膠州市村鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)構(gòu)建方案研究

吳艾歡，楊婷婷，呂 謀，王潤致，曹偉奎

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033)

在如此快速的城市化進(jìn)程中，如何提高村鎮(zhèn)的污水處理水平，特別是農(nóng)村的污水處理水平，已經(jīng)成為了一個(gè)關(guān)鍵性的問題。相比城市生活污水處理而言，農(nóng)村的污水處理問題更加嚴(yán)峻[1]。由于農(nóng)村污水的空間上的分散性和時(shí)間上的變化性，使得城市污水處理模式應(yīng)用于農(nóng)村的成本過高，這個(gè)問題同樣存在于發(fā)達(dá)國家[2]。美國對污水處理的處理模式劃分了四個(gè)等級，如圖1所示，主要分為原位處理、集群處理、社區(qū)集中處理以及地區(qū)集中處理，分別對應(yīng)于散戶、農(nóng)村、小城鎮(zhèn)和城市規(guī)模的污水[3]。從處理規(guī)模上看，美國的分散污水處理主要對應(yīng)于我國污水處理系統(tǒng)中的散戶和農(nóng)村這兩個(gè)級別的污水處理。

圖1 美國污水處理模式劃分Fig.1 Sewage treatment model in USA

針對我國的具體情況，村鎮(zhèn)污水系統(tǒng)的構(gòu)建按照行政區(qū)劃來分，可分為4個(gè)層級：市區(qū)污水處理系統(tǒng)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)、農(nóng)村污水處理系統(tǒng)以及散戶污水處理系統(tǒng)；按照處理模式來分，則有五種處理模式：城市污水處理模式、區(qū)域集中污水處理模式、區(qū)域小集中污水處理模式、分散型污水處理模式以及原位污水處理模式。

1 膠州市水環(huán)境概況

膠州市地處黃海之濱、膠州灣畔，東經(jīng)119°37′至126°12′、北緯36°至36°30′，是山東半島聯(lián)結(jié)內(nèi)陸其他各省的重要交通樞紐，2016年GDP生產(chǎn)總值1 035.9 億元。膠州市水資源十分貧乏，總量僅有2.262 億m3，人均占有水資源量約302 m3，僅占全國人均水量的1/8，相當(dāng)于世界人均水量的1/32。水資源的缺乏已經(jīng)成為膠州市產(chǎn)業(yè)集聚及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的障礙。

1.1 生活污水排放現(xiàn)狀

我國農(nóng)村人口基數(shù)大，污水排放量和污染物產(chǎn)生量很大，但目前我國農(nóng)村污水收集和處理率還處于較低水平[4]。以2015年膠州市人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得膠州市11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鎮(zhèn)生活污水年排放量235.77 萬t，生活污水日排放量6 459.45 t；11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水年排放量881.01 萬t，生活污水日排放量24 137.21 t。膠州市人口較多，生活污水產(chǎn)生量上升趨勢較快。

1.2 工業(yè)廢水排放現(xiàn)狀

根據(jù)2015年水資源公報(bào)中膠州市工業(yè)用水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)廢水排放量。2015年，城區(qū)內(nèi)工業(yè)供水量為682 萬t，耗水率為22%，因此工業(yè)廢水折污系數(shù)取0.78。根據(jù)2015年環(huán)統(tǒng)工業(yè)數(shù)據(jù)，103家企業(yè)廢水總排放量為3 405 943 t。膠州市工業(yè)發(fā)展速度較快，工業(yè)廢水量和污染物總量很大。

2 方案構(gòu)建

科學(xué)合理有效地進(jìn)行村鎮(zhèn)污水系統(tǒng)規(guī)劃是成功改善村鎮(zhèn)水環(huán)境的關(guān)鍵[5]。目前對于村鎮(zhèn)級污水處理系統(tǒng)的構(gòu)建尚未有固定的模式，是區(qū)域集中建設(shè)大規(guī)模污水處理廠，還是分區(qū)建設(shè)不同規(guī)模的小型污水處理廠，各地說法不一、爭議較大，關(guān)鍵是要因地制宜，選擇本地實(shí)際情況的方案[6-9]。農(nóng)村生活污水有城市污水所不具備的特點(diǎn)：空間分布上較為分散，污水收集面廣；時(shí)間上水量變化大，排放不均勻；水量增長速度快；污染物濃度低、可生化性好[10]。根據(jù)膠州市的環(huán)境特點(diǎn)，目前有以下3種方案：大集中方案、區(qū)域整合方案和以行政區(qū)劃為界的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建廠方案[11]，下面就3種方案各自的特征及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較與探討。

