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王洪臣:探索农村污水治理的中国之路!

来源:给水排水 作者:王洪臣 人气: 发布时间:2018-05-07

中国人民大学环境学院王洪臣教授

目前,我国农村污水治理还未全面展开,农村污水处理率在个位数。污水治理不好,农村卫生状况就无法改善,水污染治理总体目标也难以实现。过去的二十多年,中国城市污水治理循着发达国家的路径快速推进,虽有不足,但成效卓著。早在半个世纪前,发达国家就已完成了城市化进程,没有中国这样的农村。发达国家部分人口分散居住在城郊,污水进行分散治理,但污水分散治理不同于农村污水治理。总体而言,西方没有系统的农村污水治理经验可供借鉴,中国需要基于国情探索自己的农村污水治理之路。

宏观层面,首先需要把握中国农村污水治理的三个特点,也是难点。一是量大,几亿人口分布在200多万个自然村,是个庞大的系统工程。二是地区差异大,各地气候、地貌、文化以及经济状况千差万别,直接间接都会影响到污水治理效果。三是不可能大量投入,每个自然村投入100万元建设费用、每年支出10万元运行费用,全国总建设费用就是2万亿,每年运行费用就是2千亿,这是不现实的。我国需要在把握这三个特点的前提下谨慎展开农村污水治理设施的规划、建设与管理,并不断总结完善,最终探索出一条正确的农村污水治理路径。

1、农村污水治理设施规划

农村污水治理设施规划包括户内收集模式与建设布局两个问题。

1.1农村污水户内收集模式

户内收集模式与厕所改造紧密相关。第一种是旱厕模式。最初,农村厕所普遍是旱厕,清掏的粪尿直接还田,生活杂排的灰水泼在院内直接渗入地下,污水不出户,也不出村。这一原生态模式持续了千百年,虽然受到一些专家的推崇,但卫生状况差,污染地下水,应该在新农村建设中逐步予以治理。第二种是节水厕所模式。所谓节水厕所,就是在旱厕上设置水冲装置,用少量水将粪尿冲到化粪池,再用抽粪车定期将化粪池存储的粪尿抽取还田。这种模式的关键是控制冲厕用水量,否则化粪池需要做大或抽粪车频繁抽取。采用这种模式,好处是不需要专门建设污水收集处理设施,投资低,有一定的治理效果,但卫生状况仍未根本改善。第三种是卫生厕所模式,采用与城市一样的抽水马桶。这种模式将根本上改变农村的卫生状况,但污水量也大了,化粪池存储容量不足,必须建设污水收集处理设施,同时将灰水一并纳入处理。抽水马桶被公认为人类最伟大发明之一,早在1848年英国议会通过的“公共卫生法令”就规定,凡新建房屋住宅,必须辟有厕所并安装抽水马桶。当今世界上已将抽水马桶普及程度作为卫生状况的重要指标,在新农村建设中,普及抽水马桶、实现卫生改厕,是一个必然的方向。不同的发展状况下可采用不同的模式,但户内实现黑水、黄水、灰水统一收集处理应是最终标准模式。

1.2农村污水治理设施建设布局

建设布局包括原位、小集中和大集中三种,具体取决于居住密度、村庄规模以及地形地貌等因素。原位是指每户单独建设处理装置,污水就地处理;小集中是将几户、十几户或几十户的污水收集起来,建设处理设施就近处理,每村可能建设多座设施;大集中是将全村污水统一收集进行集中处理。采用哪种布局是个技术经济问题。发达国家城近郊区人口居住密度很低,每户之间相隔几十米,采用原位治理最经济。美国25%的人口居住在城近郊区,约2 000万个家庭采用原位治理方式,全国小集中或集中处理设施只有约10 000座。日本约800万个家庭采用原位治理方式,全国小集中或集中处理设施只有约3 600座。原位治理节约了收集管网的投资,但增加了处理设施的管理难度。我国农村居住集中,户与户之间普遍一墙相隔或相距很近,较易集中收集,没有必要采用原位治理方式。规模较大的村庄,可分成若干片区,每片采用小集中;规模较小的村庄,可直接采用大集中。山区或丘陵地区,当建设收集管网难度较大时,可视情况采用原位治理。

