遼寧省農村生活污水產污特征及其系數測算研究

劉嵐昕，何 軍，王留鎖，趙鵬雷，史美玲

(遼寧省生態環境保護科技中心，遼寧 沈陽 110061)

農村生活污染是指在村鎮居民日常生活或為日常生活提供服務的活動中產生的生活污水、生活垃圾、人畜糞便和農田廢棄物等污染，是非點源污染的一種類型[1]。農村生活污染具有分布廣且分散、隨機、開放式等特點，農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致江河湖泊富營養化和水環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，生態環境明顯改善，美麗中國建設邁出堅實步伐，但環境保護的結構性、根源性、趨勢性壓力尚未根本解決，環境保護任重而道遠[4-5]。實施鄉村振興戰略是建設美麗中國的關鍵舉措，而準確把握農村生態環保問題是助推鄉村振興的關鍵因素[6]，因此摸清農村生活污水的產污特征，可為掌握農村生活污水產生、排放和處理情況，改善環境質量提供理論依據，對保護“綠水青山”和推動實現鄉村振興戰略具有重要的指導意義[7]。

國內村鎮生活污染特征研究集中于太湖、巢湖、滇池流域和三峽庫區等重點流域。王文林等[8]2010年在太湖流域大浦鎮4個村選擇9戶農戶開展調查，監測生活污水排放量和各種污染物指標，分析了影響污染物排污系數的主導因素。譚平等[9]對巢湖流域農村地區進行調研，分4個季節進行采樣監測，每次連續收集3 d的生活污水，測算了農村生活污水中COD、TN、NH4+-N、TP的產排污系數，提出了適合我國農村地區的污水處理模式，為農村生活污水減排計劃的實施提供理論依據。彭緒亞等[10]選取重慶三峽庫區3個行政區中不同經濟收入水平、有無下水設施的18戶農戶為研究對象，對生活污水日產生量、pH、COD、TP、TN、TAN等指標進行了連續12個月的跟蹤監測，初步掌握了重慶三峽庫區農村生活污水的排放特征及關鍵影響因素。江科等[11]運用GIS空間數據分析技術、最近鄰點指數與實地調查等方法，對三峽庫區龍王溝小流域的農村生活污水排放格局、不同來源的生活污水水質特征進行了研究，為庫區流域農村生活污水的收集治理和整個三峽庫區流域水質的規劃保護提供參考。

目前，關于遼寧省農村生活污水產污特征及其系數測算的研究鮮見報道，已有研究多從治理的角度對農村生活污水排放特征進行分析[12]，對于產污特征和系數測算的研究不足。因此，筆者以遼寧省農村生活污水為研究對象，開展農村生活污水產污特征及其系數測算的研究，以期為全國分區域與流域的農村生活源污染物入河量核算提供基礎數據，并為農村生活污水治理工作提供支撐。

1 研究區概況

研究區位于我國東北平原南部，地處北緯38°43′～43°29′，東經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。該區域屬溫帶大陸性季風氣候區，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]。全省納入監管的農村污水處理設施為224座，總設計處理能力為46萬t·d-1。

2 數據來源與研究方法

2.1 監測點的設置及采樣方法

該研究中農村居民生活污水指農村家庭戶在居家日常生活中所產生的污水，由于監測農戶多使用旱廁，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。影響污水產生和排放的因素主要包括生活用水供水量、經濟發展水平、收入水平、消費水平、生活方式、人口數、地域、季節、氣候和有無下水設施等。由于每個地區居民消費水平、生活方式、氣候等因素相似，研究從沿海、中部平原、東部山區、遼西北丘陵山地農村分層抽取樣本，其中沿海(中部平原)、東部山區、丘陵山地依次代表生活水平高、中、低。結合典型性、代表性和合理性原則，于2018年選取90戶典型農戶為總污水監測對象，按地市、鄉鎮、村、農戶的實測抽樣模式(即3×3×2×5)進行布點(表1)，2019年選取12戶典型農戶為分類污水監測對象進行驗證，同時構建了相應的生活污水樣品收集設施。

表1 布點情況

樣品采集參考HJ/T 91—2002《地表水和污水監測技術規范》和HJ 494—2009《水質采樣技術指導》中的相關規定，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，詳細記錄每日各類生活污水排放量，與此同時，隨機抽取每批樣品的10%作為樣品的平行樣。

