农村生活污水的水质特征与治理策略探讨——以厦门农村为例

徐佩林，朱木兰，2，张志谦

(1.厦门理工学院 环境科学与工程学院，福建 厦门 361024；

2.厦门市水资源利用与保护重点实验室，福建 厦门 361024；

3.厦门市市政工程设计院有限公司，福建 厦门 361000)

近年来，厦门及全国其他地方一直在积极推进农村生活污水的整治工作。2017年1月，环境保护部、财政部联合印发《全国农村环境综合整治“十三五”规划》要求到2020年农村生活污水处理率达60%以上，2021年《厦门市全面推进农村生活污水高质量高标准提升治理实施方案》要求力争用一年的时间，与乡村振兴各项工作相结合，因地制宜推进农村生活污水提升治理。但乡村地区居民居住分散、经济薄弱、人口众多，环境污染治理难度大，照搬、套用城市的治理模式，难以满足乡村“绿色发展”的治理要求[1]。为此，与城市的集中式治理模式不同，目前广泛采用分散式生活污水处理设施进行农村污水治理，而进水水质是分散式污水处理设施处理工艺流程设计的主要依据，实际进水水质资料的缺乏，易导致设施出水不达标或设施功能得不到充分发挥，造成资源浪费[2]。

为解决上述问题，越来越多的研究者针对各地农村生活污水水质情况开展了调查研究。高小平[3]指出福建地区的农村污水各项指标参考取值分别为COD(化学需氧量)为100～450 mg/L、BOD5(五日生化需氧量)为50～300 mg/L、pH值(酸碱度)为6.5～8.0、NH3-N(氨氮)为10～50 mg/L、TP(总磷)为2.0～6.5 mg/L。此外，高洁等[4]对武汉市新洲区生活污水进行研究，发现COD、BOD5、SS(固体悬浮物)、NH3-N、TP的浓度变化范围分别是150～200、50～60、200～300、20～25、4.0～5.5 mg/L。周晓莉等[2]对江苏20个农村生活污水处理设施的进水进行研究，结果发现COD、TP、TN(总氮)的年均值分别为154.6、3.4、38.3 mg/L，随季节变化规律明显，夏季生活污水中污染物浓度低于冬季，春秋季污染物浓度介于两者之间，且和当地的用水习惯有关。李越越等[5]对贵州省农村污水进行研究，发现COD、BOD5、TP的浓度范围分别为78.70～460、40～382、1.11～8.31 mg/L，其值的高低与当地经济发展水平、农民收入来源有关。关学斌等[6]对海南省农村生活污水进行了研究，发现海南省农村生活污水浓度低、变化大，COD、TP、NH3-N浓度范围分别为61～353、3.78～15.8、1.09～139 mg/L。此外，毛莹[7]以厦门市翔安区为例对农村污水治理技术进行了探讨，指出农村生活污水一般BOD5≤250 mg/L、CODcr≤500 mg/L、pH值为6～8，但该研究缺少氮磷等重要水质指标的调查，且探讨范围局限于翔安区内。目前针对厦门市各区包括氮磷等水质指标在内的农村生活污水水质的调查结果鲜有报道。

从上述调查研究结果可知，由于各地经济水平、收入来源等不同，各个指标的取值变动范围在不同地区呈现出一定的差异性，现有研究成果大多数停留在简单汇总农村生活污水的各项水质指标的取值变化范围，或局限于从季节、当地经济发展水平等来分析农村生活污水的水质变动情况，而对于一些与污水处理工艺流程设计紧密相关的农村生活污水水质特征，如影响生物脱氮除磷效果的碳氮比与碳磷比等却鲜有分析计算。故现有研究成果难以为厦门乃至全国其他地方农村选用合适的污水处理工艺提供直接的参考依据。

鉴于此，本项目针对厦门岛外4个行政区即翔安区、同安区、集美区、海沧区进行农村生活污水水质特征的调查研究。通过对该4个区的农村生活污水进行采样和检测，明确了调查区域6个水质指标COD、BOD5、TN、NH3-N、TP、pH值的取值变化范围与平均值，分析计算了农村生活污水的BOD5/COD、BOD5/TP、BOD5/TN(或BOD5/NH3-N)比值，最后基于农村生活污水水质特征的调查分析结果，探讨了农村生活污水的治理策略。