2、农村污水治理设施建设

农村污水治理设施建设包括排水体制、处理工艺选择与排放标准等问题。

2.1农村排水体制及小口径污水收集

农村地区排水体制应采用分流制。在农村地区,污水量比雨水量小很多,且雨水常采用明渠或盖板暗渠排除,如采用合流制,污水在沟渠内没有流速,雨水沟渠成了停留时间很长的沉淀池,沉下的污泥厌氧发臭。当雨水沟渠建设标准较低时,还将导致污水下渗。另外,农村地区污水收集应采用小口径收集系统。 现在建设的一些农村污水收集管网仍采用城市排水设计规范,管径过大、坡度过小,使污水管道变成了沉淀池。小口径收集系统是一套技术体系,既有措施防止堵塞,又使管径大大降低,在保证收集功能前提下节约了投资。

2.2农村污水处理工艺选择

农村污水处理工艺选择应遵循三个基本原则。

第一个原则是选择抗冲击负荷能力强的工艺。自然村的日污水量通常在100 m3以下,这么少的水量主要分布在早、中、晚三个高峰时段产生,日变化系数高达5~10。污水量季节变化也很明显,冬季污水量远低于夏季,随着污水量变化,污水浓度变化也很大。水量水质大幅度变化的特点,决定了农村污水治理应首先选择生物膜法等固着类生物处理工艺,不宜采用活性污泥法等悬浮类工艺。对于活性污泥系统,污水量太小会由于过曝气导致污泥解体,污水量太大则会直接导致污泥冲刷,两种情况都将造成系统崩溃。如果采用大调节池匀和水量水质,则必需设置机械搅拌防止悬浮物沉积,建设及运行费用都将大大增加。

第二个原则是选择运行维护简单的工艺。运行维护简单可定义为“免操作、低维护”,所谓“免操作”就是不需要设专人经常性进行工艺检测或调节,为农村处理站配备足量懂工艺的专业人员,即使在发达地区,目前也不存在普遍可行性,可以设专人定期巡视但无法经常性操作。生物膜法可以实现免操作,传统活性污泥系统则需要经常性基于污泥性能及时调节曝气量、回流比和排泥量等工况参数。日本把生物膜法叫“设施依赖型”工艺,意思是该工艺主要依赖设施运行,把活性污泥法叫“运行依赖型”工艺,意思是该工艺对运行要求较高。所谓“低维护”就是维护量少且维护难度低,如果工艺中采用了鼓风曝气,维护难度就必然加大。曝气头堵塞了,曝气效率降低,充氧量降低,就必须清洗或清理,曝气头破损了,则必须停产更换,无论是清洗还是更换,都是一件很麻烦的事情,都不属于低维护工艺。生物膜法可以“抗冲击、免操作”,可否不设鼓风曝气,进一步满足“低维护”要求呢?事实上,传统的生物滴滤池、生物塔滤池以及生物转盘就是这类工艺,西方国家目前仍有一大批小型污水处理设施采用这些工艺。应该关注的是,这类非鼓风曝气的传统生物膜工艺出水水质较差,技术上存在通过结构优化提升水质的潜力。尚川水务对传统生物滴滤池的优化,桑德环境对传统生物转盘的优化,都大大提升了水质,取得了较好的效果。

第三个原则是选择能耗低的工艺。农村污水处理设施规模小,单位能耗必然高,如果再采用高能耗工艺,数量庞大的农村污水处理设施将造成大量能源消耗。对污水处理能耗影响最大的是曝气环节,城市污水处理普遍采用鼓风曝气,单位电耗在0.2~0.3 kW?h/m3,如果农村污水处理也采用鼓风曝气,单位电耗将高达1.0~1.5 kW?h/m3,未来总电耗也将远高于城市污水处理,这种情景显然不具现实可行性。农村污水处理采用鼓风曝气,为什么单位电耗就大大升高?这是由于农村污水处理规模小,曝气池很浅,曝气效率很低,满足同样供氧量需要更多的曝气量,而城市污水处理曝气池水深可达6 m以上,曝气效率很高。另外,规模很小的农村污水处理设施只能采用机械效率很低的容积式气泵,而城市污水处理通常采用机械效率很高的单级高速离心式鼓风机。发达国家城近郊区的分散污水治理领域,日本以户为单位的原位治理几乎都采用鼓风曝气净化槽,能耗很高,成为一个负担;美国原位治理则普遍采用OWTS系统(化粪池串联土壤渗滤),能耗很低;日美分散领域的集中处理设施数量总体不多,美国10 000座,日本3 600座,虽以鼓风曝气为主,但总体能耗可承受,而中国农村污水集中处理设施全部建成后将多达200万座,如采用以鼓风曝气为主的高能耗工艺,电耗将成为一个难以克服的巨大负担。基于以上关于能耗的分析,采用自然曝气的低能耗工艺在中国农村污水处理领域似乎更具优势。

