程方奎 汪晨晨 溫倉祥 沈舒婷 程鶴來 呂錫武

(東南大學能源與環(huán)境學院, 南京 210096)(東南大學無錫太湖水環(huán)境工程研究中心, 無錫 214135)

2020年,我國常住人口城鎮(zhèn)化率達63.89%,還有約5億人口為農(nóng)村人口并分布在廣大農(nóng)村地區(qū).如此多人口的農(nóng)村地區(qū)生活污水排放和污染物排放總量巨大.但根據(jù)國家2021年公布的治理率來看,農(nóng)村生活污水治理行政村覆蓋率僅為25.5%,而實際的人口覆蓋率更低.由于長期的城鄉(xiāng)二元體制和以經(jīng)濟建設為中心的發(fā)展政策,城鄉(xiāng)污水處理現(xiàn)狀也存在巨大差異,城市生活污水處理率已經(jīng)達到90%以上.然而,中國農(nóng)村生活污水治理仍然處于起步階段,適宜的農(nóng)村污水處理技術(shù)和模式還不成熟,處理率還保持在較低水平.直接將城市生活污水的處理技術(shù)和模式套用到農(nóng)村生活污水處理會出現(xiàn)較多的問題[1].因此,從源頭明晰農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特征及根據(jù)產(chǎn)污特征梳理村落污水治理模式顯得重要且迫切.

我國當前農(nóng)業(yè)面源污染治理多以流域治理的模式開展,流域治理需要解析面源污染源強、評估環(huán)境承載力和制定污染物削減計劃,需要各類污染源產(chǎn)生特征的數(shù)據(jù)支撐.但太湖流域依然缺少農(nóng)村生活污水產(chǎn)生的水量和污染物人口當量的相關(guān)最新基礎數(shù)據(jù),給流域污染負荷貢獻率核算、村落污水治理模式及處理技術(shù)優(yōu)化帶來困擾.

雖然我國關(guān)于城市生活污水產(chǎn)污特征的調(diào)研相對較多[2],但對象大多為來源于集中收集管道中的綜合水樣.經(jīng)過管道沿程的調(diào)節(jié)和降解的末端城市生活污水有很多的產(chǎn)污特征信息湮滅,并不能給分散化的農(nóng)污治理中污水和污染物產(chǎn)生系數(shù)提供準確的參考,迫切需要針對農(nóng)村生活產(chǎn)污特征的調(diào)查研究,尤其是污水產(chǎn)生的時空分布特征、污染負荷在不同源污水中的分布特征等.

此外,近10年中國涌現(xiàn)出了一系列由城市污水處理技術(shù)發(fā)展和借鑒而來的農(nóng)村污水處理嘗試[3],但仍然存在較多問題,最主要原因是沒有充分考慮農(nóng)村生活污水產(chǎn)生和管理特征.相關(guān)生活污水研究[4-5]表明污水產(chǎn)生系數(shù)與經(jīng)濟發(fā)展水平有顯著關(guān)系.過去10年國家經(jīng)濟增長迅速,但國家最新公布的2017年第二次全國污染源普查報告依然沒能提供農(nóng)村生活污水產(chǎn)生特征的數(shù)據(jù).而且,以往農(nóng)村生活污水的研究[6-7]多限于產(chǎn)生的綜合污水濃度相關(guān)的分析,更少有基于源分類的產(chǎn)污特征研究.因此,確定產(chǎn)污系數(shù)及污染負荷在住宅不同污水來源中的分布情況,對構(gòu)建收集處理模式和優(yōu)化技術(shù)適應性有著重要意義.

本研究選取太湖流域若干農(nóng)村樣本家庭,對基于源分類的生活污水的產(chǎn)生特征進行調(diào)查研究,為農(nóng)村生活污水治理模式的分析提供支撐.同時,研究也為后期第三次國家關(guān)于農(nóng)村生活污水的污染源普查提供可借鑒的調(diào)查研究方法和可對比的研究基礎數(shù)據(jù).