2.1 采样点的选取与采样方法

厦门下设6个行政区，分别为岛内的思明区和湖里区2个行政区，以及岛外的集美区、海沧区、同安区、翔安区4个行政区。目前厦门岛内已高度城市化，农村主要分布在岛外的集美区、海沧区、同安区、翔安区4个区。故本文选取岛外4个区的农村作为研究对象。

针对岛外4个区，本研究共选取了12个采样点作为农村生活污水水质调查对象。该些采样点具有如下空间分布规律：①涵盖岛外4个行政区；
②既有离城区近的人口密度较高的农村，亦有远离城区的住户稀少的山区农村。此外，这些采样点还具有如下几个特征：①排污方式具有典型性，能代表该村的典型的排污方式。②排污量相对较大。③排出的污水依目测判断相对较脏。④所在位置方便采样。

所选取的各采样点编号与所属行政区、排污方式的对应关系如表1所示。

表1 采样点概况

针对上述所选取的12个采样点，为了减少偶然误差，每个采样点连续调查2次，每次调查采集两瓶水样，共采集48个水样。该些采样点的采样时间分布在冬季的1—3月(No.4—No.9采样点)与夏季的9—10月(No.1—No.3、No.10—No.12采样点)。由于厦门地处东南沿海，冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温在21 ℃左右。故厦门农村常年生活与用水习惯冬夏并不存在明显差异。本文着眼于厦门农村生活污水总体上平均的水质特征调查，故采样在空间上涵盖各行政区各类农村各类排污方式，在时间上涵盖冬季与夏季。上述采样均选择晴天进行以避免雨水影响，每次采样时间固定在中午这个农村用水与排水高峰的时间段。每瓶水样的体积约为1.5 L，采样瓶为大口圆形聚乙烯瓶。

4个区的采样点分布详情如图1所示，图1中红色标点为各区采样点所集中的区域(一些采样点由于相距较近，难以在地图上逐一标明)。

图1 采样点分布Fig.1 Distribution of sampling points

2.2 水质检测指标与分析方法

水质检测项目参考厦门农村生活污水处理设施的水质考核指标，选取6个水质指标即COD、BOD5、TN、NH3-N、TP、pH值进行检测。

水质检测所采用的分析方法具体如下：COD测定采用重铬酸钾消解分光光度法，BOD5测定采用稀释与接种法，TN测定采用燃烧氧化-化学发光法，NH3-N测定采用纳氏试剂分光光度法，TP测定采用钼锑抗分光光度法，pH值测定采用玻璃电极法。

3.1 调查结果

各区采样点的COD、BOD5、TN、NH3-N、TP、pH 值6个水质指标浓度变化情况如图2所示，箱形图的上边缘和下边缘分别代表水质指标最大值和最小值，箱形的顶部与底部分别代表上下四分位数，箱形内的横线代表中位数。此外，12个采样点的水质调查结果如表2所示，表中各采样点COD、BOD5、TN、NH3-N、TP、pH 值6个水质指标值为4个水样的检测结果总体平均值，表中在最后列出了48个样本检测结果的最大值与最小值。

图2 各区采样点污水水质波动Fig.2 Fluctuation of sewage quality at sampling points in each district

3.2 结果分析

3.2.1 各水质指标值的变化范围以及与水质标准的对比

从图2可见，6个水质指标中，各区pH值、TP波动小，而COD、BOD5、TN、NH3-N波动性较大。4个行政区中，水质指标波动性最大和较大的分别是翔安区与海沧区，波动性较小和最小的分别是集美区与同安区。翔安区与集美区的调查时间在夏季，而海沧区与同安区的调查时间是在冬季。可见，季节不是影响水质指标波动性的主因。进一步分析发现，翔安区No.10、No.11采样点排污方式为土沟渠排放，而No.12采样点为PVC排放，排放方式的不同导致各采样点之间的水质相差较大。而同安区各采样点水质指标波动在4区中最小，乃因该区各采样点排污方式均为土沟渠排放。

