西北地區農村生活污水處理研究——以黃陵縣為例

高 意,馬俊杰

(西北大學 城市與環境學院,陜西西安 710127)

隨著經濟的迅速發展和人口的不斷增長,僅通過控制城市、城鎮難以實現水污染控制目標,并且我國農村人口多達 8億人,每年產生的生活污水排放量達 80多億噸,但 96%的農村地區沒有污水處理及收集系統[1]。未經處理的生活污水肆意排放,不僅直接造成水體和土壤污染,還間接威脅廣大農民群眾的身體健康,甚至嚴重影響了農村地區自然、環境和經濟的可持續發展[2]。因此,解決農村污水的處理問題顯得極為迫切。對于缺水地區水資源極為寶貴,水資源缺乏已經成為制約該地區可持續發展的重要因素之一。本文以陜北黃土高原地區黃陵縣為具體研究對象,探討農村生活污水處理模式與技術,以此為農村生活污水處理提供技術支撐。

1 西北地區環境現狀與農村生活污水處理問題

西北是我國的干旱地區,年均降水量和單位面積產生的年均徑流量在全國都是最少的,大部分區域的年降水量在400mm以下,且水資源分布不均勻,部分地區人均占有量極低[3]。區內氣溫冬季較低,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)。

目前西北地區水資源利用主要問題包括水資源短缺、水源地保護低、水資源污染嚴重等。其中水體污染源主要來自城鎮生活污水、工業廢水,農業污染。但近幾年農村進行了安全飲水改造,將水引進村中,進行集中供水,隨著農村改水的逐步實施,自來水入戶率越來越多,使得用水量不斷增加,從而直接導致排水量增大,生活污水有效處理成為農村新形勢下產生的新問題。

由于眾多的污水處理工藝受具體條件限制,致使不同地區需選擇不同的合適的處理工藝。根據西北地區溫度、地形、人口分布、經濟條件等因素的影響,農村生活污水的處理主要面臨的問題[4]是：地形復雜,人口較少,且居住分散,造成污水收集困難,不易規模化集中處理;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;生態環境脆弱,水資源短缺,且經濟條件較落后。

2 農村生活污水處理工藝分析

據低溫、干旱和生態環境脆弱的自然條件、經濟較為落后以及人口居住分散等因素,以經濟、實用、簡便為原則,采用投資少、運行費用低、除污效率高、管理簡便、容易維修、具有良好的抗沖擊能力的工藝或技術[5],確定適合西北地區的主要工藝如下：

2.1 厭氧沼氣技術

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

該工藝特點是工藝簡單、成本低(約 2 000元/戶),運行費用基本為零,適合于經濟欠發達、水資源短缺的地區。并可根據當地的實際情況,構建 “三位一體”、“四位一體”以及“五配套”(果園、集雨設施、沼氣系統、太陽能豬圈、廁所結合)等沼氣利用模式,其中“五配套”模式最適合西北地區。

2.2 穩定塘技術

穩定塘主要利用菌藻的共同作用處理廢水中的有機污染物,在缺水干旱地區,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,有時還設置一個熟化塘以穩定出水質量。

該技術特點是基建投資和運轉費用低、維護和維修簡單、便于操作、能有效去除污水中的有機物和病原體等,但占地面積大,處理效果受氣候影響。適用于經濟欠發達、水資源短缺、規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 -達標排放,處理后的污水一般可以達到《污水綜合排放標準》(GB 89782-1996)二級標準[8],但容易受溫度影響出水不太穩定,需做好保溫措施。

2.3 人工濕地技術

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

人工濕地的特點是一次性投資少和運行費用少(其中建設成本約 980元 /噸,運行成本約 0.35元/噸),運行簡單,環境影響小,具有良好的景觀效應等,但占地面積大,易受氣候影響,表面徑流的臭味比較大[11]。適用于地勢平坦、坡地、居住相對集中的中、小村莊。該技術對有機物的去除能力較強,對氮、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],出水水質達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)的二級標準。主要工藝流程是：通過管網將各戶經化糞池、格柵井收集處理后的生活污水,通過人工濕地系統進一步處理后,直接排放或回用灌溉農田。

