西北黃土溝壑區農村生活污水治理模式探討

孫靖越，張莉紅，張 琦，李 杰*，王亞娥，魏東洋，謝慧娜

(1. 蘭州交通大學 環境與市政工程學院，蘭州 730070；2. 華南環境科學研究所，廣州 510530)

我國農村生活污水產生量為83.51億～125.26億立方米,對生活污水進行處理的行政村比例為20%[1].隨著我國農村脫貧攻堅、全面建成小康社會戰略的實施，我國開展了大規模的縣域農村生活污水處理規劃與治理工作.甘肅規劃要求在十年內有效管控農村生活污水.我國西北地區農村經濟條件差、地廣人稀、干旱少雨、土地貧瘠[2]，農村生活污水既是污染源，又是很好的農肥資源.遵照中央農辦等九部門2019年7月聯合印發的《關于推進農村生活污水治理的指導意見》(簡稱《指導意見》)精神，根據西北農村實際情況，合理進行生活污水治理，成為能否按期達到規劃目標的重要環節.

農村生活污水治理具有顯著的地域特征，與地方的經濟社會發展、生活習慣、自然條件、基礎設施等因素密切相關.目前西北農村污水處理存在的主要問題，一是由于國家沒有一個統一明確的排放標準，給治理工作造成了一定的盲目性[3]；二是在污水資源化與處理之間缺乏統一認識，導致黑水與灰水處理思路混亂[4]；三是對農村生活污水水質水量特征不夠清晰，致使處理工程上馬后絕大多數不能正常運行[5]；四是農村生活污水處理技術設備不成熟，造成運行成本過高而影響設備的正常運轉[6]；五是相關的技術人員缺乏、管理體系不夠完善，增加了整體工作的不協調性與目標的欠達性[7].

針對西北農村生活污水治理過程中存在的問題，黃子雍[8]提出村落集中處理模式適合于西北黃土溝壑地區農村生活污水處理.但是，對于居住分散，污水不易集中收集、輸送管網建設費用較高、經濟條件差的村莊，該模式有所限制.鄧輝清[9]認為西北地區雖然經濟水平較低、人口稀疏、基礎設施不完善、污水收集困難，大部分村莊不具備建設集中的污水處理設施，但是氣候干燥污水蒸發量大，農村污水也是很值得利用的水資源，可以通過將污水的無害化處理與高效農業灌溉整合起來，進行綠化或農作物灌溉，資源化利用污水.同樣地，姚晉雄[10]鼓勵采用糞便與生活雜排水分離的新型生態治理模式，實現資源化利用.

本文借助于課題組前期城市居民家庭生活污染源調查中的基礎數據，結合農村實際，分析了西北黃土溝壑區農村污水的特點；并結合實際經驗，總結了工程設計與運行中值得注意的問題，最后提出了合理使用集中處理，改廁技術優先、資源化利用為主、環境保護為終極目標的農村污水治理模式，為西北農村生活污水治理提供參考.

1 模式的作用與意義

農村生活污水中的特征污染物主要來源于居民生活活動產生的黑水和灰水.廁所的排泄物及其沖洗水是黑水的主要成分.灰水主要來源于洗、浴、廚房排水等含污染物含量較低的生活污水.習慣上農村生活污水處理是指將黑水與灰水混合收集，集中處理，而對于大多數的不能將黑水與灰水全部收集得村莊，無法進行污水處理.按照規劃編制要求與《指導意見》精神，關于農村生活污水處理概念上要從傳統意義上的“能集中收集的農村生活污水處理”已經擴大到“農村生活污水全部治理”，內容上從“一部分”已經轉向“全部”，技術上從片面強調“適宜于農村生活污水處理的技術”擴大到“適宜于農村生活污水整體治理的思路與技術，而這種思路與技術就是“農村生活污水治理模式”.所以筆者認為治理模式不僅代表了對農村生活污水治理的環保思路與具體做法，也會影響到具體工程的投資、成效與進度.所以農村生活污水治理的核心是依據不同地區的實際情況，制定與之適宜的治理模式.

2 城市典型生活小區居民污染物特征分析

摸清農村生活污水水量水質特征是治理模式確定的基礎.農村生活污水受地域、地形條件、氣候、生活習慣與各家情況差異等眾多因素影響[11-12]，很難監測到具有代表性的數據，但各主要環節(尤其是上廁所)所排放的污染物總量相差不是太懸殊.本文以西北城市穩定的居民小區為對象進行相關數據監測，以此作參比，分析農村生活污水特征.

課題組前期對蘭州市七里河區蘭州石化機械設計研究所家屬小區5個家庭中17位家庭成員(其中老年人3人，幼童3人，其余11人為中年人)的飲食、排泄、洗滌等生活環節產污全過程分季節進行了監測，該小區使用獨立的生活污水排放系統.