表2 12个采样点污水水质情况

从表2可知，厦门市农村生活污水水质指标值中COD总体平均值为188 mg/L，变化范围在46～408 mg/L；
BOD5总体平均值为66.5 mg/L，变化范围在4.9～188 mg/L；
TN的总体平均值为21.2 mg/L，变化范围在7.30～66.7 mg/L；
NH3-N的总体平均值为11.8 mg/L，变化范围在1.50～49.1 mg/L；
TP总体平均值为1.78 mg/L，变化范围0.44～3.56 mg/L；
pH值总体平均值为7.69，变化范围在6.82～8.51。该调查结果与第1节中所指出的福建、武汉、江苏、贵州等各地的农村污水水质指标具有较高的相似性，如COD最大值<460 mg/L，平均值<200 mg/L。另一方面，与城市生活污水水质相比，农村生活污水中的有机污染物含量明显低于城市生活污水，如孙迎雪等[8]对昆明市的城市污水进行分析，结果表明其COD可高达1 100 mg/L。

从表2还可知，与《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准及《农田灌溉水质标准》(以下简称农灌标准)(GB 5084—2021)相比，农村生活污水的pH值无需经任何处理，即可满足一级A的6～9限值；
也基本满足农田灌溉标准的5.5～8.5限值。但其他5个水质指标即COD、BOD5、TN、NH3-N、TP均值都无法满足一级A标准限值即COD≤50 mg/L、BOD5≤10 mg/L、TN≤15 mg/L、NH3-N≤5 mg/L、TP≤ 0.5 mg/L的限值。此外，与农田灌溉水质标准(GB 5084—2005)相比，pH值同样无需经任何处理，即可基本上满足农田灌溉水质标准(后简称为农灌标准)所要求的5.5～8.5限值；
此外，TN、NH3-N、TP这3个反映营养物质含量的指标，农灌标准不存在任何限值，因为对农作物而言，氮磷都是植物生长所需的营养物质。但反映有机污染程度的COD、BOD5这两个指标，即使农村生活污水未经处理，其各自的均值188 mg/L与66.5 mg/L已能满足农灌旱作标准(COD≤200 mg/L、BOD5≤100 mg/L)。虽然农灌标准(GB 5084—2005)中的旱作标准有16项指标要求，其中5个指标是重金属方面的指标。但在实际农村污水处理设施考评中，由于财力和精力有限，通常只能抽检若干个重要指标，本研究所选用的COD、BOD5、TN、NH3-N、TP、pH值6项指标是目前各地考评污水处理设施常用的重要指标，其他指标有待今后进一步调查研究。但有文献指出，农村生活污水中基本不含重金属和有毒有害物质[7]，农村作为非工业区，其污水有关重金属方面的水质指标通常不会存在问题[9]。

可见，农村生活污水分散式处理设施若以一级A标准为出水水质考核目标，则常用的6个考核指标中有5个指标即COD、BOD5、TN、NH3-N、TP需要进一步处理；
而如果以农灌标准(GB 5084—2005)中的旱作标准为考核目标，可能有一大半的农村生活污水无需处理就已达标。

3.2.2 各水质指标值的分布特征分析

COD、BOD5、TN、NH3-N、TP在不同地点(采样点)的变化情况如图3所示。

图3 不同采样点各水质指标变化Fig.3 Changes in concentrations of water quality indices at different sampling points

从图3(a)可知不同采样点COD与BOD5差异很大，但两者的变化趋势在空间上呈现一定的正相关关系，即COD高的采样点，BOD5也显示出较高的浓度；
其次，从图3(b)可知NH3-N和TN也存在同样的现象，即NH3-N和TN不同采样点浓度变化也较大，且两者存在相似的变化趋势，但TP随地点(采样点)变化不大，仅在0.44～3.56 mg/L这个小范围波动。此外，对比图3(a)与图3(b)可知，COD、BOD5的变化规律与NH3-N、TN并不同步，采样点No.1—No.4、No.12 中有机污染物指标COD、BOD5含量高，但营养物质氮含量指标NH3-N和TN反而很低；
而采样点No.6—No.11中，有机物污染物含量较低，但营养物质氮含量较高。这种有机污染物与营养物质氮含量变化的不一致性势必给农村生活污水处理设施的生物脱氮效果带来极大的挑战，因为生物脱氮需要碳源，氮含量越高，脱氮所需的碳源就越多，即需要BOD5越高。从上述初步分析可知，应用传统的生物处理工艺如活性污泥法、生物膜法治理农村生活污水时，很多时候会遇到碳源不足、反硝化反应不完全导致难以脱氮的问题。

