西北地區(qū)農(nóng)村生活污水處理研究——以黃陵縣為例

高 意,馬俊杰

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng),僅通過(guò)控制城市、城鎮(zhèn)難以實(shí)現(xiàn)水污染控制目標(biāo),并且我國(guó)農(nóng)村人口多達(dá) 8億人,每年產(chǎn)生的生活污水排放量達(dá) 80多億噸,但 96%的農(nóng)村地區(qū)沒(méi)有污水處理及收集系統(tǒng)[1]。未經(jīng)處理的生活污水肆意排放,不僅直接造成水體和土壤污染,還間接威脅廣大農(nóng)民群眾的身體健康,甚至嚴(yán)重影響了農(nóng)村地區(qū)自然、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此,解決農(nóng)村污水的處理問(wèn)題顯得極為迫切。對(duì)于缺水地區(qū)水資源極為寶貴,水資源缺乏已經(jīng)成為制約該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。本文以陜北黃土高原地區(qū)黃陵縣為具體研究對(duì)象,探討農(nóng)村生活污水處理模式與技術(shù),以此為農(nóng)村生活污水處理提供技術(shù)支撐。

1 西北地區(qū)環(huán)境現(xiàn)狀與農(nóng)村生活污水處理問(wèn)題

西北是我國(guó)的干旱地區(qū),年均降水量和單位面積產(chǎn)生的年均徑流量在全國(guó)都是最少的,大部分區(qū)域的年降水量在400mm以下,且水資源分布不均勻,部分地區(qū)人均占有量極低[3]。區(qū)內(nèi)氣溫冬季較低,就陜北黃土高原而言,多年平均氣溫 7.9℃～11.3℃,一月平均氣溫最低(-7℃左右)。

目前西北地區(qū)水資源利用主要問(wèn)題包括水資源短缺、水源地保護(hù)低、水資源污染嚴(yán)重等。其中水體污染源主要來(lái)自城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水,農(nóng)業(yè)污染。但近幾年農(nóng)村進(jìn)行了安全飲水改造,將水引進(jìn)村中,進(jìn)行集中供水,隨著農(nóng)村改水的逐步實(shí)施,自來(lái)水入戶率越來(lái)越多,使得用水量不斷增加,從而直接導(dǎo)致排水量增大,生活污水有效處理成為農(nóng)村新形勢(shì)下產(chǎn)生的新問(wèn)題。

由于眾多的污水處理工藝受具體條件限制,致使不同地區(qū)需選擇不同的合適的處理工藝。根據(jù)西北地區(qū)溫度、地形、人口分布、經(jīng)濟(jì)條件等因素的影響,農(nóng)村生活污水的處理主要面臨的問(wèn)題[4]是：地形復(fù)雜,人口較少,且居住分散,造成污水收集困難,不易規(guī)?；刑幚?冬季溫度較低,造成處理工藝受限,一定程度上增加了處理難度;生態(tài)環(huán)境脆弱,水資源短缺,且經(jīng)濟(jì)條件較落后。

2 農(nóng)村生活污水處理工藝分析

據(jù)低溫、干旱和生態(tài)環(huán)境脆弱的自然條件、經(jīng)濟(jì)較為落后以及人口居住分散等因素,以經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、簡(jiǎn)便為原則,采用投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、除污效率高、管理簡(jiǎn)便、容易維修、具有良好的抗沖擊能力的工藝或技術(shù)[5],確定適合西北地區(qū)的主要工藝如下：

2.1 厭氧沼氣技術(shù)

厭氧沼氣技術(shù)是指在厭氧條件下,由多種厭氧或兼氧微生物的共同作用,使有機(jī)物分解,并產(chǎn)生 CH 4和 CO2的過(guò)程[6]。產(chǎn)生的沼氣可以用作浴室、照明、家庭用炊能源等;厭氧發(fā)酵處理后的污水被去除大部分的有機(jī)物,可用作澆灌用水和觀賞用水;發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣可用作肥料。

該工藝特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低(約 2 000元/戶),運(yùn)行費(fèi)用基本為零,適合于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、水資源短缺的地區(qū)。并可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,構(gòu)建 “三位一體”、“四位一體”以及“五配套”(果園、集雨設(shè)施、沼氣系統(tǒng)、太陽(yáng)能豬圈、廁所結(jié)合)等沼氣利用模式,其中“五配套”模式最適合西北地區(qū)。