2.1 方案構(gòu)建思路

2.1.1 大集中式方案

大集中式的整體思路是通過建設(shè)提升泵站、構(gòu)建較大的管網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)幾個(gè)區(qū)域的大集中，而單個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)少建或者不建污水處理廠，避免規(guī)模較小的污水處理廠出現(xiàn)負(fù)荷率不足、造成資源的浪費(fèi)[12]，大集中式方案思路見圖2。

圖2 大集中式方案思路圖Fig.2 Large centralized plan

2.1.2 區(qū)域整合方案

本構(gòu)建方案在思路上謂之“集中之中有分散，分散之中有集中”，即在劃分大的排水流域之后，根據(jù)高程、鎮(zhèn)駐地和工業(yè)園的分布進(jìn)行進(jìn)一步劃分，整體上以分散為主，局部進(jìn)行整合和集中[13]。處理深度與局部地區(qū)的具體情況密切相關(guān)，當(dāng)該地區(qū)水環(huán)境敏感、排放要求高，或者水資源較為匱乏，則對污水進(jìn)行深度處理，最后循環(huán)利用；當(dāng)該地區(qū)水環(huán)境對排放沒有嚴(yán)格限制，或者水資源較為豐富，則進(jìn)行適度處理后達(dá)標(biāo)排放，區(qū)域整合方案思路見圖3。

圖3 區(qū)域整合方案思路圖Fig.3 Regional integration plan

2.1.3 各鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案

該構(gòu)建方案在思路上以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，以行政區(qū)劃為界線，對污水處理設(shè)施的服務(wù)范圍進(jìn)行劃分。該方案不以流域與整體地勢為考慮因素，主要關(guān)注鎮(zhèn)駐地、農(nóng)村和工業(yè)園的分布，污水處理深度與再生水是否回用視該地區(qū)的具體情況與需求而定，各鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案思路見圖4。

圖4 各鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案思路圖Fig.4 Independent towns construction plan

2.2 方案構(gòu)建目標(biāo)

大集中方案沿用了一貫的污水處理思路，以達(dá)標(biāo)排放為最終目標(biāo)；區(qū)域整合方案在部分地區(qū)提高處理深度，進(jìn)行污水再生利用，以全面處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)與農(nóng)村污水、改善水環(huán)境、促進(jìn)膠州市整體水資源系統(tǒng)健康循環(huán)為最終目標(biāo)；鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案以全面處理本鎮(zhèn)與周圍農(nóng)村污水、改善各鎮(zhèn)水環(huán)境、促進(jìn)各鎮(zhèn)水資源循環(huán)為最終目標(biāo)。

3 方案實(shí)施措施

3.1 大集中方案

大集中方案通過設(shè)立泵站，將污水收集匯入現(xiàn)有已建或正在建設(shè)當(dāng)中的污水處理廠，管網(wǎng)大幅度跨越各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，形成相對集中的布局模式，如圖5所示。

圖5 大集中方案污水處理廠和管網(wǎng)布局圖Fig.5 Sewage treatment plant and pipe network layout of large centralized plan

3.2 區(qū)域整合方案

區(qū)域整合方案是在現(xiàn)有已經(jīng)運(yùn)行的4個(gè)污水處理廠的基礎(chǔ)上，增設(shè)7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級污水處理廠，根據(jù)水系流域和實(shí)際情況進(jìn)行選址布局，在水資源匱乏地區(qū)提高污水處理深度，以達(dá)到循環(huán)利用的目的。在膠州市6個(gè)自然排水流域劃分的基礎(chǔ)上，根據(jù)各鎮(zhèn)地形地勢、河流分布以及村莊分布特點(diǎn)，對六大系統(tǒng)做進(jìn)一步細(xì)分，部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)適度進(jìn)行集約化，采取區(qū)域集中模式。

這樣就使得污水處理按照小流域形成了相對分散的布局模式，如圖6所示。

圖6 區(qū)域整合方案污水處理廠布局圖Fig.6 Sewage treatment plant layout of regional integration plan

