河南省農村黑臭水體污染現狀及污染特征研究

王莉，劉萌碩，李亭亭，彭趙旭，李潔

(1.鄭州大學 a.生態與環境學院；b.水利科學與工程學院，鄭州 4500012.河南省生態環境科學研究院，鄭州 450046)

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

目前關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、評價方法、識別監測等方面，對農村黑臭水體的關注較少[5-7].鄭心愿等[8]將磁加載多效澄清技術用于北京市大興區某黑臭水體治理工程中，對濁度、總磷、化學需氧量(COD)等有較好的去除效果，設備運行期間表現出較好的抗沖擊負荷能力和系統穩定性；滕云梅等[9]通過相關性分析、方差分析和多重對應分析，構建了基于綜合水質指數的南寧市黑臭水體污染程度分級評價體系，能反映綜合水質的連續性變化情況；胡國慶等[10]以蕪湖鳩江區為研究區，利用GF-2衛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合的識別方法，進一步提高了黑臭水體動態監測的識別精度和可靠性.由于農村黑臭水體分布情況、污染特征、成因等基礎資料的欠缺，致使治理工作難以系統開展.本研究以河南省農村黑臭水體為研究對象，采用現場調研和采樣分析的方法，初步掌握農村黑臭水體污染現狀、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，地勢西高東低，由平原、盆地、山地、丘陵和水面構成，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個鄉鎮，4.6萬個行政村.2019年末全省總人口10 952萬人，其中城鎮人口5 828萬人，鄉村人口5 124萬人.本研究綜合考慮河南省重點水源地保護區、地形地貌、行政區劃、流域分布、農村分布等因素，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，對5地區的農村黑臭水體進行現場調研，在現場調研基礎上，于2019年8至11月對典型農村黑臭水體進行采樣，共計在5地區采集水質樣品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)，采樣點位分布見附圖Ⅰ.

樣品采集按照《水質采樣技術指導》(HJ 494-2009)進行，采用柱狀采樣器采集未經擾動的沉積物樣品，采集后立即裝入聚乙烯自封袋，同時用有機玻璃采水器采集相應點位的上覆水，采集后立即裝入聚乙烯水樣瓶中，將沉積物樣品和水質樣品低溫保存并盡快送回實驗室處理.水質樣品經預處理后待測，沉積物樣品自然風干，經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《水和廢水監測分析方法(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《水和廢水監測分析方法(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(HM)采用焦磷酸鈉浸提-重鉻酸鉀氧化法測定(LY/T 1238-1999)；沉積物酸可揮發性硫化物(AVS)采用亞甲基藍分光光度法測定(HJ 833-2017).

1.3 黑臭水體分級評價及類型劃分方法

因生態環境部出臺的《農村黑臭水體治理工作指南(試行)》中僅提供了農村黑臭水體的識別標準(透明度<25 cm，DO質量濃度<2 mg/L，NH3-N質量濃度>15 mg/L，任一項超標即為黑臭水體)，無分級評價標準，故采用住建部出臺的《城市黑臭水體分級評價標準》(以下簡稱指南法)對采集的103個農村黑臭水體水樣進行黑臭程度評價，評價標準見表1.為保證數據質量，每個樣品均設置兩個平行樣品進行同步分析.采用Excel 2010進行原始數據統計分析，SPSS 21.0進行因子分析，Origin 2017進行相關圖表制作.

表1 城市黑臭水體污染程度分級標準

農村黑臭水體的主要污染來源有農村生活、農業種植、工業廢水、畜禽養殖、水產養殖等5類.按照黑臭水體內污水主要來源判定其污染源類型，位于居民區內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村生活污染；位于農田周圍且遠離居民區，較少涉及生活污染和畜禽養殖污染的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為農業種植污染；位于企業周邊且有明顯排污口或中間產物傾倒現象的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為工業廢水污染；位于畜禽散養戶或養殖聚集區周邊且有畜禽養殖糞便、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殖污染；位于廢棄魚塘或與周邊水產養殖水體連通的黑臭水體，判斷其黑臭污染源為水產養殖污染.

2 結果與分析

2.1 農村黑臭水體污染特征

依據指南法進行的黑臭程度分級評價結果顯示，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地區中重度黑臭占比最低，非黑臭水體在5地區中占比最高(42%).

對典型地區內農村黑臭水體進行現場調研后發現，農村黑臭水體多為坑塘和溝渠，多位于居民區內或村頭、農田附近，水體面積和水量均較小，基本為死水，而且農村生活、農業種植、工業廢水、畜禽養殖、水產養殖5類污染源均涉及.采集的黑臭水體水樣中農村生活污染的黑臭水體占比最高(57%)，其次是農業種植污染(14%)，水產養殖污染的黑臭水體數量最少(5%).由圖1(b)可知，商丘虞城縣農村生活污染的黑臭水體在5地區中占比最高，占79%，商丘常駐人口較多且居民區密集，污染物產生量較大；駐馬店正陽縣農業種植污染的黑臭水體占比最高(26%)，且水產養殖僅存在于該地區，南陽淅川縣次之(20%)；焦作博愛縣工業廢水、畜禽養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，發現有部分河道多呈灰黑色有時甚至出現黑臭現象，與河南省農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，水質有機污染現象較明顯，結合現場情況發現，黑臭水體均呈現河道淺窄、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]以太湖流域為研究對象，發現部分入湖河流特別是斷頭浜由于長期受到沿岸畜牧業、農業、工業的影響，導致河流底泥淤積嚴重，蓄積大量外源輸入的營養物質，甚至形成黑臭河流，與河南省農村黑臭水體研究結果一致，重度黑臭水體主要是畜禽養殖、農業種植、工業廢水貢獻的[5].