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取太湖流域常州市武進區(qū)雪堰鎮(zhèn)境內(nèi)魚池上、前貫莊、王家塘自然村中的共3個隨機樣本家庭為研究對象.研究區(qū)域位置與樣本家庭分布如圖1所示.研究選取農(nóng)村樣本家庭分別編號為S1、S2、S3.

(a) 研究區(qū)域地理位置

1.2 污水收集統(tǒng)計方法

研究樣本家庭的抽水馬桶沖洗、烹飪、洗滌和清潔是日常生活中主要的污水產(chǎn)生環(huán)節(jié).樣本家庭的基本情況(家庭規(guī)模、水源、污水產(chǎn)生地點、馬桶沖洗水量)如表1所示,各家庭基本生活設施相對齊全.從2021年7月22日—8月4日連續(xù)14 d對家庭污水進行分類收集.

表1 研究樣本家庭概況

文獻[8]詳細分析了丹麥城市污水的分類,提出了廁所沖洗的黑水和其他綜合灰水的分類方法.文獻[2]也分析了中國城市生活污水不同源的特征,包括廁所、廚房、盥洗間等場所的污水,同樣提出黑水和綜合灰水的2大類分類方法.因此,本文根據(jù)污水產(chǎn)生場所將各樣本家庭污水分為沖廁污水(糞尿沖洗污水,即黑水)和其他(洗漱、洗澡、洗衣、食物和廚具清洗污水等,即灰水)共2類對農(nóng)村生活污水進行分別收集.其中,沖廁污水產(chǎn)生點只有沖水馬桶,沖水量固定,但沖洗大便和小便水量不同(見表1),所以沖廁污水(黑水)的排放水量可通過記錄大便、小便的類別和時間進行統(tǒng)計,而非直接量取.其他污水(灰水)則是通過容器收集量取.每天每間隔2 h對樣本家庭上述2類污水排水量進行計量統(tǒng)計.

1.3 采樣與檢測方法

在樣本家庭布置污水收集容器,委托家庭成員將每天原本通過溝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帶蓋和刻度(精確度0.1 L)的PVC桶中,每2 h讀取和記錄一次水量數(shù)據(jù).每天于24:00攪拌桶中的廢水,取混勻污水水樣.每個樣本家庭水樣盛于0.25 L的聚乙烯瓶中,并密封冷藏以防污染、損壞和變質(zhì).所有水質(zhì)指標均在24 h內(nèi)在實驗室進行檢測.每日統(tǒng)計和取樣后,清空收集桶并清洗以進行下一天的收集.考慮衛(wèi)生和可行性,沖水馬桶產(chǎn)生的黑水并非通過容器收集,而是在不影響樣本家庭的如廁習慣前提下,使用便攜坐便器套袋收集大便和小便,每2 h讀取和記錄一次如廁類型及次數(shù),并根據(jù)不同類型如廁方式的沖水馬桶沖水量(見表1,各樣本家庭大小便稀釋水量均通過現(xiàn)場實測調(diào)研家庭的馬桶大小便沖水量獲得)將全天收集的大小便進行兌水混合,充分混勻成為黑水,黑水水樣采集及保存方法與灰水相同.

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)村生活污水水量特征

家庭污水水量特征是村落污水管理與處理的重要依據(jù),尤其是污水處理設施規(guī)模設定的參考,規(guī)模影響投資,投資是發(fā)展中國家農(nóng)村污水處理的最大制約因素.其次,實際水量與處理設施設計水量不匹配也是影響農(nóng)村生活污水處理設施可持續(xù)運行的一個重要因素.因此,調(diào)查村落家庭污水產(chǎn)生的水量特征意義重大.