2.2 穩(wěn)定塘技術(shù)

穩(wěn)定塘主要利用菌藻的共同作用處理廢水中的有機(jī)污染物,在缺水干旱地區(qū),這是污水資源化利用的有效方法[7]。常采用“厭氧塘—兼性塘—好氧塘”的處理流程,有時(shí)還設(shè)置一個(gè)熟化塘以穩(wěn)定出水質(zhì)量。

該技術(shù)特點(diǎn)是基建投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低、維護(hù)和維修簡(jiǎn)單、便于操作、能有效去除污水中的有機(jī)物和病原體等,但占地面積大,處理效果受氣候影響。適用于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、水資源短缺、規(guī)模較小且擁有自然池塘或閑置溝渠地形的村莊。主要工藝流程為：生活污水 -格柵 -沉淀池 -氧化塘 -達(dá)標(biāo)排放,處理后的污水一般可以達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 89782-1996)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8],但容易受溫度影響出水不太穩(wěn)定,需做好保溫措施。

2.3 人工濕地技術(shù)

人工濕地處理技術(shù)是在地面利用土壤與填料,在土壤表面種植生命力強(qiáng)、能夠有效吸收廢水中有機(jī)物的植物,通過(guò)填料的過(guò)濾使得廢水處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),主要分類為：表面流濕地、潛流濕地、立式流濕地[9]。該技術(shù)在溫度比較低的丹麥、加拿大、韓國(guó)、美國(guó)等國(guó)家被用來(lái)處理農(nóng)村生活污水,都取得了比較好的運(yùn)行效果。在寒冷的西北地區(qū),最適宜的潛流濕地技術(shù)[10],此技術(shù)被表層填料覆蓋,在冬季可減小因污水蒸發(fā)蒸騰和流動(dòng)造成的能量損失,有助于維持和提高濕地內(nèi)的溫度。對(duì)于溫度過(guò)低影響污水達(dá)標(biāo)排放的情況下,可增加植物、薄膜等保溫措施。

人工濕地的特點(diǎn)是一次性投資少和運(yùn)行費(fèi)用少(其中建設(shè)成本約 980元 /噸,運(yùn)行成本約 0.35元/噸),運(yùn)行簡(jiǎn)單,環(huán)境影響小,具有良好的景觀效應(yīng)等,但占地面積大,易受氣候影響,表面徑流的臭味比較大[11]。適用于地勢(shì)平坦、坡地、居住相對(duì)集中的中、小村莊。該技術(shù)對(duì)有機(jī)物的去除能力較強(qiáng),對(duì)氮、磷也有一定的去除能力,一般出水 SS去除率為90%～100%,COD去除率為 50%～90%,BOD去除率為35%～91%,NH 4-N去除率為 70%～90%[12],出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。主要工藝流程是：通過(guò)管網(wǎng)將各戶經(jīng)化糞池、格柵井收集處理后的生活污水,通過(guò)人工濕地系統(tǒng)進(jìn)一步處理后,直接排放或回用灌溉農(nóng)田。

2.4 地下滲濾技術(shù)

地下滲濾系統(tǒng)是一種人工強(qiáng)化的、低耗、高效的污水生態(tài)工程處理技術(shù),由化糞池和地下滲濾裝置構(gòu)成的污水處理系統(tǒng),污水經(jīng)過(guò)化糞池預(yù)處理之后有控制地投配到滲濾裝置之中,而后在重力和土壤毛細(xì)管力的作用下擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),污水在此遷移過(guò)程中通過(guò)物理截留、物化吸附、化學(xué)沉淀、微生物降解、動(dòng)植物作用等被凈化。污水地下滲濾處理系統(tǒng)可分為土壤滲濾溝、土壤毛管滲濾系統(tǒng)、土壤天然凈化與人工凈化相結(jié)合的復(fù)合工藝,其中土壤毛管滲濾是通過(guò)土壤 -植被 -微生物的復(fù)雜作用而凈化水體,下部有防漏層,可防治對(duì)地下水的污染,且相對(duì)復(fù)合工藝較經(jīng)濟(jì),比較適合農(nóng)村污水處理[11]。地下滲濾對(duì)污水的處理效果受低溫的影響,需對(duì)植被等作保溫措施。

