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农村分散生活污水治理技术探讨(一)

来源:本站      点击:121      时间:2021-08-16
据统计,2018年我国乡村常住人口为5亿6401万人,占总人口数的40.42%。尽管农村人口占全国总人口的比例近年来有所下降,但农村水环境污染的问题却日渐严重。我国目前有260多万个自然村和近60万个行政村,每年可产生90多亿m3污水,污水处理率仅有22%左右,相当一部分农村污水直接或不达标排放造成农村水环境严重恶化。随着农民生活水平的提高,农村普遍存在污水排放量递增与污水处理设施建设相对滞后的矛盾。由于农村经济水平较低,住户比较分散,因此,农村污水的处理不适合采用相对高度集中与高能耗的处理方式。要想解决农村的水环境污染问题,就必须从农村污水治理技术的研究入手。
 
1 农村污水处理模式
 
1.1 污水排放规律与污染物特征
 
根据对山东南部乡村的调研,绝大多数自然村生活污水总量小于100 m3/d,污水主要来自于厨卫和洗浴,为间歇性排放,每日排放时段一般集中在三餐前后,其他时段排水量较小或基本不排水。农村污水成分简单,主要为有机物、N、P、病原菌、悬浮物(SS)等,基本不存在有毒物质。不同家庭的污水在相同时段亦表现出巨大的差异性,污染浓度的高低与各家庭的生活习惯、卫生习惯和污水收集系统是否完备等因素密切相关。山东南部某村相邻10户家庭夏季污水的主要污染物浓度如表1所示,采用混合排水系统的家庭化粪池出水污染物浓度较低,采用源分离排水系统的家庭化粪池出水污染物浓度较高。大部分家庭排出的污水和城市生活污水相比,总氮(TN)浓度相对较高,而碳氮比(C/N)相对较低。
 
农村居民相对分散,水质波动较大,污水不便于集中收集,因此,污水处理设施水量规模小,水量变化系数高于城市污水。
 
1.2 污水分散处理与集中处理的选择
 
基于农村污水水质和水量特点以及污水收集的难易程度,污水处理模式可分为集中处理与分散处理两大类,两者的差异
 
仅从处理工艺考虑,集中处理有利于污水水量和水质的均化,污水处理效率高,易于管理,在城市污水处理中多被采用。但农村住户分布较为分散,污水集中收集难度较大,污水处理可能更适合采用较为分散的处理方式。在美国,采用分散式污水处理的住宅比例在20%以上。
 
根据村落规模的大小、住户的集中程度,农村分散污水的处理又可以分别采用大规模分散处理方式(以村庄或片区为单位)和小规模分散处理方式(独立住户或组团住户)。鉴于污水集中处理的优势,应尽量将污水集中,例如,以多户邻近家庭作为一个组团,将污水收集到一起处理,这样既可均化水量和水质,又能降低污水处理设施的总投资和运行维护成本。
 
2 农村排水系统
 
排水系统可分为混合排水系统和源分离排水系统。混合排水系统是将生活中产生的所有污水混合收集和处理的系统,而源分离排水系统则是将粪便和尿液分别单独排放并进行处理的系统。一般意义上的生活污水为人类所有生活起居活动产生的污水,包括灰水、黄水和褐水等。灰水是指来自盥洗间、淋浴、厨房的废水以及洗衣废水;黄水是指尿液或包括尿液在内的冲洗水;褐水是指粪便或包括粪便在内的冲洗水。黄水和褐水的混合污水,即厕所排放的污水,也被称为黑水。
 
2.1 农村厕所形式与特点
 
农村厕所长期以来以旱厕为主要形式,近年来有向水冲厕逐步过渡的趋势。农村原始的旱厕一般是将粪便和尿液混合排放,不与厨卫排水合流,是一种不完全源分离卫生系统。水冲厕卫生系统则需要用大量清水对粪便和尿液进行冲刷,产生的黑水常常与其他生活污水合流排放,这种排水方式在城市排水系统中被广泛采用。
 
