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探索農村汙水治理的中國之路—淺議農村汙水治理設施的規劃、建設與管理

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探索農村汙水治理的中國之路—淺議農村汙水治理設施的規劃、建設與管理

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來源:
2018/05/09 10:54
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我國農村汙水治理還未全麵展開,農村汙水處理率在個位數。汙水治理不好,農村衛生狀況就無法改善,水汙染治理總體目標也難以實現。過去的二十多年,中國城市汙水治理循著發達國家的路徑快速推進,雖有不足,但成效卓著。早在半個世紀前,發達國家就已完成了城市化進程,沒有中國這樣的農村。發達國家部分人口分散居住在城郊,汙水進行分散治理,但汙水分散治理不同於農村汙水治理。總體而言,西方沒有係統的農村汙水治理經驗可供借鑒,中國需要基於國情探索自己的農村汙水治理之路。

 

宏觀層麵,首先需要把握中國農村汙水治理的三個特點,也是難點。一是量大,幾億人口分布在200多萬個自然村,是個龐大的係統工程。二是地區差異大,各地氣候、地貌、文化以及經濟狀況千差萬別,直接間接都會影響到汙水治理效果。三是不可能大量投入,每個自然村投入100萬元建設費用、每年支出10萬元運行費用,全國總建設費用就是2萬億,每年運行費用就是2千億,這是不現實的。我國需要在把握這三個特點的前提下謹慎展開農村汙水治理設施的規劃、建設與管理,並不斷總結完善,最終探索出一條正確的農村汙水治理路徑。

 

1 農村汙水治理設施規劃

 

農村汙水治理設施規劃包括戶內收集模式與建設布局兩個問題。

 

1.1 農村汙水戶內收集模式

 

戶內收集模式與廁所改造緊密相關。第一種是旱廁模式。最初,農村廁所普遍是旱廁,清掏的糞尿直接還田,生活雜排的灰水潑在院內直接滲入地下,汙水不出戶,也不出村。這一原生態模式持續了千百年,雖然受到一些專家的推崇,但衛生狀況差,汙染地下水,應該在新農村建設中逐步予以治理。第二種是節水廁所模式。所謂節水廁所,就是在旱廁上設置水衝裝置,用少量水將糞尿衝到化糞池,再用抽糞車定期將化糞池存儲的糞尿抽取還田。這種模式的關鍵是控製衝廁用水量,否則化糞池需要做大或抽糞車頻繁抽取。采用這種模式,好處是不需要專門建設汙水收集處理設施,投資低,有一定的治理效果,但衛生狀況仍未根本改善。第三種是衛生廁所模式,采用與城市一樣的抽水馬桶。這種模式將根本上改變農村的衛生狀況,但汙水量也大了,化糞池存儲容量不足,必須建設汙水收集處理設施,同時將灰水一並納入處理。抽水馬桶被公認為人類最偉大發明之一,早在1848年英國議會通過的“公共衛生法令”就規定,凡新建房屋住宅,必須辟有廁所並安裝抽水馬桶。當今世界上已將抽水馬桶普及程度作為衛生狀況的重要指標,在新農村建設中,普及抽水馬桶、實現衛生改廁,是一個必然的方向。不同的發展狀況下可采用不同的模式,但戶內實現黑水、黃水、灰水統一收集處理應是最終標準模式。

 

1.2 農村汙水治理設施建設布局

 

建設布局包括原位、小集中和大集中三種,具體取決於居住密度、村莊規模以及地形地貌等因素。原位是指每戶單獨建設處理裝置,汙水就地處理;小集中是將幾戶、十幾戶或幾十戶的汙水收集起來,建設處理設施就近處理,每村可能建設多座設施;大集中是將全村汙水統一收集進行集中處理。采用哪種布局是個技術經濟問題。發達國家城近郊區人口居住密度很低,每戶之間相隔幾十米,采用原位治理最經濟。美國25%的人口居住在城近郊區,約2 000萬個家庭采用原位治理方式,全國小集中或集中處理設施隻有約10 000座。日本約800萬個家庭采用原位治理方式,全國小集中或集中處理設施隻有約3 600座。原位治理節約了收集管網的投資,但增加了處理設施的管理難度。我國農村居住集中,戶與戶之間普遍一牆相隔或相距很近,較易集中收集,沒有必要采用原位治理方式。規模較大的村莊,可分成若幹片區,每片采用小集中;規模較小的村莊,可直接采用大集中。山區或丘陵地區,當建設收集管網難度較大時,可視情況采用原位治理。

 

2 農村汙水治理設施建設

 

