河南省農(nóng)村黑臭水體污染現(xiàn)狀及污染特征研究

王莉，劉萌碩，李亭亭，彭趙旭，李潔

(1.鄭州大學(xué) a.生態(tài)與環(huán)境學(xué)院；b.水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 4500012.河南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，鄭州 450046)

2013年農(nóng)村污染排放已占到全國污染排放的“半壁江山”，至2016年，農(nóng)村生活污水年產(chǎn)生量又增加了近10億噸，但進(jìn)行生活污水處理的行政村僅占20%[1]，與城市污水近90%的處理率形成強(qiáng)烈反差[2].2019年11月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《農(nóng)村黑臭水體治理工作指南(試行)》，深化落實(shí)《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》.河南省作為人口和農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)用物資施用不當(dāng)、農(nóng)村地區(qū)生活污水收集處理率低、小規(guī)模畜禽養(yǎng)殖污水不經(jīng)處理直接排放、生活垃圾隨意棄置等問題都導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量惡化，甚至出現(xiàn)黑臭[3-4]水體.農(nóng)村地區(qū)黑臭水體污染問題迫在眉睫，亟須開展治理工作.

目前關(guān)于黑臭水體的研究多集中在城市黑臭水體，且主要涉及黑臭水體治理技術(shù)、評價方法、識別監(jiān)測等方面，對農(nóng)村黑臭水體的關(guān)注較少[5-7].鄭心愿等[8]將磁加載多效澄清技術(shù)用于北京市大興區(qū)某黑臭水體治理工程中，對濁度、總磷、化學(xué)需氧量(COD)等有較好的去除效果，設(shè)備運(yùn)行期間表現(xiàn)出較好的抗沖擊負(fù)荷能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性；滕云梅等[9]通過相關(guān)性分析、方差分析和多重對應(yīng)分析，構(gòu)建了基于綜合水質(zhì)指數(shù)的南寧市黑臭水體污染程度分級評價體系，能反映綜合水質(zhì)的連續(xù)性變化情況；胡國慶等[10]以蕪湖鳩江區(qū)為研究區(qū)，利用GF-2衛(wèi)星的高空間分辨率特性，探索了基于光譜特征和表觀特征相結(jié)合的識別方法，進(jìn)一步提高了黑臭水體動態(tài)監(jiān)測的識別精度和可靠性.由于農(nóng)村黑臭水體分布情況、污染特征、成因等基礎(chǔ)資料的欠缺，致使治理工作難以系統(tǒng)開展.本研究以河南省農(nóng)村黑臭水體為研究對象，采用現(xiàn)場調(diào)研和采樣分析的方法，初步掌握農(nóng)村黑臭水體污染現(xiàn)狀、污染特征等.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

河南省位于31°23′N～36°22′N，110°21′E～116°39′E之間，華北平原南部的黃河中下游地區(qū)，地勢西高東低，由平原、盆地、山地、丘陵和水面構(gòu)成，地跨海河、黃河、淮河和長江四大水系.河南省轄20個縣級市，84個縣，1 791個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，4.6萬個行政村.2019年末全省總?cè)丝?0 952萬人，其中城鎮(zhèn)人口5 828萬人，鄉(xiāng)村人口5 124萬人.本研究綜合考慮河南省重點(diǎn)水源地保護(hù)區(qū)、地形地貌、行政區(qū)劃、流域分布、農(nóng)村分布等因素，篩選出南陽淅川縣、周口扶溝縣、商丘虞城縣、焦作博愛縣、駐馬店正陽縣5個代表性地區(qū)，對5地區(qū)的農(nóng)村黑臭水體進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，在現(xiàn)場調(diào)研基礎(chǔ)上，于2019年8至11月對典型農(nóng)村黑臭水體進(jìn)行采樣，共計在5地區(qū)采集水質(zhì)樣品103個，沉積物樣品99個(4個水體底部硬化或砂石較多，故未采集沉積物)，采樣點(diǎn)位分布見附圖Ⅰ.

樣品采集按照《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494-2009)進(jìn)行，采用柱狀采樣器采集未經(jīng)擾動的沉積物樣品，采集后立即裝入聚乙烯自封袋，同時用有機(jī)玻璃采水器采集相應(yīng)點(diǎn)位的上覆水，采集后立即裝入聚乙烯水樣瓶中，將沉積物樣品和水質(zhì)樣品低溫保存并盡快送回實(shí)驗(yàn)室處理.水質(zhì)樣品經(jīng)預(yù)處理后待測，沉積物樣品自然風(fēng)干，經(jīng)初篩去除砂礫及動植物殘體，再充分研磨過200目篩后備用.

