星云湖流域农村污水资源化利用工艺研究

摘要 为探究星云湖流域农村污水资源化利用工艺，2021年对星云湖流域乡镇及自然村开展了农村污染物调研，对农村生活污水处理现状及存在的问题进行了分析，并结合当地“湖泊革命”及“厕所革命”展开基础设施调查及评估。提出了将农村生活污水黑水、规模化养殖、散养畜禽污染物及种植废弃物秸秆合并处理并制成生物有机肥的设想，并在当地咨询了大量的农业技术人员及农民，一致认为在该流域开展生物有机肥生产及施用是可行的，且前景广阔。

关键词 农村污水；资源化利用；黑水；合并处理；生物有机肥

中图分类号 X703  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）14-0201-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.049

作者简介 李丽（1987—），女，山东菏泽人，讲师，硕士，从事水处理理论与技术研究。*通信作者，讲师，硕士，从事农村生活污水处理及资源化利用研究。

“十四五”阶段，我国进入生态环境质量改善由量变至质变的关键阶段［1］。生态文明建设以降碳为重点战略，推动减污降碳协同增效。云南生态文明建设一直受到党中央、国务院的高度重视，在得到习近平总书记的明确指示后，云南力争成为全国生态文明建设排头兵。云南省委、省政府坚持以习近平生态文明思想及习近平总书记考察云南重要讲话精神为指引，牢记习近平总书记殷殷嘱托，全面加强生态文明建设，切实把生态文明建设作为全局工作的重中之重，开启“绿美云南”建设新征程，圆满完成污染防治攻坚战阶段性目标任务［2］，生态环境质量明显改善，人民群众的生态环境获得感显著增强。

党的十九届五中全会提出“十四五”时期生态文明建设实现新进步，强调要构建生态文明体系，促进经济社会发展全面绿色转型，建设人与自然和谐共生的现代化［3］。中共云南省委十届十一次全会提出：到2035年将云南全面建成我国生态文明建设排头兵。“十四五”时期是云南省谱写“绿美云南”建设新篇章、努力争当我国生态文明建设排头兵的关键五年，是打好污染防治攻坚战、持续改善生态环境质量的关键五年［4］。针对九大高原湖泊流域污染防治，笔者提出了更高要求，并结合云南省九大高原湖泊之一——星云湖开展了农村污染物调查。

1 星云湖污染现状

目前，城乡污水收集处理能力不足、农业面源污染防治水平较低以及生活垃圾资源化利用和无害化处理水平不高仍然是污染防治攻坚战的主要阻力。云南九大高原湖泊水体污染防治方面，仅泸沽湖、抚仙湖达到水环境功能要求，杞麓湖尚未脱劣，异龙湖脱劣后出现反弹［2］。

以星云湖流域为例，2020年以来星云湖水质出现好转，17年来首次水质达到Ⅴ类。2020年1—12月星云湖湖心水质综合类别为Ⅴ类［5］，水质类别优于2019年同期（劣Ⅴ类）。星云湖位于玉溪市江川区境内，距离江川区约1 km，为高原陷落型浅水湖，流域面积380.35 km2，湖面为南北向不规则椭圆形，南北长9.09 km，东西最大宽4.73 km，最大水深10.81 m，平均水深6.01 m［6］。星云湖区位图见图1。

2020年末星云湖流域总人口21.16万人，其中农村人口11.86万人，城镇人口9.30万人，流域内人口密度578人/km2。根据《星云湖水环境保护治理“十四五”规划》［7］，2019年星云湖流域主要污染物化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）和氨氮总产生量、总排放量及总入湖量见表1。由表1可知，2019年星云湖流域COD、TN、TP和氨氮总入湖量占总排放量的比例分别为25.14%、46.93%、42.58%和44.20%。从TN、TP和氨氮总入湖量来看，农村污水处理效率低的问题在星云湖流域依然突出。

2019年星云湖流域主要污染物来源于农田污染、农村生活污染、规模化养殖污染及散养畜禽污染。主要污染物入湖贡献率见图2～5。由图2～5可知，在TN、TP、氨氮入湖量中农田污染居于首位，农村生活污染居于第二位，另外规模化养殖及散养畜禽污染也不容忽视，同时也印证了现阶段水体污染归根结底是由于污水收集处理能力不足、农业面源污染造成的。

