黃土高原溝壑農村生活污水處理規劃及關鍵問題
編者按：加強農村生活污水收集、處理與資源化設施建設，是我國鄉村振興戰略中新農村建設工作的重要內容。目前，國內全面啟動了縣域農村生活污水處理規劃工作，但由于我國農村情況差異大，導致了生活污水處理工作的復雜性。國內眾多的關于農村污水處理的技術指導資料，也無法解決一些實際問題。本文以黃土高原溝壑區縣域規劃為例，探討農村生活污水處理的一些關鍵問題，為該項工作的實施提供技術指導，也可供國內同行參考。
第一作者簡介：張莉紅（1988—），女，甘肅蘭州人，在讀博士，工程師，主要從事污水處理方面的研究。
通信作者：李杰 E-mail:wye@mail.lzjtu.cn
該研究得到國家重點研發項目（2016YFC0400705）資助。
目前，甘肅也和全國其它省份一樣，開始了農村污水規劃與治理工作，但甘肅地域廣闊、農村自然及生活條件差異太大，這為農村生活污水規劃治理工作增加了難度。國內現有的一些農村生活污水處理技術指導資料與政策性的文件，無法滿足實際工作需要。以甘肅黃土高原溝壑區典型縣域（秦安縣）為例，探討農村生活污水規劃處理中的一些實際問題，希望為該地區相關工作的開展提供技術支持。
01 地理氣候與水系特征
隴東隴中黃土溝壑區（圖1）主要涵蓋甘肅中東大部，該區域四季分明，氣候干旱少雨，冬季寒冷結冰，蒸發量較大。受降雨及地表徑流影響，被分割成大小不等的黃土階地和丘陵。區域水土流失嚴重，塬面切割破碎，溝壑縱橫，農田分布較廣，人口呈現“大分散、沿河川小集聚”的特征。
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1120～2230m。據秦安縣1965年—2011年氣象資料統計，年平均氣溫10.4℃，最熱月（7月）平均22.7℃。最冷月（1月）平均-3.4℃，相對濕度67%，縣域內最大河流為葫蘆河（屬渭河北岸一級支流)，南北貫穿縣域，其主要支流有清水河、顯清河、南小河和西小河。秦安縣山區原始森林破壞殆盡，植被種類較為貧乏。就分布面積來說，以農作物植被為主。2020年，縣域戶籍人口為63萬人，常住人口53.0萬人，城鎮人口約～為24萬人。2018年全縣實現地區生產總值561125萬元。
02 水量水質特征
農村居民生活用水量受生活條件、排水系統、水資源利用方式、生活習慣等因素的直接影響。根據《甘肅省農村生活污水治理技術指南》（試行）（以下簡稱《指南》），結合調查當地居民的用水現狀、給水規劃、經濟條件、發展潛力等情況，以及村民生活條件的改善，廚衛設施的改造、生活習慣的改變等因素，參照《指南》中農村居民日用水量參考值（見表1），確定秦安鄉域農村居民平均用水量取40L/（人·d）和60L/（人·d）。
污水排放量取決于生活用水量的大小。農村生活污水排放量應結合農村所在地域、住戶衛生設施水平、室內排水系統完善程度等因素，根據實地調查結果綜合確定。本規劃參考《指南》來確定農村居民污水排放系數，見表2。本規劃污水排放系數確定為75%。
經調查分析，秦安縣農村生活污水的排放具有以下特征：
（1）農村生活污水包括洗滌、洗浴和炊飲污水及人、畜糞尿等，家禽養殖廢水很少,具有分散、污染物成分簡單、有機污染物含量低、水量變化大等特點。多數村莊采用明渠或自然溝渠排放生活污水和雨水（圖2）。絕大多數住戶建有旱廁，黑水基本不外排，糞渣清掏后作為農家肥利用。在靠近縣城經濟較發達的地區或者新農村建設村，建有化糞池。大多數化糞池沒有出水管，定期自行或者由專人抽吸外運，作為農家肥資源化利用。少數化糞池建有出水管，經化糞池處理后的污水中含有大量的有機污染物，化糞池出水由明渠排放，或就近排入水體。
（2）秦安縣地形地貌復雜多樣，地域、特別是山川地勢與交通因素，造成不同地域間農村之間發展不平衡，最后造成了生活污水排放的巨大差異。經濟越欠發達的村莊，人均污水排放量越少。農村污水流量主要集中在三餐前后，日變化系數一般為 3.0~5.0，間歇性排放明顯。春節前后，外出打工的人回家后，排水量最大，其余時間、特別是農閑期間，家里能外出打工的人員離家出走后，排水量最小，故季節性排放更為明顯。
（3）農村生活污水主要污染物為COD、氮磷、懸浮物及大腸桿菌等，水質相對較穩定。《指南》提供了表3所示的甘肅省農村生活污水水質參考范圍，調查發現秦安水質大都在中等偏上的范圍內。
03 農村生活污水治理原則與模式
（1）治理順序
