遼寧省農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特征及其系數(shù)測算研究

劉嵐昕，何 軍，王留鎖，趙鵬雷，史美玲

(遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧 沈陽 110061)

農(nóng)村生活污染是指在村鎮(zhèn)居民日常生活或?yàn)槿粘Ｉ钐峁┓?wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的生活污水、生活垃圾、人畜糞便和農(nóng)田廢棄物等污染，是非點(diǎn)源污染的一種類型[1]。農(nóng)村生活污染具有分布廣且分散、隨機(jī)、開放式等特點(diǎn)，農(nóng)村生活污水隨意排放、生活垃圾亂堆亂放及末端處置等問題是導(dǎo)致江河湖泊富營養(yǎng)化和水環(huán)境惡化的重要原因之一[2-3]。雖然“十三五”期間污染防治力度加大，生態(tài)環(huán)境明顯改善，美麗中國建設(shè)邁出堅(jiān)實(shí)步伐，但環(huán)境保護(hù)的結(jié)構(gòu)性、根源性、趨勢性壓力尚未根本解決，環(huán)境保護(hù)任重而道遠(yuǎn)[4-5]。實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略是建設(shè)美麗中國的關(guān)鍵舉措，而準(zhǔn)確把握農(nóng)村生態(tài)環(huán)保問題是助推鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵因素[6]，因此摸清農(nóng)村生活污水的產(chǎn)污特征，可為掌握農(nóng)村生活污水產(chǎn)生、排放和處理情況，改善環(huán)境質(zhì)量提供理論依據(jù)，對保護(hù)“綠水青山”和推動(dòng)實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有重要的指導(dǎo)意義[7]。

國內(nèi)村鎮(zhèn)生活污染特征研究集中于太湖、巢湖、滇池流域和三峽庫區(qū)等重點(diǎn)流域。王文林等[8]2010年在太湖流域大浦鎮(zhèn)4個(gè)村選擇9戶農(nóng)戶開展調(diào)查，監(jiān)測生活污水排放量和各種污染物指標(biāo)，分析了影響污染物排污系數(shù)的主導(dǎo)因素。譚平等[9]對巢湖流域農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行調(diào)研，分4個(gè)季節(jié)進(jìn)行采樣監(jiān)測，每次連續(xù)收集3 d的生活污水，測算了農(nóng)村生活污水中COD、TN、NH4+-N、TP的產(chǎn)排污系數(shù)，提出了適合我國農(nóng)村地區(qū)的污水處理模式，為農(nóng)村生活污水減排計(jì)劃的實(shí)施提供理論依據(jù)。彭緒亞等[10]選取重慶三峽庫區(qū)3個(gè)行政區(qū)中不同經(jīng)濟(jì)收入水平、有無下水設(shè)施的18戶農(nóng)戶為研究對象，對生活污水日產(chǎn)生量、pH、COD、TP、TN、TAN等指標(biāo)進(jìn)行了連續(xù)12個(gè)月的跟蹤監(jiān)測，初步掌握了重慶三峽庫區(qū)農(nóng)村生活污水的排放特征及關(guān)鍵影響因素。江科等[11]運(yùn)用GIS空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)、最近鄰點(diǎn)指數(shù)與實(shí)地調(diào)查等方法，對三峽庫區(qū)龍王溝小流域的農(nóng)村生活污水排放格局、不同來源的生活污水水質(zhì)特征進(jìn)行了研究，為庫區(qū)流域農(nóng)村生活污水的收集治理和整個(gè)三峽庫區(qū)流域水質(zhì)的規(guī)劃保護(hù)提供參考。