星云湖流域污水收集处理分为集中处理及分散处理。集中处理主要针对江川区城市区域污水，分散处理主要针对流域内农村生活污水。现阶段收集率低、处理水质达标率低的问题依然存在，对星云湖污染负荷较大。

农业面源污染是星云湖流域的主要污染源之一，具有分散性、隐蔽性、空间异质性等特征。目前对星云湖流域的农业面源污染研究深度尚浅。2020年星云湖流域播种面积1.411万hm2，耕地面积0.569万hm2，复种指数247.98%。粮食作物主要包括水稻、玉米、蚕豆，经济作物主要包括烤烟和油料，其他作物主要包括空心菜、四季豆等。农业开发强度不断加大，且普遍用水效率不高、耗水量大，旱季与湖争水现象非常突出。2020年星云湖径流区共有畜禽养殖户3 249户，其中规模养殖户83户，以生猪和家禽养殖为主，对星云湖污染负荷的贡献较大。另外，星云湖流域全年化肥施用量共6 944 t（折纯量），化肥施用量为492 kg/hm2，雨季时对星云湖的污染负荷较大。

2 星云湖流域污水处理现状及存在问题

2.1 集中处理

星云湖流域现阶段建有污水处理厂2座，分别为星云湖南片区污水处理厂及北片区污水处理厂。

南片区污水处理厂（含江川县污水处理厂）的主要服务对象为江川主城区，服务人口约6.5万人，污水收集率在85%以上，设计日处理污水10 000 m3/d，2019年平均日处理水量9 761 m3/d；江川县污水处理厂2018年投入运营，经过试运营和专家论证实际处理能力为6 000～7 000  m3/d。由于城区部分区域及城区周边农村未实施雨污分流，雨季期间80%的雨水进入污水收集系统，导致大量雨水和生活污水混合进入管网而致冒顶溢出。另外，部分片区因农村生活污水收集管网绝大多数为明渠明沟，截污管存在截污不完全、易堵塞、维护难的问题，导致旱季无水、雨季雨水混入溢流等问题。北片区污水处理厂的主要服务对象为江城片区，服务人口约7万人。2010年12月北片区污水处理厂通水试运行，平均日处理水量5 883 m3/d，污水管网覆盖以农村为主，雨污未完全分离，污水收集率低。

2.2 分散处理

自“十五”以来星云湖流域持续开展农村环境综合整治。星云湖流域共有223个自然村，目前，除了30个山区村、海门新搬迁的2个自然村无生活污水处理设施外，其他191个村（社区）均开展了整治工作。但是，由于规划设计、设施、运维管理等问题，大部分村落的生活处理设施运行不正常，雨污合流是该流域内农村污水治理的最大源头问题。“十三五”环湖截污工程实施76个村一体化设施，目前正处于调试阶段，大部分处理规模仍达不到设计要求。部分区域支管已建成，但大部分收集管网存在接户率不足的问题，且大多数为明渠，生活污水只能通过明渠接入主管，部分村庄由于地势原因根本接不进主管，明渠存在旱季无水，雨季雨水混入导致溢流、进水不稳定等问题，导致污水处理设施的环境效益得不到充分体现。其余45个村落生活污水采用塘库系统或人工湿地处理，但是由于运营管护水平不足、植物收割不及时，存在大量漂浮物，大部分塘库及湿地淤积堵塞，不能正常发挥效益。

3 污水处理新设想

污水处理的本质是将水体中的污染物去除，使水体净化。以农村生活污水中氮、磷为例，氮、磷主要来源于人体排泄物，污水处理中脱氮除磷工艺是将水体中有机氮、氨氮最终转化为氮气逸入大气、排放富磷污泥去除污水中的磷酸盐。在开展集中污水处理之前，主要依靠水体自净及土壤过滤功能，氮、磷在自然界中不断循环，生态环境维持平衡（图6）。随着污染物的急剧增加，单纯依靠自然循环已不能满足要求，后续污水处理厂的建设是为了改善水体环境以及人居环境。污水处理厂最终使大部分氮、磷元素离开自然循环，使得污水中的氮、磷不再参与植物的生长（图7）。

氮、磷是植物生长和农业生态系统中的重要元素。我国耕地土壤几乎全部需要补给氮素，缺磷的耕地土壤占比达到74%［8］。土壤是农作物获取磷元素的唯一自然渠道，土壤缺氮、缺磷作为农作物生长的限制因素已广泛存在。

