巢湖地区农村生活污水产排污调研方法及实证

2022-03-31何源吕锡武郑向群张丹丹吴晓斐黄治平

农业资源与环境学报 2022年2期

何源，吕锡武，郑向群，张丹丹，吴晓斐，黄治平*

（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.东南大学能源与环境学院，南京 210096）

厕所革命是改善农村人居环境和建设美丽宜居乡村的重要举措之一，是实施乡村振兴战略的一项重要任务[1]。农村户厕改造后，最显著的变化在于农村生活污水排放变为“黑灰分离”，“黑水”主要指的是冲厕污水，“灰水”主要包括厨余污水、其他杂用水。李锦冰等[2]在福建省安溪县吾邦村内随机检测20 户农户三格化粪池出水化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）等水质指标，采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）二级标准作为合格率的划分依据，结果发现20 户出水中TP 和NH3-N 的合格率仅为55%和15%。ERIN 等[3]的研究发现化粪池出水氮形态主要为总氮（TN），化粪池出水中TN 的平均浓度为63 mg·L-1，且其由于没有系统化的后续处理而对环境存在一定程度的输入风险。汪浩等[4]对山西、陕西、浙江、湖南、广东和重庆6 个选点区域57家农户化粪池进出口进行水质监测，发现调研的化粪池出口水质COD浓度为494.3～1 512.0 mg·L-1，NH3-N浓度为160.4～322.7 mg·L-1，TP 浓度为13.5～32.6 mg·L-1，若直接排放会对环境造成二次污染。MACINTOSH 等[5]发现虽然化粪池出水中的磷污染浓度较低，但如果进入河流会对其造成相对较大的影响，尤其在夏季会限制河流的稀释能力。LANGERGRABER 等[6]的研究发现黑水和灰水具有非常不同的特点，单独收集的黑水中TN、TP 含量占生活污水中TN、TP 含量的95%和90%以上。随着农村户厕改造的完成，农村生活污水水质水量的变化给污水后续处理和设计等方面带来影响。

近年来相关领域学者已围绕城市生活污水排污系数估算、农村生活污水排放特征调研等方面取得了工作进展，对巢湖、太湖流域农村生活污水产排污系数测算的相关研究已趋于成熟[7-8]。相关的指南和标准也相继出台，住建部于2010 年组织编制了东北、华北、东南、中南、西南、西北等地区农村生活污水处理技术指南，各地区再结合本地实际对污水处理进行指导；2019 年发布了《农村生活污水处理工程技术标准》（GB/T 51347—2019）。基于源分离的农村改厕使农村生活污水的水质水量特征产生新的变化，但对于源分离的农村生活污水产排污情况还鲜有相关研究。

相较于冬季气候寒冷且干旱少雨的北方地区，南方水网地区有丰沛的水系资源，更多采用水冲户厕的改造方案，该区域改厕后的农村生活污水水质水量的变化给农村生活污水处理设计方案参数的选取和修正带来很大影响，因此，对南方水网地区改厕后的农村生活污水产排污进行调研十分必要，笔者提出一套详细的水网区域改厕后农村生活污水产排污调研方法，并以巢湖流域为例进行农村生活污水产排污的实际情况调研，并对调研结果进行分析，以期为改厕后的农村生活污水处理设计提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 调研对象

（1）典型村落

主要筛选已完成整村推进的农村户厕改造村落，有配套的自来水设施，已有或拟建污水收集管网及污水处理设施。

（2）典型农户

家庭有常住人口且常住人口的年龄结构具有代表性；农户中供水设施、用水设施、排水设施布置完整且处于日常使用状态；农户的户厕已经完成改造，且化粪池处于稳定运行状态。

1.2 调研方法

在制定具体的调研方法之前，通过查阅资料及走访调查的形式对调研对象的生活污水最终受纳水体、村落污水收集方式和村落污水处理设施背景进行了解，然后通过实地查看、挨家寻访、蹲点统计、取样检测等方式，深入调查农村生活污水水质水量基本情况，把握农村生活产排污特征，调研主要从水量监测、水质监测两方面展开。

1.2.1 水量监测方法

将农村生活污水按照不同来源分为厨余污水、其他杂用污水和冲厕污水三个部分。选择具有典型代表性的家庭作为调研对象，最少连续10 d全面统计出每户产生灰水和黑水的水量，计算污水产生系数，确定时间变化规律。

（1）每日黑水水量

式中：QB为每日黑水水量，m3·d-1；QC1为厕所大便所需冲水量，m3·次-1；n1为大便次数，次·d-1；QC2为厕所小便所需冲水量，m3·次-1；n2为小便次数，次·d-1。