2.2 分析方法

各指標分析方法參照文獻[14]進行。其中污水量采用直接容積法測定，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動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)進行測定。各指標在測定過程中同時進行標樣跟蹤、平行雙樣測定，以保證監測結果準確。

2.3 產排污系數界定

污水及污染物產生系數指農村家庭戶在居家生活中日均每人產生的生活污水量及污染物量。通過調查相應的農戶人數、用水量和生活習慣，監測污染物的實測濃度，確定其人均污水量和主要污染物產生系數。

每日人均生活污水量計算公式為

Qc=Wc/(n×N)。

(1)

式(1)中，Qc為每人每日污水產生量，L·人-1·d-1；Wc為農戶生活污水產生量的監測值，m3·d-1；n為對應于日的系數，取值1；N為農戶常住人口數調查值。

水污染物產生量計算公式為

Gi=k×Q×Ci。

(2)

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

人均產污系數計算公式為

Fi=Gi/(0.365N)×103。

(3)

式(3)中，Fi為廢水中污染物i的產生系數，g·人-1·d-1。

3 結果與討論

3.1 產污特征分析

3.1.1水質特征

從表2可知，人均日產污水量及COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動植物油濃度變化幅度較大，變異系數均高于50%，這表明污水水質指標隨地域、季節、氣候及農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，人均日產污水量及COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動植物油濃度均不服從正態分布。據其分布形態，分別進行自然對數變換。

表2 90戶對象農戶生活污水監測指標統計

對數據轉化前后的分布形態進行Kolmogorov-Smirnov檢驗，由表3可知，總生活污水的各監測指標濃度數據經自然對數變換后符合正態分布，故用幾何平均數代表各監測指標濃度的平均水平，農村總人均日產污水量為21.81 L·人-1·d-1，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動植物油平均質量濃度分別為788.22、385.61、3.19、20.15、3.04和7.56 mg·L-1。

表3 90戶對象農戶生活污水各監測指標對數轉換后的K-S檢驗結果

根據文獻[15]可知，研究區農村生活污水人均日產生量、NH3-N濃度低于技術指南中北方村莊居民水質標準，COD濃度高于技術指南中北方村莊居民水質標準。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生的沖廁水，同時監測時間集中在9—11月，處于農忙季節，用水量相對偏少；其二是部分農村地區并沒有給水管網和排水收集系統，導致農戶產生的污染物濃度變化較大。

3.1.2污水特性影響因素分析

農村生活污水產污特性的影響因素主要包括地域、季節、農戶收入水平、有無下水設施等，為明晰各因素的具體作用，以地域為隨機因素，季節、農戶收入水平、有無下水設施為固定因素，利用SPSS軟件的一般線性模型對轉換后符合正態分布的數據進行分析。

由表4可知，各監測指標在地域上具有顯著的統計學意義(P<0.05)，這說明農村生活污水各監測指標存在變異的監測點位，同一地域內的農戶由于所處環境、生活方式、生活用水量、自然屬性相似，而導致生活污水及各類污染物的含量具有一定的相似性。結合隨機效應和固定效應，以顯著水平為依據，分析發現人均日產污水量和NH3-N濃度的主要影響因素為地域和季節，這是由于部分地區受供水和農忙季節的影響較大；COD、BOD5、TN、TP濃度的主要影響因素為地域和收入水平，動植物油濃度的主要影響因素為地域、收入水平和季節，這表明遼寧省農村生活污水各指標的主要影響因素為地域和收入水平。

表4 農村生活污水特性影響因素的一般線性模型分析結果

3.1.3污水各特征指標相關性分析

不同地域農村生活污水的組成表現出不一致性，為探析農村生活污水產污特性各指標的相關性，針對轉換后符合正態分布的數據，計算各污染物的Spearman相關系數。由表5可知，農村生活污水人均日產生量與NH3-N、TN、TP濃度之間存在負相關性，即人均日產污水量越大，污水的NH3-N、TN、TP濃度越低；人均污水日產量與污水的動植物油濃度呈顯著正相關，可能是由于生活污水主要來源于農戶的餐廚污水；而人均日產污水量與污水的COD、BOD5濃度相關性不顯著，其原因是污水含有較少的有機質，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，有機質含量較少。COD、BOD5、NH3-N、TN、TP濃度之間具有顯著正相關性，其濃度大小由農戶的消費水平和生活方式等因素共同決定。