1) 家庭生活日排水量分配見圖1.盡管家庭排水量占比一年四季不同，但總體來說，排水量最大的是沖廁水(年均值為41.0%).相比而言，對于有水沖式廁所的新農村家庭，由于拖地、洗衣水、洗浴水要比城市居民的小，黑水的比例可接近總水量的一半(見圖2).

圖1 家庭生活日排水量分配Fig.1 Domestic daily displacement distribution

圖2 特征污染物污染源貢獻率Fig.2 Contribution rate of characteristic pollutants

2) 從圖2所示的特征污染物來源占比來看，黑水(大小便)是有機物、氮磷的主要貢獻者(COD、BOD的貢獻率分別達到58.6%和57.2%，NH3-N、TN、TP的貢獻率分別達到83.6%和80.4%和69.2%)，由于城市與農村生活污水黑水中污染物含量差異不大，由此可知農村生活污水中治理中首先要搞好黑水治理.

分別對這6位老年(53～70歲)和幼年(7～13歲)所產生的黑水水質進行監測，結果如表1所列.

從表1可見老年人產生的各污染指標略高于人均日產污染物負荷，小孩產生的各污染指標略低于人均日產污染物負荷，但總體相差不大.由此推斷農村大人外出打工、家里只剩老人小孩的時候，生活污水污染負荷的降低主要是由于家庭人員減少造成的.

3) 化糞池對污水中污染物有比較高的去除率.不同季節化糞池對污染物的去除能力有所不同，CODCr、BOD5、總氮、氨氮、總磷、動植物油的年均去除率分別可以達到83.6%、51.1%、68.2%、1%、64.3%和75.6%，同時會使B/C值大幅提高[13].由此可見，化糞池在農村生活污水治理中也能成為一個高效的處理構筑物.

3 西北溝壑區農村生活污水治理模式

1) 模式Ⅰ——村域收集集中處理

對于西北地區布局相對密集、人口規模較大的村鎮，以村或自然村為收集單位，建設排水管網和小型污水處理站統一處理.該模式直接運行費用較“分散處理”少50%[14]，主要適用于周圍水體對污水排放的標準要求很高、甚至不允許污水排出的環境敏感點附近的村莊.出水執行國家標準或者甘肅省地方標準《農村生活處理設施水污染物排放標準》(DB 62/T 4014-2019).

糞渣(污泥)的處理主要有三種模式：第一種是農戶自行收集-高溫堆肥-用于房前屋后果蔬種植、林木綠化、肥土或改良土壤等；第二種是用吸糞車收運-高溫堆肥-用于規模化種植如苗木培育、林果種植、有機農作物種植等(該模式甘肅農村多用)；第三種是吸糞車收運到有機肥生產企業制作有機肥銷售.

表1 老年(53～70歲)和幼年(7～13歲)兩年齡段產生黑水水質比較

2) 模式Ⅱ——單戶、聯戶分散治理

對于居住分散、地形條件復雜、污水不易集中收集的村莊，農戶污水進行聯戶或獨戶收集后單獨處理.以我國西北地區的甘肅省為例，相鄰住戶聯合或者獨戶修建三格式化糞池，一般情況下化糞池出水應滿足《農村生活處理設施水污染物排放標準》(DB 62/T 4014-2019)的要求，可采用資源化利用方式，農戶自行取用，用于庭院綠化、農田灌溉等消納吸收利用，必要時也可以建設植物隔離帶或人工濕地等近自然處理系統，達到進一步利用與凈化的目的.糞渣(污泥)處理模式同第一種處理模式.相比于污水直排，有報道稱[15]該模式有機物污染量降低25%以上，對于總氮和總磷的削減分別提高50%和40%.對于西北農村，該模式的污染物治理率更高，更適合于農村應用.

3) 模式Ⅲ——資源化利用

針對偏遠、人口密度小、人口少、遠離環境敏感地域、傳統上采用旱廁的村莊，修建衛生廁所，糞渣(污泥)處理模式同第一種處理模式.灰水不得進入化糞池，可通過管道、溝渠等接入人工濕地等近自然處理系統消納吸收.該模式將黑水與灰水在源頭分離后，后續加以處理利用、資源回收，充分做到節約水資源和降低能耗，對水資源短缺的西北地區農村生活污水治理具有重大意義.

4) 模式Ⅳ——集中納管入廠處理

針對市政排水管網能到達的村莊，完善村內雨污分流管網建設工作，將污水引入城鎮污水處理廠進行集中處理(這種方式稱為納管).每戶修建三格式化糞池，出水進入城鎮污水處理廠進行集中處理.糞渣(污泥)處理模式同第一種處理模式.該處理模式最為理想，處理效果好且有保障，具有投資省、施工周期短、見效快、統一管理方便等特點.該模式適用于距離市政污水管網較近且符合市政管網接入要求的村莊，在我國西北黃土溝壑區部分農村地區具有一定的局限.

