淮河上游农村水环境污染特征研究——以禹州市桐树张村为例

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(许昌学院 城乡规划与园林学院，河南 许昌 461000)

近年来，随着工业和农业的发展，我国部分农村地区的水环境污染不断恶化.农村地表污水排放量逐年增加，组成特征越来越复杂，加之缺乏完善的污水处理设施[1]，工业废水、生活污水和农田退水等直接排入河流、池塘和沟渠，造成农村地表水污染日益加剧，严重影响农村生态环境和居民身体健康[2,3]，农村水污染治理已成为美丽乡村和小康社会建设面临的迫切任务.

当前，农村水环境污染研究主要关注农村生活污水特征，如生活污水排放规律[4]、不同类型生活污水污染物浓度[5-7]和污水处理技术等[8].研究表明，农村生活污水各污染物浓度在早、中和晚各有一峰值，反映了其与居民的生活习惯和生活作息的相关性.三峡库区农村生活污水具有人均污水日产生量明显低于城镇生活污水产生量，而COD、总磷和总氮的浓度却明显高于城镇生活污水的特点；同时，农村生活污水COD、总磷和总氮浓度表现出夏季浓度较低，冬季浓度较高的规律，且 COD、总磷和总氮浓度之间具有显著的正相关性[2].但对于农村地区不同类型水体污染特征及影响因素的研究较少，由于区域水环境污染是各种污染综合的结果，因此，开展不同类型水体污染特征研究十分必要.

淮河是我国的八大水系之一，随着流域经济的快速发展和城市化进程加快，淮河流域水体污染日趋严重.2015年淮河流域94个国控断面中，无Ⅰ类水质断面，Ⅱ类占6.4%，Ⅲ类占47.9%，Ⅳ类占22.3%，Ⅴ类占13.8%，劣Ⅴ类占9.6%，主要污染指标为COD、BOD5(五日生化需氧量)和总磷.近年来有关淮河流域农村水环境污染与癌症高发的报道时常见诸报端[9]，表明淮河流域农村水环境污染依然十分严重.本研究以河南省禹州市古城镇桐树张村为例，对研究区淀粉厂废水、生活污水和地表水进行取样，分析三类水体的污染特征及其影响因素，为区域农村水环境治理提供科学依据.

1 研究区概况

桐树张村位于淮河上游(113°30′～113°31′E, 34°13′～34°14′N)，区域面积32.23 km2，地处伏牛山余脉，以丘陵地貌为主，海拔约为200 m，地势北高南低，村内河流自北向南注入颍河支流清潩河，最终汇入淮河.属暖温带季风气候区，雨热同期，热量资源丰富，光照充足，冬季无霜期长，适宜作物生长，年平均气温14.7 ℃，年降水量579 mm.土壤类型以砂土为主，土层深厚，有机质丰富，排水性能良好，红薯为本地区的主要农作物.红薯淀粉加工是桐树张村的传统产业，目前村内有三粉加工企业四十余家.

2 研究方法

于2017年3月采集水样，其中地表水样品5个(编号为1、2、3、4、5)，淀粉厂废水样品5个(编号为6、7、8、9、10)，生活污水样品5个(编号为11、12、13、14、15)，共15个采样点.淀粉厂废水样品从工厂废水直排口和总沉淀池采集；生活污水样品从居民家庭的污水出水口采集；地表水样品沿河道采集.采样点分布如图1所示.

水样pH值采用比色法于现场直接测试.利用聚乙烯瓶收集水样，带回实验室进行分析，COD采用重铬酸钾微波消解法测定，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷采用钼酸铵光度法测定.

