关于农村污水测算研究

作者简介：杨敏，硕士，工程师，主要研究方向为水体污染与治理、生态保护等引用文献格式：杨　敏，杨洪福，文红星，等．关于农村污水测算研究［Ｊ］．环境与可持续发展，２０１８，４３（６）：５４－５７．关于农村污水测算研究杨　敏１　杨洪福１　文红星２　刘蜀治１　和兰娣１（１􀆰昆明市环境科学研究院，云南昆明　６５００３１；２􀆰云南省水文水资源局大理分局，云南大理　６７１０００）【摘要】农村污水是面源污染的重要来源。由于农村污水存在其内涵不清、水质标准及村庄地表径流不确定等问题，导致水量测算存在很大差异，因此，给农村污水处理设施建设和应用带来了不利影响。本文通过对农村污水内涵的分析研究，划分农村污水的种类，提出农村污水的测算方法，对于提高农村污水处理效果有着重要意义。【关键词】农村；污水；测算方法；污水排放量；污染负荷中图分类号：Ｘ７０３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７３－２８８Ｘ（２０１８）０６－００５４－０４　　近几十年来，国内外学者对于农村污水及其治理进行了大量研究，如Ａ􀆰Ｒ􀆰Ｋｅｓｈａｖａｒｚｉ等研究了意大利地区农村生活用水的行为影响因素［１］，杨晓英对我国农村污水现状、污染源及处理现状与技术进行了研究［２］。梁瀚文等针对北京、浙江、云南等不同区域的农村污水排放特征开展调查研究［３］。王家采用排污系数法测算农村污水，并分析其污染特征［４］。然而，以上研究仅仅针对农村居民生活污水，并未将村庄其他污水纳入其中考虑，造成污水水量、污染负荷量测算不准确，村庄污水内涵不清，导致工程设计处理规模偏小及设计进出水水质发生偏差，处理效果差，甚至出现出水水质不达标现象。除了农村污水内涵不清的问题外，农村污水研究还存在一个突出问题———污水处理规范、标准、立法缺失。目前污水处理标准主要针对城市污水，而对于农村区域的污水出水水质要求则尚未出台。范彬等通过分析美国和日本乡村污水管理治理方式的优劣，建议我国可参考日本乡村污水治理模式，在农村建立一套有别于城市的法规与政策［５］；孙兴旺、胡明等指出目前中国有关农村污水处理方面技术规范、标准、法规及政策都很不完善，加强农村水污染治理和水环境保护立法已经成为中国环境保护工作中需要重点加强的内容之一［６－７］。污水处理标准和规范的缺失，导致污水处理设施缺乏技术引导，污水处理投入产出比不高，处理效率低。农村收集处理设施不完善，雨污混流也是造成处理设施作用不能有效发挥的主要缘由之一。谢伟红等研究了浙江苕溪流域余杭区农村生活污水处理工程设计及验收中存在的关键问题［８］；关宏友等对三峡库区农村生活污水处理设施的供给进行了调查、研究，分析了农村生活污水处理设施的特性及供给模式［９］，他们均指出大部分地区农村无完善的排水系统，且缺乏配套的污水处理设施，而一些地区的农村地区虽然建有收集管网，但采用的是合流制排水系统，雨水和污水一起沿村庄道路边沟或路面排至受纳水体，污染受纳水体水质。降雨是村庄建成区面源污染形成的动力因素，而降雨形成的径流是面源污染物迁移的载体。村庄地表降雨径流的不确定性是农村污水研究中需要考虑的第三个问题。由于降雨具有较大的随机性，排放途径及排放污染物的不确定性，尤其当雨季来临时，村庄地表降雨径流同污水混流，排水量迅速增大，污水收集管道无法收纳所有水体，导致管道溢流，污水并未处理直接排放。上述３个因素：一是农村污水的内涵定义不清；二是农村污水标准、规范、立法的局限，农村污水收集处理设施未做到雨污分流；三是村庄地表降雨径流的不确定性，受其影响，导致目前大量的农村污水处理设施不能有效发挥作用，而缺乏农村污水的测算则是造成以上结果出现的主要缘由。因此，研究农村污水的测算方法，掌握农村污水水质、水量的变化特征，准确测算出农村污水量及污染负荷，为农村污水工程设计提供基础参数及量化依据，为局部区域污水治理提供帮助及指导，为农村区域污染进行集中连片防治和管理提供决策和依据，且对于提高农村面源污染防治效果有着十分重要的意义。１　农村污水内涵及类别本文提及的农村污水，是指在一定农村区域内，超过该地区地表水环境功能区保护功能目标的水体可认为是农村污水。