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黄土高原沟壑农村生活污水处理规划及关键问题

更新时间:2020-08-24 16:05 来源:中国给水排水 作者: 张莉红,等 阅读:298 网友评论0

编者按:加强农村生活污水收集、处理与资源化设施建设,是我国乡村振兴战略中新农村建设工作的重要内容。目前,国内全面启动了县域农村生活污水处理规划工作,但由于我国农村情况差异大,导致了生活污水处理工作的复杂性。国内众多的关于农村污水处理的技术指导资料,也无法解决一些实际问题。本文以黄土高原沟壑区县域规划为例,探讨农村生活污水处理的一些关键问题,为该项工作的实施提供技术指导,也可供国内同行参考。

第一作者简介:张莉红(1988—),女,甘肃兰州人,在读博士,工程师,主要从事污水处理方面的研究。

通信作者:李杰 E-mail:wye@mail.lzjtu.cn

该研究得到国家重点研发项目(2016YFC0400705)资助。

目前,甘肃也和全国其它省份一样,开始了农村污水规划与治理工作,但甘肃地域广阔、农村自然及生活条件差异太大,这为农村生活污水规划治理工作增加了难度。国内现有的一些农村生活污水处理技术指导资料与政策性的文件,无法满足实际工作需要。以甘肃黄土高原沟壑区典型县域(秦安县)为例,探讨农村生活污水规划处理中的一些实际问题,希望为该地区相关工作的开展提供技术支持。

01 地理气候与水系特征

陇东陇中黄土沟壑区(图1)主要涵盖甘肃中东大部,该区域四季分明,气候干旱少雨,冬季寒冷结冰,蒸发量较大。受降雨及地表径流影响,被分割成大小不等的黄土阶地和丘陵。区域水土流失严重,塬面切割破碎,沟壑纵横,农田分布较广,人口呈现“大分散、沿河川小集聚”的特征。

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1120~2230m。据秦安县1965年—2011年气象资料统计,年平均气温10.4℃,最热月(7月)平均22.7℃。最冷月(1月)平均-3.4℃,相对湿度67%,县域内最大河流为葫芦河(属渭河北岸一级支流),南北贯穿县域,其主要支流有清水河、显清河、南小河和西小河。秦安县山区原始森林破坏殆尽,植被种类较为贫乏。就分布面积来说,以农作物植被为主。2020年,县域户籍人口为63万人,常住人口53.0万人,城镇人口约~为24万人。2018年全县实现地区生产总值561125万元。

02 水量水质特征

农村居民生活用水量受生活条件、排水系统、水资源利用方式、生活习惯等因素的直接影响。根据《甘肃省农村生活污水治理技术指南》(试行)(以下简称《指南》),结合调查当地居民的用水现状、给水规划、经济条件、发展潜力等情况,以及村民生活条件的改善,厨卫设施的改造、生活习惯的改变等因素,参照《指南》中农村居民日用水量参考值(见表1),确定秦安乡域农村居民平均用水量取40L/(人·d)和60L/(人·d)。

污水排放量取决于生活用水量的大小。农村生活污水排放量应结合农村所在地域、住户卫生设施水平、室内排水系统完善程度等因素,根据实地调查结果综合确定。本规划参考《指南》来确定农村居民污水排放系数,见表2。本规划污水排放系数确定为75%。

经调查分析,秦安县农村生活污水的排放具有以下特征:

(1)农村生活污水包括洗涤、洗浴和炊饮污水及人、畜粪尿等,家禽养殖废水很少,具有分散、污染物成分简单、有机污染物含量低、水量变化大等特点。多数村庄采用明渠或自然沟渠排放生活污水和雨水(图2)。绝大多数住户建有旱厕,黑水基本不外排,粪渣清掏后作为农家肥利用。在靠近县城经济较发达的地区或者新农村建设村,建有化粪池。大多数化粪池没有出水管,定期自行或者由专人抽吸外运,作为农家肥资源化利用。少数化粪池建有出水管,经化粪池处理后的污水中含有大量的有机污染物,化粪池出水由明渠排放,或就近排入水体。

(2)秦安县地形地貌复杂多样,地域、特别是山川地势与交通因素,造成不同地域间农村之间发展不平衡,最后造成了生活污水排放的巨大差异。经济越欠发达的村庄,人均污水排放量越少。农村污水流量主要集中在三餐前后,日变化系数一般为 3.0~5.0,间歇性排放明显。春节前后,外出打工的人回家后,排水量最大,其余时间、特别是农闲期间,家里能外出打工的人员离家出走后,排水量最小,故季节性排放更为明显。

