我國農村生活污水綜合治理研究
以下文章來源于中國工程院院刊 ,作者《中國工程科學》
建設一流學術期刊,報道全球工程前沿!
點藍色字關注“知領”
編者按
改善農村人居環境是建設社會主義新農村的重要內容。農村生活污水治理作為農村人居環境改善的主要任務,是實現鄉村振興的重要舉措、新時期深入開展農業農村污染治理的關鍵所在。然而多年來,農村水污染防治進程明顯滯后于工業和城鎮水污染防治,農村人居環境質量和水環境質量整體不佳,生活污水隨意排放、水體黑臭及富營養化等問題突出。
中國工程院院刊《中國工程科學》2022年第5期刊發同濟大學環境科學與工程學院葉建鋒教授研究團隊的《我國農村生活污水綜合治理研究》一文。文章梳理了我國農村生活污水治理在法規條例與標準完善、治理規模、技術提升、環保教育等方面的成效,分析了農村生活污水治理在能力、技術、標準、運行維護方面存在的問題;針對性提出了因地制宜、資源利用、經濟簡便、科學規劃等治理方針,治理模式、技術工藝、資源利用、運行機制等工作要點,污染治理全系統、作用主體全聯動的實施路徑。文章建議,落實農村生活污水中氮和磷灌溉回用理念,科學制定排放標準;按照經濟可行原則,推進農村污水生態與簡便處理;完善市場機制,推動農村污水處理專業化托管運行。在國家層面的政策引導下,扎實推進農村生活污水綜合治理工作,支持實現“美麗鄉村”建設目標。
一、 前言
改善農村人居環境是建設社會主義新農村的重要內容。農村生活污水治理作為農村人居環境改善的主要任務,是實現鄉村振興的重要舉措、新時期深入開展農業農村污染治理的關鍵所在。然而多年來,農村水污染防治進程明顯滯后于工業和城鎮水污染防治,農村人居環境質量和水環境質量整體不佳,生活污水隨意排放、水體黑臭及富營養化等問題突出。我國現有2.5×106個自然村,農村人口約為5.1億人,農村生活污水排放量超過2×106 t/a,化學需氧量、氨氮、總氮、總磷排放量分別為5×106 t/a、2.5×105 t/a、4.5×105 t/a、4×104 t/a。然而,2021年全國農村生活污水治理率僅為28%。可以判斷,今后20~30年污水處理的主要市場集中在農村,相應發展空間較大。
當前,農村地區生活污水處理的模式有:采用納管接入城鎮污水處理廠,以村鎮為單位的集中污水處理,單戶或多戶的分散式污水處理。主要采用的處理技術包括:生物處理(化糞池、生物濾池等),生態處理(人工濕地、穩定塘等),生物+生態組合處理;同時輔以適當的物理技術(沉淀、曝氣等)和化學技術(加藥等),確保良好的處理效果。多數地區都根據人文地理、處理規模、受納水體的特點,制定了農村生活污水處理出水的分級排放標準,形成了可操作的排放標準序列。也要注意到,我國農村生活污水治理雖有成效,對標國際先進水平仍有不小差距。
① 在理念上,我國農村生活污水治理執行的排放標準趨于嚴格,基本采用處理達標后直接排放,而國外盡可能對排放水進行資源化利用。
② 在技術上,我國農村生活污水基本參照城市污水處理技術模式,而國外以小型一體化設備、生態化、就地化等分散式處理技術為主。
③ 在管理上,我國農村生活污水治理的標準體系、監管運維機制、保障措施等有待進一步完善,建成的農村生活污水處理站在一段時間后較多處于閑置狀態,不利于農村生活污水治理行業的健康發展。
積極開展農村生活污水的“低碳無廢”處理處置,在加強農村生活污水資源化利用、實現減污降碳協同增效的同時,可促進農村綠色農業發展,將是我國農村生活污水處理處置的科學路徑。本文梳理農村生活污水綜合治理成效并總結存在的問題,提出治理原則、實施路徑和發展對策,以期為新時期農村生活污水治理的深化推進起到參考作用。
二、 我國農村生活污水綜合治理成效
(一) 法規文件和標準逐步完善