2.2 水體污染特征

依據污染來源對水體、沉積物中污染物進行比較分析(見圖2)，結果表明：農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.農村生活污染物種類較多且成分復雜[12]，是其指標值變化范圍大的主要原因.畜禽養殖污染的水體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，說明受畜禽養殖污染的水體有機質含量高，富營養化程度嚴重，同時也反映出畜禽養殖污染對水體黑臭的貢獻最大，2020年《第二次全國污染源普查公報》顯示，畜禽養殖業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，作為富營養化常見的響應指標，Chl.a值高再次印證畜禽養殖污染的水體富營養化程度嚴重.農業種植污染的水體NH3-N和TP值明顯高于其他點位，可能是因為化肥、農藥等經雨水沖刷、地表徑流等匯入水體，使得水體N，P含量增加；農業種植污染和畜禽養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，農作物秸稈是自然界主要的有機質來源之一，且中國的秸稈資源以肥料化利用為主[14].水產養殖污染的水體ORP，Fe質量濃度均最高，分別為188.7 mV，11.7 mg/L，水產養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，反映農村生活污染產生的污染物種類多，受污染水體水質復雜多變.畜禽養殖污染的水體TP，COD，BOD5，Chl.a含量均值均最高(見圖3)，反映畜禽養殖污染的水體，富營養化程度嚴重，生化指標極高，對黑臭的貢獻度最大.農業種植污染的水體除NH3-N和TP存在明顯異常值外，整體污染程度不高；工業廢水污染和水產養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度由大到小依次為畜禽養殖污染，農村生活污染，工業廢水污染，農業種植污染，水產養殖污染.

2.3 農村黑臭水體特征污染因子

表2 各指標相關性檢驗結果

對數據進行KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)值分析和Bartlett球型檢驗(Bartlett test of sphericity)，檢驗結果表明，Bartlett值和KMO值分別為0和0.637，Bartlett值小于0.05，KMO值大于0.5，說明數據適合用于因子分析[18].采用Kaiser標準化正交旋轉法，通過對監測因子進行線性變換后，將各因子間的變化關系和相互作用關系集中體現到綜合性變量上，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的貢獻率為38.96%，主要包括NH3-N，TP，COD，BOD5，反映水體的營養狀態及有機污染；PC2的貢獻率為26.93%，主要包括pH，DO，Fe，反映水體的常規理化狀態；PC3的貢獻率為15.29%，主要包括HM，反應沉積物的有機污染.第一主成分和第二主成分基本確定了水質的主要污染情況[20]，反映出農村黑臭水體有機物含量超標和富營養化程度嚴重.

大部分城市黑臭水體的形成原因也是富營養化和有機物含量超標，但城市和農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污染物高負荷排入(生活污水、工業廢水大量排放)、排水系統不健全[21](“重”污水總管和干管建設，“輕”收集管網建設，強調主要河流污染治理，不按水系截污)、水體熱污染(工業高溫廢水、污水處理廠退水及生活污水)、初期雨水污染(合流制系統初期雨水排放，分流制系統雨水管網溢流)[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，但農村黑臭水體形勢依舊嚴峻，農村黑臭水體治理及居住環境整治將是今后的首要工作[23].完善農村垃圾收集轉運體系，配套設施建設到位；建設健全集中或分散式的水處理設施；推行精準科學施肥、病蟲害統防統治，實現農藥減量；大力推行養殖與種植結合、糞便就地消納，配套建設畜禽糞污貯存、處理、利用設施；建立健全農村環境管理體制，完善工作體系，提高執行力，都是治理農村黑臭水體的重要前提.

3 結 論

通過對河南省典型地區的農村黑臭水體進行現場調研和采樣分析，初步掌握了農村黑臭水體污染現狀及污染特征，并采用因子分析方法分析了農村黑臭水體的特征污染因子，得到的主要結論如下：

(1)河南省農村黑臭水體的主要污染來源是農村生活污染、農業種植污染、工業廢水污染、畜禽養殖污染、水產養殖污染，綜合5地區水體黑臭程度和各項指標含量，得出5地區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)指標的因子分析結果表明，ORP，DO，NH3-N，TP，COD間呈現顯著相關性，NH3-N，TP，COD，BOD5與主成分高度相關，表明農村黑臭水體主要的污染因子是NH3-N，TP，COD，農村黑臭水體主要污染問題是有機物含量超標和富營養化.

此外，本研究只對河南省典型地區的農村黑臭水體進行了調查分析，調查的黑臭水體數量有限且僅取樣一次，得出的結論僅能初步反映當前河南省農村黑臭水體污染現狀和特征.若要全面系統掌握農村黑臭水體污染現狀，尚需開展時序更長、涉及水體數量更多的調查分析.

附 錄

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