图1 桐树张村水样采样点分布图

3 结果与讨论

3.1 淀粉厂废水水质特征

由表1可知，淀粉厂废水的pH值为5.8～6.7，平均值为6.2.COD含量为150.86～1 209.6 mg·L-1，平均值为694.1 mg·L-1，为地表水环境质量(V类)标准17.4倍，同时也超过淀粉工业废水排放标准(GB 25461-2010)所规定的排放值(表2)6.9倍.总氮为1.69～20.47 mg·L-1，平均值为7.24 mg·L-1，是地表水环境质量标准的3.6倍；总磷为0.11～0.49 mg·L-1，平均值为0.23 mg·L-1，不超标.由此可见，淀粉厂废水的主要污染物为COD和总氮.淀粉厂废水直接排入河流，将加重水体富营养化，降低水体pH值，增加水体矿化度，影响地下水水质，甚至对下游流域的生态环境造成破坏.红薯淀粉加工产生的废水主要包括洗涤废水、黄浆废水、蛋白质水和冷却水.洗涤废水主要源于清洗红薯表皮泥土所产生，此类废水特点为排放量大，但污染物浓度较低，主要物质为泥土.黄浆废水为红薯粉碎磨成浆液后，经过过筛和离心机提取淀粉后产生的废水，此类废水的特点为排放量相对较小，但污染物浓度高，尤其是COD.蛋白质水为淀粉精加工过程中再次沉淀洗涤以及粉条成型后的清水冷却产生的废水，此类废水的特点为排放量较大，污染物浓度较低.冷却水为生产中对真空干燥器进行冷却产生的废水，此类废水的特点为排放量大，几乎不含有污染物.

表1 桐树张村水体样品数据

表2 水体污染物排放标准

由表1可知，桐树张村淀粉厂废水各采样点间COD浓度表现出较大差异.10号水样为黄浆废水，COD浓度高达1 209.6 mg·L-1，为地表水环境质量标准(V类)的30.2倍，是淀粉工业废水排放标准所规定排放值的12.1倍，总氮含量高达20.47 mg·L-1，为地表水环境质量标准的10.2倍.7号和9号水样COD浓度较低，分别为150.9和378.8 mg·L-1，可能是由于它们是从淀粉厂总沉淀池中采集，池内废水包括各个加工环节所排放的废水，其中洗涤废水和冷却水的水量比例较大，稀释了黄浆废水和蛋白质水较高的COD浓度.6号和8号水样为蛋白质水，COD浓度居中，分别为849.2和882.0 mg·L-1.淀粉厂废水各采样点间COD浓度差异反映了不同生产环节废水污染物含量的差异，与已有的相关研究结果一致.前人对马铃薯加工废水的研究表明，马铃薯洗涤废水占总废水量的70%，COD浓度为1 500 mg·L-1，淀粉提取工段废水占总废水量的10%，COD浓度为35 000 mg·L-1，淀粉洗涤工段废水占20%，COD浓度为2 500 mg·L-1.

3.2 生活污水水质特征

由表1可知，桐树张村生活污水的pH值在6.2～8.2之间，平均值为7.1.COD浓度范围为655.20～1 443.12 mg·L-1，平均值为1 007.66 mg·L-1，超过地表水环境质量标准(V类)25.2倍；总磷为1.46～3.77 mg·L-1，平均值为2.62 mg·L-1，超过地表水环境质量标准(V类)6.6倍，总氮为15.86～23.1 mg·L-1，平均值为19.67 mg·L-1，超过地表水环境质量标准(V类)9.8倍.生活污水样品中COD、总氮和总磷均污染严重.

研究所采集的生活污水样品全部为灰水，即除冲厕用水以外的厨房用水、洗衣和洗浴用水等，不同生活污水的主要污染物浓度存在较大差别[10].13号和15号水样分别为厨房用水和洗衣用水，COD和总磷浓度最高，COD含量分别为1 443.1和1 281.8 mg·L-1，总磷含量分别为3.35和3.77 mg·L-1，分别是地表水环境质量标准36.1、32.0、8.4和9.4倍.冯庆等研究表明，在各类生活污水中，厨房污水中COD的浓度普遍高于其他类型生活污水[11].厨房用水和洗衣用水中总磷超标，反映了目前农村地区洗涤用品质量问题.虽然我国近年来提倡和要求使用无磷洗涤产品，但含磷洗涤产品依然存在，尤其在我国广大农村地区，劣质含磷洗涤剂、洗衣粉等仍大量的使用，桐树张村生活污水总磷数据也印证了这种现象.