3.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案

鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案是在現(xiàn)有4個(gè)污水處理廠的基礎(chǔ)上，新建7座污水處理廠，即按照行政區(qū)劃每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有一座服務(wù)各自鄉(xiāng)鎮(zhèn)的污水處理廠，鄉(xiāng)鎮(zhèn)按照自己的實(shí)際情況獨(dú)立進(jìn)行選址、處理各自的生活污水與工業(yè)廢水。如圖7所示。

圖7 各鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案污水處理廠布局圖Fig.7 Sewage treatment plant layout of independent towns construction plan

4 方案比選

4.1 優(yōu)劣分析

4.1.1 大集中方案

優(yōu)點(diǎn)：整合方案按照統(tǒng)一收集、集中處理、達(dá)標(biāo)排放的構(gòu)建思路，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了整合，可以有效減少鎮(zhèn)域污水處理廠數(shù)量，增強(qiáng)污水收集能力，防止大多數(shù)污水處理系統(tǒng)因污水量達(dá)不到設(shè)計(jì)處理能力而造成的資源浪費(fèi)。

缺點(diǎn)：管網(wǎng)建設(shè)與泵站運(yùn)輸污水的運(yùn)行費(fèi)用較高；未考慮再生水的循環(huán)利用。整合方案規(guī)劃的大型的集中式污水處理廠多數(shù)在流域下游或者入?？诟浇?jīng)處理后的尾水經(jīng)長距離的管道運(yùn)輸后最終排放至膠州灣，沒有對本區(qū)域的用水和水環(huán)境形成補(bǔ)充，因此不能解決膠州市目前水資源的短缺問題。

4.1.2 區(qū)域整合方案

優(yōu)點(diǎn)：方案對城市與鄉(xiāng)村進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃，減少了對大型管道的需求，提高了污水處理深度，實(shí)現(xiàn)再生水回用，一方面可以作為市政用水及工業(yè)低質(zhì)用水，遠(yuǎn)期可作為河流和湖泊的生態(tài)補(bǔ)充水，促進(jìn)膠州市水資源的健康循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

缺點(diǎn)：污水處理廠數(shù)量較多，水廠建設(shè)費(fèi)用相對較高。

4.1.3 鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案

優(yōu)點(diǎn)：減少大型管道和泵站建設(shè)需求；有利于本鄉(xiāng)鎮(zhèn)遠(yuǎn)期社區(qū)和規(guī)模較大的農(nóng)村的集中式收集處理。

缺點(diǎn)：只關(guān)注行政區(qū)劃，沒有考慮流域特征，不利于水環(huán)境污染的綜合治理，規(guī)模效益??；在目前膠州水資源嚴(yán)重不足的情況下，應(yīng)該改變傳統(tǒng)的污水處理系統(tǒng)構(gòu)建的方法，以提高水環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行污水深度處理和循環(huán)再利用。

4.2 成本效益分析

在對村鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)方案構(gòu)建時(shí)，應(yīng)考慮到當(dāng)?shù)氐乃Y源現(xiàn)狀與水環(huán)境容量，對社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析后確定污水處理系統(tǒng)的具體實(shí)施方案[14]。

4.2.1 社會(huì)效益

大集中式方案主要考慮了各村鎮(zhèn)鎮(zhèn)駐地和工業(yè)園的廢水處理；區(qū)域整合方案對膠州市污水處理系統(tǒng)分層級、分階段進(jìn)行構(gòu)建，除了鎮(zhèn)駐地和工業(yè)園區(qū)外，還考慮到了社區(qū)及農(nóng)村的分散型污水處理。

對于膠州市目前的形勢，部分區(qū)域污水的深度處理和回用迫在眉睫。例如對于躍進(jìn)河-如意湖的治理，由于躍進(jìn)河河道較短，水量較小，基本沒有天然徑流，該段水系污染嚴(yán)重，水質(zhì)為劣Ⅴ類，要改善躍進(jìn)河-如意湖的水環(huán)境狀況，一方面要對躍進(jìn)河兩岸進(jìn)行截污納管，另一方面要補(bǔ)充躍進(jìn)河水資源量，加強(qiáng)其生態(tài)修復(fù)，提高其環(huán)境容量與抗沖擊負(fù)荷能力。因此在九龍鎮(zhèn)設(shè)立污水處理廠，對其執(zhí)行的排放標(biāo)準(zhǔn)要求適度超前，即高于一級A的標(biāo)準(zhǔn)，污水經(jīng)過深度處理后通過泵站注入躍進(jìn)河上游，從而在改善躍進(jìn)河水質(zhì)的同時(shí)，增加其水量，在近期達(dá)到恢復(fù)躍進(jìn)河生態(tài)環(huán)境的目的。