4 模式的選用及其注意事項

要全面治理農村生活污水，每個村都采用傳統全收集全處理的方法困難很大.首先西北地區地方財政無法支撐；其次西北地區地廣人稀、土地貧瘠，若能將農村生活污水中有用的成分還田，對改善土壤結構、增產增收大有益處；還有采用回歸自然的處置方式，還可節省大量的處理費用；最后還可解決農村污水處理技術人員缺乏的矛盾.所以西北黃土溝壑區農村生活污水治理的核心是正確處理資源化利用模式與集中處理模式之間的關系.

1) 合理使用集中處理模式

調查發現，已經建成的農村污水處理工程(屬模式Ⅰ)，處于“曬太陽”狀態的居多.原因一是絕大多數農民外出打工，污水排量太小導致設備無法正常運行；二是設備運行費用太高，地方政府無力承擔；三是設計缺陷(如原水調節不夠)、管網不完善(大量泥土混入污水管網)、技術人員短缺等其他原因.針對上述問題，解決的方法主要是：

① 慎建模式Ⅰ處理工程，條件許可的情況下多用模式Ⅳ.這樣做雖然前期費用可能稍大點，但可以保證污水處理設施的正常運行，且運行費用省.有技術指導資料[16]推薦相鄰村相距小于5 km時可以合建污水處理設施，但西北黃土溝壑區地形復雜，故不能一概而論，同時還要充分考慮村莊的發展前景與規劃.西北黃土溝壑區規模大的村莊往往在川道河流沿岸，采用模式Ⅳ有先天條件.

② 合理確定處理水量與水質.合理的處理水量與水質是污水處理設施正常運行的保障.甘肅省環科院組織人員對全省4個不同片區的農村生活污水進行調查，得出人均排水量為35 L/人·d，據此結合本文表1中人均污染物日排放量、考慮化糞池去除率后，可以推算出農村生活污水年均值，處于《甘肅省農村生活污水治理技術指南》(試行)推薦值表4.3中的中上水平，說明農村人均污染物排放量要比城市稍低.

③ 合理解決水量變化的影響.農村勞務人員外出造成了農村生活污水日變化系數的巨大變化，村民生活習慣的高度一致性，造成了中午和晚上兩個時間段出現生活污水排放峰值，導致污水時變化系數大增.為解決水質和水量的不均勻性產生的問題，可在農村生活污水處理設施前設立可以調節1天以上水量的調節池.考慮到平時污水量少、春節前后水量大增的情況，筆者認為調節池的規模可以更大一點.同時處理設施采用多格并聯(水量小時可交替運行)、增加填料強化生化處理單元的抗沖擊負荷能力、采用處理能力強的處理工藝，也是設計中注意的重點問題.例如低負荷人工濕地具有耐沖擊負荷能力強、處理量靈活的優勢，既保證出水水質達標又防止出現資源浪費的現象.

④ 選用高效且運行成本低的污水處理工藝[17].由于北方地區冬季氣溫較低，相較于南方地區可選用的農村生活污水處理工藝類型較少[18-19].西北地廣人稀，結合生態技術的潛流式人工濕地是較適宜于農村生活污水處理的一種技術.一般而言，植物能夠提高10%～20%的氮去除效率，同時濕地植物具有保溫和生態景觀功能[20].對于普遍關心的冬季溫度過低影響污水達標排放的情況,可增加草鋪覆蓋或者太陽能加熱等保溫措施.海熱提等[21]通過特殊活性人工介質的選用和一定的隔離保溫措施,使兩級潛流人工濕地系統能在高寒地區高效運行.人工濕地在溫度比較低的愛沙尼亞[20]、加拿大[22-23]等國家被用來處理生活污水,與其他季節相比，冬季的表現并沒有降低.這說明人工濕地在西北同樣可以在冬季使用.

⑤ 農村生活污水收集管網往往不夠完善，垃圾與泥土會混入生活污水，夏季大雨過后，大量的泥土很容易破壞微生物活性使污水處理系統崩潰.在污水處理設施前設計多道沉砂池很有必要.甘肅鎮原縣某農村生活污水處理站為解決進水泥土量大的問題，連設七道沉淀池后，才徹底解決該問題.