1.2 指標(biāo)測定及分析

pH，氧化還原電位(ORP)使用HI 8424型快速測定儀測定；溶解氧(DO)使用HQ30d型便攜式溶解氧測定儀測定；氨氮(NH3-N)采用納氏試劑光度法測定(HJ 535-2009)；總磷(TP)采用鉬酸鹽分光光度計法測定(GB/T 11893-89)；COD采用快速消解分光光度法根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》測定；五日生化需氧量(BOD5)采用稀釋與接種法測定(HJ 505-2009)；Fe，Mn采用火焰原子吸收分光光度法根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》測定；葉綠素a(Chl.a)采用分光光度法測定(HJ 897-2017)；沉積物腐殖質(zhì)(HM)采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀氧化法測定(LY/T 1238-1999)；沉積物酸可揮發(fā)性硫化物(AVS)采用亞甲基藍(lán)分光光度法測定(HJ 833-2017).

1.3 黑臭水體分級評價及類型劃分方法

因生態(tài)環(huán)境部出臺的《農(nóng)村黑臭水體治理工作指南(試行)》中僅提供了農(nóng)村黑臭水體的識別標(biāo)準(zhǔn)(透明度<25 cm，DO質(zhì)量濃度<2 mg/L，NH3-N質(zhì)量濃度>15 mg/L，任一項(xiàng)超標(biāo)即為黑臭水體)，無分級評價標(biāo)準(zhǔn)，故采用住建部出臺的《城市黑臭水體分級評價標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱指南法)對采集的103個農(nóng)村黑臭水體水樣進(jìn)行黑臭程度評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1.為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，每個樣品均設(shè)置兩個平行樣品進(jìn)行同步分析.采用Excel 2010進(jìn)行原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，SPSS 21.0進(jìn)行因子分析，Origin 2017進(jìn)行相關(guān)圖表制作.

表1 城市黑臭水體污染程度分級標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)村黑臭水體的主要污染來源有農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖等5類.按照黑臭水體內(nèi)污水主要來源判定其污染源類型，位于居民區(qū)內(nèi)且有明顯排污口和垃圾堆積的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為農(nóng)村生活污染；位于農(nóng)田周圍且遠(yuǎn)離居民區(qū)，較少涉及生活污染和畜禽養(yǎng)殖污染的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為農(nóng)業(yè)種植污染；位于企業(yè)周邊且有明顯排污口或中間產(chǎn)物傾倒現(xiàn)象的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為工業(yè)廢水污染；位于畜禽散養(yǎng)戶或養(yǎng)殖聚集區(qū)周邊且有畜禽養(yǎng)殖糞便、污水等直接或間接排入的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為畜禽養(yǎng)殖污染；位于廢棄魚塘或與周邊水產(chǎn)養(yǎng)殖水體連通的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為水產(chǎn)養(yǎng)殖污染.

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)村黑臭水體污染特征

依據(jù)指南法進(jìn)行的黑臭程度分級評價結(jié)果顯示，整體上，輕度黑臭水體占45%，重度黑臭水體占33%，其余水體水質(zhì)略好于輕度黑臭，但屬于劣Ⅴ類水體.由圖1(a)可知，南陽淅川縣采集的20個水樣中65%為重度黑臭，在5地區(qū)中重度黑臭比例最高；商丘虞城縣采集的24個水樣中重度黑臭和輕度黑臭各占50%；焦作博愛縣采集的18個水樣中重度黑臭、輕度黑臭、非黑臭占比相同(約33%)；周口扶溝縣采集的22個水樣中，輕度黑臭占64%，在5地區(qū)中輕度黑臭比例最高；駐馬店正陽縣采集的19個水樣中重度黑臭僅占5%，在5地區(qū)中重度黑臭占比最低，非黑臭水體在5地區(qū)中占比最高(42%).

對典型地區(qū)內(nèi)農(nóng)村黑臭水體進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村黑臭水體多為坑塘和溝渠，多位于居民區(qū)內(nèi)或村頭、農(nóng)田附近，水體面積和水量均較小，基本為死水，而且農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖5類污染源均涉及.采集的黑臭水體水樣中農(nóng)村生活污染的黑臭水體占比最高(57%)，其次是農(nóng)業(yè)種植污染(14%)，水產(chǎn)養(yǎng)殖污染的黑臭水體數(shù)量最少(5%).由圖1(b)可知，商丘虞城縣農(nóng)村生活污染的黑臭水體在5地區(qū)中占比最高，占79%，商丘常駐人口較多且居民區(qū)密集，污染物產(chǎn)生量較大；駐馬店正陽縣農(nóng)業(yè)種植污染的黑臭水體占比最高(26%)，且水產(chǎn)養(yǎng)殖僅存在于該地區(qū)，南陽淅川縣次之(20%)；焦作博愛縣工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖污染的黑臭水體占比均最高.