表5 農村生活污水各特征指標的Spearman相關系數

3.2 生活污水產污系數的測算

根據污水特性影響因素分析可知，遼寧省農村生活污水各指標主要影響因素為地域和收入水平，故對高、中、低收入水平下農戶生活污水產污系數進行方差分析。結果表明，收入水平對農戶總生活污水中COD、BOD5產污系數無顯著影響(P>0.05)，但對人均日產污水量影響顯著(P<0.05)，對NH3-N、TN、TP、動植物油產污系數影響極顯著(P<0.01)。人均日產污水量表現為高收入農戶>中收入農戶>低收入農戶，NH3-N、TP產污系數表現為高收入農戶>低收入農戶>中收入農戶，TN產污系數表現為低收入農戶>高收入農戶>中收入農戶，動植物油產污系數表現為中收入農戶>低收入農戶>高收入農戶。可見收入水平對農戶總生活污水中各類污染物產污系數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污水量大小順序表現為中收入>高收入>低收入，而清潔污水的人均日產污水量表現為高收入>中收入>低收入。這是因為農戶人均日產污水量的變化差異由農戶的消費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產污系數并無顯著影響(P>0.05)，對洗衣、廚房、洗漱污水的COD產污系數影響顯著(P<0.05)，表現為中收入農戶>高收入農戶>低收入農戶；對清潔、洗漱、洗澡污水的BOD5產污系數并無顯著影響(P>0.05)，對洗衣、廚房污水的BOD5產污系數影響顯著(P<0.05)，表現為中收入農戶>高收入農戶>低收入農戶。

這是由于農戶生活水平的提高，導致廚房與洗漱、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、動植物油、各種佐料和洗滌劑等物質，對COD以及BOD5貢獻率較大。收入水平對廚房、洗漱污水的NH3-N、TN產污系數無顯著影響(P>0.05)，對洗澡、清潔、洗衣污水的產污系數影響顯著(P<0.05)，其中洗澡污水表現為中收入農戶>高收入農戶>低收入農戶，而清潔污水表現為高收入農戶>中收入農戶>低收入農戶。收入水平對廚房、洗漱、洗衣、洗澡污水的TP產污系數并無顯著影響(P>0.05)，對清潔污水產污系數影響顯著(P<0.05)，表現為高收入農戶>低收入農戶>中收入農戶。其原因是隨著農戶生活水平的提高，洗浴以及清潔用水量增加，富含氮磷的洗潔精、沐浴露以及洗發露等物質對NH3-N、TN以及TP貢獻率較大。

將生活污水各指標的產污系數按收入水平劃分，取3個收入水平的算術平均值作為統一值，與其他區域的農村生活污水產污系數進行比較，結果見表6。相較于巢湖流域[16]，遼寧省的農村生活污水產生量、TN產污系數與之接近，COD、TP的產污系數偏高；相對于太湖流域[8]，遼寧省人均日產污水量及TN、NH3-N、TP產污系數低于太湖流域，COD產污系數高于太湖流域。

表6 不同收入水平農戶生活污水產污系數測算結果

筆者現場調查表明，盤錦市、沈北新區、撫順市的農村生活污水排入滲水井，北鎮市、朝陽市的農村生活污水直排戶外，生活污水并未產生地表徑流。但筆者認為研究區農戶產生的污染物可通過降雨沖刷產生面源污染，同時對地下水產生影響。尚需更多樣本，對農戶產生污染物在環境中的輸移、轉化進行系統量化研究，以期精確測算農村生活污水對遼河流域的污染負荷。

4 結論

(1)通過對遼寧省5個地市不同經濟收入水平的農戶生活源污水排放情況進行跟蹤監測，初步掌握了遼寧省農村生活污水的排放特征：生活污水人均日產量為21.81 L·人-1·d-1，COD、BOD5、NH3-N、TN、TP、動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)遼寧省農村生活污水人均日產量、NH3-N濃度的主要影響因素為地域和季節，COD、BOD5、TN、TP濃度的主要影響因素為地域和收入水平，動植物油濃度的主要影響因素為地域、收入水平和季節。

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