太湖流域农村生活污水产污特征及治理模式分析

2022-06-19程方奎汪晨晨温仓祥沈舒婷程鹤来吕锡武

东南大学学报(自然科学版) 2022年3期

程方奎汪晨晨温仓祥沈舒婷程鹤来吕锡武

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(东南大学无锡太湖水环境工程研究中心, 无锡 214135)

2020年,我国常住人口城镇化率达63.89%,还有约5亿人口为农村人口并分布在广大农村地区.如此多人口的农村地区生活污水排放和污染物排放总量巨大.但根据国家2021年公布的治理率来看,农村生活污水治理行政村覆盖率仅为25.5%,而实际的人口覆盖率更低.由于长期的城乡二元体制和以经济建设为中心的发展政策,城乡污水处理现状也存在巨大差异,城市生活污水处理率已经达到90%以上.然而,中国农村生活污水治理仍然处于起步阶段,适宜的农村污水处理技术和模式还不成熟,处理率还保持在较低水平.直接将城市生活污水的处理技术和模式套用到农村生活污水处理会出现较多的问题[1].因此,从源头明晰农村生活污水产污特征及根据产污特征梳理村落污水治理模式显得重要且迫切.

我国当前农业面源污染治理多以流域治理的模式开展,流域治理需要解析面源污染源强、评估环境承载力和制定污染物削减计划,需要各类污染源产生特征的数据支撑.但太湖流域依然缺少农村生活污水产生的水量和污染物人口当量的相关最新基础数据,给流域污染负荷贡献率核算、村落污水治理模式及处理技术优化带来困扰.

虽然我国关于城市生活污水产污特征的调研相对较多[2],但对象大多为来源于集中收集管道中的综合水样.经过管道沿程的调节和降解的末端城市生活污水有很多的产污特征信息湮灭,并不能给分散化的农污治理中污水和污染物产生系数提供准确的参考,迫切需要针对农村生活产污特征的调查研究,尤其是污水产生的时空分布特征、污染负荷在不同源污水中的分布特征等.

此外,近10年中国涌现出了一系列由城市污水处理技术发展和借鉴而来的农村污水处理尝试[3],但仍然存在较多问题,最主要原因是没有充分考虑农村生活污水产生和管理特征.相关生活污水研究[4-5]表明污水产生系数与经济发展水平有显著关系.过去10年国家经济增长迅速,但国家最新公布的2017年第二次全国污染源普查报告依然没能提供农村生活污水产生特征的数据.而且,以往农村生活污水的研究[6-7]多限于产生的综合污水浓度相关的分析,更少有基于源分类的产污特征研究.因此,确定产污系数及污染负荷在住宅不同污水来源中的分布情况,对构建收集处理模式和优化技术适应性有着重要意义.

本研究选取太湖流域若干农村样本家庭,对基于源分类的生活污水的产生特征进行调查研究,为农村生活污水治理模式的分析提供支撑.同时,研究也为后期第三次国家关于农村生活污水的污染源普查提供可借鉴的调查研究方法和可对比的研究基础数据.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取太湖流域常州市武进区雪堰镇境内鱼池上、前贯庄、王家塘自然村中的共3个随机样本家庭为研究对象.研究区域位置与样本家庭分布如图1所示.研究选取农村样本家庭分别编号为S1、S2、S3.

(a) 研究区域地理位置

1.2 污水收集统计方法

研究样本家庭的抽水马桶冲洗、烹饪、洗涤和清洁是日常生活中主要的污水产生环节.样本家庭的基本情况(家庭规模、水源、污水产生地点、马桶冲洗水量)如表1所示,各家庭基本生活设施相对齐全.从2021年7月22日—8月4日连续14 d对家庭污水进行分类收集.

