西北黄土沟壑区农村生活污水治理模式探讨

孙靖越，张莉红，张 琦，李 杰*，王亚娥，魏东洋，谢慧娜

(1. 兰州交通大学 环境与市政工程学院，兰州 730070；2. 华南环境科学研究所，广州 510530)

我国农村生活污水产生量为83.51亿～125.26亿立方米,对生活污水进行处理的行政村比例为20%[1].随着我国农村脱贫攻坚、全面建成小康社会战略的实施，我国开展了大规模的县域农村生活污水处理规划与治理工作.甘肃规划要求在十年内有效管控农村生活污水.我国西北地区农村经济条件差、地广人稀、干旱少雨、土地贫瘠[2]，农村生活污水既是污染源，又是很好的农肥资源.遵照中央农办等九部门2019年7月联合印发的《关于推进农村生活污水治理的指导意见》(简称《指导意见》)精神，根据西北农村实际情况，合理进行生活污水治理，成为能否按期达到规划目标的重要环节.

农村生活污水治理具有显著的地域特征，与地方的经济社会发展、生活习惯、自然条件、基础设施等因素密切相关.目前西北农村污水处理存在的主要问题，一是由于国家没有一个统一明确的排放标准，给治理工作造成了一定的盲目性[3]；二是在污水资源化与处理之间缺乏统一认识，导致黑水与灰水处理思路混乱[4]；三是对农村生活污水水质水量特征不够清晰，致使处理工程上马后绝大多数不能正常运行[5]；四是农村生活污水处理技术设备不成熟，造成运行成本过高而影响设备的正常运转[6]；五是相关的技术人员缺乏、管理体系不够完善，增加了整体工作的不协调性与目标的欠达性[7].

针对西北农村生活污水治理过程中存在的问题，黄子雍[8]提出村落集中处理模式适合于西北黄土沟壑地区农村生活污水处理.但是，对于居住分散，污水不易集中收集、输送管网建设费用较高、经济条件差的村庄，该模式有所限制.邓辉清[9]认为西北地区虽然经济水平较低、人口稀疏、基础设施不完善、污水收集困难，大部分村庄不具备建设集中的污水处理设施，但是气候干燥污水蒸发量大，农村污水也是很值得利用的水资源，可以通过将污水的无害化处理与高效农业灌溉整合起来，进行绿化或农作物灌溉，资源化利用污水.同样地，姚晋雄[10]鼓励采用粪便与生活杂排水分离的新型生态治理模式，实现资源化利用.

本文借助于课题组前期城市居民家庭生活污染源调查中的基础数据，结合农村实际，分析了西北黄土沟壑区农村污水的特点；并结合实际经验，总结了工程设计与运行中值得注意的问题，最后提出了合理使用集中处理，改厕技术优先、资源化利用为主、环境保护为终极目标的农村污水治理模式，为西北农村生活污水治理提供参考.

1 模式的作用与意义

农村生活污水中的特征污染物主要来源于居民生活活动产生的黑水和灰水.厕所的排泄物及其冲洗水是黑水的主要成分.灰水主要来源于洗、浴、厨房排水等含污染物含量较低的生活污水.习惯上农村生活污水处理是指将黑水与灰水混合收集，集中处理，而对于大多数的不能将黑水与灰水全部收集得村庄，无法进行污水处理.按照规划编制要求与《指导意见》精神，关于农村生活污水处理概念上要从传统意义上的“能集中收集的农村生活污水处理”已经扩大到“农村生活污水全部治理”，内容上从“一部分”已经转向“全部”，技术上从片面强调“适宜于农村生活污水处理的技术”扩大到“适宜于农村生活污水整体治理的思路与技术，而这种思路与技术就是“农村生活污水治理模式”.所以笔者认为治理模式不仅代表了对农村生活污水治理的环保思路与具体做法，也会影响到具体工程的投资、成效与进度.所以农村生活污水治理的核心是依据不同地区的实际情况，制定与之适宜的治理模式.

2 城市典型生活小区居民污染物特征分析

摸清农村生活污水水量水质特征是治理模式确定的基础.农村生活污水受地域、地形条件、气候、生活习惯与各家情况差异等众多因素影响[11-12]，很难监测到具有代表性的数据，但各主要环节(尤其是上厕所)所排放的污染物总量相差不是太悬殊.本文以西北城市稳定的居民小区为对象进行相关数据监测，以此作参比，分析农村生活污水特征.

课题组前期对兰州市七里河区兰州石化机械设计研究所家属小区5个家庭中17位家庭成员(其中老年人3人，幼童3人，其余11人为中年人)的饮食、排泄、洗涤等生活环节产污全过程分季节进行了监测，该小区使用独立的生活污水排放系统.

