河北省清水河流域农村生活污水产污特征

杜 欢， 刘春敬， 宋漫利， 高志岭， 谢建治

(河北农业大学资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北保定 071001)

永定河-洋河段位于海河北系，是官厅水库流域水质改善与水污染防治的重点流域，其水质的改善将为海河流域的水质改善奠定坚实基础。清水河属海河流域永定河水系上游，洋河上的支流，发源于河北省张家口市崇礼县桦皮岭南麓，主要由东沟、中沟和西沟等3条沟组成。3沟汇合后流经河北省张家口市大境门外与元宝山西沟汇合，穿越张家口市区至清水河村西南2.5 km处注入洋河，由洋河流入官厅水库，河道全长109 km，流域面积2 380 km2[1]。北京-张家口成功申办的2022年冬季奥林匹克运动会雪上项目比赛场地位于崇礼县清水河流域，这对清水河流域的水污染防治提出更高的要求，亟待明确清水河的水环境和水资源支撑能力，加强清水河流域的水污染防治和生态环境保护。随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到有效控制，农村非点源污染已经取代点源污染成为水环境污染的最重要来源[2]，而造成水体污染的一项重要原因是包括农村生活污水污染在内的农村非点源污染的治理没有跟上，另外农村生活污水造成的环境污染问题严重影响农民生活质量，是改善农村人居环境亟须解决的问题[3]。目前虽然国家有相关地域农村生活污水水质水量参考值，但是很多工程实践表明，农村生活污水的治理存在大马拉小车的现象，因此有必要对农村生活污水的产生特征进行系统调查，清楚掌握农村生活污水水质水量的基本情况，是研究和解决农村生活污水问题的一个重要环节[4]。由于缺乏清水河流域内农村生活污水污染现状的基础资料，很多工作不能因地制宜地开展。本试验选择崇礼县距清水河东沟、中沟和西沟1 km范围内的农户，调查并研究该流域范围内农村生活污水污染状况，为治理清水河流域农村面源污染和实施分散型农村生活污水处理技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调查时间与范围

本调查在冬季和夏季进行，时间分别为2015年11月2日至2015年11月5日和2016年7月20日至2016年7月24日，根据河北省张家口市崇礼县清水河流域地势地貌和村庄分布情况选择距清水河东沟、中沟和西沟1 km范围内的行政村，调查地点依据在经济水平、人口数量、年龄结构等方面具有代表性的原则抽样选取狮子沟乡六号村、高家营镇下新营村和高家营村、红旗营乡西红旗营村和下双台村、石嘴子乡石嘴子村，分别编号为A、C、G、D、E、F，共计6个行政村，每个行政村随机抽样选择5家农户，标为1～5号，对选定的30家农户进行农村生活污水污染现状调查。

1.2 调查内容

对抽样选定的30家农户进行连续跟踪调查，冬季持续时间为4 d，夏季持续时间为5 d，跟踪记录每户每天的生活污水产生量，对1个行政村5家农户所产生的生活污水以村为单位取混合污水样1 000 mL，所有监测指标均在12 h内完成测定，连续监测6个村每天的生活污水水质情况。

1.3 监测项目与方法

1.3.1 生活污水产生量 为抽样选定的30家农户统一发放1～2个带有刻度线的60 L塑料大桶作为生活污水收集容器，每24 h记录1次生活污水产生量。

1.3.2 生活污水水质 共监测7项农村生活污水水质指标，分别是化学需氧量(chemical oxygen demand，简称COD)、溶解氧(dissolved oxygen，简称DO)浓度、酸碱度(pH值)以及氨态氮(ammonia nitrogen，简称NH3-N)、总磷(total phosphorus，简称TP)、总氮(total nitrogen，简称TN)、悬浮物(suspended solids，简称SS)浓度，所有监测指标均采用国家标准分析方法[5]进行测定：COD采用重铬酸钾法测定；NH3-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定；TN浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定；SS和DO浓度采用便携式仪器测定；pH值采用玻璃电极法测定。