2) 普及使用資源化模式

模式Ⅱ、Ⅲ的最大特點是使污染物資源化利用，這不僅符合環保基本理念，也符合西北黃土溝壑區農村自然條件，投資成本便宜，與當地經濟發展情況相適應.該地區大多數農村，分散分布于大山之上，傳統上全采用旱廁，產生的污水(主要為灰水)流出后，也會由于干燥氣候的蒸發與土壤吸收，流經一段距離后消失.結果是村內街道灰水夾雜著雨水亂流，村外收集不到污水.

① 目前國家實施的農村改廁有水沖式與衛生旱廁兩類，在水源充足的地區，應該提倡水沖式廁所，但要注意冬季給水系統保溫.出水經過化糞池處理后，抽吸還田資源化利用.嚴重缺水地區采用衛生旱廁(具體分為尿糞混合與分離式)的農戶，尿液與糞渣經過厭氧處理后，均可還田資源化利用.上述情況下農戶家庭排出的灰水，要提倡修建房前屋后的土地處理系統進行處理，避免倒入雨水收集排放系統.

② 強化化糞池處理功能.由前面可知，化糞池對污染物的處理效率很高，所以建議采用處理效果好的化糞池.化糞池設計使用過程中，最主要的問題是防臭、防滲漏以及易清掏等[24].由于傳統化糞池易滲漏，王雪峰等[25]將原有化糞池進行改造，加強防滲的基礎上在最后一格上部布置200 mm高的建筑原料,易于日后更換.有研究通過對傳統化糞池改良進行預處理，化學和生物需氧量去除率大有提高[24].

當采用化糞池對生活污水進行預處理時，要考慮凍土層對化糞池的影響，化糞池的最小覆土深度不得小于凍土層深度，對于不能滿足最小覆土深度的管道要采取保溫處理，避免管道在低溫下被破壞導致收集系統癱瘓[26].

③ 水沖式化糞池沉淀后(三格式化糞池本身兼具沉淀池功能)的上清液建議先后進入一級人工濕地和二級人工濕地用作綠化、灌溉等資源化利用，為避免黑臭水體出現，化糞池出水不提倡溢流至附近坑塘.

④ 建立在資源化利用基礎上的農村改廁行動，是有效解決農村生活污水治理的主要途徑[27]，解決問題的關鍵是便于實際使用的低成本廁所技術與產品的研發，以及農戶環保意識的提高.

3) 總體來說，西北地區地廣人稀，土地貧瘠，資源化利用與近自然處理是首選模式，只有在有可能影響飲用水源保護區、或者自然保護區、風景名勝區等環境敏感點的村莊，才可根據實際需要進行污水的集中處理.這也是在有限財力下實現十年內農村生活污水達到管控目標基礎保障.

5 西北黃土溝壑區典型代表縣域農村污水規劃中模式選用結果與投資

秦安縣位于甘肅省東南部，渭河支流葫蘆河下游.縣域內海拔在1 120～2 230 m之間.2020年，縣域常住人口53萬，2018年全縣實現地區生產總值561 125萬元，屬西北黃土溝壑區典型代表縣.《秦安縣農村生活污水處理規劃規劃(2020-2030)》中，不同治理模式的戶均、人均投資見表2.從表2可見，戶均投資大小順序為模式Ⅰ>模式Ⅳ>模式Ⅱ>模式Ⅲ，而采用廁所改造突出資源化利用模式Ⅱ、Ⅲ村莊的比例接近70%.盡管如此，投資遠高于秦安縣財政的承擔能力，充分說明西北地區農村生活污水治理工作面臨的實際問題還是比較嚴重.

表2 秦安縣農村生活污水不同治理模式的投資估算

6 小結

1) 西北地區農村經濟條件差、地廣人稀、干旱少雨、土地貧瘠.農村生活污水是污染源也是農肥資源，合理使用集中納管與村域收集處理模式，大力推廣單戶/聯戶分散式處理與衛生廁所改造的資源化利用模式的治理思路比較適合西北黃土溝壑區的實際情況，也是西北地區在有限財力下實現十年內農村生活污水達到管控目標的基礎保障.

2) 農村污水處理過程中，要合理確定處理水量與水質、并考慮水量變化的影響；完善污水收集管網，防止垃圾與泥土混入；高效且運行成本低的污水處理工藝是污水治理穩定運行的基礎條件.

3) 甘肅中東部黃土溝壑區農村生活污水治理可分為收集到城鎮污水處理廠或者村級污水處理站的集中處理模式和廁所革命(水沖廁所或者衛生廁所)資源化利用處理模式.鑒于農村污水變化系數大與技術條件限制，盡量建大的鄉鎮污水處理廠、少建村級污水處理站，大力推廣資源化利用處理模式.

4) 建立在資源化利用基礎上的農村改廁行動，是有效解決農村生活污水治理的主要途徑，解決問題的關鍵是便于實際使用的低成本廁所技術與產品的研發，以及農戶環保意識的提高.