目前，關(guān)于遼寧省農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特征及其系數(shù)測算的研究鮮見報(bào)道，已有研究多從治理的角度對農(nóng)村生活污水排放特征進(jìn)行分析[12]，對于產(chǎn)污特征和系數(shù)測算的研究不足。因此，筆者以遼寧省農(nóng)村生活污水為研究對象，開展農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特征及其系數(shù)測算的研究，以期為全國分區(qū)域與流域的農(nóng)村生活源污染物入河量核算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為農(nóng)村生活污水治理工作提供支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國東北平原南部，地處北緯38°43′～43°29′，東經(jīng)118°50′～125°47′之間。全省陸域總面積為14.75萬km2，地形地貌多樣，東西兩側(cè)為山地丘陵，中部為平原，東西部山地丘陵一般海拔在500 m左右，平原南部地勢低洼，海拔在50 m左右。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為4.8～10.4 ℃，年均降水量為986.67億m3。2016年末，76.0%的村生活垃圾集中處理或部分集中處理，8.4%的村生活污水集中處理或部分集中處理，24.8%的村完成或部分完成改廁[13]。全省納入監(jiān)管的農(nóng)村污水處理設(shè)施為224座，總設(shè)計(jì)處理能力為46萬t·d-1。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置及采樣方法

該研究中農(nóng)村居民生活污水指農(nóng)村家庭戶在居家日常生活中所產(chǎn)生的污水，由于監(jiān)測農(nóng)戶多使用旱廁，所以該研究不包含廁所污水，主要包括洗衣、洗漱、餐廚、洗澡、房屋清潔的污水。影響污水產(chǎn)生和排放的因素主要包括生活用水供水量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、收入水平、消費(fèi)水平、生活方式、人口數(shù)、地域、季節(jié)、氣候和有無下水設(shè)施等。由于每個(gè)地區(qū)居民消費(fèi)水平、生活方式、氣候等因素相似，研究從沿海、中部平原、東部山區(qū)、遼西北丘陵山地農(nóng)村分層抽取樣本，其中沿海(中部平原)、東部山區(qū)、丘陵山地依次代表生活水平高、中、低。結(jié)合典型性、代表性和合理性原則，于2018年選取90戶典型農(nóng)戶為總污水監(jiān)測對象，按地市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村、農(nóng)戶的實(shí)測抽樣模式(即3×3×2×5)進(jìn)行布點(diǎn)(表1)，2019年選取12戶典型農(nóng)戶為分類污水監(jiān)測對象進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)構(gòu)建了相應(yīng)的生活污水樣品收集設(shè)施。

表1 布點(diǎn)情況

樣品采集參考HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和HJ 494—2009《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》中的相關(guān)規(guī)定，分別于2018年9、10、11月采集3期總生活污水，2019年7、8月采集2期分類生活污水，每期3 d，詳細(xì)記錄每日各類生活污水排放量，與此同時(shí)，隨機(jī)抽取每批樣品的10%作為樣品的平行樣。

2.2 分析方法

各指標(biāo)分析方法參照文獻(xiàn)[14]進(jìn)行。其中污水量采用直接容積法測定，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動(dòng)植物油濃度分別采用重鉻酸鹽法(HJ 828—2017)、稀釋與接種法(HJ 505—2009)、納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012)、鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)、紅外分光光度法(HJ 637—2012)進(jìn)行測定。各指標(biāo)在測定過程中同時(shí)進(jìn)行標(biāo)樣跟蹤、平行雙樣測定，以保證監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確。

2.3 產(chǎn)排污系數(shù)界定

污水及污染物產(chǎn)生系數(shù)指農(nóng)村家庭戶在居家生活中日均每人產(chǎn)生的生活污水量及污染物量。通過調(diào)查相應(yīng)的農(nóng)戶人數(shù)、用水量和生活習(xí)慣，監(jiān)測污染物的實(shí)測濃度，確定其人均污水量和主要污染物產(chǎn)生系數(shù)。

每日人均生活污水量計(jì)算公式為

Qc=Wc/(n×N)。

(1)

式(1)中，Qc為每人每日污水產(chǎn)生量，L·人-1·d-1；Wc為農(nóng)戶生活污水產(chǎn)生量的監(jiān)測值，m3·d-1；n為對應(yīng)于日的系數(shù)，取值1；N為農(nóng)戶常住人口數(shù)調(diào)查值。