(3)农村生活污水主要污染物为COD、氮磷、悬浮物及大肠杆菌等,水质相对较稳定。《指南》提供了表3所示的甘肃省农村生活污水水质参考范围,调查发现秦安水质大都在中等偏上的范围内。

03 农村生活污水治理原则与模式

(1)治理顺序

遵循:先大村后小村;先急后缓(改善环境迫切需要的优先);先易后难(优先建施工难度小的川区平坦村庄;先近后远(以县城和中心镇区为原点,先考虑较近的);先川区后山区;先镇后村;先聚集后分散。

(2)规划重点

城市规划区、城市建成区为重点,考虑没有延伸到的盲区;建镇中心村庄和镇区为重点;围绕葫芦河及5条二级支流;其它山区的行政村和自然村。

(3)治理技术要求

与经济发展相适应,综合考虑自然条件、环境承载能力与污水排放负荷之间的关系,充分利用近自然处理方式。

污水治理采用的模式如下:

(1)模式Ⅰ—村域收集集中处理

以村或自然村为收集区域,建设管网与小型污水处理站。由于秦安县葫芦河断面水质时有超标现象发生,所以沿河两岸川区人口集中、各村相距较远的大中型村庄多采用此模式,此外,山区乡镇府所在地等人口集中的村庄也采用此模式。

每户修建三格式化粪池,将生活污水经过管网收集后,收集到处理站统一处理。污水处理站出水水质达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 62/4014—2019)相关标准。

污水处理工艺主要规划采用一体化污水设施+人工湿地、微动力污水处理(太阳能微动力处理工艺或常规电力污水处理工艺)等出水水质较好,节省占地面积,抗冲击负荷能力较强,管理简单且能长期安全有效的运行的工艺。鉴于运行稳定性与成本,尽量避免采用MBR工艺。

粪渣(污泥)有3种处理模式:①农户自行收集-高温堆肥,用于房前屋后果疏种植、林木绿化、肥土或改良士壤等;②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;③吸粪车收运到有机肥生产企业制作有机肥销售。

(2)模式Ⅱ—单户、联户分散治理

对于居住分散、人口密度小、地形条件复杂、施工难度较大、污水不易集中收集的村庄,采用相邻农户联合或者单户处理的模式。这是秦安葫芦河沿岸川区给水水源丰富的村庄采用的主要模式。

相邻住户联合或者独户修建三格式化粪池。化粪池出水采用资源化利用方式,农户自行取用,用于庭院绿化、农田灌溉如房前屋后果种植等、林地、山地或湿地等消纳吸收利用。也可以建设植物隔离带或通过建设人工湿地系统处理(必要时前面设置简单的预处理措施),达到进一步利用与净化的目的。粪渣(污泥)处理模式同模式Ⅰ。

(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(餐厨、洗涤、淋浴等水)不得进入三格化粪池,可通过管道、沟渠等接入湿地等消纳吸收。这是秦安山区村庄采用的主要模式。

(4)模式Ⅳ—集中纳管入厂处理

主要针对近期市政排水管网能到达的村庄,重点进行管网完善建设,深化村内雨污分流工作,保证条件成熟时顺利接入城镇污水收集管网,进入城镇污水处理厂进行集中处理(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)处理模式同模式Ⅰ。

具备实现农村生活污水处理由“分散治污”向“集中治污、集中控制”转变条件的农村地区采用。

04 规划投资估算

规划中支管、支干管的设计水量按照村庄的远期流量Q远期乘以(4~5)(变化系数)设计;主干管的水量按照连接村庄远期流量总和Q远期总乘以2(变化系数)设计;重点发展乡镇依据县城总体规划,污水处理厂水量计算按照远期流量Q远期乘以1.5(人口放大系数)设计。

处理模式Ⅰ管道长度根据实际地形测量或者按照每户村民平均支管长11.35m、支干管长3.79m估算;处理模式Ⅱ按照处理模式Ⅰ管道长度的1/4估算。处理模式Ⅲ未估算管道长度。处理模式Ⅳ主要为管道工程,长度根据实际测量。污水提升泵房按照每座50万元估算;管道建设综合费(包括检查井等附属设施与管沟开挖回填等工程费用)依据DN200~400不同的管径,按照500~700元估算;厕所改造每户2500元,化粪池每户500元。污水处理站建设费用按处理水量1万元/m3估算;污水处理运险费按照1元/m3,污泥处理按照处理水量0.2元/m3计。投资估算结果见表4。

