南方農(nóng)村生活污水處理目標(biāo)及工藝模式探討

馬魯銘,王云龍,劉志剛*,王紅武 (.同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心,上海 0009；.浦東新區(qū)環(huán)境事務(wù)管理中心,上海 005)

近年來(lái),各地十分重視農(nóng)村生活污水的治理,一大批處理設(shè)施投入運(yùn)轉(zhuǎn)或正在建設(shè).同我國(guó)大多數(shù)城鎮(zhèn)污水處理廠一樣,這些處理設(shè)施所控制的指標(biāo)主要有COD、BOD5、SS、NH4+-N、TN、TP等.前4種指標(biāo)通過(guò)常規(guī)的生物處理工藝都可以得到相應(yīng)的削減,但 TN、TP的削減一般要通過(guò)特定的“脫氮除磷”工藝.盡管脫氮除磷工藝投資和運(yùn)行處理成本都大大提高,且運(yùn)行管理要求相對(duì)較高,但隨著排放標(biāo)準(zhǔn)要求的提高,尤其是為了減少富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)對(duì)氮磷的排放控制明顯加強(qiáng),因此氮磷指標(biāo)仍成為這些處理設(shè)施的重點(diǎn)控制指標(biāo).這些指標(biāo)的控制直接決定了當(dāng)前農(nóng)村生活污水處理設(shè)施所采用的工藝需具有一定的脫氮除磷功能.

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看,現(xiàn)有村鎮(zhèn)住宅生活污水處理設(shè)施存在一些問(wèn)題:處理標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,基本套用城鎮(zhèn)污水處理廠標(biāo)準(zhǔn)[1-3];處理設(shè)施的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用差異巨大.投資從1000余元到近20000元(以每m3/d計(jì))[4-5];運(yùn)行費(fèi)用從0元至超過(guò)3元(以每m3計(jì))[5-6].不計(jì)土地費(fèi)用,投資費(fèi)用也遠(yuǎn)超過(guò)城市污水處理廠,有研究者認(rèn)為達(dá) 5～10倍.生活污水收集困難,收集系統(tǒng)投資更大[2].產(chǎn)生這些問(wèn)題的原因,除農(nóng)村發(fā)展差異外,更主要的是農(nóng)村生活污水處理目標(biāo)不明確、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,因此有必要深思農(nóng)村生活污水處理的目標(biāo),并結(jié)合農(nóng)村居住環(huán)境和生活污水排放的特點(diǎn)選擇生活污水處理工藝.通過(guò)對(duì)上海市某區(qū)氮磷排放源比重分析以及現(xiàn)有3種不同工藝的分散處理設(shè)施特點(diǎn)調(diào)研,探討并提出我國(guó)南方農(nóng)村生活污水處理的目標(biāo)以及工藝模式選擇目的,旨在對(duì)科學(xué)合理的開展農(nóng)村生活污水治理規(guī)劃和工程實(shí)施提供參考和依據(jù),推動(dòng)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè).

1 農(nóng)村生活污水氮磷污染源比重分析

氮磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的營(yíng)養(yǎng)元素,不僅種植業(yè)中使用大量的化肥,而且養(yǎng)殖業(yè)(畜牧和水產(chǎn))中也排放大量的氮磷.為分析農(nóng)村氮磷污染源比重,以上海市某城郊區(qū)的種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和生活污水3個(gè)氮磷主要排放源頭為對(duì)象進(jìn)行了調(diào)研.該城郊區(qū)為城市和鄉(xiāng)村交錯(cuò)的大行政區(qū),現(xiàn)轄 13個(gè)街道、25個(gè)鎮(zhèn)及 1個(gè)自然保護(hù)區(qū),全區(qū)面積 1210km2,人口268.6萬(wàn)人,其中農(nóng)業(yè)人口約105.7萬(wàn)人.

1.1 種植業(yè)氮磷量

據(jù)2008年農(nóng)業(yè)普查統(tǒng)計(jì),該區(qū)種植業(yè)面積為2.974×104hm2,主要為糧食、蔬菜及瓜果作物,分別占47.4%、27.2%和25.1%.該區(qū)年化肥使用量為6.584×104t,其中氮肥量約為73.3%、磷肥量約為26.7%.以氮肥含氮量35%、磷肥含磷量8.7%計(jì),則種植業(yè)總氮量約為 1.689×104t/a,總磷量約為 1.53×103t/a.