水污染物產(chǎn)生量計(jì)算公式為

Gi=k×Q×Ci。

(2)

式(2)中，Gi為污水中污染物i的產(chǎn)生量，kg·a-1；Q為污水產(chǎn)生總量，m3·a-1；k為單位換算系數(shù)；Ci為污染物i的質(zhì)量濃度監(jiān)測值，mg·L-1。

人均產(chǎn)污系數(shù)計(jì)算公式為

Fi=Gi/(0.365N)×103。

(3)

式(3)中，F(xiàn)i為廢水中污染物i的產(chǎn)生系數(shù)，g·人-1·d-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)污特征分析

3.1.1水質(zhì)特征

從表2可知，人均日產(chǎn)污水量及COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動(dòng)植物油濃度變化幅度較大，變異系數(shù)均高于50%，這表明污水水質(zhì)指標(biāo)隨地域、季節(jié)、氣候及農(nóng)戶生活方式等因素的不同而存在較大差異。從偏度和峰度來看，人均日產(chǎn)污水量及COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動(dòng)植物油濃度均不服從正態(tài)分布。據(jù)其分布形態(tài)，分別進(jìn)行自然對數(shù)變換。

表2 90戶對象農(nóng)戶生活污水監(jiān)測指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化前后的分布形態(tài)進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)，由表3可知，總生活污水的各監(jiān)測指標(biāo)濃度數(shù)據(jù)經(jīng)自然對數(shù)變換后符合正態(tài)分布，故用幾何平均數(shù)代表各監(jiān)測指標(biāo)濃度的平均水平，農(nóng)村總?cè)司债a(chǎn)污水量為21.81 L·人-1·d-1，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動(dòng)植物油平均質(zhì)量濃度分別為788.22、385.61、3.19、20.15、3.04和7.56 mg·L-1。

表3 90戶對象農(nóng)戶生活污水各監(jiān)測指標(biāo)對數(shù)轉(zhuǎn)換后的K-S檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，研究區(qū)農(nóng)村生活污水人均日產(chǎn)生量、NH3-N濃度低于技術(shù)指南中北方村莊居民水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，COD濃度高于技術(shù)指南中北方村莊居民水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。分析原因，其一是筆者測量污水的方法為容積法，收集的污水并不包括水沖式廁所產(chǎn)生的沖廁水，同時(shí)監(jiān)測時(shí)間集中在9—11月，處于農(nóng)忙季節(jié)，用水量相對偏少；其二是部分農(nóng)村地區(qū)并沒有給水管網(wǎng)和排水收集系統(tǒng)，導(dǎo)致農(nóng)戶產(chǎn)生的污染物濃度變化較大。

3.1.2污水特性影響因素分析

農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特性的影響因素主要包括地域、季節(jié)、農(nóng)戶收入水平、有無下水設(shè)施等，為明晰各因素的具體作用，以地域?yàn)殡S機(jī)因素，季節(jié)、農(nóng)戶收入水平、有無下水設(shè)施為固定因素，利用SPSS軟件的一般線性模型對轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由表4可知，各監(jiān)測指標(biāo)在地域上具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，這說明農(nóng)村生活污水各監(jiān)測指標(biāo)存在變異的監(jiān)測點(diǎn)位，同一地域內(nèi)的農(nóng)戶由于所處環(huán)境、生活方式、生活用水量、自然屬性相似，而導(dǎo)致生活污水及各類污染物的含量具有一定的相似性。結(jié)合隨機(jī)效應(yīng)和固定效應(yīng)，以顯著水平為依據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)人均日產(chǎn)污水量和NH3-N濃度的主要影響因素為地域和季節(jié)，這是由于部分地區(qū)受供水和農(nóng)忙季節(jié)的影響較大；COD、BOD5、TN、TP濃度的主要影響因素為地域和收入水平，動(dòng)植物油濃度的主要影響因素為地域、收入水平和季節(jié)，這表明遼寧省農(nóng)村生活污水各指標(biāo)的主要影響因素為地域和收入水平。