3.3 地表水水质特征

由表1可知，桐树张村地表水的pH值在5.8～6.6之间，平均值为6.3.COD浓度范围为88.20～799.68 mg·L-1，平均值为398.46 mg·L-1，超过地表水环境质量标准(V类)9.9倍；总氮浓度范围为4.32～8.87 mg·L-1，平均值为6.99 mg·L-1，超过地表水环境质量标准(V类)3.5倍.总磷浓度范围为0.03～0.57 mg·L-1，平均值为0.27 mg·L-1，除1号样品外(0.57 mg·L-1)，均低于地表水环境质量标准(V类)所规定的排放值.可见，地表水的主要污染物为COD和总氮，同时存在一定的总磷污染.

桐树张村境内河流的流向近似为自北向南，1号、2号水样为沿河采集，COD、总氮含量相差不大，但1号上游有大量生活垃圾堆放，总磷含量明显高于其他4个采样点.这与前人研究发现的有垃圾堆放的水样中COD含量和总氮含量明显高于其他水样的结果一致[12].3号上游有淀粉厂废水直接排放口，导致3号采样点水样的各项指标明显高于1、2号采样点，尤其是COD含量.4号采样点为区域汇水湖中采取，污染物通过水流汇入湖中，经过稀释污染物浓度有所下降，但COD仍然超标.5号采样点于村内沟渠采集，其中淀粉厂废水比例大，生活污水排放量小，比例较小，水样的COD、总氮含量偏高，总磷含量偏低.

3.4 三类水体污染特征对比

从图2可以看出，桐树张村三类水体的污染物浓度差异明显，不同类型水体污染物浓度差异主要反映了各自主要污染源的差异.生活污水具有最高COD值、最高总氮值、最高总磷值和较高的pH的特征，超标严重，这与前人对生活污水的水质特征研究基本是一致的.淀粉厂废水主要表现为高COD值、高总氮值、低总磷值和低pH的特征，COD和总氮含量均超标严重，但均低于生活污水含量值.而作为各种污染水体最终受体的地表水，其各污染指标主要反映了淀粉厂废水、生活污水以及其他污染源等共同作用的结果，表现出具有高COD值、高总氮值和低总磷的特征.

研究表明，在我国农村，即使是那些具有一定污水处理设备的江浙沪地区，仍有三到五成未经任何处理的污水被排放到自然河道中[13]，对地表水造成严重的影响.以桐树张村为代表的广大中原农村地区，并无江浙沪一带较为完善的农村污水处理系统，各种污水未经任何处理直接排放至河流中的现象仍极为普遍.样品采集期间，作者发现桐树张村地表水体发黑发臭，而如此高的污染物含量也会对饮用水源和地下水安全造成极大的威胁，若不加以治理必将威胁到村民的身体健康.本区域处于淮河流域的上游，未经处理的废水排放至地表河流中，还会污染下游河段的水质，影响流域的生态环境.因此，治理流域尺度生态环境，需高度重视小尺度范围污染物的治理.就本研究而言，采取针对淀粉厂废水、生活污水和固体废弃物垃圾的治理措施是区域地表水污染治理的重要内容.

图2 桐树张村水样COD、总氮和总磷的含量特征

4 结论

桐树张村水环境污染极其严重，主要污染物为COD、总氮和总磷.三类水体的污染物浓度差异明显，反映了各自主要污染源的差异.

生活污水具有最高COD、高总氮、高总磷和较高的pH的特征.淀粉厂废水表现为高COD、高总氮、低总磷和低pH的特征，各主要污染物指标均低于生活污水，而作为各种污染水体最终受体的地表水，其各污染指标主要反映了淀粉厂废水、生活污水以及其他污染源等共同作用的结果，表现出具有高COD、高总氮和低总磷的特征.

采取有针对性的治理措施，尤其是针对淀粉厂废水、生活污水和农村固体废弃物垃圾的措施是研究区地表水污染治理的重要内容.