3.2.3 基于BOD5/COD、BOD5/TP与BOD5/TN指标的水质特征分析

为了进一步定量评价农村生活污水的可生化性、生物除磷与生物脱氮的可行性，本文进一步分析计算了3个表示污水水质特征的指标即BOD5/COD、BOD5/TP、BOD5/TN。其中BOD5/COD指标表示污水中可生物降解的有机物占总有机物量的比值，通过该比值可以推断出污水的生物降解能力，当BOD5/COD<0.1时，不适合进行生物处理，当0.20.4说明污水可生化性较好[10]。而BOD5/TP与BOD5/TN指标则用来判断生物除磷与生物脱氮的可行性，通常当BOD5/TP>20时符合生物除磷要求[10]，当BOD5/TN>4即可认为污水有足够的碳源供反硝化菌利用，反硝化反应将进行得较完全[4]。

12个采样点的3个指标BOD5/COD、BOD5/TP与BOD5/TN的分析计算结果如表3所示。

表3 12个采样点的BOD5/COD、BOD5/TP与BOD5/TN比值

从表3可知，12个采样点的BOD5/COD比值变化范围为0.22～0.68，均>0.2；
其中位于0.2～0.4的有8个点，占67%；
BOD5/COD比值≥0.4的有4个点，占33%，说明农村生活污水都具备了一定的可生化性，且约1/3的污水还具备了较好的可生化性。可见，农村生活污水具备生物降解有机污染物的水质条件。其次，BOD5/TP比值变化范围为14.6～86.4，虽然大部分采样点均>20，但仍有No.9 采样点的BOD5/TP比值仅14.6，说明了农村生活污水有时也存在难以生物除磷的问题。再者，BOD5/TN比值的变化范围为0.7～12.1，其中No.6—No.11共6个采样点的BOD5/TN比值<4，50%的采样点污水存在碳氮比不足，难以进行生物脱氮；
且从表1可知，BOD5/TN比值小于4的采样点排污方式均为土沟渠排放，而污水在土沟渠内缓慢的流动过程也是一种有机污染物降解的过程[9]。这就容易导致碳源不足。

综上，可知农村生活污水一般具备可生化性，但因有机污染物含量通常较低，容易出现难以进行生物脱氮的问题，有时也会出现难以进行生物除磷的问题。为了进一步验证该现象并非偶然，本研究进一步选取了海沧区2个生活污水分散式处理试点进行为期2年的农村水质跟踪调查，结果表明其农村生活污水的BOD5/ COD、BOD5/TP、BOD5/NH3-N比值变化范围分别为0.44～0.61、3.6～36、0.4～4.1。其中BOD5/COD比值均>0.2，且91.7%的比值甚至还>0.4；
但BOD5/NH3-N比值有87.5%的水样<4；
BOD5/TP比值有62.5%的水样<20；
再次验证了农村生活污水具备可生化性，但由于有机污染物含量较低，容易发生碳氮比不足，导致生物脱氮除磷难以进行，有时也会存在碳磷比不足难以生物除磷的问题。

目前农村主要可分为两大类：第一类是人口密度高、耕地与农业生产基本消失的城镇化农村，这类农村建议建设管网收集污水并入已有的城镇污水厂或新建小型污水厂进行集中处理；
第二类农村则是人口密度低、耕地面积多、农业生产发达的非城镇化农村，这类农村建议采用分散式处理措施进行污水治理与农田回用。而对于分散式处理设施，目前在农村广泛采用的处理工艺可分为两大类：一类是无动力处理工艺，如三化池+氧化塘、三化池+人工湿地、厌氧池+渗滤系统+人工湿地等；
另一类是有动力处理工艺，如A2O，AO+MBR，AO+MBBR，AO+人工湿地等。出水水质考核标准主要有两类，一类是农灌标准，另一类是一级A标准。