調(diào)研對3個自然村落內(nèi)的3個樣本家庭連續(xù)14 d按照污水來源(即黑水、灰水)進行了分類收集和統(tǒng)計,結(jié)果見表2.樣本家庭多日平均總排水量為(97.7±25.1) L/(cap·d),即農(nóng)村生活污水產(chǎn)生系數(shù).對比城市居民生活用水定額120～180 L/(cap·d),按照排放系數(shù)0.8的污水產(chǎn)生系數(shù)為108～144 L/(cap·d),與之相比,農(nóng)村生活污水產(chǎn)生系數(shù)接近其下限值.相關(guān)研究報道家庭生活污水產(chǎn)生系數(shù)與衛(wèi)生設施水平成正相關(guān)[7],本研究農(nóng)村樣本家庭生活污水產(chǎn)生系數(shù)接近城市居民生活污水產(chǎn)生系數(shù),說明太湖流域農(nóng)村居民家庭衛(wèi)生設施水平接近了城市家庭,這與調(diào)研記錄的比較齊全的農(nóng)村家庭用水設施(見表1) 情況一致.此外,黑水與灰水水量均值分別為(15.8±3.9)、(81.9±23.4) L/(cap·d),占人均排水總量比例分別為16%和84%,灰水水量占比遠大于黑水.本調(diào)研農(nóng)村生活污水中黑水、灰水比率約為1∶5,以往城市生活污水排放研究[10-11]中黑水占比約為12%～33%,這與本研究調(diào)查結(jié)果相近.根據(jù)表1,農(nóng)村生活每次沖廁水量為3.3～5.5 L,對比研究報道采用超高效節(jié)水廁所的每次沖水量在0.5～1.2 L[12],說明農(nóng)村生活污水黑水還具有減量空間.黑水水量的降低可提高黑水污染物濃度,有利于提高后續(xù)污水處理設施效率,降低污水處理成本[13].因此建議太湖流域農(nóng)村生活污水的治理要考慮家庭黑水的源頭減量,采用超高效節(jié)水型沖水馬桶是一個較好的選擇.

表2 家庭污水產(chǎn)生量分布

根據(jù)相關(guān)報道(見表3),世界不同經(jīng)濟水平的地區(qū)灰水產(chǎn)生量存在顯著差異.發(fā)展中地區(qū)灰水產(chǎn)生量約為35～80 L/(cap·d),發(fā)達地區(qū)約為96～200 L/(cap·d).本研究結(jié)果為(81.9±23.4)L/(cap·d),與發(fā)展中地區(qū)的灰水產(chǎn)生特征結(jié)果接近.這說明隨著我國經(jīng)濟發(fā)展,農(nóng)村生活污水的產(chǎn)生量仍然存在增長空間,農(nóng)村生活污水治理還需要考慮水量增加帶來的挑戰(zhàn).另外,在缺水地區(qū),有報道[14]表明灰水占比低至15%,占比如此少的灰水仍然被建議進行再利用.本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)村生活污水灰水占比高達84%,說明太湖流域農(nóng)村生活污水具有可觀水量的灰水再利用的潛質(zhì).

表3 世界不同地區(qū)灰水產(chǎn)生特征

2.2 農(nóng)村生活污水產(chǎn)生時間分布特征

家庭排水水量的時間變化統(tǒng)計以2 h為一個統(tǒng)計時段,連續(xù)統(tǒng)計14 d.樣本家庭每日不同時段黑水、灰水及總產(chǎn)水量統(tǒng)計結(jié)果見圖2.樣本家庭污水產(chǎn)生的時間主要分布在04:00—22:00,不同時段產(chǎn)生量具有明顯差異,這與產(chǎn)生污水的時段有直接關(guān)系,主要取決于家庭生活習慣.圖2中,從家庭各時段產(chǎn)水總量還可看出,各家庭產(chǎn)水具有2～3個高峰時段,分別出現(xiàn)在早上、中午和晚上,分布時段為04:00—06:00、10:00—12:00、18:00—20:00,但不同家庭稍有差異,或早或晚.各家庭產(chǎn)水還有一致的產(chǎn)水斷流時段22:00—04:00.此外,黑水各時段產(chǎn)生量時段變化不明顯,但灰水時段變化較明顯.通過圖2可以看出,在產(chǎn)水總量高峰時段,灰水污水排放出現(xiàn)峰值,且值大于黑水值,說明家庭產(chǎn)水時段峰值主要是由于灰水產(chǎn)生引起.

