黄河流域河南段农村污水治理现状及建议

胡亚伟 张 稳 靳晓辉

（1黄河水利科学研究院，河南郑州 453000；2河南省农村水环境治理工程技术研究中心，河南郑州 453000；3河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南郑州 453000）

河南省作为黄河流域主要污染防控区域，其农村污水的有效治理不仅关乎黄河流域生态保护和高质量发展的推进，更是时下乡村振兴及新农村建设工作开展的重要环节。近年来，我国水污染处理技术研究蓬勃发展，在重点流域大规模污水治理上取得了一定的成效，但在农村地区，尤其北方住户分散、经济发展水平较低的农村地区，收效甚微[1]。本文在对黄河流域河南段农村污水治理情况调研的基础上，探索适用于本地区的污水处理模式及污水处理技术，以期为农村污水的有效治理提供思路。

1 黄河流域河南段农村污水排放及治理现状

1.1 流域概况

黄河经三门峡入河南，东出濮阳，呈“V”形分布于河南省中北部。境内干流总长711km，支流共7条，分别为伊洛河、莽河、沁河、宏龙河、金堤河、天然文岩渠、丹河。黄河流域河南段的面积为3.6万km2，灌区面积为318.67万hm2，途经河南8个省辖市中的26个县（市、区），占河南省总面积的21.7%[2]。截至2019年，8个沿黄省辖市总人口约4 000万人，占全省总人口的36.3%，城镇化率57.24%，GDP达到28 417.06亿元，占全省比重为52.37%[3]。

1.2 农村污水来源及排放特征

农村污水包括居民生活污水和生产污水。黄河流域河南段农村污水最主要来源是农村生产污水，其污染来源有畜禽养殖类粪便污染、水产养殖污染、农用化学品及废弃物污染，其中化肥、农药的滥用以及农膜、秸秆的不合理处理是造成农业面源污染的主要原因。农村生活污水可细分为灰水和黑水两类：前者主要由厨房用水、洗浴水和洗衣水构成；后者主要由粪便、尿液及其冲洗水构成[4]。流域内耕地面积大、农业发达，因而污水中氨氮、总氮、总磷、COD含量较高，灌溉季节污染更加突出。农村生活污水有化学成分复杂、时空分布不均、氮磷含量高以及可生化性高的特点，其排放特征与村庄人口规模大小、分布以及经济发展水平相关。

1.3 农村水环境污染现状

黄河流域河南段水资源自然禀赋不足，污水排放至田间、河渠后难以稀释，随雨水冲刷，进而污染地表潜水及黄河支流，扩大了污染范围，也增加了治理难度。国内70%的饮用水来自地下水，其中农村人口占95%[5]。随着农村污水对水环境的污染加剧，可供村民饮用的合格地下水也逐渐减少，流域内常见水致地方病如大骨节病、高碘病、氟中毒等多为井水或水源地中重金属及有机物含量超标所致。近几年，随着人均用水定额的提高，乡村污水排放量不断增加，但多数乡村缺乏污水收集系统以及污水处理设施，加之村民环境保护意识薄弱，污水防治工作开展困难，其结果是无序排放的污水不仅影响村容村貌，也使水源地保护区隐患重重。黄河流域河南段共有118处县级水源地，经2019年核查，有45处县级水源地需要整治，其各类水污染问题总数达405项，完成整改率51%。多数水源地周边仍存在生活垃圾随意堆放、污水未收集处理等问题。一些水源地与工厂污水排放口、养殖场、养殖塘等相邻而建，乡村居民饮水安全问题令人担忧。

1.4 农村污水治理现状

据《2019年中国生态环境状况公报》，黄河流域河南段支流水质为轻度污染，水质较前几年改善明显，但在黄河中上游仍属于污染排放较严重地区。目前，流域内农村污水处理技术主要有人工湿地、稳定塘、土地处理以及一体化处理技术。2017年河南省农村生活污水处理设施项目总数约2 500个，其中采用人工湿地、AA/O、厌氧预处理技术工艺的项目总数为470个。白 璐等[6]以氨氮、总氮、总磷、COD为污染指标对黄河流域河南段内地级市污水排放特征进行聚类分析，发现多数地级市为污染聚集区，其中郑州市为高排放强度区。截至2020年，河南省农村生活污水治理率仅27%，说明流域内污水治理工作仍存在不足，对于最主要的农业面源污染缺乏有效的治理手段。因此，黄河流域河南段农村污水治理工作任重道远。在黄河流域生态保护和高质量发展以及乡村振兴两大国家战略推进的背景下，其紧迫性不言而喻。