表1 研究样本家庭概况

文献[8]详细分析了丹麦城市污水的分类,提出了厕所冲洗的黑水和其他综合灰水的分类方法.文献[2]也分析了中国城市生活污水不同源的特征,包括厕所、厨房、盥洗间等场所的污水,同样提出黑水和综合灰水的2大类分类方法.因此,本文根据污水产生场所将各样本家庭污水分为冲厕污水(粪尿冲洗污水,即黑水)和其他(洗漱、洗澡、洗衣、食物和厨具清洗污水等,即灰水)共2类对农村生活污水进行分别收集.其中,冲厕污水产生点只有冲水马桶,冲水量固定,但冲洗大便和小便水量不同(见表1),所以冲厕污水(黑水)的排放水量可通过记录大便、小便的类别和时间进行统计,而非直接量取.其他污水(灰水)则是通过容器收集量取.每天每间隔2 h对样本家庭上述2类污水排水量进行计量统计.

1.3 采样与检测方法

在样本家庭布置污水收集容器,委托家庭成员将每天原本通过沟渠或管道排放的污水倒入指定收集容器中.灰水收集在160 L带盖和刻度(精确度0.1 L)的PVC桶中,每2 h读取和记录一次水量数据.每天于24:00搅拌桶中的废水,取混匀污水水样.每个样本家庭水样盛于0.25 L的聚乙烯瓶中,并密封冷藏以防污染、损坏和变质.所有水质指标均在24 h内在实验室进行检测.每日统计和取样后,清空收集桶并清洗以进行下一天的收集.考虑卫生和可行性,冲水马桶产生的黑水并非通过容器收集,而是在不影响样本家庭的如厕习惯前提下,使用便携坐便器套袋收集大便和小便,每2 h读取和记录一次如厕类型及次数,并根据不同类型如厕方式的冲水马桶冲水量(见表1,各样本家庭大小便稀释水量均通过现场实测调研家庭的马桶大小便冲水量获得)将全天收集的大小便进行兑水混合,充分混匀成为黑水,黑水水样采集及保存方法与灰水相同.

2 结果与讨论

2.1 农村生活污水水量特征

家庭污水水量特征是村落污水管理与处理的重要依据,尤其是污水处理设施规模设定的参考,规模影响投资,投资是发展中国家农村污水处理的最大制约因素.其次,实际水量与处理设施设计水量不匹配也是影响农村生活污水处理设施可持续运行的一个重要因素.因此,调查村落家庭污水产生的水量特征意义重大.

调研对3个自然村落内的3个样本家庭连续14 d按照污水来源(即黑水、灰水)进行了分类收集和统计,结果见表2.样本家庭多日平均总排水量为(97.7±25.1) L/(cap·d),即农村生活污水产生系数.对比城市居民生活用水定额120～180 L/(cap·d),按照排放系数0.8的污水产生系数为108～144 L/(cap·d),与之相比,农村生活污水产生系数接近其下限值.相关研究报道家庭生活污水产生系数与卫生设施水平成正相关[7],本研究农村样本家庭生活污水产生系数接近城市居民生活污水产生系数,说明太湖流域农村居民家庭卫生设施水平接近了城市家庭,这与调研记录的比较齐全的农村家庭用水设施(见表1) 情况一致.此外,黑水与灰水水量均值分别为(15.8±3.9)、(81.9±23.4) L/(cap·d),占人均排水总量比例分别为16%和84%,灰水水量占比远大于黑水.本调研农村生活污水中黑水、灰水比率约为1∶5,以往城市生活污水排放研究[10-11]中黑水占比约为12%～33%,这与本研究调查结果相近.根据表1,农村生活每次冲厕水量为3.3～5.5 L,对比研究报道采用超高效节水厕所的每次冲水量在0.5～1.2 L[12],说明农村生活污水黑水还具有减量空间.黑水水量的降低可提高黑水污染物浓度,有利于提高后续污水处理设施效率,降低污水处理成本[13].因此建议太湖流域农村生活污水的治理要考虑家庭黑水的源头减量,采用超高效节水型冲水马桶是一个较好的选择.