(a) S1

家庭產(chǎn)水時段變化具有明顯的峰值,且各家庭排放峰值出現(xiàn)時段接近.農(nóng)村生活污水處理如果以自然村落為基本單元,自然村落規(guī)模一般比較小,有十幾戶到幾十戶不等,遠低于一般城市小區(qū)規(guī)模.在此情況下,采用管道對自然村落生活污水進行收集,管道的輸送距離也比較小(例如,調(diào)查的自然村落最長管道輸送距離僅為185 m),污水在管網(wǎng)內(nèi)停留時間短,對村落生活污水的水量調(diào)節(jié)能力有限.在農(nóng)村村落生活污水處理和管理中應該充分考慮水量波動及斷流特征,尤其是污水收集管網(wǎng)末端的處理設施需要具有針對水量波動特征的調(diào)節(jié)能力.可考慮采用續(xù)批式污水處理工藝,以更好地適應村落生活污水水量變化特征.

2.3 污染物濃度特征

2.4 污染物負荷分布特征

表4 樣本家庭各類源中污染負荷分布 g/(cap·d)

圖4 黑水和灰水源中的污染負荷及水量分布

2.5 污染物產(chǎn)生系數(shù)

污染物產(chǎn)生系數(shù)是污染源強度的指標,以往太湖流域農(nóng)村生活污水的研究僅僅給出了混合生活污水的污染物濃度特征,并沒有明確給出人口當量的污染物產(chǎn)生系數(shù),導致污染物總量統(tǒng)計和預測困難.在此次源分類的研究中,可以通過各類源的加和折算出人口當量的總污染物產(chǎn)生量,即污染物產(chǎn)生系數(shù).家庭是農(nóng)村生活污水產(chǎn)生和排放的最小統(tǒng)計單位.取3個樣本家庭日污染物總產(chǎn)生量的多日平均值作為最終污染物產(chǎn)生系數(shù),結(jié)果如表5所示.

表5 農(nóng)村居民生活污水污染物產(chǎn)生系數(shù) g/(cap·d)

另外,污染物產(chǎn)生系數(shù)之間的關(guān)系,例如比例,可作為農(nóng)村生活污水的性質(zhì)特征.通過污染負荷的對比可以看出,本研究農(nóng)村生活污水產(chǎn)生處的碳/氮質(zhì)量濃度比(即ρ(COD)/ρ(TN))約為7,而文獻[21]報道的管網(wǎng)末端污水處理廠進水約為5或更小,說明生活污水管網(wǎng)輸送過程中出現(xiàn)了變化,管網(wǎng)中發(fā)生的污染物遷移轉(zhuǎn)化也是一個值得進一步研究的問題.由表5可見,各樣本家庭的污染物產(chǎn)生系數(shù)存在顯著差異(ANOVAP<0.05),但還需要進行更多數(shù)量的樣本分析才能反映這種差異的規(guī)律.雖然本文3個樣本家庭的研究數(shù)據(jù)存在一定的局限性,但仍然為研究太湖流域農(nóng)村生活污水產(chǎn)生特征提供了一種可行的源分類研究方法,并為該地區(qū)未來的水環(huán)境管理提供了可參考的污染物產(chǎn)生系數(shù)值.當前普遍采用的流域治理也迫切需要農(nóng)村生活污水等各類源的產(chǎn)污系數(shù)支撐,但最近第二次全國污染源普查仍然一定程度上忽視了對農(nóng)村生活污水的深度調(diào)查.建議國家在今后的污染普查中按照本研究采用的源分類研究方法補充更大范圍的調(diào)查數(shù)據(jù)庫,為全國各地區(qū)的農(nóng)村生活污水治理提供詳實的基礎依據(jù).

2.6 村落生活污水處理模式分析

如圖1(c)所示,太湖流域農(nóng)村自然村錯落分散.建設跨村污水收集網(wǎng)絡和大型處理廠對于收集和處理農(nóng)村生活污水來說并不經(jīng)濟.長距離排水管網(wǎng)的建設和維護需要大量投資,且大型集中處理廠的運行和維護更復雜[22],更不用說大規(guī)模集中排放的尾水再分散回用的問題.因此,集中納管模式不適用于農(nóng)村生活污水治理.一項關(guān)于城市生活污水的分散處理中試研究[23]表明,生活污水分散小規(guī)模處理理論上是可行的,但由于城市居民住宅密度高、土地資源短缺,難以廣泛實施.但在太湖流域的農(nóng)村,自然村一般由幾十戶組成,呈現(xiàn)村落與村落之間相對分散、村落內(nèi)部住宅又相對集中分布的特點,適合采用以自然村為最小單位的分散式處理模式,文獻[24]也證明了農(nóng)村生活污水這種分散處理的可行性和優(yōu)勢.