孫娜等[11]以蘇州城市水體為研究對象，發(fā)現(xiàn)有部分河道多呈灰黑色有時甚至出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，與河南省農(nóng)村黑臭水體具有相似的特征，兩者均主要受生活污水排放的影響，水質(zhì)有機(jī)污染現(xiàn)象較明顯，結(jié)合現(xiàn)場情況發(fā)現(xiàn)，黑臭水體均呈現(xiàn)河道淺窄、底泥淤厚、面積小、流速緩慢等特征，使得水體自凈能力不佳[5].冀峰等[7]以太湖流域?yàn)檠芯繉ο?，發(fā)現(xiàn)部分入湖河流特別是斷頭浜由于長期受到沿岸畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)的影響，導(dǎo)致河流底泥淤積嚴(yán)重，蓄積大量外源輸入的營養(yǎng)物質(zhì)，甚至形成黑臭河流，與河南省農(nóng)村黑臭水體研究結(jié)果一致，重度黑臭水體主要是畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)廢水貢獻(xiàn)的[5].

2.2 水體污染特征

依據(jù)污染來源對水體、沉積物中污染物進(jìn)行比較分析(見圖2)，結(jié)果表明：農(nóng)村生活污染的黑臭水體ORP，DO，COD，BOD5值變化幅度最大，分別在-343.5～369.0 mV，0.16～18.93 mg/L，12.5～758.0 mg/L，12.5～266.0 mg/L之間.農(nóng)村生活污染物種類較多且成分復(fù)雜[12]，是其指標(biāo)值變化范圍大的主要原因.畜禽養(yǎng)殖污染的水體ORP，DO值均最低，分別為-53.4 mV，2.46 mg/L；TP，COD和BOD5值均值均最高，分別為7.7，203.0，51.1 mg/L，說明受畜禽養(yǎng)殖污染的水體有機(jī)質(zhì)含量高，富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重，同時也反映出畜禽養(yǎng)殖污染對水體黑臭的貢獻(xiàn)最大，2020年《第二次全國污染源普查公報》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)占到了全國所有水污染物排放COD量的46.6%[13]；Chl.a值明顯高于其他4類水體，均值為120 mg/m3，作為富營養(yǎng)化常見的響應(yīng)指標(biāo)，Chl.a值高再次印證畜禽養(yǎng)殖污染的水體富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重.農(nóng)業(yè)種植污染的水體NH3-N和TP值明顯高于其他點(diǎn)位，可能是因?yàn)榛省⑥r(nóng)藥等經(jīng)雨水沖刷、地表徑流等匯入水體，使得水體N，P含量增加；農(nóng)業(yè)種植污染和畜禽養(yǎng)殖污染的水體沉積物HM均值最高，為15.75 g/kg，變幅最大，在2.04～42.30 g/kg之間，農(nóng)作物秸稈是自然界主要的有機(jī)質(zhì)來源之一，且中國的秸稈資源以肥料化利用為主[14].水產(chǎn)養(yǎng)殖污染的水體ORP，F(xiàn)e質(zhì)量濃度均最高，分別為188.7 mV，11.7 mg/L，水產(chǎn)養(yǎng)殖戶通常抽取地下水作為水源，地下水Fe含量較高，且飼料中會摻拌部分Fe等微量元素.

農(nóng)村生活污染的ORP，DO，COD和BOD5值變化范圍在5類污染源中均最大，反映農(nóng)村生活污染產(chǎn)生的污染物種類多，受污染水體水質(zhì)復(fù)雜多變.畜禽養(yǎng)殖污染的水體TP，COD，BOD5，Chl.a含量均值均最高(見圖3)，反映畜禽養(yǎng)殖污染的水體，富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重，生化指標(biāo)極高，對黑臭的貢獻(xiàn)度最大.農(nóng)業(yè)種植污染的水體除NH3-N和TP存在明顯異常值外，整體污染程度不高；工業(yè)廢水污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染的水體污染程度最低.綜上，5類污染源對黑臭水體的貢獻(xiàn)度由大到小依次為畜禽養(yǎng)殖污染，農(nóng)村生活污染，工業(yè)廢水污染，農(nóng)業(yè)種植污染，水產(chǎn)養(yǎng)殖污染.