根据马桶型号确定其每次大便、小便所需用水量，记录下调研家庭大便、小便的次数以及时间，取得每日完整的黑水水量。

（2）每日灰水水量

式中：QG为每日灰水水量，m3·d-1；QV为满桶体积，m3·次-1；N为桶次数，次·d-1。

灰水主要分为厨余污水和其他杂用污水，为了能够准确了解一个家庭每日产生的灰水量，采用如下计量方式进行计量：用小盆收集污水，之后按照类别倒入不同的大桶中，当大桶快满时及时取样并对大桶进行清理。24 h 为一个水样采样周期，每个周期结束时，再将之前从大桶中采集的样品按比例进行混合，以得到一天的综合水样。

（3）污水排放变化系数

通过对前期调研结果进行分析讨论，选择合适的时间节点，将24 h 划分为几个时间段，进而分析污水的时变化特征，并采用时变化系数和日变化系数来表示污水的时变化特征和日变化特征。

污水排放时变化系数（Kh）：

式中：Qhmax为最大时污水量，m3·h-1；Qh0为平均时污水量，m3·h-1。

污水排放日变化系数（Kd）：

式中：Qdmax为最大日污水量，m3·d-1；Qd0为平均日污水量，m3·d-1。

（4）产排污系数

人均产污系数（Gm，g·人-1·d-1）：

式中：cx为各污染物浓度，mg·L-1；Qy为污水量，L·d-1；np为人口数，人。

产污系数（GC，g·人-1·d-1）：

式中：Gx为单日人均产污系数，g·人-1·d-1；n为调研天数，d；x为产污污水中污染物指标数。

排污系数（GP，g·人-1·d-1）：

式中：Gy为单日人均排污系数，g·人-1·d-1；n为调研天数，d；y为排污污水中污染物指标数。

1.2.2 水质监测方法

由于调研结果主要为农村生活污水处理方案提供服务，因此水质主要监测COD、TN、NH3-N、TP 和pH 这五个主控指标，监测方法依据水和废水监测方法，以国标法为主要依据，如有在野外进行水质监测的必要，也可采用快速测定方法。

根据水样保存方法，对取得的水样在现场用pH计测定pH 值，之后加酸保存放入加有冰袋的保温箱内储存，送往实验室测定水质指标。

2 结果与讨论

2.1 三格化粪池污水调研情况

在安徽省肥西县紫蓬镇新农村、兴庄村和周公山村调研化粪池使用现状，其常住人口分别约1 900、2 230、1 800 人，三个村的三格化粪池均依据《农村三格式户厕运行维护规范》（GB/T 38837—2020）中规定的标准，未留出水口。从表1 可看出，新农村、兴庄村、周公山村的新建户厕均处于不同的使用状态，其中近一半的化粪池内水量较少，一是由于村中常住人口较少，且新建户厕仅建成一年，使用时间较短；二是有部分农户利用化粪池第三格污水对自家门前小菜园进行灌溉，例如兴庄村约有10.45%的农户使用化粪池污水灌溉自家菜园。

表1 第三格化粪池存水情况（池内污水距地面距离）Table 1 Water volume（distance between the sewage in the tank and the ground）in the third compartment of the septic tank

由于化粪池均没有出水口，部分农户因清掏不及时导致污水满溢而污染周边环境，有些化粪池由于清掏后上层的水泥盖板没有完全复位使雨水渗入，导致化粪池污水满溢。

本调研选择9 户化粪池满溢的农户对其化粪池第三格水质进行监测，结果见表2。

表2 出现满溢的三格化粪池出水水质浓度Table 2 Concentration of effluent water quality of three-grid septic tank with overflow

从表2 中可以发现不同农户的化粪池出水水质浓度差别较大，但其COD、NH3-N和TP等水质指标整体与农户常住人口呈现相关性。随着人口数的增加，大多数农户化粪池污水中各污染物浓度增高，但也有部分农户相反。例如农户1和农户2，其COD和NH3-N浓度高于常住人口同为2 人的农户3 和农户4，与常住人口为4人的农户7相近。相反，农户5和农户6虽然常住人口均为3 人，但其COD、NH3-N 和TP 浓度整体低于常住人口仅为2 人的农户1、2、3、4，并且农户5、6 均有使用化粪池第三格污水灌溉自家菜园的情况，其化粪池污水满溢可能由于上层水泥盖板使用后未完全复位致使雨水渗入导致。