2 黄河流域河南段农村污水治理存在的问题

黄河流域河南段农村污水治理工作尚处于起步阶段，虽然省内开展农村环境连片整治工作多年，在农村生活污水的治理方面取得了一定成果，但由于乡村建设资金投入不足、专业人才缺乏、管理模式滞后等多方面因素制约，在推进黄河流域生态环境保护和高质量发展过程中，农村污水治理工作依然存在许多问题。

2.1 集污管网建设度低，缺乏合理的建管模式

农村地区污水管网系统落后，污水难以收集是导致其处理率低的重要因素。“十三五”期间河南省新增污水管网7 719.7 km，其中50%为老旧管网改造，建制镇规划建设污水管网1 455.1 km，污水处理率仅28.93%，集镇地区污水管网铺设尚未形成规模。流域内农村地区大多住户分散且管网建设资金有限，城市集中式污水处理模式在大多数村庄并不适用。集中式污水管网建设工程投资大、周期长，竣工日期普遍滞后于污水处理设施建设。在资金短缺的乡镇地区，污水处理设施建成后往往因管网系统不完善而达不到预期的设计负荷。

2.2 污水处理工艺繁杂，难以统一整合管护

市场上可用于处理农村污水的工艺繁杂，但农村人才缺乏、经济力量有限以及融资手段缺少，许多污水处理工艺存在局限性。黄河流域河南段农村地区地形、人口规模、经济水平差异较大，采用的污水处理技术种类较多，甚至在同一地区出现十几种污水处理工艺，加大了整合运营的难度。在环境标准、污水排放特征和温度变化较小的乡镇，其污水处理技术的实用性和统一性应逐渐优化协调。部分地区盲目追求处理效果而未考虑到设备运行费用高、操作繁琐、维修困难等问题，从而出现设备闲置的现象。

2.3 农业面源污染较为严重，缺乏有效的防控措施

黄河流域河南段耕地面积广阔、农业发达，但针对农业面源污染的治理措施较少。在黄河枯水期，大量未处理的农业面源污水及生活垃圾堆积于河道；在黄河丰水期，污染向下游扩散，给下游的污染防治工作带来很大压力。农业面源污染一旦入河极难治理，虽然部分灌区采用人工湿地、稳定塘及其他组合工艺对污水进行处理，但都属于末端治理范畴，在农田灌溉高峰期难以保证污染物去除效果，源头防控与过程拦截等工作尚存在诸多不足。

2.4 农村居民环保意识薄弱，偏远山区管理不力

农村污水治理是一项系统工程，仅对污水进行处理难以达到根治的效果，如生活垃圾和农用废弃物等也会污染周围水环境。在乡村地区，农民作为农村污水治理体系中最大主体，因受教育程度较低以及宣传力度不够，水环境的保护意识欠缺，其生产活动和日常生活会对农村环境造成一定破坏。尤其偏远山村地区基础设施缺乏，居民生活污水随意倾倒，垃圾及畜禽粪便未进行收集处理，严重破坏当地生态环境。

3 黄河流域河南段农村污水治理适用技术分析

3.1 农村污水处理模式

相比城镇污水治理工作，农村地区存在村民居住分布不集中、污水收集难度大、污水收集管网建设成本投入大、污水排放量大以及水质不稳定等特点[7]。在此情况下，相较于农村污水处理技术的创新应用，合理的污水处理模式更为迫切与重要[8]。目前，我国农村污水处理模式主要有纳入城市管网模式、乡镇集中式处理模式以及分散式处理模式。

纳入城市管网模式是将乡镇排污管道并入城市污水处理系统，由城镇污水处理厂统一处理排放污水，故只需铺设管网，具有投资少、维护简单、排放水质好等优点。但该模式对村庄的地形地势、与市政管网的距离和城镇污水厂处理规模等有较高要求[9]，仅适用于距离市政管网5 km范围以内的村庄。据调查，截至2012年，洛阳市仍有108个乡镇不能纳入城市污水管网，约占全市143个乡镇的75.5%。对于不能纳入城市管网、经济发展较好、村庄较为聚集的乡镇，可采用集中式处理模式，即将居民所有生活污水收集输送到指定的污水处理厂，处理后直接排放到自然水体中[10]。该模式具有水质稳定、便于管理、运行安全可靠等优点。由于集中式污水收集管网可能连接多个村庄，对污水处理厂的设计规范也会相应提高，这就需要居民出资、政府补贴、市场融资等多种资金来源的支持。对于不适合大面积铺设管网、住户分散、人口较少的村庄，适宜使用小规模就地污水处理方式，即分散式污水处理模式，也是我国农村地区最广泛使用的污水处理方式。该模式包括活性污泥法、稳定塘、人工湿地、生物膜法等污水处理技术，可根据村户需求选择，具有布局灵活、投资节省以及适用范围广等特点。

