湾，没有对本区域的用水和水环境形成补充，因此不能解决胶州市目前水资源的短缺问题。

4.1.2 区域整合方案

优点：方案对城市与乡村进行了统筹规划，减少了对大型管道的需求，提高了污水处理深度，实现再生水回用，一方面可以作为市政用水及工业低质用水，远期可作为河流和湖泊的生态补充水，促进胶州市水资源的健康循环和可持续发展。

缺点：污水处理厂数量较多，水厂建设费用相对较高。

4.1.3 乡镇独立建设方案

优点：减少大型管道和泵站建设需求；有利于本乡镇远期社区和规模较大的农村的集中式收集处理。

缺点：只关注行政区划，没有考虑流域特征，不利于水环境污染的综合治理，规模效益小；在目前胶州水资源严重不足的情况下，应该改变传统的污水处理系统构建的方法，以提高水环境质量为目标进行污水深度处理和循环再利用。

4.2 成本效益分析

在对村镇污水处理系统方案构建时，应考虑到当地的水资源现状与水环境容量，对社会效益、环境效益和经济效益进行分析后确定污水处理系统的具体实施方案[14]。

4.2.1 社会效益

大集中式方案主要考虑了各村镇镇驻地和工业园的废水处理；区域整合方案对胶州市污水处理系统分层级、分阶段进行构建，除了镇驻地和工业园区外，还考虑到了社区及农村的分散型污水处理。

对于胶州市目前的形势，部分区域污水的深度处理和回用迫在眉睫。例如对于跃进河-如意湖的治理，由于跃进河河道较短，水量较小，基本没有天然径流，该段水系污染严重，水质为劣Ⅴ类，要改善跃进河-如意湖的水环境状况，一方面要对跃进河两岸进行截污纳管，另一方面要补充跃进河水资源量，加强其生态修复，提高其环境容量与抗冲击负荷能力。因此在九龙镇设立污水处理厂，对其执行的排放标准要求适度超前，即高于一级A的标准，污水经过深度处理后通过泵站注入跃进河上游，从而在改善跃进河水质的同时，增加其水量，在近期达到恢复跃进河生态环境的目的。

根据胶州市总体规划，胶州市将形成“三区两带”大环境绿化体系，其中艾山生态绿化区位于洋河镇中部，地势起伏多变，且村落较为分散，其生活污水的治理直接影响了该区域生态环境的保护，而洋河、大沽河既是胶州市的重要水源，也承担了洋河镇、胶莱镇、李哥庄镇农业灌溉、航运等任务，枯水年供水较为紧张。胶州市是全国缺水城市，“引黄济青”等跨流域调水工程并不能真正地从根本上解决水资源短缺的问题，而提高水资源利用率、促进污水深度处理循环利用才是解决水资源短缺的权宜之计[15]。

4.2.2 环境效益

胶州市胶莱镇、胶西镇、铺集镇、李哥庄镇河网较为密布，但大部分为雨源型河流，基流量小，特别是李哥庄镇，地区经济相对发达，人口密度大，保证河流的充水度可大幅提高生态环境质量，增加物种多样性。区域整合方案将污水厂分散布置在河流的中游，部分污水厂采用深度处理方案，对处理后的污水进行循环利用，可对深度处理后的污水进行河道生态补水，改善水环境质量。大集中式方案是在流域下游(入海口)设置污水厂，这种设置方式可以减少污水厂对河流水质的影响，但目前胶州市大部分河流属于季节性河流，干旱期处于缺水状态，环境容量较小，即便是将污水进行二级处理后再排河，不进行深度处理，也不利于胶州市水环境的水质改善；而将污水作为废物处理后最终排入大海，不利于胶州市整个水环境的大循环，不符合环境保护规划目标。

4.2.3 经济效益

在经济成本分析中，管网造价按照定额2 600 元/m统一计算，泵站运行费用按照400 元/d计算。就运行成本而言，大集中式方案可节省人工费用，但由于胶州市整体地势较为平坦，污水的长距离输水在平原地区需要依靠多级泵站进行提升，大集中式方案还需要进行尾水深海排放，这就使得运行管理维护费用大大增加。表1显示了3种方案污水处理设施和管网投资与运行费用比较。