農村汙水治理設施建設包括排水體製、處理工藝選擇與排放標準等問題。

 

2.1 農村排水體製及小口徑汙水收集

 

農村地區排水體製應采用分流製。在農村地區,汙水量比雨水量小很多,且雨水常采用明渠或蓋板暗渠排除,如采用合流製,汙水在溝渠內沒有流速,雨水溝渠成了停留時間很長的沉澱池,沉下的汙泥厭氧發臭。當雨水溝渠建設標準較低時,還將導致汙水下滲。另外,農村地區汙水收集應采用小口徑收集係統。 現在建設的一些農村汙水收集管網仍采用城市排水設計規範,管徑過大、坡度過小,使汙水管道變成了沉澱池。小口徑收集係統是一套技術體係,既有措施防止堵塞,又使管徑大大降低,在保證收集功能前提下節約了投資。

 

2.2 農村汙水處理工藝選擇

 

農村汙水處理工藝選擇應遵循三個基本原則。

 

第一個原則是選擇抗衝擊負荷能力強的工藝。自然村的日汙水量通常在100 m3以下,這麽少的水量主要分布在早、中、晚三個高峰時段產生,日變化係數高達5~10。汙水量季節變化也很明顯,冬季汙水量遠低於夏季,隨著汙水量變化,汙水濃度變化也很大。水量水質大幅度變化的特點,決定了農村汙水治理應首先選擇生物膜法等固著類生物處理工藝,不宜采用活性汙泥法等懸浮類工藝。對於活性汙泥係統,汙水量太小會由於過曝氣導致汙泥解體,汙水量太大則會直接導致汙泥衝刷,兩種情況都將造成係統崩潰。如果采用大調節池勻和水量水質,則必需設置機械攪拌防止懸浮物沉積,建設及運行費用都將大大增加。

 

第二個原則是選擇運行維護簡單的工藝。運行維護簡單可定義為“免操作、低維護”,所謂“免操作”就是不需要設專人經常性進行工藝檢測或調節,為農村處理站配備足量懂工藝的專業人員,即使在發達地區,目前也不存在普遍可行性,可以設專人定期巡視但無法經常性操作。生物膜法可以實現免操作,傳統活性汙泥係統則需要經常性基於汙泥性能及時調節曝氣量、回流比和排泥量等工況參數。日本把生物膜法叫“設施依賴型”工藝,意思是該工藝主要依賴設施運行,把活性汙泥法叫“運行依賴型”工藝,意思是該工藝對運行要求較高。所謂“低維護”就是維護量少且維護難度低,如果工藝中采用了鼓風曝氣,維護難度就必然加大。曝氣頭堵塞了,曝氣效率降低,充氧量降低,就必須清洗或清理,曝氣頭破損了,則必須停產更換,無論是清洗還是更換,都是一件很麻煩的事情,都不屬於低維護工藝。生物膜法可以“抗衝擊、免操作”,可否不設鼓風曝氣,進一步滿足“低維護”要求呢?事實上,傳統的生物滴濾池、生物塔濾池以及生物轉盤就是這類工藝,西方國家目前仍有一大批小型汙水處理設施采用這些工藝。應該關注的是,這類非鼓風曝氣的傳統生物膜工藝出水水質較差,技術上存在通過結構優化提升水質的潛力。尚川水務對傳統生物滴濾池的優化,桑德環境對傳統生物轉盤的優化,都大大提升了水質,取得了較好的效果。

 

第三個原則是選擇能耗低的工藝。農村汙水處理設施規模小,單位能耗必然高,如果再采用高能耗工藝,數量龐大的農村汙水處理設施將造成大量能源消耗。對汙水處理能耗影響最大的是曝氣環節,城市汙水處理普遍采用鼓風曝氣,單位電耗在0.2~0.3 kW˙h/m3,如果農村汙水處理也采用鼓風曝氣,單位電耗將高達1.0~1.5 kW˙h/m3,未來總電耗也將遠高於城市汙水處理,這種情景顯然不具現實可行性。農村汙水處理采用鼓風曝氣,為什麽單位電耗就大大升高?這是由於農村汙水處理規模小,曝氣池很淺,曝氣效率很低,滿足同樣供氧量需要更多的曝氣量,而城市汙水處理曝氣池水深可達6 m以上,曝氣效率很高。另外,規模很小的農村汙水處理設施隻能采用機械效率很低的容積式氣泵,而城市汙水處理通常采用機械效率很高的單級高速離心式鼓風機。發達國家城近郊區的分散汙水治理領域,日本以戶為單位的原位治理幾乎都采用鼓風曝氣淨化槽,能耗很高,成為一個負擔;美國原位治理則普遍采用OWTS係統(化糞池串聯土壤滲濾),能耗很低;日美分散領域的集中處理設施數量總體不多,美國10 000座,日本3 600座,雖以鼓風曝氣為主,但總體能耗可承受,而中國農村汙水集中處理設施全部建成後將多達200萬座,如采用以鼓風曝氣為主的高能耗工藝,電耗將成為一個難以克服的巨大負擔。基於以上關於能耗的分析,采用自然曝氣的低能耗工藝在中國農村汙水處理領域似乎更具優勢。