表2 家庭污水产生量分布

根据相关报道(见表3),世界不同经济水平的地区灰水产生量存在显著差异.发展中地区灰水产生量约为35～80 L/(cap·d),发达地区约为96～200 L/(cap·d).本研究结果为(81.9±23.4)L/(cap·d),与发展中地区的灰水产生特征结果接近.这说明随着我国经济发展,农村生活污水的产生量仍然存在增长空间,农村生活污水治理还需要考虑水量增加带来的挑战.另外,在缺水地区,有报道[14]表明灰水占比低至15%,占比如此少的灰水仍然被建议进行再利用.本研究发现农村生活污水灰水占比高达84%,说明太湖流域农村生活污水具有可观水量的灰水再利用的潜质.

表3 世界不同地区灰水产生特征

2.2 农村生活污水产生时间分布特征

家庭排水水量的时间变化统计以2 h为一个统计时段,连续统计14 d.样本家庭每日不同时段黑水、灰水及总产水量统计结果见图2.样本家庭污水产生的时间主要分布在04:00—22:00,不同时段产生量具有明显差异,这与产生污水的时段有直接关系,主要取决于家庭生活习惯.图2中,从家庭各时段产水总量还可看出,各家庭产水具有2～3个高峰时段,分别出现在早上、中午和晚上,分布时段为04:00—06:00、10:00—12:00、18:00—20:00,但不同家庭稍有差异,或早或晚.各家庭产水还有一致的产水断流时段22:00—04:00.此外,黑水各时段产生量时段变化不明显,但灰水时段变化较明显.通过图2可以看出,在产水总量高峰时段,灰水污水排放出现峰值,且值大于黑水值,说明家庭产水时段峰值主要是由于灰水产生引起.

(a) S1

家庭产水时段变化具有明显的峰值,且各家庭排放峰值出现时段接近.农村生活污水处理如果以自然村落为基本单元,自然村落规模一般比较小,有十几户到几十户不等,远低于一般城市小区规模.在此情况下,采用管道对自然村落生活污水进行收集,管道的输送距离也比较小(例如,调查的自然村落最长管道输送距离仅为185 m),污水在管网内停留时间短,对村落生活污水的水量调节能力有限.在农村村落生活污水处理和管理中应该充分考虑水量波动及断流特征,尤其是污水收集管网末端的处理设施需要具有针对水量波动特征的调节能力.可考虑采用续批式污水处理工艺,以更好地适应村落生活污水水量变化特征.

2.3 污染物浓度特征

2.4 污染物负荷分布特征

表4 样本家庭各类源中污染负荷分布 g/(cap·d)

图4 黑水和灰水源中的污染负荷及水量分布

2.5 污染物产生系数

污染物产生系数是污染源强度的指标,以往太湖流域农村生活污水的研究仅仅给出了混合生活污水的污染物浓度特征,并没有明确给出人口当量的污染物产生系数,导致污染物总量统计和预测困难.在此次源分类的研究中,可以通过各类源的加和折算出人口当量的总污染物产生量,即污染物产生系数.家庭是农村生活污水产生和排放的最小统计单位.取3个样本家庭日污染物总产生量的多日平均值作为最终污染物产生系数,结果如表5所示.

表5 农村居民生活污水污染物产生系数 g/(cap·d)

另外,污染物产生系数之间的关系,例如比例,可作为农村生活污水的性质特征.通过污染负荷的对比可以看出,本研究农村生活污水产生处的碳/氮质量浓度比(即ρ(COD)/ρ(TN))约为7,而文献[21]报道的管网末端污水处理厂进水约为5或更小,说明生活污水管网输送过程中出现了变化,管网中发生的污染物迁移转化也是一个值得进一步研究的问题.由表5可见,各样本家庭的污染物产生系数存在显著差异(ANOVAP<0.05),但还需要进行更多数量的样本分析才能反映这种差异的规律.虽然本文3个样本家庭的研究数据存在一定的局限性,但仍然为研究太湖流域农村生活污水产生特征提供了一种可行的源分类研究方法,并为该地区未来的水环境管理提供了可参考的污染物产生系数值.当前普遍采用的流域治理也迫切需要农村生活污水等各类源的产污系数支撑,但最近第二次全国污染源普查仍然一定程度上忽视了对农村生活污水的深度调查.建议国家在今后的污染普查中按照本研究采用的源分类研究方法补充更大范围的调查数据库,为全国各地区的农村生活污水治理提供详实的基础依据.