該系統(tǒng)特點(diǎn)是不影響地面景觀、基建及運(yùn)行管理費(fèi)用低、出水水質(zhì)好、受外界影響小、脫氮除磷效果好等,但需進(jìn)行預(yù)處理,否則易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[13]。適合土質(zhì)通透性能高、農(nóng)戶分布散、人口少、經(jīng)濟(jì)較落后的農(nóng)村污水處理,處理工藝為生活污水 -化糞池初沉池 -地下滲濾系統(tǒng) -達(dá)標(biāo)排放,,出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]。

2.5 組合工藝技術(shù)

由于厭氧沼氣技術(shù)、穩(wěn)定塘技術(shù)、人工濕地技術(shù)及地下滲濾技術(shù)不能達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于污水排放要求的地區(qū),可采用相應(yīng)的組合工藝技術(shù)。

2.5.1 凈化沼氣技術(shù)

凈化沼氣技術(shù)構(gòu)筑物包括沉砂池、一、二級(jí)厭氧消化池和兼性生物濾池,其技術(shù)流程是：生活污水 -一級(jí)厭氧 -二級(jí)厭氧 -兼性生物濾池 -排水,處理后的污水水均達(dá)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)[15]。該工藝特點(diǎn)是建造成本低(單池容積在 10～200m3之間,單方造價(jià)約在 500～700元之間),無(wú)動(dòng)力,運(yùn)行簡(jiǎn)單,對(duì)居住分散或集中地區(qū)均適用。

2.5.2 凈化沼氣技術(shù) +人工濕地組合工藝

該技術(shù)采用凈化沼氣技術(shù)與人工濕地相結(jié)合的工藝,其技術(shù)流程為：生活污水 -沼氣池 -兼性生物濾池 -人工濕地-達(dá)標(biāo)排放[16],處理后的污水達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)特點(diǎn)是無(wú)動(dòng)力、低造價(jià)、低運(yùn)行管理成本和高處理效率,適用于居住較集中的地區(qū)。

2.5.3 人工濕地 +穩(wěn)定塘組合工藝

污水先經(jīng)過(guò)預(yù)處理后進(jìn)入人工濕地,利用植物吸收、微生物降解、填料過(guò)濾吸附等作用去除污水中的污染物,其工藝流程為生活污水—格柵—厭氧池—人工濕地—穩(wěn)定塘—達(dá)標(biāo)排放,其出水水質(zhì)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17]。該技術(shù)特點(diǎn)是工藝投資少(建造成本約 60元 /m2))、處理效果好、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低(總運(yùn)行費(fèi)用約 0.082元/m3),無(wú)需任何電氣設(shè)備,但需要配備管理人員,適用于居住較集中的地區(qū)。

3 黃陵縣農(nóng)村污水處理技術(shù)選擇

黃陵縣位于延安地區(qū)南部,屬渭北高原溝壑區(qū),東靠洛川,南連宜君、銅川、旬邑,西與甘肅省正寧縣相接,北與富縣毗鄰。全縣地勢(shì)西北高、東南低、略呈傾斜,基本地貌類型以山地、黃土塬、川道、溝坡為主。黃陵縣屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,具有春季干燥多風(fēng)、夏季炎熱且多暴雨、秋季陰雨不斷、冬季干冷漫長(zhǎng)的特點(diǎn)。降水多以暴雨形式集中于夏秋季,雨量分布極不均勻,6～9月降水占全年總降水量的 60%以上。黃陵縣基本屬渭河流域北洛河水系的沮河流域,小部分支流直接注入洛河或洛河水系的葫蘆河。連同過(guò)境河流全縣流域面積大于 1000 km2的三條河流是洛河、沮河、葫蘆河,其平均流量分別為沮河 1.132億 m3,洛河 4.73億 m3,葫蘆河 1.2億 m3。人均占用徑流量低于全省人均水平,地表水資源比較貧乏。

從保護(hù)水體功能的角度出發(fā),按照沿水域區(qū)和沿非水域區(qū),依據(jù)區(qū)域特征、污水性質(zhì)以及各種工藝的適用性等污水分散處理技術(shù)。在 1985年,美國(guó)就已宣稱消除污染物排入水體,沿水域城鎮(zhèn)按水體功能區(qū)劃進(jìn)行污水排放[18]。就黃陵縣主要水系沮河而言,應(yīng)按沿水域和非沿水域兩種類型對(duì)農(nóng)村污水分散處理工藝作選擇。