从上述所分析的厦门农村生活污水水质特征可知，农村生活污水虽然具备可生化，但生物除磷脱氮方面、特别是生物脱氮上容易因碳源不足而难以进行，氮磷指标难以达到一级A标准。因此，对于人口密度低、耕地面积多、农业生产发达的第二类农村的分散式生活污水处理设施，不建议简单套用城市污水厂常采用的AO+MBR、A2O等处理工艺将污水处理至一级A标准后直接排入受纳水体。否则，为了达标，常需要人工添加碳源。笔者团队在实际调查中发现，一些运维公司为了使分散式污水处理设施的出水水质能够达到一级A标准，在实际运行中不得不添加甲醇[11]或乙酸钠[12]等来增加碳源，而这不仅增加了运行成本，也容易带来药品管理风险与二次污染。

另一方面，众所周知，污水中的氮磷本是良好的农作物肥料，若采用有动力处理工艺进行深度脱氮除磷后排入地表水，反而是一种资源浪费。2018年9月生态环境部、住房和城乡建设部印发了《关于加快制定地方农村生活污水处理排放标准的通知》，该通知鼓励采用生态处理工艺，要求加强生活污水源头减量和尾水回收利用。所以针对第二类农村，农田灌溉就是一种十分适合于污水回收利用方式[9]。此外，从上述厦门农村生活污水水质特征分析亦可知，约占一半的农村生活污水COD与BOD5水质指标未经任何处理即可满足农灌旱作标准，而pH值则完全满足农灌旱作标准，表明农村生活污水有望经过简单处理即可回用于农田。因此，建议对于厦门周边农村地区中人口密度低、耕地多、农业生产发达的第二类农村，充分利用村庄内现有的排水沟渠，将其改建成具有“渗、蓄、滞、净、排”功能的LID型排水沟渠[9，13]，使污水在沟渠中边排放边得到净化，最后出水回灌于农田。笔者团队已有的研究成果表明，该种LID型排水沟渠出水水质可达到农灌旱作与水作标准[14]。此外，亦可将农村的一些荒地改建成人工湿地[15]、人工快渗系统[16]等生态处理设施，将污水处理至农灌标准后全部回用于农田。

本文以厦门岛外4个行政区的农村为研究对象，选取12个采样点进行农村生活污水水质调查分析，并基于调查分析结果探讨了农村生活污水治理策略。主要结论如下：

(1)厦门岛外4个区的12个农村采样点COD总体平均值为188 mg/L，变化范围在46～408 mg/L；
BOD5总体平均值为66.5 mg/L，变化范围在4.9～188 mg/L；
TN的总体平均值为21.2 mg/L，变化范围在7.30～66.7 mg/L；
NH3-N的总体平均值为11.8 mg/L，变化范围在1.50～49.1 mg/L；
TP总体平均值为1.78 mg/L，变化范围0.44～3.56 mg/L；
pH值总体平均值为7.69，变化范围在6.82～8.51，满足一级A排放标准的6～9范围，也基本满足农田灌溉标准的5.5～8.5。

(2)厦门岛外4个区的12个农村采样点BOD5/COD、BOD5/TP、BOD5/TN比值变化范围分别为0.22～0.68、14.6～86.4、0.7～12.1。BOD5/COD比值全部>0.2，其中超过1/3的采样点还>0.4；
此外，有一半的采样点BOD5/TN比值<4，有1个采样点的BOD5/TP比值<20；
可见，农村生活污水虽然具备可生化性，但由于有机污染物含量低，容易出现低碳氮比，有时也存在低碳磷比的水质特征。虽然扩大调查范围与监测时长，3个比值的变化范围会有所变化，但本研究进一步针对海沧2个农村所进行的长达2 a的水质监测结果也揭示了相似的水质特征。

(3)基于上述农村生活污水pH值基本满足农田灌溉标准、有机污染物含量不高(污水未经处理，COD与BOD5均值188 mg/L与66.5 mg/L均已小于农田灌溉旱作标准的限值200 mg/L与100 mg/L)、大多具有低碳氮比即BOD5/TN比值<4的水质特征，建议对于厦门周边农村地区中人口密度低、耕地面积多、农业生产发达的非城镇化的第二类农村，生活污水治理不宜简单套用城市污水厂处理工艺以及一级A的处理标准，否则为了达标需人工添加碳源而增加处理成本与风险；
建议厦门周边农村地区中第二类农村以农灌标准为处理目标，简单采用LID型排水沟渠、人工快渗系统、人工湿地等生态措施进行生态处理后回灌于农田。

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