目前农村生活污水的资源化利用模式在云南省已经实施，且效果较好，云南腾冲市中和镇、双江县农村及鹤庆县长头村均采用生物+生态组合工艺对生活污水进行处理，并实现了资源化利用，既解决了生活污水污染问题，又取得了良好的生态效益［9］。结合实际案例可知，生活污水资源化利用在云南已有较好的应用，便于后期推广。另外，对于种植和养殖废弃物处置问题，在处理废弃物的同时实现资源回收，达到“资源化、减量化、无害化”的目的。以色列的基布兹哈尔杜夫对牛粪的有机质、氮、磷等资源进行再利用，通过堆肥技术将其制成有机肥，避免区域因化肥过量使用而导致的农业面源污染问题，形成了“奶牛-牛粪-作物-奶牛”的闭合生态农业循环模式［10］。湖北省十堰市郧阳区形成了“有机废物腐殖化-精准测土三级配肥-面源污染大数据监控-耕地质量监控与有机农产品溯源-品牌农产品订单销售”的“固水土共治、环农一体循环发展”模式，大力发展“畜牧-沼气-蔬菜种植”“猪-沼-果（菜、粮、桑、林）”等生态循环农业，实现水、土、固多环境要素协同改善［11］。

现将农村生活污水黑水、规模化养殖、散养畜禽污染物及种植废弃物秸秆统一收集后制成生物有机肥，生物有机肥的施用促进了农业的良性循环。生物有机肥的影响示意图见图8。

4 农村污染物资源化利用工艺——生物有机堆肥技术可行性分析

现阶段云南省玉溪市扎实推进农村“厕所革命”，因地制宜推行改厕技术模式，加强农村厕所革命与生活污水处理的有机衔接，积极推进厕所粪污无害化处理与资源化利用；针对“湖泊革命”，严格实施化肥农药减量计划，鼓励施用有机肥，推广畜禽粪污资源化利用技术，杜绝畜禽粪污直排；另外，大力推广绿色防控技术，加强秸秆资源化利用，制定到2025年实现主要农作物秸秆综合利用率力争在90%以上的目标。目前，玉溪市针对“厕所革命”及“湖泊革命”已展开相关工作。

针对有机肥的施用，龚有智等［12］对星云湖径流区施用有机肥的效应进行分析，得出以下结论：增施有机肥可以降低化肥施用量，同时经济作物无论是产量还是产值均能取得稳步增长。另外，湖泊保护及流域内的农业生产可实现双赢，有效促进了湖水保护及流域内农业的可持续发展。有机肥是生产绿色食品的有效途径，为“有机农业”和“生态农业”创造了有利条件。衡圆圆等［13］对不同施肥方式对玉米种植的影响进行了评价，发现适合江川区星云湖流域的施肥方式为“沼肥+ 生物炭”和“全沼肥”。这2种施肥方式既可以保护流域环境、提高作物产量，又可以进一步降低农业成本、提高农户收入。

实践证明，生物有机肥的施用可以降低土壤中氮、磷的流失速率［14］。有机肥的肥效较化肥释放更加缓慢，能最大程度保障土壤肥效［15］；通过有机肥与化肥的部分替代可以优化化肥供肥过程，使得氮、磷肥利用率得到有效提高，降低氮磷流失率［16］，进而降低因施用化肥引起的农业面源污染；另外，将畜禽粪便进行高温堆肥发酵，制成生物有机肥，在解决畜禽粪便污染问题的同时，对有机食品的发展也起到了促进的作用，达到战略性双赢［17-18］，将多种废弃物化为有机肥，有效增加了各种废弃物的附属值，资源化利用的同时也促进了农作物的绿色发展［19］。

云南宝尔湖泊治理有限公司就江川-通海废弃菜叶资源化处理投资1亿元，年处理量60万t，生产生物有机肥10万t，项目达产后实现年销售收入31 500.00万元，年总成本26 684.86万元，年均利税总额4 815.04万元［20］。

5 结论与展望

无论是政府政策还是市场需求，还是生物有机肥肥效及有机肥企业运行状况，都充分论证了将农村各种废弃物转化为生物有机肥在云南省是可行的。

云南省本土生产的有机肥产品每年施用面积不足云南省总耕地面积的3%，远低于全国平均水平（10%）［21］。由于未来区域水环境的综合治理以及人们对健康需求的高度重视，生物有机肥必然是肥料行业重要的发展方向，因此在云南省值得大力推广。现阶段可在星云湖流域试运行，未来在云南省乃至全国逐步推广。