《中華人民共和國水污染防治法》新增條款明確,國家支持農村污水處理設施建設。《鄉村振興戰略規劃(2018—2022年)》《農村人居環境整治三年行動方案》《農業農村污染治理攻堅戰行動計劃》等系列文件發布,對農村水污染防治工作起到指導和規范作用。《中共中央 國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》提出,持續改善農村人居環境,以農村污水治理等為主攻方向。《中共中央 國務院關于堅持農業農村優先發展做好“三農”工作的若干意見》進一步將農村生活污水治理作為“鄉村振興戰略”實施的重要內容。
《農村人居環境整治三年行動方案》要求,2020年東部地區、中西部城市近郊區等有條件的農村地區,生活污水處理率要有明顯提高;中西部等基本具備條件的農村地區,生活污水亂排亂放現象得到管控。《關于全面加強生態環境保護堅決打好污染防治攻堅戰的意見》提出,打好農業、農村污染治理攻堅戰,持續開展農村人居環境整治行動。《關于加快制定地方農村生活污水處理排放標準的通知》開啟了農村污水排放標準體系建設的新階段。目前除了內蒙古自治區、青海省,其他省份的農村生活污水排放標準均已發布并開始施行。
(二) 治理規模和技術極大提升
國家政策支持和資源保障力度不斷加大,實行生活污水治理的村莊數量逐年增加,各類處理工藝及成套設備研制完成并投入使用。2008—2017年,中央財政農村環保專項資金投入累計為435億元,財政補貼扶持傾向更為明確、舉措更為有力。2018年,全國有57 974個行政村依托農村環境綜合整治項目開展農村生活污水治理。“十一五”期間,治理村莊數平均為779個/a,“十二五”期間治理村莊數平均為4993個/a,“十三五”期間治理村莊數平均為6015個/a。整體上,農村生活污水得到治理的村莊數量大幅增加,治理速度不斷加快。
針對農村地區污水總量小、時段變化大、收集難度高等特點,結合農村地區的經濟條件,扎實開展污水處理工藝創新、成套設備研制。在生物處理、生態處理的基礎上,各種組合工藝(如“厭氧+人工濕地”“生物濾池+人工濕地”等)能夠形成應用互補,降低了農村生活污水來源復雜、進水量及有機負荷波動大等不利影響。新型的一體化污水處理裝置具有處理效率高、占地面積小等優點,可滿足分散式農村廢水治理的需求。
(三) 環保教育在農村地區不斷推進
“十一五”時期開展了“農村小康環保行動計劃”,旨在改善農村地區生產和生活環境,提升農村生態文明水平,促進農村的全面可持續發展。自2015年起,生態環境部“環保科普專項”重點任務中均有“農村環保科普電影”放映工作,以增強農村居民環境保護意識、提高農村生態環境保護工作水平。《“美麗中國,我是行動者”提升公民生態文明意識行動計劃(2021—2025年)》進一步加強了新時期生態文明宣傳教育工作。
目前,全國農村居民的環保意識明顯提升,為農村生態文明建設和可持續發展筑牢了堅實基礎。2021年本研究開展的海南省農村調研問卷結果表明:多數農村居民意識到農村生活污水中富含氮、磷資源,對已建污水處理設施效果表示滿意,積極配合使用處理尾水進行農業灌溉。這體現了基層環保教育的良好效果。
三、 我國農村生活污水綜合治理存在的問題
(一) 處理處置能力較低
2019年3月,《中華人民共和國水污染防治法》執法檢查工作總結認為,多數省份的農村生活污水集中處理設施欠賬多,特別是城鄉結合部、偏遠農村地區的基礎設施缺乏或落后問題迫切,污水治理成為農村水污染防治工作的重大挑戰;農村地區污水處理設施普遍存在廠網建設不完善、建設水平不高等問題,導致農村污水處理率低于20%,而多數污水未經處理隨意排放。相比城鎮污水90%以上的處理率,農村污水處理工作形勢依然嚴峻。
(二) 處理技術因地制宜體現不夠