1.2 養(yǎng)殖業(yè)氮磷量

據(jù)農(nóng)業(yè)普查統(tǒng)計(jì),該區(qū)生豬養(yǎng)殖量為57.7萬(wàn)頭,奶牛688.5萬(wàn)頭,禽類為258.8萬(wàn)羽.根據(jù)畜禽產(chǎn)污統(tǒng)計(jì)(《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》)等相關(guān)資料,生豬、奶牛和雞的總氮產(chǎn)量系數(shù)分別為 12.3、165.8g/(頭·d)和 1.02g/(羽·d),則畜牧業(yè)總氮排放量為 4.202×105t/a;生豬、奶牛和雞的總磷產(chǎn)量系數(shù)分別為 2.58、11.3g/(頭·d)和0.31g/(羽·d),則畜牧業(yè)總磷排放量為 2.923×104t/a.

此外,該區(qū)水產(chǎn) 1677hm2,畝均肥料總使用量為 1.55×103kg/hm2.據(jù)該區(qū) 2010年污染源調(diào)查,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)總氮排放量為 11.58t/a,總磷排放量為2.17t/a.即與畜牧養(yǎng)殖業(yè)相比,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)氮磷污染物排放小得多.

養(yǎng)殖業(yè)氮磷總量分別為 4.202×105t/a和2.923×104t/a.

1.3 生活污水氮磷量

以該區(qū)在農(nóng)村生活的居民人口 105.7萬(wàn)人,污染物總氮、總磷的排放系數(shù)分別為 5.0、0.44g/(人·d)計(jì),則農(nóng)村居民排放的污染物總量為:總氮 1.929×103t/a;總磷 170t/a.

在分析上述數(shù)據(jù)中尚需幾點(diǎn)說(shuō)明:3種源頭氮磷排放量沒(méi)有扣除一些過(guò)程損失以及吸收等,如種植業(yè)氮磷污染排放量沒(méi)有扣除植物吸收以及其他損失,養(yǎng)殖業(yè)以及生活污水排放量也沒(méi)有考慮有機(jī)肥的土地利用等減少的氮磷量;3種源頭排放量以最大量計(jì)算,如畜牧養(yǎng)殖業(yè)氮磷排放量以水沖清糞方式所造成的污染物排放量為依據(jù),而畜禽污染物的產(chǎn)生量以生豬的育肥階段、奶牛的產(chǎn)奶階段、雞的產(chǎn)蛋階段取值.

根據(jù)以上數(shù)據(jù),可確定農(nóng)村生活污水氮磷產(chǎn)生量的比重:農(nóng)村居民生活污水氮磷產(chǎn)生量與種植業(yè)產(chǎn)生量的比例分別為 11.4%和 11.1%;農(nóng)村居民生活污水氮磷產(chǎn)生量與種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生量之和的比例為0.44%和0.55%.

由上述分析可知,農(nóng)村生活污染排放的營(yíng)養(yǎng)元素所占比例很小,特別是在養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)的農(nóng)村村,幾乎可以忽略不計(jì),這與陳敏鵬等[7]的結(jié)論一致.盡管上述數(shù)據(jù)均是從“產(chǎn)生”的角度分析的,并不代表對(duì)水體環(huán)境的污染負(fù)荷,但這并不影響對(duì)氮磷排放源比重的考察.

2 現(xiàn)有村鎮(zhèn)住宅污水處理設(shè)施特點(diǎn)

為推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè),各地農(nóng)村、特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),如華東、華北農(nóng)村,建設(shè)了大量的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施,積累了大量的經(jīng)驗(yàn).上海市也出臺(tái)了《上海市農(nóng)村生活污水處理技術(shù)指南》(以下簡(jiǎn)稱《指南》),其處理技術(shù)的目標(biāo)非常明確:“防止農(nóng)村生活污水直接排放引起環(huán)境污染,切實(shí)改善農(nóng)村居民生活條件,改變農(nóng)村村容、村貌.”

《指南》中提出了明確的導(dǎo)向:

(1) 采用嚴(yán)格的“分流制”.規(guī)定糞便污水需先經(jīng)化糞池或沼氣池處理后,才可農(nóng)用或進(jìn)入污水收集與處理系統(tǒng).從實(shí)際上看農(nóng)村居民較為重視糞便污水的污染,收集率高,南方發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)村基本上建有化糞池,對(duì)降低懸浮固體濃度、緩沖水量起到了較好的作用,便于處理設(shè)施的運(yùn)行.