例如某区域水环境功能目标为Ⅲ类，则该区域水质劣于Ⅲ类的水体均可看作污水，即村庄聚集区生活污水、工业废水、养殖排水、农田种植排水、村庄地表径流兼为污水。根据相关资料及实际调研的结果，农村污水根据其含有的污染物浓度高低可分为三类：一为高浓度污水，该类水体水质劣于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８－２００２）一级Ａ标准，主要包括工业污水、生２０１８年第６期　　　　　环境与可持续发展ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＮＤＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ　　　　　　　Ｎｏ􀆰６，２０１８活污水、畜禽养殖废水等污水；二为中浓度污水，该类水体水质劣于《地表水环境质量标准》（ＧＢ３８３８－２００２）Ⅴ类水质，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ１８９１８－２００２）一级Ａ标准，主要为村庄地表径流；三为低浓度污水，主要包括降雨径流、农田废水等污水，该类水体水质介于《地表水环境质量标准》（ＧＢ３８３８－２００２）Ⅱ～Ⅴ类水质之间。以上污水中，种植业、养殖业污水和工业污水可统称为生产废水，其大部分时候同生活污水、降雨地表径流混杂，难以分离，因此，农村污水可视为一种综合污水的混合体，后文涉及的农村污水测算主要为村庄污水，不包含农田排水，其测算主要包括生活、生产排水（畜禽养殖废水）和村庄地表降雨径流３个方面。２　现有测算方法根据污水水质、水量的特点，污水的测算需分别进行污水排放量和水污染负荷量核算。其中水环境污染负荷的计算较为复杂，一般由点源负荷和面源负荷两部分构成。２􀆰１　水污染负荷测算方法２􀆰１􀆰１　点源污染负荷测算方法点源污染主要来源于生活污水和工业废水。由于农村区域工业企业相对城市较少，且工业企业污水大多已建有污水处理设施，经处理达标后排放，因此农村区域主要点源污染为居民生活污染，常见的测算方法主要指标系数法、实测法。点源污染负荷测算相对面源核算较为简单，且较为成熟，测算结果准确，应用广泛。董景春等采用实测法，通过采集城市污水处理厂和污水在线监控系统排污口利用的污水实测浓度对城市污水测算统计方法进行研究［１５］，该法精确度高、针对性强，能够较真实反映生活污水质量和分布，可为城市水环境保护提供系统、可靠、科学的依据；石利军等采用指标排污系数法，对天津农村生活污水排放量进行了估算，并和实际调查进行对比，结果表明该法计算结果准确可行［１６］。２􀆰１􀆰２　面源污染负荷测算方法面源污染已成为地表水质污染的重要影响因素与来源。由于面源污染的成分复杂、类型多样，且与一系列的水文气象条件相关，其发生具有随机性和复杂性，测算方法研究较多。据统计，常用的污染负荷测算方法大致可以分为四类：主要有单位负荷法、污染分割法、水文模型法、估算法。单位负荷法主要分别计算各土地类型单位面积单位时间产生的污染负荷，再求和，适用于农村区域的建成区地表径流。污染分割法认为面源污染主要由汛期地表径流引起，而枯水季节的水染污染由点源污染引起。污染分割法以流域出口断面的径流、水质及径流在年内的分配为基础，进行流域的点源污染负荷和面源污染负荷分割属于水文学方法，机理明确，资料易得。水文模型法通过采取气象、水文、地表类型、污染负荷不同模块，对一个区域或流域污染进行核算。刘晓燕［１７］等对几种常见的面源模型法进行总结（见表１），常用的模型有ＳＣＳ、ＡＧＮＰＳ、ＨＳＰ、ＳＷＡＴ、ＣＲＥＡＭＳ模型、通用土壤流失方程（ＵＳＬＥ）等，见表１。上述模型中，ＳＣＳ水文模型和通用土壤流失方程模型最通用。表１　常见的面源污染模型列表模型模型特点ＳＣＳ模型美国农业部水土保持局２０世纪５０年代初研制，与降雨量、不同下垫面、土壤类型、滞留量、土壤蓄水能力相关，广泛应用于地表径流的估算，也可与其他模型集成开发应用ＵＳＬＥ或（ＲＵＳＬＥ）方程美国通用流失方程，属６参数乘法计算式。