農村地區的經濟水平整體偏低,加之居住分散,生活污水難以集中。農村生活污水的處理模式、技術、工藝等,都應盡量適合農村特點。目前,自然村落的污水處理沒有綜合考慮運行經濟簡便需求,仍然較多沿用城鎮污水或工業廢水處理工藝;雖然出水水質較好,但能耗高、管理復雜,抬高了農村污水處理的經濟成本以及設備運行的復雜性,在推廣使用后帶來了一定的財政負擔。
在相同的處理標準下,農村生活污水處理如采用城鎮污水或工業廢水處理工藝,建設成本將是生態處理技術的11倍,運行成本將是生態技術的3倍。農村生活污水處理設施建設往往不會優先考慮污水和氮、磷資源的農業生產利用,而基本按照高標準達標排放到河湖的思路開展建設。農村污水的水量、水質波動較大,處理設施難以長效穩定運行;相當部分已建設施的尾水排放達不到設計標準,尤其是總氮和總磷難以達標排放。調研報告顯示,蘇南農村地區的設施設計污水處理量為231~371 L/(戶·d),而實際污水產生量小于150 L/(戶·d),造成了建設資源浪費,而仍有部分設施出水超標。
(三) 處理標準過于嚴格
部分省份制定的農村污水處理標準明顯偏高,尤其是氮、磷指標要求過于嚴格,沒有合理體現氮、磷是農業生產必需的肥分以及可以資源化利用的優勢。一方面將氮、磷作為污染物,在降解后才能排放;另一方面需要購買氮肥、磷肥施用于農田。這就阻斷了資源循環利用通道。
截至2020年4月,共有29個省份發布了農村生活污水排放標準;如北京市在2013年第一版的基礎上發布了2018年修訂版,天津市2019年發布的征求意見稿堪稱當前最嚴標準。在總氮排放限值方面,河北省、河南省的標準與國家城鎮污水處理排放標準最嚴限值相同,北京市、天津市的標準則嚴于國家城鎮污水處理排放標準的最嚴限值。在總磷排放限值方面,河北省、山東省、河南省、北京市的標準與國家城鎮污水處理排放標準最嚴限值相同,天津市的標準嚴于國家城鎮污水處理排放標準最嚴限值,其余省份的標準基本等同于國家污水處理排放一級B標準。
(四) 已建處理設施運行保障不力
目前建成使用的農村生活污水處理設施,多數不能正常運行甚至長期撂荒,主要原因在于前期建設難度考慮不充分、管網不配套、維護管理費用不到位。例如,杭州市農村污水處理設施的調查結果顯示,僅有63.6%的集中式生活污水處理設施達到了正常運行標準。
① 一些農村生活污水治理工程,在設計前期未深入了解村莊實情并聽取村民意見,對農村生活污水的治理現狀和難度考慮不全面,對污水治理特點和規律把握不充分;前期實地摸底調查不扎實、技術方案設計不科學,也導致工程設計質量不高。
② 管網投資額約為污水處理構筑物投資額的2.5倍,維護管理難度大;因管網建設和處理設施建設不配套而導致部分農村地區的污水處理設施“建而不用”。
③ 很多農村地區的設施管理人員以當地村民為主,不具備污水處理的專業知識、設備操作管理的必要技能,只能負責設備的日常看護,無法承擔專業的系統維護;運營管理不規范導致污水處理設施運行不穩定、故障頻出。
④ 多數鄉鎮難以長期承擔污水處理設施的運行費用,市場化融資渠道欠缺;如果沒有財政直接支持、專業化運行管理,必然導致設施荒廢閑置,這是農村污水處理設施運營維護管理不善、工程效益低下的根本性原因。
四、 我國農村生活污水治理的發展路徑
(一) 治理方針與工作要點
1. 農村生活污水治理方針
農村地區的風土人情、經濟水平、文化背景、自然資源、生活環境均有差異性,相應發展的區域性特征明顯。相較城鎮污水處理,農村生活污水處理的實施方案更需綜合考慮和系統謀劃。
一是因地制宜。根據農村所處地區、人口規模、集聚程度、地形地貌、排水特點、排放要求、經濟能力等方面的具體情況,采用適宜的污水處理模式和技術工藝,確保農村生活污水治理方案的可實現性和可持續性。
二是資源利用。農村生活污水治理應以資源化利用、可持續治理為導向,發揮蘊含氮、磷營養元素和水資源的價值;順應綠色低碳發展潮流,踐行生態文明建設理念,在從污水產生到處理達標的全過程中實現低碳排放。