1) 家庭生活日排水量分配见图1.尽管家庭排水量占比一年四季不同，但总体来说，排水量最大的是冲厕水(年均值为41.0%).相比而言，对于有水冲式厕所的新农村家庭，由于拖地、洗衣水、洗浴水要比城市居民的小，黑水的比例可接近总水量的一半(见图2).

图1 家庭生活日排水量分配Fig.1 Domestic daily displacement distribution

图2 特征污染物污染源贡献率Fig.2 Contribution rate of characteristic pollutants

2) 从图2所示的特征污染物来源占比来看，黑水(大小便)是有机物、氮磷的主要贡献者(COD、BOD的贡献率分别达到58.6%和57.2%，NH3-N、TN、TP的贡献率分别达到83.6%和80.4%和69.2%)，由于城市与农村生活污水黑水中污染物含量差异不大，由此可知农村生活污水中治理中首先要搞好黑水治理.

分别对这6位老年(53～70岁)和幼年(7～13岁)所产生的黑水水质进行监测，结果如表1所列.

从表1可见老年人产生的各污染指标略高于人均日产污染物负荷，小孩产生的各污染指标略低于人均日产污染物负荷，但总体相差不大.由此推断农村大人外出打工、家里只剩老人小孩的时候，生活污水污染负荷的降低主要是由于家庭人员减少造成的.

3) 化粪池对污水中污染物有比较高的去除率.不同季节化粪池对污染物的去除能力有所不同，CODCr、BOD5、总氮、氨氮、总磷、动植物油的年均去除率分别可以达到83.6%、51.1%、68.2%、1%、64.3%和75.6%，同时会使B/C值大幅提高[13].由此可见，化粪池在农村生活污水治理中也能成为一个高效的处理构筑物.

3 西北沟壑区农村生活污水治理模式

1) 模式Ⅰ——村域收集集中处理

对于西北地区布局相对密集、人口规模较大的村镇，以村或自然村为收集单位，建设排水管网和小型污水处理站统一处理.该模式直接运行费用较“分散处理”少50%[14]，主要适用于周围水体对污水排放的标准要求很高、甚至不允许污水排出的环境敏感点附近的村庄.出水执行国家标准或者甘肃省地方标准《农村生活处理设施水污染物排放标准》(DB 62/T 4014-2019).

粪渣(污泥)的处理主要有三种模式：第一种是农户自行收集-高温堆肥-用于房前屋后果蔬种植、林木绿化、肥土或改良土壤等；第二种是用吸粪车收运-高温堆肥-用于规模化种植如苗木培育、林果种植、有机农作物种植等(该模式甘肃农村多用)；第三种是吸粪车收运到有机肥生产企业制作有机肥销售.

表1 老年(53～70岁)和幼年(7～13岁)两年龄段产生黑水水质比较

2) 模式Ⅱ——单户、联户分散治理

对于居住分散、地形条件复杂、污水不易集中收集的村庄，农户污水进行联户或独户收集后单独处理.以我国西北地区的甘肃省为例，相邻住户联合或者独户修建三格式化粪池，一般情况下化粪池出水应满足《农村生活处理设施水污染物排放标准》(DB 62/T 4014-2019)的要求，可采用资源化利用方式，农户自行取用，用于庭院绿化、农田灌溉等消纳吸收利用，必要时也可以建设植物隔离带或人工湿地等近自然处理系统，达到进一步利用与净化的目的.粪渣(污泥)处理模式同第一种处理模式.相比于污水直排，有报道称[15]该模式有机物污染量降低25%以上，对于总氮和总磷的削减分别提高50%和40%.对于西北农村，该模式的污染物治理率更高，更适合于农村应用.

3) 模式Ⅲ——资源化利用

针对偏远、人口密度小、人口少、远离环境敏感地域、传统上采用旱厕的村庄，修建卫生厕所，粪渣(污泥)处理模式同第一种处理模式.灰水不得进入化粪池，可通过管道、沟渠等接入人工湿地等近自然处理系统消纳吸收.该模式将黑水与灰水在源头分离后，后续加以处理利用、资源回收，充分做到节约水资源和降低能耗，对水资源短缺的西北地区农村生活污水治理具有重大意义.

4) 模式Ⅳ——集中纳管入厂处理

针对市政排水管网能到达的村庄，完善村内雨污分流管网建设工作，将污水引入城镇污水处理厂进行集中处理(这种方式称为纳管).每户修建三格式化粪池，出水进入城镇污水处理厂进行集中处理.粪渣(污泥)处理模式同第一种处理模式.该处理模式最为理想，处理效果好且有保障，具有投资省、施工周期短、见效快、统一管理方便等特点.该模式适用于距离市政污水管网较近且符合市政管网接入要求的村庄，在我国西北黄土沟壑区部分农村地区具有一定的局限.