调研发现，三格化粪池出水浓度远高于《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）、《再生水水质标准》（SL 368—2006）（用于农业）和《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）所规定的数值，因此该地区处理生活黑水的化粪池第三格出水不能直接用于农业灌溉，也不能直接进行排放。SAMIA 等[9]对苏格兰东北部的32处化粪池进行监测，发现其NH3-N、TP的浓度分别为2～144、1～32 mg·L-1，其氮污染低于本次调研结果。周超群[10]的研究表明，若长期使用生活污水原水灌溉，污水中高浓度的有机物会导致土壤板结和厌氧化，从而导致土壤退化和植物烂根等；同时不科学的浇灌模式容易导致大量污染物直接进入环境中，对周围环境造成污染。因此浓度过高的化粪池出水无法直接排放或还田灌溉，其资源化利用率较低。

实际使用化粪池尾水灌溉时，应在节省处理成本的基础上对化粪池出水做进一步深化处理，在达到灌溉标准后方可进行资源化利用。化粪池尾水再利用可作为缺水地区灌溉用水的替代和可持续水源，SERRAO 等[11]在智利三个农村地区的案例研究中，对拟议方法的可执行性进行了核查，提出并应用了一种多标准决策方法来评估农村地区废水再利用替代品。

通过调研农村三格化粪池的使用现状及其出水水质，对农村生活污水中黑水水质现状有了一定了解，但对农村生活污水中黑水、灰水整体的水质水量情况并不明确，因此对改厕后农村生活污水的产排污特征进行进一步调研。

2.2 农村生活污水排放特征调研

2019 年9 月对新农村、兴庄村和周公山村三个村庄共计1 436 户农户的化粪池现状进行调研，调研村落常住人口以老年人和儿童居多，村落青壮年人口流失现象严重。在选择典型农户时着重关注：①人口结构中老年人和儿童的比例；②调研村落自来水设施已普及，并已完成户厕改造；③供水设施、用水设施、排水设施是否布置完整且处于日常使用状态，其户厕及化粪池是否处于稳定运行状态。基于此，选择9 户正常使用化粪池的农户开展第三格化粪池黑水监测，再从中选择3 户典型农户进行黑水及灰水连续10 d 跟踪调研，探究巢湖流域农村生活污水的水质水量排放特征，摸排改厕后农村生活污水中黑水及灰水的基本情况。3 户典型农户的家庭情况分别如下：

1 号家庭人口构成为1 名老年人、1 名中青年和2名幼儿。家里有太阳能热水器、冲水马桶和洗衣机，平常会用洗衣机洗衣服。家庭供水来源于自来水和地下井水，一般饮食及洗浴用水为自来水，冲厕及洗衣用水为地下井水。

2 号家庭人口构成为2 名老年人、2 名中青年和1名幼儿。因中青年及爷爷长期在外工作，故而该家庭常住人口为2 名。家里有太阳能热水器、冲水马桶和洗衣机，调研期间正属夏季，洗衣机被闲置。家庭供水来源于自来水和地下井水，一般饮食及洗浴用水为自来水，冲厕及洗衣用水为地下井水。

3号家庭人口构成为1名七旬老年人。家里有太阳能热水器、冲水马桶，家庭供水来源于自来水和地下井水，饮食用水为自来水，冲厕、洗浴及洗衣用水为地下井水。

这三户家庭覆盖了村里的所有情况，具有典型性和代表性，确定为调研对象。

2.2.1 水量排放特征

根据农村家庭生活污水产生场所，将农村生活污水排水按照源头进行分类，分为厨余污水、其他杂用污水及冲厕污水。

3 个典型农户家庭人口数1～4 人不等，对各家庭各类污水进行为期10 d的24 h连续监测，数据统计结果见表3。

表3 典型农户产污情况Table 3 Domestic sewage production of typical farmers

调研结果显示，村落居民总污水产生系数为56.47 L·人-1·d-1，其中灰水占比65.77%，黑水占比34.23%。新农村参与调研的农户全部使用普通的卫生器具，绝大多数住户并未开展家庭节水改造，尤其是节水型马桶的普及率很低。调研选取的典型农户使用的抽水马桶型号较为陈旧，某些马桶的最大容积可高达12 L。仅仅从这个角度分析，村落整体的黑水排放量仍存在较大的削减潜力。

农村户厕改造后，生活污水排放在水质和水量上发生了一定的变化。在水质方面，黑水和灰水从源头分离并且水质差异大；在水量方面，黑水和灰水的水量根据用水习惯产生，改厕之后的污水量变化程度增大。鉴于此，农村生活污水处理的后续设计需进行新的思考：①在处理方式上，黑水和灰水是否集中收集处理；②黑水处理设计过程中是否对其中的氮、磷元素进行资源化利用；③厕所后续的化粪池由于某些原因导致其对氮、磷元素的去除效果无法达到排放标准时，其后续是否增加一定的处理设施。