根據(jù)膠州市總體規(guī)劃，膠州市將形成“三區(qū)兩帶”大環(huán)境綠化體系，其中艾山生態(tài)綠化區(qū)位于洋河鎮(zhèn)中部，地勢起伏多變，且村落較為分散，其生活污水的治理直接影響了該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，而洋河、大沽河既是膠州市的重要水源，也承擔(dān)了洋河鎮(zhèn)、膠萊鎮(zhèn)、李哥莊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)灌溉、航運(yùn)等任務(wù)，枯水年供水較為緊張。膠州市是全國缺水城市，“引黃濟(jì)青”等跨流域調(diào)水工程并不能真正地從根本上解決水資源短缺的問題，而提高水資源利用率、促進(jìn)污水深度處理循環(huán)利用才是解決水資源短缺的權(quán)宜之計(jì)[15]。

4.2.2 環(huán)境效益

膠州市膠萊鎮(zhèn)、膠西鎮(zhèn)、鋪集鎮(zhèn)、李哥莊鎮(zhèn)河網(wǎng)較為密布，但大部分為雨源型河流，基流量小，特別是李哥莊鎮(zhèn)，地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)，人口密度大，保證河流的充水度可大幅提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，增加物種多樣性。區(qū)域整合方案將污水廠分散布置在河流的中游，部分污水廠采用深度處理方案，對處理后的污水進(jìn)行循環(huán)利用，可對深度處理后的污水進(jìn)行河道生態(tài)補(bǔ)水，改善水環(huán)境質(zhì)量。大集中式方案是在流域下游(入?？?設(shè)置污水廠，這種設(shè)置方式可以減少污水廠對河流水質(zhì)的影響，但目前膠州市大部分河流屬于季節(jié)性河流，干旱期處于缺水狀態(tài)，環(huán)境容量較小，即便是將污水進(jìn)行二級處理后再排河，不進(jìn)行深度處理，也不利于膠州市水環(huán)境的水質(zhì)改善；而將污水作為廢物處理后最終排入大海，不利于膠州市整個(gè)水環(huán)境的大循環(huán)，不符合環(huán)境保護(hù)規(guī)劃目標(biāo)。

4.2.3 經(jīng)濟(jì)效益

在經(jīng)濟(jì)成本分析中，管網(wǎng)造價(jià)按照定額2 600 元/m統(tǒng)一計(jì)算，泵站運(yùn)行費(fèi)用按照400 元/d計(jì)算。就運(yùn)行成本而言，大集中式方案可節(jié)省人工費(fèi)用，但由于膠州市整體地勢較為平坦，污水的長距離輸水在平原地區(qū)需要依靠多級泵站進(jìn)行提升，大集中式方案還需要進(jìn)行尾水深海排放，這就使得運(yùn)行管理維護(hù)費(fèi)用大大增加。表1顯示了3種方案污水處理設(shè)施和管網(wǎng)投資與運(yùn)行費(fèi)用比較。

由表2可知，區(qū)域整合方案的基建總費(fèi)用最低，其中泵站建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用最低，管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用適中，但水廠運(yùn)行費(fèi)用相對較高；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建廠的方案管網(wǎng)造價(jià)最低，但是由于該方案只考慮了行政區(qū)劃，忽略了河流和地勢，如果要與區(qū)域整合方案一樣收集相同量的廢水，就需要建設(shè)較多的泵站；大集中方案的水廠建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用最少，但是管網(wǎng)和泵站的建設(shè)費(fèi)用較高，因此導(dǎo)致其總建設(shè)費(fèi)用較高，處理污水量相對其他兩個(gè)方案偏高的原因是大集中方案收集的農(nóng)村污水未考慮其排放特性，實(shí)際上此數(shù)值應(yīng)該比預(yù)測值低。各個(gè)方案十年運(yùn)行基建總費(fèi)用分別為：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立54 531.2萬元、區(qū)域整合54 476.8 萬元、大集中51 369.6 萬元。