4 模式的选用及其注意事项

要全面治理农村生活污水，每个村都采用传统全收集全处理的方法困难很大.首先西北地区地方财政无法支撑；其次西北地区地广人稀、土地贫瘠，若能将农村生活污水中有用的成分还田，对改善土壤结构、增产增收大有益处；还有采用回归自然的处置方式，还可节省大量的处理费用；最后还可解决农村污水处理技术人员缺乏的矛盾.所以西北黄土沟壑区农村生活污水治理的核心是正确处理资源化利用模式与集中处理模式之间的关系.

1) 合理使用集中处理模式

调查发现，已经建成的农村污水处理工程(属模式Ⅰ)，处于“晒太阳”状态的居多.原因一是绝大多数农民外出打工，污水排量太小导致设备无法正常运行；二是设备运行费用太高，地方政府无力承担；三是设计缺陷(如原水调节不够)、管网不完善(大量泥土混入污水管网)、技术人员短缺等其他原因.针对上述问题，解决的方法主要是：

① 慎建模式Ⅰ处理工程，条件许可的情况下多用模式Ⅳ.这样做虽然前期费用可能稍大点，但可以保证污水处理设施的正常运行，且运行费用省.有技术指导资料[16]推荐相邻村相距小于5 km时可以合建污水处理设施，但西北黄土沟壑区地形复杂，故不能一概而论，同时还要充分考虑村庄的发展前景与规划.西北黄土沟壑区规模大的村庄往往在川道河流沿岸，采用模式Ⅳ有先天条件.

② 合理确定处理水量与水质.合理的处理水量与水质是污水处理设施正常运行的保障.甘肃省环科院组织人员对全省4个不同片区的农村生活污水进行调查，得出人均排水量为35 L/人·d，据此结合本文表1中人均污染物日排放量、考虑化粪池去除率后，可以推算出农村生活污水年均值，处于《甘肃省农村生活污水治理技术指南》(试行)推荐值表4.3中的中上水平，说明农村人均污染物排放量要比城市稍低.

③ 合理解决水量变化的影响.农村劳务人员外出造成了农村生活污水日变化系数的巨大变化，村民生活习惯的高度一致性，造成了中午和晚上两个时间段出现生活污水排放峰值，导致污水时变化系数大增.为解决水质和水量的不均匀性产生的问题，可在农村生活污水处理设施前设立可以调节1天以上水量的调节池.考虑到平时污水量少、春节前后水量大增的情况，笔者认为调节池的规模可以更大一点.同时处理设施采用多格并联(水量小时可交替运行)、增加填料强化生化处理单元的抗冲击负荷能力、采用处理能力强的处理工艺，也是设计中注意的重点问题.例如低负荷人工湿地具有耐冲击负荷能力强、处理量灵活的优势，既保证出水水质达标又防止出现资源浪费的现象.

④ 选用高效且运行成本低的污水处理工艺[17].由于北方地区冬季气温较低，相较于南方地区可选用的农村生活污水处理工艺类型较少[18-19].西北地广人稀，结合生态技术的潜流式人工湿地是较适宜于农村生活污水处理的一种技术.一般而言，植物能够提高10%～20%的氮去除效率，同时湿地植物具有保温和生态景观功能[20].对于普遍关心的冬季温度过低影响污水达标排放的情况,可增加草铺覆盖或者太阳能加热等保温措施.海热提等[21]通过特殊活性人工介质的选用和一定的隔离保温措施,使两级潜流人工湿地系统能在高寒地区高效运行.人工湿地在温度比较低的爱沙尼亚[20]、加拿大[22-23]等国家被用来处理生活污水,与其他季节相比，冬季的表现并没有降低.这说明人工湿地在西北同样可以在冬季使用.

⑤ 农村生活污水收集管网往往不够完善，垃圾与泥土会混入生活污水，夏季大雨过后，大量的泥土很容易破坏微生物活性使污水处理系统崩溃.在污水处理设施前设计多道沉砂池很有必要.甘肃镇原县某农村生活污水处理站为解决进水泥土量大的问题，连设七道沉淀池后，才彻底解决该问题.