2.4 地下滲濾技術

地下滲濾系統是一種人工強化的、低耗、高效的污水生態工程處理技術,由化糞池和地下滲濾裝置構成的污水處理系統,污水經過化糞池預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管力的作用下擴散運動,污水在此遷移過程中通過物理截留、物化吸附、化學沉淀、微生物降解、動植物作用等被凈化。污水地下滲濾處理系統可分為土壤滲濾溝、土壤毛管滲濾系統、土壤天然凈化與人工凈化相結合的復合工藝,其中土壤毛管滲濾是通過土壤 -植被 -微生物的復雜作用而凈化水體,下部有防漏層,可防治對地下水的污染,且相對復合工藝較經濟,比較適合農村污水處理[11]。地下滲濾對污水的處理效果受低溫的影響,需對植被等作保溫措施。

該系統特點是不影響地面景觀、基建及運行管理費用低、出水水質好、受外界影響小、脫氮除磷效果好等,但需進行預處理,否則易出現堵塞現象[13]。適合土質通透性能高、農戶分布散、人口少、經濟較落后的農村污水處理,處理工藝為生活污水 -化糞池初沉池 -地下滲濾系統 -達標排放,,出水水質達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)的二級標準[14]。

2.5 組合工藝技術

由于厭氧沼氣技術、穩定塘技術、人工濕地技術及地下滲濾技術不能達到《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)的一級標準,對于污水排放要求的地區,可采用相應的組合工藝技術。

2.5.1 凈化沼氣技術

凈化沼氣技術構筑物包括沉砂池、一、二級厭氧消化池和兼性生物濾池,其技術流程是：生活污水 -一級厭氧 -二級厭氧 -兼性生物濾池 -排水,處理后的污水水均達一級排放標準[15]。該工藝特點是建造成本低(單池容積在 10～200m3之間,單方造價約在 500～700元之間),無動力,運行簡單,對居住分散或集中地區均適用。

2.5.2 凈化沼氣技術 +人工濕地組合工藝

該技術采用凈化沼氣技術與人工濕地相結合的工藝,其技術流程為：生活污水 -沼氣池 -兼性生物濾池 -人工濕地-達標排放[16],處理后的污水達到《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)的一級標準。該技術特點是無動力、低造價、低運行管理成本和高處理效率,適用于居住較集中的地區。

2.5.3 人工濕地 +穩定塘組合工藝

污水先經過預處理后進入人工濕地,利用植物吸收、微生物降解、填料過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—穩定塘—達標排放,其出水水質達到《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)的一級標準[17]。該技術特點是工藝投資少(建造成本約 60元 /m2))、處理效果好、操作簡單、維護成本低(總運行費用約 0.082元/m3),無需任何電氣設備,但需要配備管理人員,適用于居住較集中的地區。

3 黃陵縣農村污水處理技術選擇

黃陵縣位于延安地區南部,屬渭北高原溝壑區,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氣候,具有春季干燥多風、夏季炎熱且多暴雨、秋季陰雨不斷、冬季干冷漫長的特點。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。

從保護水體功能的角度出發,按照沿水域區和沿非水域區,依據區域特征、污水性質以及各種工藝的適用性等污水分散處理技術。在 1985年,美國就已宣稱消除污染物排入水體,沿水域城鎮按水體功能區劃進行污水排放[18]。就黃陵縣主要水系沮河而言,應按沿水域和非沿水域兩種類型對農村污水分散處理工藝作選擇。

3.1 沿水域區內污水分散處理技術選擇

該區的農戶多數處于川道內,少數處于塬面和溝壑內。根據《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中規定,排入《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水域的污水,執行一級標準;排入Ⅳ、Ⅴ類水域,執行二級標準。根據《黃陵縣沮河水功能區劃報告》,將黃陵縣沮河自子午嶺東坡發源地經雙龍鎮、店頭鎮、黃陵縣城區至縣河口入洛河流長128 km劃為 7個功能區河段,見表 1。

表1 延安市沮河水環境功能區劃

對沮河按功能區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,該流域保護區內國家限制和禁止開發,禁止向源頭水域中排放污水,從子午嶺到柏林莊,該流域保護區內無人居住,因此,無生活污水排放。

2)飲用水一級保護區

流域范圍從柏林莊到上畛子,水質目標為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,對水資源開發利用程度比較低,禁止向該保護區內排放生活污水。