相比周围各县规划,秦安县规划投资偏大。分析原因:(1)秦安县葫芦河省控断面要求,迫使针对主要人口聚集发展区修建莲花、郭嘉、安伏污水处理厂,并对沿河敏感区域村庄采用投资成本高的模式Ⅰ治理方式;(2)秦安属人口大县;三是本次规划估算参数取自实测,比估算值偏大一些。

05 重点问题讨论

(1)农村人口是规划的主要参数。一般规划中,都按照0.7%左右的人口增长率进行远期规划。但随着我国农村经济与生活水平的提高,有些条件差的偏远村庄人口在减少,而有些靠近交通便利等条件区域的村庄人口会加速增加。

本规划中,除莲花污水处理厂、魏店污水处理厂、安伏污水处理厂、郭嘉污水处理厂和纳入县城污水处理厂(叶堡、南小河、西小河)涉及的村镇属将来发展的重点村域,污水处理厂水量计算考虑约1.5的人口放大系数外,其余村镇人口按照目前实际调研数据计算。

(2)农村人均排水量,会随着不同地区气候、经济发展水平与生活习惯的变化而变化。甘肃省环科院组织几家高校对甘肃陇东、中部、河西等不同地区的城镇污水处理厂进行调查,核算出的农村人均排水量约为35L/(人? d),近远期排水量分别为37.5L/(人? d)和42L/(人? d)。

针对甘肃农村进行的生活污水水质调查发现,各地的水质差异很大。根据秦安县及其周边地区已建成运行的农村污水处理设施的进水水质,本规划采用表2中的中值高限。

(3)农村生活污水处理模式,是我国进行农村污水处理的核心问题,不仅直接影响着我国该项工程的投资、成效与进展,更体现出我国环保理念的实施水平。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,才要根据实际需要进行污水的集中处理。

调查发现,已经建成的农村污水处理工程,处于“晒太阳”状态的居多。主要原因:(1)由于绝大多数农民外出打工,村庄仅剩老人小孩,污水排量太小导致设备无法正常运行;(2)设备运行费用太高,地方政府无力承担;(3)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。

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。出水经过厌氧化粪池消化处理后,抽吸还田资源化利用。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。总之,笔者认为,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。

甘肃省颁布了《甘肃省农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 62/4014—2019),为农村生活污水、特别是小规模分散农村生活污水处理创造了条件。

(4)本规划实际调研(图3)过程中,针对模式Ⅰ,测量了88个村庄的地形、范围与高程,布置了排水支管与支干管,并按照地形坡度进行了简单的管道设计计算,最后将88个村庄的总管长除以总村民户数。得出每户村民平均支管长度11.35m,支干管长度3.79m。

模式中相邻村庄合建一个污水处理站的问题,有些技术指导书中给出相距5km范围内的村庄可以考虑合建一个污水处理站。笔者认为,第一,鉴于农村污水收集水量小、变化系数大、技术人员缺乏等因素,首先尽量合并;第二,合并要充分考虑实际地形导致的管道工程的复杂性,如村庄彼此高差大、中间隔有沟壑,管道穿越湿陷性黄土沟壑时工程造价极高,此时距离再近也不好合并建站,相反,在一些相对平坦的沿公路或河岸分布的村庄,这些村庄往往是将后发展扩大的重点,此时相距远一些,也可以考虑合并建站。

(5)秦安规划中,不同治理模式的户均、人均投资见表5。从表5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%。从治理模式发布看,规划的合理性较高,但在这种情况下,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质问题还是比较严重。

(6)为使农村生活污水设施实现建设规范、设施完好、管理有序、水质达标的目标,甘肃省也和其它省份一样,建立了完善的针对处理模式Ⅰ的运行管理制度,内容涉及管理体系、职责分工、排放要求、运维模式机制与监测、制度保障等内容。但由于绝大多数设施处于“晒太阳”状态,运行管理效果很差。对于绝大多数的模式Ⅱ和Ⅲ的管理制度,全国基本处于空白状态。

06 结语

加强农村生活污水收集、处理与资源化设施建设,是我国乡村振兴战略中新农村建设工作的重要内容。我国农村情况差异大,导致了生活污水处理工作的复杂性。目前只针对集中农村生活污水处理站建设管理的做法太狭窄。针对农村生活污水处理特征,结合农村改厕行动,强化资源化利用为主导的治理思路;完善污水收集-处理-利用的技术体系;研发性能更好的厕所与运行成本低便于管理的近自然处理工艺,是当务之急。

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