2.6 村落生活污水处理模式分析

如图1(c)所示,太湖流域农村自然村错落分散.建设跨村污水收集网络和大型处理厂对于收集和处理农村生活污水来说并不经济.长距离排水管网的建设和维护需要大量投资,且大型集中处理厂的运行和维护更复杂[22],更不用说大规模集中排放的尾水再分散回用的问题.因此,集中纳管模式不适用于农村生活污水治理.一项关于城市生活污水的分散处理中试研究[23]表明,生活污水分散小规模处理理论上是可行的,但由于城市居民住宅密度高、土地资源短缺,难以广泛实施.但在太湖流域的农村,自然村一般由几十户组成,呈现村落与村落之间相对分散、村落内部住宅又相对集中分布的特点,适合采用以自然村为最小单位的分散式处理模式,文献[24]也证明了农村生活污水这种分散处理的可行性和优势.

根据农村自然村布局和农村生活污水水量和水质的特点,建议农村生活污水处理不仅应采用分散式,还应采用源分类的方式,既可以节约能耗和成本,又可以提高污染物去除效率.如图1(c)所示,自然村住宅多为独立建筑,这是农村生活污水治理的优势条件,化粪池等设施可建在单独住宅污水产生源头附近,利于进行源分类和预处理.根据农村住宅功能分区,生活污水主要产生于厨房、浴室和卫生间.农村住宅生活污水产生的场所或环节是分开的,也为源分类和预处理提供了良好条件.另外,从水量和污染物浓度及负荷分布的特征来看,灰水在水回用方面具有潜力,而黑水在养分回收方面具有潜力.源头处的源分类收集和处理系统可以在未来的农村生活污水治理中仍然保留这些回用的可操作性.

在10年前,研究区域农村生活污水还没有统一收集和处理的政策要求,仅要求农村住宅设置初步处理,例如化粪池,用以滞留污染物来减轻太湖的入湖污染负荷.未来如果推进农村生活污水分散治理模式,将建设大量村级收集网络和终端处理设施.新建设施与原有化粪池等旧设施的衔接也是一个需要考虑的问题.源分类和预处理模式可以充分利用大量前期建设的化粪池,减少资源浪费,节省投资,更好地去除污染物.

在最近一项关于中国农村分散式污水处理技术和管理的调查[25]中,总结了3种广泛应用于农村生活污水处理的模式.这些常用模式之间的差异仅体现在末端处理过程中,并未提及源分类的思路.考虑到本研究结果呈现的农村生活污水产污特征,源分类应该是农村生活污水治理的一个重要方面,其价值需要得到进一步认识.基于上述原因,提出了一种采用源分类的村落治理模式,如图5所示.在这种模式下,仅黑水进入化粪池进行预处理,然后进入村落污水收集管道,并与直接进入的灰水在管道内混合.混合污水进入村落生活污水处理设施进行处理.基于源分类的农村村落生活污水治理模式的优点是:① 源分类预处理可以实现农村生活污水尤其是黑水部分更好的污染物和病原微生物去除[26];② 黑水的原位滞留和预处理可以为未来农村黑水中营养物质的分散化再利用提供可能[27];③ 灰水是一种具有成本效益的可选水源,采用源分类的治理模式可为未来其单独收集回用留有操作空间;④ 在中国的厕所革命[27]中建造的大量农村户用化粪池仍然可以有效利用到源分类的预处理中,而非在集中纳管后被短接浪费.总体而言,考虑源分类的村级农村生活污水治理模式具有多种优势.