3.1 沿水域區(qū)內(nèi)污水分散處理技術(shù)選擇

該區(qū)的農(nóng)戶多數(shù)處于川道內(nèi),少數(shù)處于塬面和溝壑內(nèi)。根據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)中規(guī)定,排入《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水域的污水,執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn);排入Ⅳ、Ⅴ類水域,執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《黃陵縣沮河水功能區(qū)劃報(bào)告》,將黃陵縣沮河自子午嶺東坡發(fā)源地經(jīng)雙龍鎮(zhèn)、店頭鎮(zhèn)、黃陵縣城區(qū)至縣河口入洛河流長(zhǎng)128 km劃為 7個(gè)功能區(qū)河段,見(jiàn)表 1。

表1 延安市沮河水環(huán)境功能區(qū)劃

對(duì)沮河按功能區(qū)劃分選擇的處理工藝如下：

1)源頭水

流域范圍是從子午嶺到柏林莊,該流域保護(hù)區(qū)內(nèi)國(guó)家限制和禁止開(kāi)發(fā),禁止向源頭水域中排放污水,從子午嶺到柏林莊,該流域保護(hù)區(qū)內(nèi)無(wú)人居住,因此,無(wú)生活污水排放。

2)飲用水一級(jí)保護(hù)區(qū)

流域范圍從柏林莊到上畛子,水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類。該流域兩岸的陸域植被較好,分布村莊很少且比較分散,對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用程度比較低,禁止向該保護(hù)區(qū)內(nèi)排放生活污水。

3)飲用水二級(jí)保護(hù)區(qū)

流域范圍包括三部分,即從上畛子到索洛灣、峪村到店頭水廠、河腰村到洛河的縣河口。水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類,應(yīng)執(zhí)行一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),處于Ⅲ類水域保護(hù)區(qū)內(nèi)的農(nóng)戶,其生活污水排放應(yīng)達(dá)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

(1)上畛子到索洛灣河段分布有農(nóng)場(chǎng)、林場(chǎng)及較少村莊,目前農(nóng)戶生活污水基本未經(jīng)處理排放。由于該流域內(nèi)的農(nóng)戶居住分散且較少,經(jīng)濟(jì)條件較差(據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒資料 2007年農(nóng)民純收入 3599元),依托政府部分補(bǔ)助采用凈化沼氣技術(shù)。

(2)峪村到店頭水廠河段主要分布雙龍煤礦、雙龍鎮(zhèn)、雙龍水廠、黃陵一號(hào)礦井、礦業(yè)公司、煤矸石電廠、店頭鎮(zhèn)及店頭鎮(zhèn)水廠和沿河的煤礦、選煤廠、村莊。該河段內(nèi)村莊大多建設(shè)為生態(tài)村、新農(nóng)村,農(nóng)戶居住較集中,經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)。其中,一部分村莊由于被企業(yè)占領(lǐng)遷移,其生活污水依托周圍企業(yè)集中處理;另一部分主要依靠沼氣池處理,污水不能到達(dá)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),可在沼氣技術(shù)上改進(jìn),采用凈化沼氣技術(shù)與人工濕地組合工藝,對(duì)于有現(xiàn)有水塘的村莊,也可采用人工濕地與穩(wěn)定塘的組合工藝。

(3)河腰村到洛河的縣河口河段主要分布河腰至張寨農(nóng)業(yè)灌溉用水區(qū)、原西灣水源井、黃陵縣城區(qū)排水口、黃帝陵龍池進(jìn)水口、官莊漁場(chǎng)及村莊等。對(duì)于該河段內(nèi)建設(shè)新農(nóng)村的村莊,目前主要的污水處理方式是沼氣技術(shù),因此可在此技術(shù)上改進(jìn),采用凈化沼氣技術(shù)與人工濕地組合工藝,對(duì)于有現(xiàn)有水塘的村莊,也可采用人工濕地與穩(wěn)定塘的組合工藝。

4)工業(yè)用水區(qū)

流域范圍包括兩部分,即從索洛灣到峪村、店頭水廠到河腰村。其水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類,執(zhí)行二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),處于Ⅳ類水域保護(hù)區(qū)內(nèi)的農(nóng)戶,其生活污水排放應(yīng)達(dá)二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