2.3科学制定农村污水处理排放标准

科学制定排放标准,有利于合理选择工艺。排放标准中的水质指标可主要分成三类:耗氧类指标、无机营养指标和卫生学指标。耗氧物质指标包括COD或BOD等有机污染指标和氨氮,这些指标运行上可不依赖水质监测,即使要求严格,标准可达性也很强,且过运行不存在负效应,为追求高标准而采取的过度曝气对环境无害。无机营养指标和卫生学指标运行上依赖水质监测,而农村污水处理不可能具备日常水质监测条件,加之运行上的“免操作”,即使设计了针对这些指标的功能单元,实际可达性也很差。另外,化学除磷和消毒等单元的过运行存在负效应,除磷药剂和消毒药剂的过量投加对环境有害。基于上述分析,农村污水处理排放标准应主要针对耗氧物质,重点治理卫生和黑臭问题。事实上,西方国家的分散污水治理,一般不要求脱氮除磷,明确要求消毒的也不多见。

2.4关于农村污水的生态处理

生态处理通常包括人工湿地和生物塘。目前,业内对生态处理存在误区,认为生态处理投资低、运行管理简单、处理效果好,给生态处理赋予了过多的功能,把一个深度处理单元当成了全流程工艺,直接处理原污水。以人工湿地为例,投资低其实是由于人为提高了水力负荷和污染物负荷,国内一些技术规范或手册提出的设计负荷比国外规范高出数倍甚至十倍,占地小了,投资低了,效果也变差了,运行时间不长即被严重堵塞。如果保证处理效果,根据降解机理客观确定设计负荷,则占地很大,绝大部分村庄无法满足。另外,人工湿地运行管理并不简单,除了定期更换滤料,它对配水均匀还有严格要求。总之,在土地资源丰富的地区,生态处理可作为生物处理之后的深度处理单元,进一步降低氮磷等无机营养指标,不能作为全流程工艺,更不是农村污水处理的主流技术。

2.5农村污水处理工艺的实现方式

在农村污水处理实践中,存在无动力、微动力、一体化、设备化、模块化、智能化、地埋式等技术表述。实际上,这些说法不是工艺,也不是技术,是对工艺或技术实现方式的表述,部分表述虽然具有合理性,但需要基于具体项目的技术经济评价。譬如,为什么非得采用地埋式?日本的净化槽属于地埋式、设备化,但只是用在单户,户用设施叫“槽”,居住区集中处理设施叫“站”,日本分散治理建成的数千座污水处理站没有一座是一体化地埋式,为什么?因为不方便维护管理。为什么要一体化?为什么要设备化?为什么要模块化?这些方式,都需要针对具体项目,站在日后运行维护方便的角度慎重评估,不能只是考虑建设期施工难度等因素。

3、农村污水治理设施管理

农村污水治理设施需要统一规划、统一建设,但管理模式尚存在不同看法,一个流行的观点是专业化统一管理,也就是在一定区域内由专业化公司负责全部设施的运营管理。这种模式可以保证较高的管理质量,但只要细究,200多万个高度分散的污水收集处理系统,要实现专业化管理,将需要非常庞大的专业力量,可行性值得评估。美国的分散污水治理,也是只有在水源地等敏感地区才要求专业化公司统一管理。未来较为现实的主流模式可能是基于行政层级集中与分散相结合的管理模式:“村巡视”,村设专职或兼职的管理员,负责定期检查巡视,及时发现问题;“镇维护”,镇成立规模适当的检修维护队伍,解决各村上报的问题;“县监督”,县设置专门监督管理机构,提出运行质量标准及目标,通过定期与随机抽查,不断提高运行管理水平。少数经济发达的地区,可以委托专业公司实现专业化管理,绝大部分地区,“村巡视、镇维护、县监督”有可能是值得探索的管理模式。

编辑:蓝枫

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