3)飲用水二級保護區

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。水質目標為Ⅲ類,應執行一級排放標準,處于Ⅲ類水域保護區內的農戶,其生活污水排放應達一級排放標準。

(1)上畛子到索洛灣河段分布有農場、林場及較少村莊,目前農戶生活污水基本未經處理排放。由于該流域內的農戶居住分散且較少,經濟條件較差(據統計年鑒資料 2007年農民純收入 3599元),依托政府部分補助采用凈化沼氣技術。

(2)峪村到店頭水廠河段主要分布雙龍煤礦、雙龍鎮、雙龍水廠、黃陵一號礦井、礦業公司、煤矸石電廠、店頭鎮及店頭鎮水廠和沿河的煤礦、選煤廠、村莊。該河段內村莊大多建設為生態村、新農村,農戶居住較集中,經濟較發達。其中,一部分村莊由于被企業占領遷移,其生活污水依托周圍企業集中處理;另一部分主要依靠沼氣池處理,污水不能到達一級排放標準,可在沼氣技術上改進,采用凈化沼氣技術與人工濕地組合工藝,對于有現有水塘的村莊,也可采用人工濕地與穩定塘的組合工藝。

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

4)工業用水區

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。其水質目標為Ⅳ類,執行二級排放標準,處于Ⅳ類水域保護區內的農戶,其生活污水排放應達二級排放標準。

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

(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、南川一號等。該河段內村莊大部分被占領遷移,居住比較集中。目前一部分村莊依托周圍企業集中處理;一部分污水經化糞池簡單處理,可選擇穩定塘、人工濕地相對集中的處理工藝。對于小部分居住分散的農戶可采用厭氧沼氣技術、地下滲濾等分散處理技術。

3.2 非沿水域區內污水分散處理技術選擇

非沿水域區距離自然水體較遠,農戶排放的生活污水不能直接進入水體。雖然該范圍內的農戶排放的生活污水對河流的直接污染影響較小,但對周圍的生態環境影響較大,依據《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)可執行三級標準,需預留二級處理設施的位置,分期達到二級標準,但黃陵縣水資源缺乏,水資源的合理利用十分必要,因此,污水處理最好達到回用要求,以實現水資源可持續利用。

黃陵縣非沿水域區按地形主要分為塬面和塬坡,該區內絕大多數農戶居住于塬面上,塬坡的農戶較少且分散,對于新農村村莊,目前采用了絕大農村沼氣技術,對于非新農村村莊污水基本未處理。

(1)對于新農村的村莊,居住比較集中。一是在已建沼氣池的基礎上進一步改進,采用凈化沼氣技術或凈化沼氣技術與人工濕地相結合的工藝;二是對未建沼氣池的農戶可采用人工濕地、穩定塘技術。

(2)對于非新農村的村莊,可以根據實際情況選擇不同的處理工藝。農戶居住較集中的地區可選擇人工濕地技術;農戶居住較集中且周圍有空閑的池塘的地區可以選擇穩定塘技術;農戶居住比較分散的地區可選擇地下滲濾或厭氧沼氣技術,因地區基本是一家一院獨立居住,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模式,具體可推廣“三位一體”模式、“四位一體”生態模式和“五配套”模式。

4 結論與建議

隨著社會的不斷發展,農村生活污水量隨之增加,農村生活污水對流域地表水的污染已十分嚴重,農村生活污水處理已相當迫切。通過西北地區環境特點及農村生活污水特征分析,得出以下結論與建議：

(1)從自然條件、經濟條件等因素,分析了西北地區農村生活污水處理技術及工藝特點,對西北地區農村生活污水處理方案選擇提供借鑒。

(2)按照沿水域區和非沿水域區劃分,在沿水域區根據水域水功能區劃的水質要求,提出了農戶污水處理工藝選擇方案,為保護地表水環境質量奠定了基礎;對于非沿水域區,農戶污水處理工藝選擇應盡可能達到回用的要求,以實現缺水地區水資源的合理利用。

(3)針對西北地區貧富差距較大、冬季溫度較低等特點,西北地區政府及環保部門可對農村生活污水處理給予適當的引導和資金支持,并配備一定的技術力量,對農戶進行技術培訓。

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