3.2 农村污水处理技术

我国自20世纪20年代开始对污水处理进行研究，如早期的化粪池和沼气池等。随着污水处理技术的创新发展，目前流域内常用的农村污水处理技术有稳定塘、人工湿地、土地处理、一体化污水处理技术等。

3.2.1 稳定塘。稳定塘的原理是利用微生物降解、污水悬浮物沉降以及藻类植物的截滤作用去除废水中的有机污染物。传统稳定塘存在占地面积大、容易积泥发臭、水力停留时间长等缺点。随着对该技术的改进，出现了许多新型塘如高效藻类塘、水生植物塘、超深厌氧塘、生物滤塘等。高效藻类塘在传统稳定塘的基础上增设连续搅拌装置，可对塘内pH值、氧含量、温度进行调节，更利于藻类及菌类繁殖，从而提高污水处理效果[11]。该塘具有占地面积小、建设成本低、污水停留时间短、氨氮去除效果佳等优点[12]。但其易受温度变化影响，低温下处理效果差，并且污水中氨氮浓度过高会抑制藻类生长[13]，管理要求相对较高。水生植物塘即在氧化塘内种植高等水生植物以提高COD及氮磷的去除率，但北方农田沟渠多为季节性流水，水生植物难以生长[14]。超深厌氧塘在普通厌氧塘的基础上加大了坑深[15]，塘内的厌氧状态更有利于厌氧菌生长，较常规厌氧塘提高了COD去除率。该塘面积小、埋深大、受温度影响小，相同进水条件及去除率下造价低于普通厌氧塘[16]。其缺点是施工难度较大，污水中氨氮浓度太高会抑制生物活性，降低COD、总磷的去除率[17]。生物滤塘是集厌氧生物膜法、吸附过滤法和稳定塘技术于一体的污水处理技术，通过在塘底铺设卵石层和滤层来增大微生物吸附面积[18]，可显著提高氮、磷去除效果，其中对磷的去除率较传统稳定塘提高21.5%[19]。其采用底部分散式进水，缩短了水力停留时间，但后期维护较为复杂，需要定期更换生物膜、清理塘底淤泥。

3.2.2 人工湿地。人工湿地通过模拟自然湿地生态系统，利用土壤基质、微生物、水生植物的协同作用对污水进行物理沉降、生物降解以及化学反应，从而达到净化的目的[20]，广泛应用于处理工业废水与农业面源污染[21]。人工湿地根据污水在基质中的布水方式及流动方式可分为3种：表面流、地表潜流以及垂直流人工湿地。表面流人工湿地是将污水排放至湿地表面，水中污染物在土壤基质、植物根系及微生物作用下沉降、分解，废水与基质接触面少，对污染物去除效果一般，且受季节影响大、容易滋生蚊蝇，但操作简单、方便维护。潜流人工湿地增设了填料床及床底防水层，污水从床体一端水平输入并与填料床基质充分接触，从而提高对COD、BOD、氨氮、总磷的去除率[22]。垂直流人工湿地充分利用了植物根系的泌氧作用，将污水垂向输送到填料床底，利用水生植物将氧气传入根部，加快有机物分解和硝化细菌的生长[23]，强化脱氮除磷能力。3种人工湿地都有基建投资和运行费用较低、易于管理维护等优点，具有一定的景观功能；不足之处是占地面积大，且不适合土地规划紧凑的乡村地区。总体上，人工湿地处理技术在流域内发展前景广阔，可用于对农村生活污水的深度处理，也可应用于农田渠道处理农业面源污染。对于北方寒冷天气，潜流、垂直流人工湿地都有较好的保暖措施，搭配不同植物也可提高湿地的地区适应性，因而适用于流域内污水管网系统不完善的乡镇[24]。

3.2.3 土地处理。土地处理技术是人为对天然土壤（农田、林地）进行改造，形成含土壤、微生物、植物的污水净化生态系统，可细分为慢速渗滤、快速渗滤、地下渗滤处理系统[25]。慢速渗滤处理系统与表面流人工湿地原理类似，利用土壤植物吸收污染物中氮、磷、有机物以及土壤的分层渗滤功能处理污水。该处理方法结构简单、维护方便、不易污染地下水，适合在农村地区应用[26]。快速渗滤系统（简称CRI）是一种新型模式，在天然土层中加入渗透性能良好的卵石、砾石等作为渗滤材料，采用干湿交替的方式处理污水，相较于慢速渗滤处理系统降低了建造和运行成本。地下渗滤处理系统主要依靠植物对污水进行过滤吸收，建设时需要考虑植物种植场地。与前2种系统相比，地下渗滤系统需将预处理后的污水投配到地下设施中，成本相对较高且易污染地下水，但其受温度影响小，适用于气候寒冷干旱的北方地区[27]。