2.2.2 水质排放特征

对3个典型农户家庭中3类水的日综合水样水质进行监测，水质指标选择COD、NH3-N、TN 和TP 进行测定。

如图1 所示，村落家庭各样本水质水量监测结果显示，巢湖流域农村居民生活污水中COD、TN、NH3-N和TP产污系数分别占总产污系数的85.49%、10.44%、3.54%和0.53%，因此COD 和TN 是农村居民生活污水的主要污染物。农村家庭生活3 类污水中有机物（即COD）差异不大，但冲厕污水中NH3-N 和TN 均显著高于厨余污水和其他杂用污水。各样本家庭污水中，村落家庭污水COD、NH3-N、TN 和TP 产污系数分别为35.29、1.46、4.31 g·人-1·d-1和0.22 g·人-1·d-1，结合灰水和黑水排放水量占比，灰水和黑水中COD、NH3-N、TN、TP 负荷占比分别为72.40%和27.60%、15.07% 和84.93%、28.77% 和71.23%、54.55% 和45.45%。孙兴旺[12]对巢湖流域农村生活污水的调研结果显示生活污水产生系数为26.31 L·人-1·d-1，COD、NH3-N、TN 和TP 产污系数分别为18.91、0.16、0.63 g·人-1·d-1和0.08 g·人-1·d-1，其研究主要是对连续3 d的混合水样进行监测，并未明确分析源分离生活污水的水质水量特征，一定程度掩盖了黑水对生活污水的贡献。

图1 农村生活污水中各污染物产污系数Figure 1 The pollution production coefficient in the rural domestic sewage

3 类污水中有机污染物浓度相近，但是厨余污水和其他杂用污水排放量比冲厕污水大，故有机负荷主要产生于由厨余污水和其他杂用污水组成的灰水。冲厕污水虽然水量较小，但是其氮、磷营养盐浓度较高，故氮、磷营养盐负荷主要产生于冲厕污水，即黑水。

通过管网收集等方式分流制收集并采用分散式设施处理的村落生活污水，可避免污水处理遇到的冲击负荷，经分流制管道调节的管网末端污水水质较为稳定，可避免管道沿程雨水汇入对进入村落污水处理设施的污染物浓度产生显著影响。为了解管网停留和降解对污水水质的调节作用，对管网末端出水10 d平均COD、TN、NH3-N以及TP浓度进行分析，见表4。

结合农村居民生活污水人均排放量计算各污染物的排污系数，与表4 计算出的产污系数进行对比，计算得出管网初级处理对COD、TN、NH3-N和TP的削减率分别为65.65%、-14.85%、-38.31%和38.40%。可以明显看出管网对于农村生活污水具有明显的水质调节作用，其中管网初级处理对TN 和NH3-N 的削减率为负，可能由于管网内存在氨化过程或温度较高造成NH3-N逃逸。

从整体调研结果来看，农村生活污水在产生源头已经出现了较大的水量和水质差异。朱木兰等[13]认为污水处理设施进水水质不仅与源头各家各户所产生的污水水质密切相关，而且还与排污方式有关。改厕前，农村生活污水排放分散，水质水量波动大，统一混合处理，农村集中污水处理设施的处理负荷严重。改厕后，农村生活污水中黑水、灰水分离，并且黑水、灰水水质差异大，加之化粪池对厕所污水的处理时间较长，使水量的波动一定程度降低。常素华[14]建议在农村推行集中与分散相结合的污水处理模式，应建好化粪池和生活污水收集管网。ALI[15]建造了一个由化粪池、上流厌氧过滤器和储水箱组成的水处理单元，不仅能对灰水进行处理，而且处理后的灰水可用来灌溉花园。农村生活污水处理应该从源头开始分类，减少后续处理过程，同时还要多种处理技术因地制宜地结合，即灰黑分离并结合农业资源化模式才是农村生活污水处理的发展方向，才能实现高效低耗的可持续治理。

本次调研在农村现状与发展趋势方面存在一定的局限性。在农村人口结构方面，随着农村经济的不断发展，城乡差距不断缩小，很有可能出现人口逆向流动。在季节性变化的影响方面，本次调研未对其他季节的生活污水排放特征进行探究，虽然黑水的水量及水质不存在较大的季节性变化，但是季节变化可能对灰水的水量及水质产生影响。在污水资源化需求方面，部分居民有直接收集粪尿用于施肥的习惯，也普遍存在使用化粪池粪污浇灌菜地的现象，这些都是今后需要进行系统调研和重点考虑之处。