(2) 將上海市農(nóng)村污水處理技術(shù)方案分為四大類:庭院處理、小型分散處理、分散處理和集中處理系統(tǒng),并推薦了10種工藝技術(shù).其中“集中處理系統(tǒng)＂工藝接近城鎮(zhèn)污水處理廠,本文不加以詳述;推薦工藝技術(shù)中”庭院式人工濕地、自然穩(wěn)定塘、地埋式污水滲濾＂基本屬于自然生態(tài)處理,涉及裝置和人工構(gòu)筑物甚少,可因地制宜采用這些技術(shù).而分散處理推薦的 3種處理技術(shù)為“復(fù)合厭氧-人工濕地、復(fù)合生物濾池-人工濕地,污水凈化沼氣池-人工濕地”,應(yīng)是農(nóng)村生活污水處理的主要工藝選擇.由此可見(jiàn),人工濕地在農(nóng)村生活污水處理中扮演重要角色,它本身就是準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng),其中的微生物對(duì)有機(jī)物有較好的降解作用,過(guò)濾作用可截留懸浮物.但這3種工藝并不能保證很好的脫氮除磷效果,《指南》都沒(méi)有要求這些工藝達(dá)到“城鎮(zhèn)污水廠一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”,也就是說(shuō)對(duì)氮磷的去除沒(méi)有過(guò)高的要求,這種規(guī)定符合農(nóng)村污水處理目標(biāo).

從調(diào)研情況看,接近《指南》推薦的分散處理系統(tǒng)工藝技術(shù),對(duì)氮磷的去除效率都不是太好.如:上海崇明某村,示范項(xiàng)目采用了“三格化糞池+生物濾池”技術(shù),設(shè)計(jì)排放標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際出水質(zhì)指標(biāo)基本達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),建設(shè)費(fèi)用高達(dá) 13300 元/(m3·d)[6];作為對(duì)比案例,上海市松江區(qū)某村使用“復(fù)合生物濾池-人工濕地工藝”,氨氮的去除率約50%～60%,運(yùn)行費(fèi)用年36元/戶;而石湖蕩某村使用“組合型生物濾池工藝”,氨氮的去除率可達(dá) 95%,但運(yùn)行費(fèi)用高達(dá)6500元/(戶·a),實(shí)際上該工藝已非推薦的農(nóng)村分散式處理系統(tǒng).

關(guān)于分散式處理系統(tǒng),復(fù)合厭氧生物池是農(nóng)村分散式處理系統(tǒng)普遍采用的水處理工藝,該工藝特點(diǎn)是運(yùn)行能耗省,甚至可以“無(wú)動(dòng)力”運(yùn)行,調(diào)研發(fā)現(xiàn):厭氧狀態(tài)下微生物與污水兩相的傳質(zhì)條件是重要的影響因素,當(dāng)有一定的微生物量和足夠的時(shí)間條件下,出水可以達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn).但若厭氧池工況條件不好(主要是傳質(zhì)不良、泥水混合不勻),也會(huì)影響對(duì)COD的去除效果.另外,復(fù)合厭氧生物池對(duì)氨氮的去除率極差,做成生物濾池的形式造價(jià)高[8].生物濾池若運(yùn)行在好氧狀態(tài),曝氣方式有射流充氧、跌流充氧等,好氧狀態(tài)對(duì)污水的 COD 去除有保證,且能同化去除部分氨氮.

2010年對(duì)上海市某區(qū)運(yùn)行的農(nóng)村分散式處理系統(tǒng)各種工藝運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)研,并選取了其中常用的3種工藝跟蹤運(yùn)行測(cè)試.這3種工藝具體情況如下:

工藝 A:污水→化糞池→提升井→厭氧系統(tǒng)→人工濕地→排放

該工藝處理量 100m3/d,其中厭氧系統(tǒng)水力停留時(shí)間(HRT)為60h,濕地面積為735m2,水力負(fù)荷為 0.14m3/(m2·d).工程總投資為 80萬(wàn)元左右,主要包括地基處理和構(gòu)筑物建造及設(shè)備等.

工藝 B:污水→化糞池→一體化生物集成反應(yīng)器→天然濕地→排放

該工藝處理污水量 31.5m3/d,其中一體化生物集成(含兼氧、好氧處理單元)反應(yīng)器HRT=36h,天然濕地面積約為 150m2,水力負(fù)荷為 0.21m3/(m2·d).工程總投資為20萬(wàn)元左右,主要包括地基處理和構(gòu)筑物建造及設(shè)備等.

工藝 C:污水→化糞池→一體化生物集成反應(yīng)器→人工濕地→排放

該工藝處理污水量 16m3/d,其中一體化生物集成反應(yīng)器 HRT=75h,人工濕地面積約為 30m2,水力負(fù)荷為0.53m3/(m2·d).工程總投資為11萬(wàn)元左右,主要包括地基處理和構(gòu)筑物建造及設(shè)備等.

通過(guò)半個(gè)月的跟蹤檢測(cè),3種工藝對(duì)不同污染物的平均去除效果如圖1所示.

跟蹤調(diào)研結(jié)果表明:一體化生物集成因有好氧段出水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,并可為后續(xù)濕地去除COD創(chuàng)造條件;而厭氧段去除的COD絕對(duì)量少,且水質(zhì)波動(dòng)大,特別明顯的是后續(xù)人工濕地COD值反而升高,原因在于充氧不足影響濕地的降解吸收功能(表1).