遵循：先大村后小村；先急后緩（改善環境迫切需要的優先）；先易后難（優先建施工難度小的川區平坦村莊；先近后遠（以縣城和中心鎮區為原點，先考慮較近的）；先川區后山區；先鎮后村；先聚集后分散。
（2）規劃重點
城市規劃區、城市建成區為重點，考慮沒有延伸到的盲區；建鎮中心村莊和鎮區為重點；圍繞葫蘆河及5條二級支流；其它山區的行政村和自然村。
（3）治理技術要求
與經濟發展相適應，綜合考慮自然條件、環境承載能力與污水排放負荷之間的關系，充分利用近自然處理方式。
污水治理采用的模式如下：
（1）模式Ⅰ—村域收集集中處理
以村或自然村為收集區域，建設管網與小型污水處理站。由于秦安縣葫蘆河斷面水質時有超標現象發生，所以沿河兩岸川區人口集中、各村相距較遠的大中型村莊多采用此模式，此外，山區鄉鎮府所在地等人口集中的村莊也采用此模式。
每戶修建三格式化糞池，將生活污水經過管網收集后，收集到處理站統一處理。污水處理站出水水質達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 62/4014—2019）相關標準。
污水處理工藝主要規劃采用一體化污水設施+人工濕地、微動力污水處理（太陽能微動力處理工藝或常規電力污水處理工藝）等出水水質較好，節省占地面積，抗沖擊負荷能力較強，管理簡單且能長期安全有效的運行的工藝。鑒于運行穩定性與成本，盡量避免采用MBR工藝。
糞渣（污泥）有3種處理模式：①農戶自行收集-高溫堆肥，用于房前屋后果疏種植、林木綠化、肥土或改良士壤等；②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；③吸糞車收運到有機肥生產企業制作有機肥銷售。
（2）模式Ⅱ—單戶、聯戶分散治理
對于居住分散、人口密度小、地形條件復雜、施工難度較大、污水不易集中收集的村莊，采用相鄰農戶聯合或者單戶處理的模式。這是秦安葫蘆河沿岸川區給水水源豐富的村莊采用的主要模式。
相鄰住戶聯合或者獨戶修建三格式化糞池。化糞池出水采用資源化利用方式，農戶自行取用，用于庭院綠化、農田灌溉如房前屋后果種植等、林地、山地或濕地等消納吸收利用。也可以建設植物隔離帶或通過建設人工濕地系統處理（必要時前面設置簡單的預處理措施），達到進一步利用與凈化的目的。糞渣（污泥）處理模式同模式Ⅰ。
（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（餐廚、洗滌、淋浴等水）不得進入三格化糞池，可通過管道、溝渠等接入濕地等消納吸收。這是秦安山區村莊采用的主要模式。
（4）模式Ⅳ—集中納管入廠處理
主要針對近期市政排水管網能到達的村莊，重點進行管網完善建設，深化村內雨污分流工作，保證條件成熟時順利接入城鎮污水收集管網，進入城鎮污水處理廠進行集中處理（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）處理模式同模式Ⅰ。
具備實現農村生活污水處理由“分散治污”向“集中治污、集中控制”轉變條件的農村地區采用。
04 規劃投資估算
規劃中支管、支干管的設計水量按照村莊的遠期流量Q遠期乘以（4～5）（變化系數）設計；主干管的水量按照連接村莊遠期流量總和Q遠期總乘以2（變化系數）設計；重點發展鄉鎮依據縣城總體規劃，污水處理廠水量計算按照遠期流量Q遠期乘以1.5（人口放大系數）設計。
處理模式Ⅰ管道長度根據實際地形測量或者按照每戶村民平均支管長11.35m、支干管長3.79m估算；處理模式Ⅱ按照處理模式Ⅰ管道長度的1/4估算。處理模式Ⅲ未估算管道長度。處理模式Ⅳ主要為管道工程，長度根據實際測量。污水提升泵房按照每座50萬元估算；管道建設綜合費（包括檢查井等附屬設施與管溝開挖回填等工程費用）依據DN200～400不同的管徑，按照500～700元估算；廁所改造每戶2500元，化糞池每戶500元。污水處理站建設費用按處理水量1萬元/m3估算；污水處理運險費按照1元/m3，污泥處理按照處理水量0.2元/m3計。投資估算結果見表4。
相比周圍各縣規劃，秦安縣規劃投資偏大。分析原因：（1）秦安縣葫蘆河省控斷面要求，迫使針對主要人口聚集發展區修建蓮花、郭嘉、安伏污水處理廠，并對沿河敏感區域村莊采用投資成本高的模式Ⅰ治理方式；（2）秦安屬人口大縣；三是本次規劃估算參數取自實測，比估算值偏大一些。
05 重點問題討論
（1）農村人口是規劃的主要參數。一般規劃中，都按照0.7%左右的人口增長率進行遠期規劃。但隨著我國農村經濟與生活水平的提高，有些條件差的偏遠村莊人口在減少，而有些靠近交通便利等條件區域的村莊人口會加速增加。