表4 農(nóng)村生活污水特性影響因素的一般線性模型分析結(jié)果

3.1.3污水各特征指標(biāo)相關(guān)性分析

不同地域農(nóng)村生活污水的組成表現(xiàn)出不一致性，為探析農(nóng)村生活污水產(chǎn)污特性各指標(biāo)的相關(guān)性，針對轉(zhuǎn)換后符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算各污染物的Spearman相關(guān)系數(shù)。由表5可知，農(nóng)村生活污水人均日產(chǎn)生量與NH3-N、TN、TP濃度之間存在負(fù)相關(guān)性，即人均日產(chǎn)污水量越大，污水的NH3-N、TN、TP濃度越低；人均污水日產(chǎn)量與污水的動(dòng)植物油濃度呈顯著正相關(guān)，可能是由于生活污水主要來源于農(nóng)戶的餐廚污水；而人均日產(chǎn)污水量與污水的COD、BOD5濃度相關(guān)性不顯著，其原因是污水含有較少的有機(jī)質(zhì)，而NH3-N、TN、TP主要來源于洗衣、洗漱、房屋清潔等污水，其清潔用品中含有大量的N、P等元素，有機(jī)質(zhì)含量較少。COD、BOD5、NH3-N、TN、TP濃度之間具有顯著正相關(guān)性，其濃度大小由農(nóng)戶的消費(fèi)水平和生活方式等因素共同決定。

表5 農(nóng)村生活污水各特征指標(biāo)的Spearman相關(guān)系數(shù)

3.2 生活污水產(chǎn)污系數(shù)的測算

根據(jù)污水特性影響因素分析可知，遼寧省農(nóng)村生活污水各指標(biāo)主要影響因素為地域和收入水平，故對高、中、低收入水平下農(nóng)戶生活污水產(chǎn)污系數(shù)進(jìn)行方差分析。結(jié)果表明，收入水平對農(nóng)戶總生活污水中COD、BOD5產(chǎn)污系數(shù)無顯著影響(P>0.05)，但對人均日產(chǎn)污水量影響顯著(P<0.05)，對NH3-N、TN、TP、動(dòng)植物油產(chǎn)污系數(shù)影響極顯著(P<0.01)。人均日產(chǎn)污水量表現(xiàn)為高收入農(nóng)戶>中收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶，NH3-N、TP產(chǎn)污系數(shù)表現(xiàn)為高收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶>中收入農(nóng)戶，TN產(chǎn)污系數(shù)表現(xiàn)為低收入農(nóng)戶>高收入農(nóng)戶>中收入農(nóng)戶，動(dòng)植物油產(chǎn)污系數(shù)表現(xiàn)為中收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶>高收入農(nóng)戶。可見收入水平對農(nóng)戶總生活污水中各類污染物產(chǎn)污系數(shù)的影響具有明顯差異。

由圖1～2可知，餐廚污水、洗漱污水、洗澡污水以及洗衣污水的人均日產(chǎn)污水量大小順序表現(xiàn)為中收入>高收入>低收入，而清潔污水的人均日產(chǎn)污水量表現(xiàn)為高收入>中收入>低收入。這是因?yàn)檗r(nóng)戶人均日產(chǎn)污水量的變化差異由農(nóng)戶的消費(fèi)水平和生活方式等因素共同決定。

如圖2所示，收入水平對清潔、洗澡污水的COD產(chǎn)污系數(shù)并無顯著影響(P>0.05)，對洗衣、廚房、洗漱污水的COD產(chǎn)污系數(shù)影響顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為中收入農(nóng)戶>高收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶；對清潔、洗漱、洗澡污水的BOD5產(chǎn)污系數(shù)并無顯著影響(P>0.05)，對洗衣、廚房污水的BOD5產(chǎn)污系數(shù)影響顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為中收入農(nóng)戶>高收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶。