1.3.3 计算公式 对1个村1 d内生活污水中的各污染物浓度与1 d内生活污水产生量加权平均得到1个村生活污水中各污染物的日均浓度：

(1)

对6个村生活污水中的各污染物日均浓度与其日生活污水产生量均值加权平均得到清水河流域农村生活污水各污染物浓度：

(2)

农村生活污水COD、NH3-N、TN、TP的产污系数为

(3)

式中：Wp，k为农村生活污水污染物k的产污系数，g/(d·人)；Qp为污水产生量，L/(d·村)，表示每村所调查5户的监测值；x为村庄i的人口，人/村，表示每村所调查5户的人口。

2 结果与分析

本调查所选的六号村、下新营村、西红旗营村、下双台村、石嘴子村和高家营村等6个村的饮用水来源于各村自建饮用水井，自来水普及率为100%。由于当地气候条件、经济水平等因素的限制以及村民生活习惯的原因，调查区域内的所有农户均没有水冲式厕所和淋浴设施，农户使用的均是旱厕，因此收集的生活污水主要包括厨余废水和洗衣废水等灰水。76.7%的农户受当地气候环境和长期生活习惯的影响，1 d只吃2顿正餐，与其他地区一日三餐的习惯有明显差异。6个村均无生活污水收集管网和处理设施，农户的环保意识较薄弱，所有生活污水随意泼洒至开阔地、街道路面、雨水渠或河沟等。

2.1 清水河流域农村分散生活污水水量产生特征分析

在冬季、夏季分别连续4、5 d监测6个村30家农户每天的生活污水产生量，发现清水河流域农户每天的人均生活污水产生量极不稳定，在冬季和夏季所有监测数据中的极值分别为1.0、38.0 L/(d·人)和1.7、33.0 L/(d·人)。对30家农户的人均生活污水产生量监测可知，冬季每户人均生活污水产生量4 d的平均值范围为1.5～18.5 L/(d·人)，夏季每户人均生活污水产生量5 d的平均值范围为4.4～14.1 L/(d·人)，远低于我国其他省(市)地域农村人均生活污水产生量(表1)[4，6-13]。调查发现，各个村基础设施条件差异不明显，每户的人均生活污水产生量与该户人均收入和所处的村镇经济水平关系不大，农户的生活习惯、家庭成员年龄结构和节水意识是影响生活污水产生量的重要因素。如下双台村和六号村整体经济条件不如高家营村和石嘴子村，农户人均收入也较低，但是下双台村和六号村每户人均生活污水产生量较高。E1号、E3号、D2号和D5号等4家农户家中均有儿童，且家庭成员年龄结构较为年轻，在冬夏2季每户人均生活污水产生量都相对较高。六号村A4号与该村其他4家农户基本情况差异不大，但该户节水意识较弱，所以人均生活污水产生量比其他4户都高。

表1 部分省(市)农村人均生活污水产生量[4，6-13]

注：“—”表示无具体区域。

由表2可知，虽然各户人均生活污水产生量波动较大，但是以每个村为单位核算出的人均生活污水产生量波动相对较小，其中冬季波动最大的是西红旗营村，人均生活污水产生量的范围为6.9～15.3 L/(d·人)，夏季波动最大的是下双台村，人均生活污水产生量范围为6.5～17.4 L/(d·人)。由于清水河流域地处张家口北部，冬季气候寒冷且持续时间长(约为5～6个月)，导致6个村冬季人均生活污水产生量整体略低于夏季，冬、夏季均值分别为7.0、8.4 L/(d·人)，就冬夏2季对6个村的调查数据均值来看差异并不大，仅为1.4 L/(d·人)，但夏季人均生活污水产生量波动更小。总体而言，清水河流域农村地处山区，气候寒冷，经济欠发达，基础设施落后，加上农户的生活习惯等因素，农村人均生活污水产生量极低，仅为7.8 L/(d·人)，远小于华北地区农村居民人均生活污水排放量参考取值15.0～25.0 L/(d·人)(户内有给水龙头，无卫生设备，只收集全部灰水进入污水管网)，造成这种差异的主要原因在于生活水平、水资源的丰富程度和地区的文化差异等[14-15]。