2) 普及使用资源化模式

模式Ⅱ、Ⅲ的最大特点是使污染物资源化利用，这不仅符合环保基本理念，也符合西北黄土沟壑区农村自然条件，投资成本便宜，与当地经济发展情况相适应.该地区大多数农村，分散分布于大山之上，传统上全采用旱厕，产生的污水(主要为灰水)流出后，也会由于干燥气候的蒸发与土壤吸收，流经一段距离后消失.结果是村内街道灰水夹杂着雨水乱流，村外收集不到污水.

① 目前国家实施的农村改厕有水冲式与卫生旱厕两类，在水源充足的地区，应该提倡水冲式厕所，但要注意冬季给水系统保温.出水经过化粪池处理后，抽吸还田资源化利用.严重缺水地区采用卫生旱厕(具体分为尿粪混合与分离式)的农户，尿液与粪渣经过厌氧处理后，均可还田资源化利用.上述情况下农户家庭排出的灰水，要提倡修建房前屋后的土地处理系统进行处理，避免倒入雨水收集排放系统.

② 强化化粪池处理功能.由前面可知，化粪池对污染物的处理效率很高，所以建议采用处理效果好的化粪池.化粪池设计使用过程中，最主要的问题是防臭、防渗漏以及易清掏等[24].由于传统化粪池易渗漏，王雪峰等[25]将原有化粪池进行改造，加强防渗的基础上在最后一格上部布置200 mm高的建筑原料,易于日后更换.有研究通过对传统化粪池改良进行预处理，化学和生物需氧量去除率大有提高[24].

当采用化粪池对生活污水进行预处理时，要考虑冻土层对化粪池的影响，化粪池的最小覆土深度不得小于冻土层深度，对于不能满足最小覆土深度的管道要采取保温处理，避免管道在低温下被破坏导致收集系统瘫痪[26].

③ 水冲式化粪池沉淀后(三格式化粪池本身兼具沉淀池功能)的上清液建议先后进入一级人工湿地和二级人工湿地用作绿化、灌溉等资源化利用，为避免黑臭水体出现，化粪池出水不提倡溢流至附近坑塘.

④ 建立在资源化利用基础上的农村改厕行动，是有效解决农村生活污水治理的主要途径[27]，解决问题的关键是便于实际使用的低成本厕所技术与产品的研发，以及农户环保意识的提高.

3) 总体来说，西北地区地广人稀，土地贫瘠，资源化利用与近自然处理是首选模式，只有在有可能影响饮用水源保护区、或者自然保护区、风景名胜区等环境敏感点的村庄，才可根据实际需要进行污水的集中处理.这也是在有限财力下实现十年内农村生活污水达到管控目标基础保障.

5 西北黄土沟壑区典型代表县域农村污水规划中模式选用结果与投资

秦安县位于甘肃省东南部，渭河支流葫芦河下游.县域内海拔在1 120～2 230 m之间.2020年，县域常住人口53万，2018年全县实现地区生产总值561 125万元，属西北黄土沟壑区典型代表县.《秦安县农村生活污水处理规划规划(2020-2030)》中，不同治理模式的户均、人均投资见表2.从表2可见，户均投资大小顺序为模式Ⅰ>模式Ⅳ>模式Ⅱ>模式Ⅲ，而采用厕所改造突出资源化利用模式Ⅱ、Ⅲ村庄的比例接近70%.尽管如此，投资远高于秦安县财政的承担能力，充分说明西北地区农村生活污水治理工作面临的实际问题还是比较严重.

表2 秦安县农村生活污水不同治理模式的投资估算

6 小结

1) 西北地区农村经济条件差、地广人稀、干旱少雨、土地贫瘠.农村生活污水是污染源也是农肥资源，合理使用集中纳管与村域收集处理模式，大力推广单户/联户分散式处理与卫生厕所改造的资源化利用模式的治理思路比较适合西北黄土沟壑区的实际情况，也是西北地区在有限财力下实现十年内农村生活污水达到管控目标的基础保障.

2) 农村污水处理过程中，要合理确定处理水量与水质、并考虑水量变化的影响；完善污水收集管网，防止垃圾与泥土混入；高效且运行成本低的污水处理工艺是污水治理稳定运行的基础条件.

3) 甘肃中东部黄土沟壑区农村生活污水治理可分为收集到城镇污水处理厂或者村级污水处理站的集中处理模式和厕所革命(水冲厕所或者卫生厕所)资源化利用处理模式.鉴于农村污水变化系数大与技术条件限制，尽量建大的乡镇污水处理厂、少建村级污水处理站，大力推广资源化利用处理模式.

4) 建立在资源化利用基础上的农村改厕行动，是有效解决农村生活污水治理的主要途径，解决问题的关键是便于实际使用的低成本厕所技术与产品的研发，以及农户环保意识的提高.