 

2.3 科學製定農村汙水處理排放標準

 

科學製定排放標準,有利於合理選擇工藝。排放標準中的水質指標可主要分成三類:耗氧類指標、無機營養指標和衛生學指標。耗氧物質指標包括COD或BOD等有機汙染指標和氨氮,這些指標運行上可不依賴水質監測,即使要求嚴格,標準可達性也很強,且過運行不存在負效應,為追求高標準而采取的過度曝氣對環境無害。無機營養指標和衛生學指標運行上依賴水質監測,而農村汙水處理不可能具備日常水質監測條件,加之運行上的“免操作”,即使設計了針對這些指標的功能單元,實際可達性也很差。另外,化學除磷和消毒等單元的過運行存在負效應,除磷藥劑和消毒藥劑的過量投加對環境有害。基於上述分析,農村汙水處理排放標準應主要針對耗氧物質,重點治理衛生和黑臭問題。事實上,西方國家的分散汙水治理,一般不要求脫氮除磷,明確要求消毒的也不多見。

 

2.4 關於農村汙水的生態處理

 

生態處理通常包括人工濕地和生物塘。目前,業內對生態處理存在誤區,認為生態處理投資低、運行管理簡單、處理效果好,給生態處理賦予了過多的功能,把一個深度處理單元當成了全流程工藝,直接處理原汙水。以人工濕地為例,投資低其實是由於人為提高了水力負荷和汙染物負荷,國內一些技術規範或手冊提出的設計負荷比國外規範高出數倍甚至十倍,占地小了,投資低了,效果也變差了,運行時間不長即被嚴重堵塞。如果保證處理效果,根據降解機理客觀確定設計負荷,則占地很大,絕大部分村莊無法滿足。另外,人工濕地運行管理並不簡單,除了定期更換濾料,它對配水均勻還有嚴格要求。總之,在土地資源豐富的地區,生態處理可作為生物處理之後的深度處理單元,進一步降低氮磷等無機營養指標,不能作為全流程工藝,更不是農村汙水處理的主流技術。

 

2.5 農村汙水處理工藝的實現方式

 

在農村汙水處理實踐中,存在無動力、微動力、一體化、設備化、模塊化、智能化、地埋式等技術表述。實際上,這些說法不是工藝,也不是技術,是對工藝或技術實現方式的表述,部分表述雖然具有合理性,但需要基於具體項目的技術經濟評價。譬如,為什麽非得采用地埋式?日本的淨化槽屬於地埋式、設備化,但隻是用在單戶,戶用設施叫“槽”,居住區集中處理設施叫“站”,日本分散治理建成的數千座汙水處理站沒有一座是一體化地埋式,為什麽?因為不方便維護管理。為什麽要一體化?為什麽要設備化?為什麽要模塊化?這些方式,都需要針對具體項目,站在日後運行維護方便的角度慎重評估,不能隻是考慮建設期施工難度等因素。

 

3 農村汙水治理設施管理

 

農村汙水治理設施需要統一規劃、統一建設,但管理模式尚存在不同看法,一個流行的觀點是專業化統一管理,也就是在一定區域內由專業化公司負責全部設施的運營管理。這種模式可以保證較高的管理質量,但隻要細究,200多萬個高度分散的汙水收集處理係統,要實現專業化管理,將需要非常龐大的專業力量,可行性值得評估。美國的分散汙水治理,也是隻有在水源地等敏感地區才要求專業化公司統一管理。未來較為現實的主流模式可能是基於行政層級集中與分散相結合的管理模式:“村巡視”,村設專職或兼職的管理員,負責定期檢查巡視,及時發現問題;“鎮維護”,鎮成立規模適當的檢修維護隊伍,解決各村上報的問題;“縣監督”,縣設置專門監督管理機構,提出運行質量標準及目標,通過定期與隨機抽查,不斷提高運行管理水平。少數經濟發達的地區,可以委托專業公司實現專業化管理,絕大部分地區,“村巡視、鎮維護、縣監督”有可能是值得探索的管理模式。