(1)索洛灣到峪村河段主要有黃陵二號(hào)煤礦、鐵路裝車站等。該河段內(nèi)村莊較少,目前生活污水基本未處理,對(duì)于人口密集區(qū)可選擇穩(wěn)定塘、人工濕地相對(duì)集中的處理工藝,對(duì)于人口稀疏區(qū)可采用厭氧沼氣技術(shù)、地下滲濾等分散處理技術(shù)。

(2)店頭水廠到河腰村河段主要紅石巖煤礦、車村煤礦、店頭電廠、南川一號(hào)等。該河段內(nèi)村莊大部分被占領(lǐng)遷移,居住比較集中。目前一部分村莊依托周圍企業(yè)集中處理;一部分污水經(jīng)化糞池簡(jiǎn)單處理,可選擇穩(wěn)定塘、人工濕地相對(duì)集中的處理工藝。對(duì)于小部分居住分散的農(nóng)戶可采用厭氧沼氣技術(shù)、地下滲濾等分散處理技術(shù)。

3.2 非沿水域區(qū)內(nèi)污水分散處理技術(shù)選擇

非沿水域區(qū)距離自然水體較遠(yuǎn),農(nóng)戶排放的生活污水不能直接進(jìn)入水體。雖然該范圍內(nèi)的農(nóng)戶排放的生活污水對(duì)河流的直接污染影響較小,但對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境影響較大,依據(jù)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)可執(zhí)行三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),需預(yù)留二級(jí)處理設(shè)施的位置,分期達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),但黃陵縣水資源缺乏,水資源的合理利用十分必要,因此,污水處理最好達(dá)到回用要求,以實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

黃陵縣非沿水域區(qū)按地形主要分為塬面和塬坡,該區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)農(nóng)戶居住于塬面上,塬坡的農(nóng)戶較少且分散,對(duì)于新農(nóng)村村莊,目前采用了絕大農(nóng)村沼氣技術(shù),對(duì)于非新農(nóng)村村莊污水基本未處理。

(1)對(duì)于新農(nóng)村的村莊,居住比較集中。一是在已建沼氣池的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn),采用凈化沼氣技術(shù)或凈化沼氣技術(shù)與人工濕地相結(jié)合的工藝;二是對(duì)未建沼氣池的農(nóng)戶可采用人工濕地、穩(wěn)定塘技術(shù)。

(2)對(duì)于非新農(nóng)村的村莊,可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的處理工藝。農(nóng)戶居住較集中的地區(qū)可選擇人工濕地技術(shù);農(nóng)戶居住較集中且周圍有空閑的池塘的地區(qū)可以選擇穩(wěn)定塘技術(shù);農(nóng)戶居住比較分散的地區(qū)可選擇地下滲濾或厭氧沼氣技術(shù),因地區(qū)基本是一家一院獨(dú)立居住,住宅占地面積較大,可充分利用庭院空間,建立以沼氣工程為主的庭院生態(tài)模式,具體可推廣“三位一體”模式、“四位一體”生態(tài)模式和“五配套”模式。

4 結(jié)論與建議

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展,農(nóng)村生活污水量隨之增加,農(nóng)村生活污水對(duì)流域地表水的污染已十分嚴(yán)重,農(nóng)村生活污水處理已相當(dāng)迫切。通過(guò)西北地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)及農(nóng)村生活污水特征分析,得出以下結(jié)論與建議：

(1)從自然條件、經(jīng)濟(jì)條件等因素,分析了西北地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)及工藝特點(diǎn),對(duì)西北地區(qū)農(nóng)村生活污水處理方案選擇提供借鑒。

(2)按照沿水域區(qū)和非沿水域區(qū)劃分,在沿水域區(qū)根據(jù)水域水功能區(qū)劃的水質(zhì)要求,提出了農(nóng)戶污水處理工藝選擇方案,為保護(hù)地表水環(huán)境質(zhì)量奠定了基礎(chǔ);對(duì)于非沿水域區(qū),農(nóng)戶污水處理工藝選擇應(yīng)盡可能達(dá)到回用的要求,以實(shí)現(xiàn)缺水地區(qū)水資源的合理利用。

(3)針對(duì)西北地區(qū)貧富差距較大、冬季溫度較低等特點(diǎn),西北地區(qū)政府及環(huán)保部門可對(duì)農(nóng)村生活污水處理給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)和資金支持,并配備一定的技術(shù)力量,對(duì)農(nóng)戶進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。

[1]彭舉威,汪誠(chéng)文.分散農(nóng)村污水處理模式分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2010,(1)：28～30.

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