2.2 清水河流域农村分散生活污水水质特征分析

冬、夏季分别连续4、5 d监测6个村的生活污水水质，冬季监测各村每天的COD、NH3-N浓度、TP浓度和pH值等4项指标，夏季增加了对TN、SS、DO浓度的监测，6个村的生活污水水质指标见图1至图6。

由图1可知，6个村生活污水中的COD与季节变化关系不大，冬夏季没有明显差异，并没有因为夏季生活污水产生量较高而导致COD整体较低，每个村每天生活污水中的COD均有不同程度的波动变化，六号村、下新营村、西红旗营村、下双台村、石嘴子村、 高家营村等6个村生活污水中的COD分别为760～1 465、392～2 320、392～3 600、588～2 000、640～1 805、710～1 960 mg/L。各村生活污水中的COD日均值分别是六号村910.5 mg/L、下新营村1 115.9 mg/L、西红旗营村1 487.4 mg/L、下双台村 1 031.8 mg/L、石嘴子村 1 122.5 mg/L、高家营村 1 235.7 mg/L。对6个村生活污水中的COD日均值与其日生活污水产生量均值加权平均求得清水河流域农村生活污水的COD为1 157.8 mg/L，可见无论是各村的最大COD还是平均值，都远高于华北地区农村居民生活污水水质COD参考取值200～450 mg/L，与巢湖流域和滇池流域农村生活污水的COD相当[14，16]。

表2 6个村人均生活污水产生量

由图2可知，六号村、下新营村、西红旗营村、下双台村、石嘴子村、高家营村等6个村的生活污水NH3-N浓度分别为2.3～30.2、5.3～33.2、3.5～32.6、6.0～46.5、4.4～34.6、1.0～31.3 mg/L，各村生活污水中的NH3-N浓度日均值分别是六号村14.2 mg/L、下新营村10.8 mg/L、西红旗营村 11.6 mg/L、下双台村18.1 mg/L、石嘴子村16.7 mg/L、高家营村11.0 mg/L，其中经济条件较差的下双台村无论是最大浓度还是日均值都是6个村中最高的，其次是经济条件较好的石嘴子村，可见生活污水中的NH3-N浓度与经济条件无关。对6个村生活污水中的NH3-N浓度日均值与其日生活污水产生量均值加权平均求得清水河流域农村生活污水中的NH3-N浓度为14.0 mg/L，该值与城镇生活污水中的NH3-N浓度相当，较华北地区农村居民生活污水水质NH3-N参考取值20～90 mg/L略低。

由图3可知，六号村、下新营村、西红旗营村、下双台村、石嘴子村、高家营村等6个村的生活污水TP浓度分别为 2.5～9.4、0.6～13.3、1.8～19.5、2.5～9.5、2.7～18.4、0.5～6.5 mg/L，各村生活污水TP浓度日均值分别是六号村 4.7 mg/L、下新营村5.0 mg/L、西红旗营村7.0 mg/L、下双台村4.9 mg/L、石嘴子村6.9 mg/L、高家营村3.1 mg/L，其中经济水平较好的下新营村、西红旗营村、石嘴子村无论是最大TP浓度还是日均值都较大，与这3个村经济水平较好的农户洗涤剂用量较大有关。对6个村生活污水中的TP浓度日均值与其日生活污水产生量均值加权平均求得清水河流域农村生活污水中的TP浓度为5.4 mg/L，在华北地区农村居民生活污水水质TP浓度参考取值2.0～6.5 mg/L的范围内。