3.2.4 一体化污水处理技术。一体化处理设备是将污水预处理、二级处理和三级处理工序集于一体的污水处理设施，主体工艺包括生物膜法和活性污泥法。20世纪80年代我国开展研究一体化污水处理技术，该技术有运输方便、占地小、集成化程度高等优势，在处理农村污水中应用广泛。

生物膜法是将微生物接种在过滤材料的表面，通过微生物的增殖形成稳定的生物膜对污染物进行氧化分解。其工艺包括曝气生物滤池、MBR工艺等。曝气生物滤池（BAF）工艺主要通过微生物在好氧、缺氧及厌氧环境下的不同反应实现同步硝化反硝化脱氮过程。该工艺节省了二沉池，具有占地空间小、抗冲击负荷强、排泥少等优点；缺点是运行管理难度大，需要对滤池进行反冲洗以调节生物膜厚度，对磷的去除效果较差，需加入化学除磷剂。MBR工艺是将膜分离与生物膜处理技术相结合，用膜组件代替了固液分离工艺，省去了二沉池，而且膜分离技术使得活性污泥浓度提高，缩减了有机物在系统中的停留时间。该工艺具有出水水质稳定、脱氮除磷效果好、防止污泥膨胀等优点，缺点是易产生膜污染、膜的造价高且寿命短、运行维护困难。其适用于经济较好、人口规模小的村庄，一般情况下运行出水能达到GB 18918—2002的一级B标准。

活性污泥法是利用细菌生物在人工供氧条件下对污水中有机物进行吸附和氧化的技术，形成的絮凝体被称为活性污泥。该技术包括A/O、AA/O、SBR等工艺，其中A/O及AA/O工艺常应用于污水预处理。A/O工艺可以分为脱氮和除磷2种，AA/O工艺则兼具脱氮除磷效果[28]。A/O、AA/O工艺存在易发生污泥膨胀的缺点，运行管理具有一定难度，但出水水质较好，稳定运行下可达GB 18918—2002的一级A排放标准。其在少数乡镇地区有所应用，如濮阳县文留镇污水处理厂采用“AA/O+MBR”的组合工艺处理污水。SBR工艺也称间歇性曝气活性污泥法，与传统活性污泥法相比，SBR工艺只有1个处理单元，极大地节省了占地空间。该工艺对氮、磷及有机物去除效果较好，可节省建设费用，出水水质能达到GB 18918—2002的一级A排放标准。因为SBR工艺包含进水、曝气、沉淀、排水、闲置等多道工序，管理难度大、设备运行成本高，所以SBR工艺常应用于大中型城市污水处理厂[29]。

4 建议

黄河流域生态环境脆弱，流域的工业、城镇生活和农业面源污染问题严重。切实改善黄河流域河南段农村水环境质量，是顺应人民群众对美好生活的向往和推进乡村振兴的必然选择，是践行“绿水青山就是金山银山”的重要内容。基于黄河流域河南段农村地区污水处理的现状和问题，提出以下建议。

4.1 完善市场融资机制，加快乡村污水管网建设

充分考虑村庄地形、经济、人口等因素，做好前期勘测调研工作，合理布局管道。采用“梯次推进”路线，积极申报美丽乡村、特色小镇等政府扶持项目，在条件允许的情况下也可通过“PPP”模式减少当地污水管网建设的资金压力。

4.2 因地制宜选择工艺，较落后地区以回用优先

污水的处理方式要切合实际需求，采用经济实用的处理方式即可，不必盲目追求把污染物处理至某个标准。经济发展水平一般、比较分散的乡村，适宜推广无动力或微动力的人工湿地处理技术，有利于降低设备后期运维难度。在人口密集、经济发展水平较高的乡镇地区，可以积极探索多种工艺组合的污水处理方式，如稳定塘+人工湿地组合、AA/O+人工湿地组合等，提高设备稳定性以及优化处理效果。在水资源严重匮乏地区，适宜采用稳定塘处理污水，有效利用污水资源，在对污水处理得当的情况下，可推广污水灌溉，实现就地综合利用。

4.3 秉持绿色发展理念，强化农业面源污染治理

从污染物源头进行把控，推行化肥改革，提高化肥利用率，应用新型农耕技术，并结合渗滤沟、人工湿地、稳定塘等生态处理技术，在各灌区加快农业面源污染过程拦截及末端治理工程建设。

4.4 加大环保宣传力度，提高村民的环境保护意识

随着环保政策力度加大，农村环境有所改善，居民生活质量显著提高，公众对环保工作逐渐增加认可和支持。在此基础上，应充分利用各种宣传手段和鼓励政策，提高农民对于水污染治理的认识，改变“垃圾随处埋、污水随处排”的传统观念，对垃圾、生活污水、畜禽养殖粪便等进行简单的收集和分类，加快改善人居环境、推进新农村建设。