三是經濟簡便。農村地區經濟條件相對差、人員技術水平較落后、公共管理能力也不高,應按照技術經濟合理的要求,理性選擇技術成熟、成效可驗、管理方便、操作簡單、運行穩定、綜合費用可控、便于推廣的農村生活污水治理模式和技術工藝。
四是科學規劃。充分考慮城鄉發展布局、經濟發展狀況、區域環境容量、人口分布特征等因素,與土地規劃、村莊規劃、水系規劃、給排水規劃有機銜接,統籌好近期與中長期、集中與分散、排放與利用的關系,確保農村生活污水處理設施的規范建設、穩定運行、達標排放。
2. 農村生活污水治理要點
農村生活污水處理的技術選用,應該堅持三方面原則:優先進行農村生活污水的資源化利用,不能開展污水回用的地區則確保污水處理后達標排放;盡量控制包括收集系統在內的治理設施建設及運行費用,體現當地公共投入的可承載性;追求運行管理簡便,依靠當地居民即能維持正常運行。
在治理模式方面,按照農民新村、自然村落、散居農戶的分類方式推進農村污水治理工作。農民新村距離城鎮近,宜突出經濟性,選擇集中收集處理、納入城鎮污水管網等收集處理方式;自然村落可根據人口聚集度、現有污水收集系統建設情況,選擇分戶處理或集中收集處理等方式;散居農戶宜采取就地資源化的處理方式。
在技術工藝方面,集中收集處理的尾水排放標準應根據所在區域的環境敏感性、水環境容量雙重因素綜合考慮,因地制宜選擇生態低碳、經濟簡便的處理工藝(如生物濾池技術等),處理設施應追求小型化、設備化。在農村污水處理出水達到農田灌溉水標準后,鼓勵就地還田利用。
在資源利用方面,協同推進資源化治理與農村改廁工作,形成糞污清運、污水處理處置聯動方案;科學制定糞污資源化技術標準并嚴格監管執行,保證糞污處置后達到有機肥施用的安全標準;細化糞污資源化利用的補貼政策,多渠道支持農村居民使用糞污有機肥。
在運行機制方面,開展農村污水、糞污、農業廢棄物的治理規劃,引入的專業公司應能運行維護農村污水處理設施、糞污清運和處理設施,以此實現協同運營。針對治理設施開展遠程監管或招聘當地居民參與網格化監管,建立運行維護單位網上申報制度,落實科學監管,確保可持續運營,實現農村生活污水治理的協調發展。
(二) 實施路徑
1. 污染治理全系統考慮
農村地區因居民的生產生活產生了一系列固液污染物,如農業面源污染、農業廢棄物、水產養殖廢水、農村生活污水、畜禽養殖廢水等。然而已開展的農村生活污水治理工作,多為單一治理,未能綜合考慮農村地區各類污染物的協同治理,綜合資源化利用理念更為滯后,出現了治理不經濟、難見穩定長效的情況。為此,農村地區污染治理應進行全系統考慮(見圖1),而將生活污水治理視為其中的組成內容。
圖1 農村地區污染綜合治理模式
協同推進人畜糞污“低碳無廢”治理工作,實現氮、磷資源的生產利用,解決農業面源污染問題。農村地區畜禽養殖業規模較大,自然村落的化糞池普遍存在,應以村為單元,定期清理畜禽糞便、清掏化糞池;結合集中式畜禽養殖場分布,建設人畜糞便資源化處置設施,提高資源化利用水平;將農村改廁工作、畜禽養殖污染治理、面源沖淋污染治理進行聯動。論證各地區的人畜糞污“低碳無廢”治理規劃,形成人畜糞污清運、協同資源化處置實施方案,支持有條件的地區建立糞污與農業廢棄物協同制備有機肥產業;制定糞污資源化技術標準并嚴格監管執行,發布相關補貼政策及細則,多方合力支持農村居民使用有機肥。
實施農村生活污水資源化利用,輔助解決灌溉水量缺失問題。鑒于農村生活污水基本不含有毒 / 有害物質,應積極推動農村生活污水經過適當處置后用作農業生產灌溉水或排入灌溉渠道。在不宜開展資源化利用的地區,尾水排放標準可根據環境敏感性、水環境容量等因素綜合考慮。
2. 污染治理作用主體全聯動
鑒于農村地區經濟發展相對滯后的實際情況,生活污水治理應充分發揮政府、市場、村民三方面作用。