包括降雨侵蚀径流因子、土壤侵蚀因子、坡长因子、坡度因子、植被覆盖因子、流域管理因子。用于计算土壤侵蚀模型数。常与ＳＣＳ水文模型结合计算污染负荷，适用于Ｎ、Ｐ等各种面源污染物ＨＳＰＦ模型美国国家环保局２０世纪开发，用于较大流域范围内的水文水质过程的连续模拟，污染物包括氮磷和农药等，考虑复杂的污染物平衡ＡＲＭ模型最早开发于１９７６年，模型包括ＳＨＰ水文模型、泥沙、农药等污染物吸附解析模型等，其显著的优点就是能够对降雨径流的主要环节和过程有详细的描述，用于河道和转化可以忽略的小流域的Ｎ的迁移ＣＲＥＡＭＳ模型美国农业部开发于１９７９年，属于集中式物理模型，包括ＣＳＣ水文模型、Ｇｒｅｅｎ－Ａｍｐｔ入渗模型，适用于农田小区污染物的流失。可以用于小流域内计算Ｎ、Ｐ及简单污染物平衡ＡＧＮＰＳ模型开发于１９８７年，属于场次分散模型，包括ＳＣＳ模型、ＵＳＬＥ模型，适用于２００～９３００ｈｍ２流域内Ｎ、Ｐ等物质估算ＳＷＡＴ模型最早开发于１９９６年，属于集中参数流域模型，包括ＣＳＣ水文模型、ＲＵＳＬＥ方程，适用于大流域内Ｎ、Ｐ等复杂污染物的平衡·５５·杨　敏　等：关于农村污水测算研究　　当水质水量同步监测有困难、资料不充足，或对于准确性要求不高，或无法直接获取污染物量的情况下，污染物的负荷量可通过采用某些与污染物产生量有关而又易得的数据资料进行估算。估算法大多用于农田地表径流中农药、化肥、泥沙和动物排泄物等农业主要污染源的计算。例如农药、化肥等，可通过单位面积农田施加量估算；畜禽粪便，则可折算作人计算，通过每人每天产生的数量类比得到污染负荷值。２􀆰２　水量测算方法农村污水水量测算关系到污水收集系统、配套管网和截污系统规模、布局的设计，其作用至关重要，污水排放量同用水量、受纳水体的河宽、水深、流速、降雨量有关，测算方法主要有指标系数法、实测法２类。指标系数法主要用于居民生活废水、生产废水水量的测算，由用水量乘以废水排放系数获得。此类方法所需参数较少，但排放系数幅度较大，易与实际水量出现差异。实测法主要是在污水排放口测量流速、流量、过水面积，通过流速和过水面积的乘积或流量推算汇水区域污水排放量，此法获取的水量较为准确，但受监测布点采样方法、频次、周期、采样量和监测项目影响。３　农村污水测算方法农村污水来源广泛，根据污染源的分类，分为生活污染源、生产污染源、地表径流污染源三类，各类污染源的测算方法分别如下。３􀆰１　生活污水农村生活污水可看作点源污染，主要可采用指标系数法、实测法计算。指标系数法主要采用国家环保总局规划财务司规定的有关生活污水水量、污染负荷量指标统计测算方法。实测法主要是在居民生活区污水排放口采样分析污染物成分、浓度并测量流速、流量，对受纳水体所接受的污染物量进行观测、分析和计算，推算汇水区域污染物输出量。目前，标系数法较为常用。农村污水为高浓度污水，在合理测算其水量、污染负荷量的基础上，其处理设施和出水水质要求可参考传统的城市污水处理模式。３􀆰２　村庄地表径流降雨径流是面源污染产生的基本条件，降雨径流为污染物提供了迁移的介质和能量，如果没有地表径流的产生，面源污染物就很难进入受纳水体。因此，村庄地表径流的核算十分重要。目前，村庄地表径流的测算方法主要包括５种，分别为单位负荷法、污染分割法、水文模型法、降雨插值法、水质水量法。其中，水文模型法使用较常见，而ＳＣＳ模型是水文模型法中一种较好计算小流域降雨径流量的方法，其应用最广。地表径流的测算有助于合理设计村庄污水处理设施处理规模，由于地表径流大多数时候为中低浓度废水，而初期雨水污染物浓度相对较高，排入水体易造成污染，需进行收集处理，其采用的思路可从源头减量、就地处理、收集调蓄处理三方面考虑，在地表径流汇集的低洼地建设调蓄设施进行初期雨水前期处理。３􀆰３　生产废水农村生产废水主要包括种植业、养殖产生的废水，主要包括畜禽养殖、农田径流废水两部分，其中农田径流大多产于农田耕地区，本文农村污水主要指村庄综合污水，暂不考虑农田径流废水。畜禽养殖废水大多采用估算法、指标系数法，估算法是将畜禽粪便折算作人计算，通过每