由图4至图6可知，6个村生活污水中的TN、SS、DO浓度范围分别是3.0～92.0、333.0～1300.0、0.1～3.9 mg/L。各村生活污水中的TN、SS、DO浓度日均值见表3，可见虽然TN浓度有一定波动，但都在合理范围内，对6个村生活污水中的TN浓度日均值与其日生活污水产生量均值加权平均求得清水河流域农村生活污水中的TN浓度为34.4 mg/L；6个村生活污水中的SS浓度不仅变化范围较大，而且日均值也非常高，对6个村生活污水中的SS浓度日均值与其日生活污水产生量均值加权平均求得清水河流域农村生活污水中的SS浓度为697.6 mg/L，远高于华北地区农村居民生活污水水质SS浓度参考取值100～200 mg/L；除六号村和下新营村生活污水中的DO浓度较稳定外，其他4个村生活污水中的DO浓度都很低，对6个村生活污水中的DO浓度日均值与其日生活污水产生量均值加权平均求得清水河流域农村生活污水中的DO浓度为1.4 mg/L，约为城镇生活污水中DO浓度的40%～50%。6个村生活污水的pH值为5.24～7.45，除极大值7.45外，其他所有监测值均低于7.00，均值为6.14，可见清水河流域农村生活污水整体呈酸性，这主要是由污水中SS浓度较高，同时DO浓度较低，导致微生物厌氧发酵产生酸性物质所造成的。

2.3 清水河流域农村分散生活污水产污系数

根据《第一次全国污染源普查技术规定》，在一定自然环境区域和一定经济收入水平下，每人每天正常生活所产生污染物的量即为农村生活污染物产污系数[17]。清水河流域抽样选定的6个村的生活污水中COD、NH3-N、TN、TP产污系数见表4，其中西红旗营村和下双台村人均污水产生量和产污系数均较高，2村在地理位置上均属于中沟，且经济水平差异较大，可见生活污水产污系数受经济水平的影响不大，主要受生活习惯和节水意识等因素的影响。

表3 6个村生活污水污染物日均浓度

表4 6个村生活污水产污系数

清水河流域农村生活污水人均日产生量和各污染物产污系数的平均值均远小于南方发达地区的农村，与华北平原地区农村相比，除COD略高外，其他3项指标均较低[6，17]，如太湖流域农村生活污水COD、NH3-N、TN、TP产污系数分别为24.13、4.39、6.49、0.53 g/(d·人)，华北平原地区农村生活污水COD、NH3-N、TN、TP产污系数分别为7.87、0.58、1.31、0.07 g/(d·人)，造成该现象的原因是清水河流域农村地处寒冷山区，在生活习惯、气候条件和经济水平等方面与南方和华北平原地区有较大差异。

对清水河流域农村生活污水水质水量及产污系数的测算研究最终是为了确定农村生活污水对环境的影响程度，为清水河流域水环境保护和实施分散型农村生活污水处理技术提供基础数据。调查发现，该流域范围内农村生活污水大部分是通过地表或地下径流等方式进入清水河的，而生活污水排放对环境的影响在自然环境中有一定的衰减[18]，本试验测算的农村生活污水COD、NH3-N、TN、TP产污系数是指入河污染物产生源未经自然环境要素衰减的净排放，若要更加精确测算该流域内农村生活污水污染物入河量，还须要扩大调查范围，增加调查样本，延长调查时间，对影响污染物在环境中削减的要素进行系统定量研究。

3 结论

通过对清水河流域农村生活污水产污特征监测和抽样调查研究，得出以下结论：

清水河流域农村生活污水人均产生量为7.0～8.4 L/(d·人)，远低于其他地区，其值的高低与生活习惯、家庭成员年龄结构和节水意识等有关，与经济水平关系不大，季节差异不明显。

清水河流域农村生活污水中的COD、SS浓度分别为 1 157.8、697.6 mg/L，均高于其他地区农村生活污水；而DO浓度仅为1.4 mg/L，NH3-N浓度为14.0 mg/L，TN浓度为34.4 mg/L，TP浓度为5.4 mg/L，pH值为6.14，与其他地区农村生活污水相当[6-13]。对该流域内农村生活污水处理工艺的选择除应遵循低投资、小规模、耐低温等原则外，也应充分考虑极高的COD、SS浓度。

清水河流域农村生活污水COD、NH3-N、TN、TP产污系数分别为9.038、0.108、0.263、0.042 g/(d·人)，该产污系数可为评估清水河流域内农村生活污水对清水河水环境的影响以及评估华北山区农村生活污水对环境的影响提供一定的数据支持。

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