由表2可知，区域整合方案的基建总费用最低，其中泵站建设和运行费用最低，管网建设费用适中，但水厂运行费用相对较高；各乡镇独立建厂的方案管网造价最低，但是由于该方案只考虑了行政区划，忽略了河流和地势，如果要与区域整合方案一样收集相同量的废水，就需要建设较多的泵站；大集中方案的水厂建设费用和运行费用最少，但是管网和泵站的建设费用较高，因此导致其总建设费用较高，处理污水量相对其他两个方案偏高的原因是大集中方案收集的农村污水未考虑其排放特性，实际上此数值应该比预测值低。各个方案十年运行基建总费用分别为：各乡镇独立54 531.2万元、区域整合54 476.8 万元、大集中51 369.6 万元。

4.3 方案选定

区域整合方案在社会效益和环境效益上相较大集中式方案以及乡镇独立建设方案具有显著优势。但单从经济效益上来说，区域整合方案运行费用相较其他两种方案要高，需要的管理人才也更多，分析各方案十年运行基建总费用发现各个方案远期投资相差不大。胶州市经济发展水平较快，废水排放量逐年上升速度越来越大，在人口增长速度加快和工业进程增长的大环境下胶州市污染物排放总量和上升趋势相较我国其他县级市要大许多。研究表明随着污水处理系统处理规模的增大，污水处理厂的建设成本和运营成本呈现出“规模经济”效应，而管网建设成本则呈现出“规模不经济”效应[16]。根据对胶州市污水量的分析，区域整合方案的各个区域在污水处理量上已经可以达到相应规模。胶州市目前的水环境现状已经制约其经济发展，鉴于胶州市实际的发展情况、水环境现状和总体规划，推荐区域整合方案为实施方案。胶州市村镇污水处理系统构建方案布局见图8。

图8 胶州市村镇污水处理系统构建方案布局图Fig.8 Urban and rural sewage treatment system construction plan layout in Jiaozhou

5 结 论

本文以胶州市为例，提出了3种村镇污水处理系统构建方案，分别代表了污水系统构建的不同规划理念：大集中式方案是将整个城镇污水进行收集后在水系的最下游建污水处理厂进行集中的回收和处理，是一种传统的污水处理达标排放的污水系统规划方式；而区域整合方案是将城镇的污水按照小流域相对分散地进行收集和处理，并且在部分地区提高污水厂处理深度使处理后的污水进行循环利用，这是一种增加区域水资源，改善水环境容量的新型污水处理系统构建方案；乡镇独立建设方案是根据各乡镇的行政区划各自投建污水处理系统，这种方案便于各乡镇自行管理，虽然也是分区域分散处理污水，但是不利于整个水环境系统的规划，是一种较为机械的村镇污水系统构建方案。

建设村镇污水处理工程，完善各层级排水系统，构建科学合理的污水处理设施运行管理机制，提高村镇和各工业园区的污水处理率和出水水质，实现水资源的循环利用，是目前城市减轻水环境污染现状、解决供水用水矛盾的必要途径，也是优化城市产业格局、促进经济、社会、环境和谐发展的关键任务。

在进行村镇污水处理系统构建方案研究时，应根据实际情况，从社会效益、环境效益和经济效益3个方面出发，因地制宜地选择合适的构建方案，做到城乡统筹和区域协调，在立足于现状的情况下根据经济发展水平适度超前。随着我国经济的发展，特别是农村经济水平的进一步提高，老旧的污水系统构建规划理念已经不再适用于我国的可持续发展理念。而采用以污水的再生利用、改善水环境质量为目标的新型污水系统构建规划理念已经成为了解决部分地区水源短缺和水环境恶化的新方法。本文对胶州市村镇污水处理系统构建方案进行研究，为其他地区污水处理系统构建提供了借鉴。

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