根據(jù)農(nóng)村自然村布局和農(nóng)村生活污水水量和水質(zhì)的特點,建議農(nóng)村生活污水處理不僅應采用分散式,還應采用源分類的方式,既可以節(jié)約能耗和成本,又可以提高污染物去除效率.如圖1(c)所示,自然村住宅多為獨立建筑,這是農(nóng)村生活污水治理的優(yōu)勢條件,化糞池等設施可建在單獨住宅污水產(chǎn)生源頭附近,利于進行源分類和預處理.根據(jù)農(nóng)村住宅功能分區(qū),生活污水主要產(chǎn)生于廚房、浴室和衛(wèi)生間.農(nóng)村住宅生活污水產(chǎn)生的場所或環(huán)節(jié)是分開的,也為源分類和預處理提供了良好條件.另外,從水量和污染物濃度及負荷分布的特征來看,灰水在水回用方面具有潛力,而黑水在養(yǎng)分回收方面具有潛力.源頭處的源分類收集和處理系統(tǒng)可以在未來的農(nóng)村生活污水治理中仍然保留這些回用的可操作性.

在10年前,研究區(qū)域農(nóng)村生活污水還沒有統(tǒng)一收集和處理的政策要求,僅要求農(nóng)村住宅設置初步處理,例如化糞池,用以滯留污染物來減輕太湖的入湖污染負荷.未來如果推進農(nóng)村生活污水分散治理模式,將建設大量村級收集網(wǎng)絡和終端處理設施.新建設施與原有化糞池等舊設施的銜接也是一個需要考慮的問題.源分類和預處理模式可以充分利用大量前期建設的化糞池,減少資源浪費,節(jié)省投資,更好地去除污染物.

在最近一項關(guān)于中國農(nóng)村分散式污水處理技術(shù)和管理的調(diào)查[25]中,總結(jié)了3種廣泛應用于農(nóng)村生活污水處理的模式.這些常用模式之間的差異僅體現(xiàn)在末端處理過程中,并未提及源分類的思路.考慮到本研究結(jié)果呈現(xiàn)的農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特征,源分類應該是農(nóng)村生活污水治理的一個重要方面,其價值需要得到進一步認識.基于上述原因,提出了一種采用源分類的村落治理模式,如圖5所示.在這種模式下,僅黑水進入化糞池進行預處理,然后進入村落污水收集管道,并與直接進入的灰水在管道內(nèi)混合.混合污水進入村落生活污水處理設施進行處理.基于源分類的農(nóng)村村落生活污水治理模式的優(yōu)點是:① 源分類預處理可以實現(xiàn)農(nóng)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 黑水的原位滯留和預處理可以為未來農(nóng)村黑水中營養(yǎng)物質(zhì)的分散化再利用提供可能[27];③ 灰水是一種具有成本效益的可選水源,采用源分類的治理模式可為未來其單獨收集回用留有操作空間;④ 在中國的廁所革命[27]中建造的大量農(nóng)村戶用化糞池仍然可以有效利用到源分類的預處理中,而非在集中納管后被短接浪費.總體而言,考慮源分類的村級農(nóng)村生活污水治理模式具有多種優(yōu)勢.

圖5 源分類的農(nóng)村村落生活污水治理模式

3 結(jié)論

1) 農(nóng)村生活污水產(chǎn)生系數(shù)為(97.7±25.1) L/(cap·d).農(nóng)村家庭生活污水每天有2～3次產(chǎn)生高峰,同步的波動會引起村落生活污水處理的水力負荷沖擊.

4) 產(chǎn)污特征顯示了農(nóng)村生活污水灰水和黑水分別在水分和養(yǎng)分再利用方面各具潛力.基于源分類的村落生活污水治理模式在節(jié)約投資和提高效率方面具有優(yōu)勢.