目前,很多农村已将旱厕改为水冲厕,这种改变有助于提升农民生活质量,但同时增加了能源和资源的浪费。尿液与粪便量约占到生活污水总量的1.4%~1.8%,这些排泄物在水冲厕中被大量稀释,使得污水排放量大幅增加,大大地增加了处理成本。实际调研发现,水冲厕方式在管网建设不配套、污水处理设施跟不上的农村不发达地区,对环境的污染比旱厕更大。
 
作为一种不完全源分离的排水系统,农村原始旱厕的排泄物通常被住户长期储存熟化后用于农业生产。这种旱厕,尿液和固体排泄物在厕所下方的化粪池混合储存,其中少量尿液会蒸发掉,大部分尿液可撇起用于肥田,另外少量尿液和粪便一起经自然发酵后用于肥田。由于化粪池往往露天,卫生条件较差,而完全源分离排水系统作为一种新兴技术,需要对室内便器进行改造,使干湿排泄物从源头得以分离,尿液与固体排泄物分别密封储存,而后分别处置。从整体来看,这种方式更为环保卫生,且对资源回收更为彻底。源分离厕所的总投资会随着技术进步逐年降低,经济效益从长远来看将有大幅度提升,在经济发达的农村可以酌情采用。
 
2.2 源分离排水系统与资源回收
 
人粪尿是良好的农家肥,在几千年的农耕文明中起到了举足轻重的作用。然而,水冲厕使得粪便中的N、P、K等营养物质流失,从可持续发展的角度来说并不可取。各类生活污水中营养物质的含量如表3所示,其中黄水和褐水中N、P、K的浓度远远超过灰水中的含量。Xu等指出,市政污水中10%的尿液贡献了80%的N和42%的P,但对CODCr的贡献率仅为8%。Ishii等的研究也证实,通常市政污水中流量占比不到1%的尿液贡献了80%的N和超过50%的P。如果将所有厕所废物回用到农业,则有75%~85%的N、P、K可被作为资源而不是环境的潜在污染物。通过技术手段回收这些营养物质,回用于农业生产,将是农村污水处理发展的方向。
 
源分离排水系统不但能够减少冲洗水的用量,达到节水的目的,还可以减少污水排放量,提高污水处理能力,产出的有机肥可以提高粮食安全。日本、德国、美国、瑞典等国家源分离排水系统很早就有工程应用,我国近年来也在不断尝试。德国采用源分离系统的示范工程有吕贝克市(Luebeck)某住宅区和弗赖堡市(Freiburg)某住宅区等。吕贝克市的住宅区源分离生态排水系统利用真空厕所,分别收集黑水和灰水,然后分类处理,降低了污水处理成本,最终可以回收生活污水中60%的N、46%的P和43%的K。比尔与梅琳达·盖茨基金会(Bill & Melinda Gates Foundation)投资数亿元,致力于开发可有效分离并处理尿液与粪便的蓝色分流厕所(blue diversion toilet),并于2018年在北京“新世代厕所”博览会上进行了展示。Larsen等在该基金会的资助下于肯尼亚开展了应用研究,证实将这种基于冲洗水循环回用和肥料回收的卫生系统用于解决城市贫民窟的卫生危机是可行的。北京奥林匹克公园建立了源分离的分质排放、处理和循环利用系统,对收集到的黄水进行贮存、腐熟和肥化处理,最终得到了富有营养、易于分解的有机氮肥。另外,鄂尔多斯市与瑞典合作的生态镇项目也进行了源分离生态排水系统的积极尝试。
 
Malila等指出,在农村应用源分离排水系统,可以比现有污水处理系统多回收4倍的P和30倍以上的N,将对水体富营养化的影响减少到现有污水处理系统的1/5。李建军认为,卫生问题仍然是当前农村污水处理的核心问题,源分离卫生厕所既卫生又生态,建议对农村原生态循环习俗予以保留。源分离排水系统在减少污水排放量、降低污水处理投资和运行成本的同时,通过对粪便和尿液的无害化处理,可实现N、P、K等资源的循环利用,符合农村可持续发展的方向。