2.3 農(nóng)村黑臭水體特征污染因子

表2 各指標(biāo)相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

對數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值分析和Bartlett球型檢驗(yàn)(Bartlett test of sphericity)，檢驗(yàn)結(jié)果表明，Bartlett值和KMO值分別為0和0.637，Bartlett值小于0.05，KMO值大于0.5，說明數(shù)據(jù)適合用于因子分析[18].采用Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化正交旋轉(zhuǎn)法，通過對監(jiān)測因子進(jìn)行線性變換后，將各因子間的變化關(guān)系和相互作用關(guān)系集中體現(xiàn)到綜合性變量上，即主成分(PCA)[19]，從中提取了3個特征值大于1的主成分PC1，PC2，PC3(見圖4)，PC1的貢獻(xiàn)率為38.96%，主要包括NH3-N，TP，COD，BOD5，反映水體的營養(yǎng)狀態(tài)及有機(jī)污染；PC2的貢獻(xiàn)率為26.93%，主要包括pH，DO，F(xiàn)e，反映水體的常規(guī)理化狀態(tài)；PC3的貢獻(xiàn)率為15.29%，主要包括HM，反應(yīng)沉積物的有機(jī)污染.第一主成分和第二主成分基本確定了水質(zhì)的主要污染情況[20]，反映出農(nóng)村黑臭水體有機(jī)物含量超標(biāo)和富營養(yǎng)化程度嚴(yán)重.

大部分城市黑臭水體的形成原因也是富營養(yǎng)化和有機(jī)物含量超標(biāo)，但城市和農(nóng)村黑臭水體的污染來源有所不同，城市黑臭水體的主要污染來源是有機(jī)污染物高負(fù)荷排入(生活污水、工業(yè)廢水大量排放)、排水系統(tǒng)不健全[21](“重”污水總管和干管建設(shè)，“輕”收集管網(wǎng)建設(shè)，強(qiáng)調(diào)主要河流污染治理，不按水系截污)、水體熱污染(工業(yè)高溫廢水、污水處理廠退水及生活污水)、初期雨水污染(合流制系統(tǒng)初期雨水排放，分流制系統(tǒng)雨水管網(wǎng)溢流)[22]、底泥污染(底泥是污染物的重要集散地，水體受到擾動底泥中的污染物會再次懸浮，對河流造成二次污染)等.目前城市黑臭水體治理成效顯著，但農(nóng)村黑臭水體形勢依舊嚴(yán)峻，農(nóng)村黑臭水體治理及居住環(huán)境整治將是今后的首要工作[23].完善農(nóng)村垃圾收集轉(zhuǎn)運(yùn)體系，配套設(shè)施建設(shè)到位；建設(shè)健全集中或分散式的水處理設(shè)施；推行精準(zhǔn)科學(xué)施肥、病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減量；大力推行養(yǎng)殖與種植結(jié)合、糞便就地消納，配套建設(shè)畜禽糞污貯存、處理、利用設(shè)施；建立健全農(nóng)村環(huán)境管理體制，完善工作體系，提高執(zhí)行力，都是治理農(nóng)村黑臭水體的重要前提.

3 結(jié) 論

通過對河南省典型地區(qū)的農(nóng)村黑臭水體進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研和采樣分析，初步掌握了農(nóng)村黑臭水體污染現(xiàn)狀及污染特征，并采用因子分析方法分析了農(nóng)村黑臭水體的特征污染因子，得到的主要結(jié)論如下：

(1)河南省農(nóng)村黑臭水體的主要污染來源是農(nóng)村生活污染、農(nóng)業(yè)種植污染、工業(yè)廢水污染、畜禽養(yǎng)殖污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖污染，綜合5地區(qū)水體黑臭程度和各項(xiàng)指標(biāo)含量，得出5地區(qū)污染程度由大到小依次為：南陽淅川縣，商丘虞城縣，焦作博愛縣，周口扶溝縣，駐馬店正陽縣.

(2)指標(biāo)的因子分析結(jié)果表明，ORP，DO，NH3-N，TP，COD間呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，NH3-N，TP，COD，BOD5與主成分高度相關(guān)，表明農(nóng)村黑臭水體主要的污染因子是NH3-N，TP，COD，農(nóng)村黑臭水體主要污染問題是有機(jī)物含量超標(biāo)和富營養(yǎng)化.

此外，本研究只對河南省典型地區(qū)的農(nóng)村黑臭水體進(jìn)行了調(diào)查分析，調(diào)查的黑臭水體數(shù)量有限且僅取樣一次，得出的結(jié)論僅能初步反映當(dāng)前河南省農(nóng)村黑臭水體污染現(xiàn)狀和特征.若要全面系統(tǒng)掌握農(nóng)村黑臭水體污染現(xiàn)狀，尚需開展時序更長、涉及水體數(shù)量更多的調(diào)查分析.

附 錄

附圖見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.06.008).