圖1 3種工藝對(duì)村鎮(zhèn)生活污水處理效果對(duì)比Fig.1 Comparisons of effects between three processes treating rural domestic wastewater

表1 3種工藝不同處理單元的DO平均值變化Table 1 Changes of DO mean value in different treatment units for three processes

厭氧段最終出水氨氮很高,去除率很低,而一體化集成與濕地處理單元去除氨氮的效果直接與系統(tǒng)內(nèi)的溶解氧有直接關(guān)系(表1),當(dāng)溶解氧高時(shí),系統(tǒng)對(duì)氨氮效果處理好,反之則很差.

比較發(fā)現(xiàn),工藝 A和 C總氮去除率都不高,但工藝A氨氮的去除率很低、沒(méi)有發(fā)生硝化,而工藝C氨氮去除率高,已發(fā)生硝化.工藝B盡管沒(méi)有發(fā)生硝化,但大量氮被去除,這表明在夏季天然濕地可以通過(guò)植物作用以及稀釋去除總氮(天然濕地雨季有雨水匯入).

總磷和正磷的去除情況類似于總氮的去除,工藝A在厭氧段和濕地去除磷的量均較少,特別是后繼濕地沒(méi)有去除效果;低負(fù)荷一體化段具有較好的磷去除效果,高負(fù)荷效果差.人工濕地對(duì)磷的去除效果也較差,而天然濕地因?yàn)橄♂屪饔?表觀去除率較高.

就最終出水指標(biāo)而言,工藝A可達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),除TP外,工藝B由于天然濕地的作用可以達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),工藝C除TN指標(biāo)外也可以達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),但總體效果要優(yōu)于工藝C.

由此可見(jiàn),農(nóng)村生活污水人工分散處理設(shè)置對(duì) COD指標(biāo)去除效果明顯,可以達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)消除水體黑臭、保護(hù)農(nóng)村居住環(huán)境的目的.分散處理工藝中有好氧單元,對(duì)整個(gè)工藝的運(yùn)行有益,可提高后續(xù)濕地的效果.現(xiàn)有的多數(shù)村鎮(zhèn)生活污水人工分散處理設(shè)置,難以實(shí)現(xiàn)脫氮除磷的目的.

3 結(jié)語(yǔ)

目前農(nóng)村生活污水處理已形成不同于城市污水處理的工藝模式雛形,常規(guī)分散處理工藝COD出水均低于 60mg/L,且運(yùn)行成本較低,能夠?qū)崿F(xiàn)消除黑臭的目的,但工藝原理和實(shí)踐均證明這些工藝難以達(dá)到脫氮除磷的效果.農(nóng)村生活污水中營(yíng)養(yǎng)元素氮磷,只占種植業(yè)的10%左右,遠(yuǎn)小于發(fā)達(dá)畜牧業(yè)產(chǎn)生量.因此,農(nóng)村生活污水處理目標(biāo)應(yīng)定義為:消除污水排放對(duì)水體產(chǎn)生的黑臭,改善農(nóng)村居住環(huán)境.并據(jù)此處理目標(biāo),結(jié)合農(nóng)村現(xiàn)實(shí)情況,選擇簡(jiǎn)單、易行、經(jīng)濟(jì)有效的,且有別于城市污水處理的處理工藝.

[1]丁 峰.農(nóng)村分散型的生活污水處理工程實(shí)例 [J]. 污染防治技術(shù), 2010,23(2):92-94.

[2]王鵬飛,張 翔,徐 偉.上海松江地區(qū)農(nóng)村生活污水處理模式的選擇 [J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010,(8):217-219.

[3]顧 超.上海浦東南片新農(nóng)村污水治理技術(shù)分析 [J]. 中國(guó)給水排水, 2011,27(2):34-38.

[4]高華生,楊曉仙,陳宇輝,等.農(nóng)村污水治理工程案例分析與難題破解 [J]. 寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版), 2010,23(2):74-78.

[5]郝前進(jìn),張 蘋.農(nóng)村生活污水治理示范工程的成本有效性研究-以上海和蘇南地區(qū)為例 [J]. 中國(guó)人口·資源與環(huán)境, 2010,20(1):108-111.

[6]郝前進(jìn),郭 思,張 蘋.農(nóng)村生活污水土地處理示范項(xiàng)目的可推廣性研究—以上海為例 [J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2010,35(5):80-82.

[7]陳敏鵬,陳吉寧,賴斯蕓.中國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村污染的清單分析與空間特征識(shí)別 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2006,26(6):751-755.

[8]徐 堯,俞 豐,沈萬(wàn)岳.蕭山新農(nóng)村污水處理模式研究 [J]. 浙江建筑, 2010,27(6):56-58.