本規劃中，除蓮花污水處理廠、魏店污水處理廠、安伏污水處理廠、郭嘉污水處理廠和納入縣城污水處理廠（葉堡、南小河、西小河）涉及的村鎮屬將來發展的重點村域，污水處理廠水量計算考慮約1.5的人口放大系數外，其余村鎮人口按照目前實際調研數據計算。
（2）農村人均排水量，會隨著不同地區氣候、經濟發展水平與生活習慣的變化而變化。甘肅省環科院組織幾家高校對甘肅隴東、中部、河西等不同地區的城鎮污水處理廠進行調查，核算出的農村人均排水量約為35L/（人? d），近遠期排水量分別為37.5L/（人? d）和42L/（人? d）。
針對甘肅農村進行的生活污水水質調查發現，各地的水質差異很大。根據秦安縣及其周邊地區已建成運行的農村污水處理設施的進水水質，本規劃采用表2中的中值高限。
（3）農村生活污水處理模式，是我國進行農村污水處理的核心問題，不僅直接影響著我國該項工程的投資、成效與進展，更體現出我國環保理念的實施水平。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，才要根據實際需要進行污水的集中處理。
調查發現，已經建成的農村污水處理工程，處于“曬太陽”狀態的居多。主要原因：(1)由于絕大多數農民外出打工，村莊僅剩老人小孩，污水排量太小導致設備無法正常運行；(2)設備運行費用太高，地方政府無力承擔；(3)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。
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。出水經過厭氧化糞池消化處理后，抽吸還田資源化利用。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。總之，筆者認為，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。
甘肅省頒布了《甘肅省農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 62/4014—2019），為農村生活污水、特別是小規模分散農村生活污水處理創造了條件。
（4）本規劃實際調研（圖3）過程中，針對模式Ⅰ，測量了88個村莊的地形、范圍與高程，布置了排水支管與支干管，并按照地形坡度進行了簡單的管道設計計算，最后將88個村莊的總管長除以總村民戶數。得出每戶村民平均支管長度11.35m，支干管長度3.79m。
模式中相鄰村莊合建一個污水處理站的問題，有些技術指導書中給出相距5km范圍內的村莊可以考慮合建一個污水處理站。筆者認為，第一，鑒于農村污水收集水量小、變化系數大、技術人員缺乏等因素，首先盡量合并；第二，合并要充分考慮實際地形導致的管道工程的復雜性，如村莊彼此高差大、中間隔有溝壑，管道穿越濕陷性黃土溝壑時工程造價極高，此時距離再近也不好合并建站，相反，在一些相對平坦的沿公路或河岸分布的村莊，這些村莊往往是將后發展擴大的重點，此時相距遠一些，也可以考慮合并建站。
（5）秦安規劃中，不同治理模式的戶均、人均投資見表5。從表5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%。從治理模式發布看，規劃的合理性較高，但在這種情況下，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質問題還是比較嚴重。
（6）為使農村生活污水設施實現建設規范、設施完好、管理有序、水質達標的目標，甘肅省也和其它省份一樣，建立了完善的針對處理模式Ⅰ的運行管理制度，內容涉及管理體系、職責分工、排放要求、運維模式機制與監測、制度保障等內容。但由于絕大多數設施處于“曬太陽”狀態，運行管理效果很差。對于絕大多數的模式Ⅱ和Ⅲ的管理制度，全國基本處于空白狀態。
06 結語
加強農村生活污水收集、處理與資源化設施建設，是我國鄉村振興戰略中新農村建設工作的重要內容。我國農村情況差異大，導致了生活污水處理工作的復雜性。目前只針對集中農村生活污水處理站建設管理的做法太狹窄。針對農村生活污水處理特征，結合農村改廁行動，強化資源化利用為主導的治理思路；完善污水收集-處理-利用的技術體系；研發性能更好的廁所與運行成本低便于管理的近自然處理工藝，是當務之急。
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