4.3 方案選定

區(qū)域整合方案在社會(huì)效益和環(huán)境效益上相較大集中式方案以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案具有顯著優(yōu)勢。但單從經(jīng)濟(jì)效益上來說，區(qū)域整合方案運(yùn)行費(fèi)用相較其他兩種方案要高，需要的管理人才也更多，分析各方案十年運(yùn)行基建總費(fèi)用發(fā)現(xiàn)各個(gè)方案遠(yuǎn)期投資相差不大。膠州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較快，廢水排放量逐年上升速度越來越大，在人口增長速度加快和工業(yè)進(jìn)程增長的大環(huán)境下膠州市污染物排放總量和上升趨勢相較我國其他縣級市要大許多。研究表明隨著污水處理系統(tǒng)處理規(guī)模的增大，污水處理廠的建設(shè)成本和運(yùn)營成本呈現(xiàn)出“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”效應(yīng)，而管網(wǎng)建設(shè)成本則呈現(xiàn)出“規(guī)模不經(jīng)濟(jì)”效應(yīng)[16]。根據(jù)對膠州市污水量的分析，區(qū)域整合方案的各個(gè)區(qū)域在污水處理量上已經(jīng)可以達(dá)到相應(yīng)規(guī)模。膠州市目前的水環(huán)境現(xiàn)狀已經(jīng)制約其經(jīng)濟(jì)發(fā)展，鑒于膠州市實(shí)際的發(fā)展情況、水環(huán)境現(xiàn)狀和總體規(guī)劃，推薦區(qū)域整合方案為實(shí)施方案。膠州市村鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)構(gòu)建方案布局見圖8。

圖8 膠州市村鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)構(gòu)建方案布局圖Fig.8 Urban and rural sewage treatment system construction plan layout in Jiaozhou

5 結(jié) 論

本文以膠州市為例，提出了3種村鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)構(gòu)建方案，分別代表了污水系統(tǒng)構(gòu)建的不同規(guī)劃理念：大集中式方案是將整個(gè)城鎮(zhèn)污水進(jìn)行收集后在水系的最下游建污水處理廠進(jìn)行集中的回收和處理，是一種傳統(tǒng)的污水處理達(dá)標(biāo)排放的污水系統(tǒng)規(guī)劃方式；而區(qū)域整合方案是將城鎮(zhèn)的污水按照小流域相對分散地進(jìn)行收集和處理，并且在部分地區(qū)提高污水廠處理深度使處理后的污水進(jìn)行循環(huán)利用，這是一種增加區(qū)域水資源，改善水環(huán)境容量的新型污水處理系統(tǒng)構(gòu)建方案；鄉(xiāng)鎮(zhèn)獨(dú)立建設(shè)方案是根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政區(qū)劃各自投建污水處理系統(tǒng)，這種方案便于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自行管理，雖然也是分區(qū)域分散處理污水，但是不利于整個(gè)水環(huán)境系統(tǒng)的規(guī)劃，是一種較為機(jī)械的村鎮(zhèn)污水系統(tǒng)構(gòu)建方案。

建設(shè)村鎮(zhèn)污水處理工程，完善各層級排水系統(tǒng)，構(gòu)建科學(xué)合理的污水處理設(shè)施運(yùn)行管理機(jī)制，提高村鎮(zhèn)和各工業(yè)園區(qū)的污水處理率和出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，是目前城市減輕水環(huán)境污染現(xiàn)狀、解決供水用水矛盾的必要途徑，也是優(yōu)化城市產(chǎn)業(yè)格局、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和諧發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)。

在進(jìn)行村鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)構(gòu)建方案研究時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，從社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益3個(gè)方面出發(fā)，因地制宜地選擇合適的構(gòu)建方案，做到城鄉(xiāng)統(tǒng)籌和區(qū)域協(xié)調(diào)，在立足于現(xiàn)狀的情況下根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平適度超前。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的進(jìn)一步提高，老舊的污水系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)劃理念已經(jīng)不再適用于我國的可持續(xù)發(fā)展理念。而采用以污水的再生利用、改善水環(huán)境質(zhì)量為目標(biāo)的新型污水系統(tǒng)構(gòu)建規(guī)劃理念已經(jīng)成為了解決部分地區(qū)水源短缺和水環(huán)境惡化的新方法。本文對膠州市村鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)構(gòu)建方案進(jìn)行研究，為其他地區(qū)污水處理系統(tǒng)構(gòu)建提供了借鑒。

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