地方政府發揮主導作用,強化統籌銜接,將農村污水、人畜糞污、農業廢棄物等的治理進行集中規劃,全面推進協同治理及持續運營。按照農民新村、自然村落、散居農戶分類推進農村生活污水治理工作,強化建設 ‒ 管理全鏈條,確保設施發揮應用作用。
充分發揮市場的主體作用,保障農村生活污水治理的可持續運作。采取盈利 / 虧損項目合理“打包”方式,通過城鄉一體化、供排水一體化、環境治理與產業開發相結合等措施,平衡環境和經濟的綜合效益;由專業機構代管一定規模的農村生活污水治理項目,提升規模化運營水平及成效。采用“公共資金撬動市場投入、政府和社會共同參與”的融資模式,有效激發綠色金融的扶持效應。
鼓勵農村居民積極參與并發揮作用。在農村生活污水治理過程中,居民的知情權、參與權應有充分保障,在增進了解對生活環境改善作用的同時,引導自我約束、減少污水亂排、參與設施運行監管;發揮村黨支部委員會、村民委員會的組織協調作用,提高參與污水治理規劃、建設、運營、管理水平。
五、 對策建議
(一) 落實農村生活污水中氮、磷灌溉回用理念,科學制定排放標準
農村地區自然消納能力強、農作物生產存在灌溉施肥需求等特點,農村生活污水處理過程應與治理后的污水回用結合起來考慮。從技術角度普遍認為,農村生活污水處理需將回收利用作為主要目標,除特殊敏感水域外,污水處理一般無需脫氮除磷,而應將之作為灌溉農田的肥料。建議高度重視農村生活污水排放標準的科學制定,積極推廣資源化回用技術,使農村環境保護領域的公共投資具有良好的技術經濟性。
除了生活污水,農村地區大量產生畜禽養殖廢水,其中富含氮、磷資源;應盡量統一處理農村生活污水、畜禽養殖廢水,協同推進人畜糞污“低碳無廢”治理工作;以氮、磷資源生產利用與農村地區產業發展的深度融合來根本性解決農業面源污染中的關鍵問題,進而協調整個污水處理體系的規模及布局。
(二) 按照經濟可行原則,推進農村污水生態與簡便處理
自然村落生活污水具有組團式分布特點,分散處理、就地排放的處理模式更為適宜;可優選肥分資源化利用、建設運行費用低廉、管理相對簡便的處理技術,提高污水處理的可持續性。根據農村地區的人文地理現狀、受納環境水質要求、經濟發展水平進行綜合篩選,兼顧建設 ‒ 管理成本、運維管理等因素,追求技術和管理的規范化及標準化。建議將生態處理技術作為散居村落分散式污水處理的主流路線,具體技術方案包括分散式基礎設施系統、濕地污水處理、多樣性污水分類處理等,處理出水標準則根據環境和健康風險來科學確定。
在非敏感水體的農村地區,因地制宜選擇組合生態處理技術(如人工濕地、自然塘、土壤滲濾等),發揮投資成本小、運行費用低、運行維護簡單等應用優勢。在給排水管網難以全面覆蓋的農村地區,自建房或老舊房屋可能采用水井取水的方式(沒有下水道,多是就近潑倒生活污水),宜積極開展宣傳教育,提高居民環保意識與加強給排水系統建設同步開展。
(三) 完善市場機制,推動農村污水處理專業化托管運行
農村生活污水處理設施的數量逐年增加,需在明確管理模式、明晰責任體系、籌措運行資金的同時,合理運用農戶自主、合同維護、運行許可、集中運行、特許運營等模式。比較簡單的處理系統可由農戶自行維護,略為復雜的處理系統需由供應商提供維修服務,更為復雜的處理系統應由第三方運營實體單位進行管理。政府多以貼息貸款、稅收減免、社區污水系統綜合管理資金資助等形式,支持農村分散式污水處理設施的建設、運行和維護。
鑒于農村地區的經濟社會發展現狀,全面推進農村生活污水處理并保障長期穩定運行,需要通過市場化模式進行管理維護。
① 建立政府主導的農村生活污水處理設施運營機制及其政策體系,明確責任主體并完善監管模式。
② 設立農村生活污水治理資金保障體系,推動政府和社會資本合作(PPP)模式在相關設施建設和運行維護中的應用,吸納社會資金及人員,緩解公共投入壓力并提高運行管理效率。
③ 形成第三方專業機構市場化運行服務體系,專業化保障農村生活污水處理設施的穩定運行。
注:本文內容呈現略有調整。