這是由于農(nóng)戶生活水平的提高，導(dǎo)致廚房與洗漱、洗衣等用水量增加，餐廚污水氮磷本身含量較低，但富含食物纖維素、淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)、動(dòng)植物油、各種佐料和洗滌劑等物質(zhì)，對COD以及BOD5貢獻(xiàn)率較大。收入水平對廚房、洗漱污水的NH3-N、TN產(chǎn)污系數(shù)無顯著影響(P>0.05)，對洗澡、清潔、洗衣污水的產(chǎn)污系數(shù)影響顯著(P<0.05)，其中洗澡污水表現(xiàn)為中收入農(nóng)戶>高收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶，而清潔污水表現(xiàn)為高收入農(nóng)戶>中收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶。收入水平對廚房、洗漱、洗衣、洗澡污水的TP產(chǎn)污系數(shù)并無顯著影響(P>0.05)，對清潔污水產(chǎn)污系數(shù)影響顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為高收入農(nóng)戶>低收入農(nóng)戶>中收入農(nóng)戶。其原因是隨著農(nóng)戶生活水平的提高，洗浴以及清潔用水量增加，富含氮磷的洗潔精、沐浴露以及洗發(fā)露等物質(zhì)對NH3-N、TN以及TP貢獻(xiàn)率較大。

將生活污水各指標(biāo)的產(chǎn)污系數(shù)按收入水平劃分，取3個(gè)收入水平的算術(shù)平均值作為統(tǒng)一值，與其他區(qū)域的農(nóng)村生活污水產(chǎn)污系數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表6。相較于巢湖流域[16]，遼寧省的農(nóng)村生活污水產(chǎn)生量、TN產(chǎn)污系數(shù)與之接近，COD、TP的產(chǎn)污系數(shù)偏高；相對于太湖流域[8]，遼寧省人均日產(chǎn)污水量及TN、NH3-N、TP產(chǎn)污系數(shù)低于太湖流域，COD產(chǎn)污系數(shù)高于太湖流域。

表6 不同收入水平農(nóng)戶生活污水產(chǎn)污系數(shù)測算結(jié)果

筆者現(xiàn)場調(diào)查表明，盤錦市、沈北新區(qū)、撫順市的農(nóng)村生活污水排入滲水井，北鎮(zhèn)市、朝陽市的農(nóng)村生活污水直排戶外，生活污水并未產(chǎn)生地表徑流。但筆者認(rèn)為研究區(qū)農(nóng)戶產(chǎn)生的污染物可通過降雨沖刷產(chǎn)生面源污染，同時(shí)對地下水產(chǎn)生影響。尚需更多樣本，對農(nóng)戶產(chǎn)生污染物在環(huán)境中的輸移、轉(zhuǎn)化進(jìn)行系統(tǒng)量化研究，以期精確測算農(nóng)村生活污水對遼河流域的污染負(fù)荷。

4 結(jié)論

(1)通過對遼寧省5個(gè)地市不同經(jīng)濟(jì)收入水平的農(nóng)戶生活源污水排放情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，初步掌握了遼寧省農(nóng)村生活污水的排放特征：生活污水人均日產(chǎn)量為21.81 L·人-1·d-1，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動(dòng)植物油污染物濃度的平均水平分別為788.22、385.61、3.19、20.15、3.04和7.56 mg·L-1。

(2)遼寧省農(nóng)村生活污水人均日產(chǎn)量、NH3-N濃度的主要影響因素為地域和季節(jié)，COD、BOD5、TN、TP濃度的主要影響因素為地域和收入水平，動(dòng)植物油濃度的主要影響因素為地域、收入水平和季節(jié)。

(3)生活污水的COD、BOD5、NH3-N、TN、TP濃度之間具有顯著的正相關(guān)性，其產(chǎn)污系數(shù)分別為23.85、11.785、0.12、0.64、0.11 g·人-1·d-1，動(dòng)植物油的產(chǎn)污系數(shù)為0.43 g·人-1·d-1，人均日產(chǎn)污水量為26.49 L·人-1·d-1。