城市河流污染物的去除率研究

[韓]宋閔察 等

邱訓(xùn)平 譯自英刊《水科學(xué)和技術(shù)》2009年第11期

為改善公眾衛(wèi)生和繁榮生物多樣性,對(duì)水資源系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程的研究是非常有價(jià)值的。然而,近來(lái)河流及其鄰近區(qū)域的大規(guī)模環(huán)境改造(如將陸地改造成河道或?qū)⒑拥捞钇匠申懙?經(jīng)常擾亂了這項(xiàng)工作。尤其是城市河流極易受到這些外部壓力的沖擊,這是當(dāng)今城市河流存在的普遍問(wèn)題,只是程度不同而已。這主要是由于在相對(duì)較小的集水區(qū),設(shè)置了高密度的和復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施,它導(dǎo)致城市河流出現(xiàn)長(zhǎng)期的生態(tài)退化問(wèn)題。值得注意的是,在干旱季節(jié)水量減少的情況下,降雨期間水文過(guò)程線劇烈變化,伴隨污染物負(fù)荷明顯增加。

在評(píng)估當(dāng)前的環(huán)境狀況(或生態(tài)系統(tǒng))和減少因城市開發(fā)而對(duì)環(huán)境造成的潛在影響方面,已進(jìn)行了大量研究。在河流環(huán)境管理方面,主要的工作集中在減少污染負(fù)荷、恢復(fù)水文周期、增加河勢(shì)穩(wěn)定、提高城市河流的生物多樣性等方面。根據(jù)總體恢復(fù)的原則,韓國(guó)的環(huán)境和地方政府部門從20世紀(jì) 90年代中期起,啟動(dòng)了城市河流長(zhǎng)期恢復(fù)計(jì)劃,以重新調(diào)整河流使之恢復(fù)天然的功能和生境。在此之前,韓國(guó)的城市河流經(jīng)歷了一系列的轉(zhuǎn)換:20世紀(jì) 60年代之前為天然河流,70年代為防災(zāi)河流,80年代為占用河流(作為娛樂(lè)場(chǎng)所和停車場(chǎng))。然而,盡管開展了大量工作,韓國(guó)的城市河流并沒(méi)有如預(yù)期那樣得到恢復(fù),主要是由于水質(zhì)差、大量的公路采用了非滲透性的材料(瀝青或混凝土)以及河道流量的時(shí)空變化大。因此,未來(lái)的恢復(fù)方案需要更好的方法來(lái)解決這些問(wèn)題并通過(guò)努力提高環(huán)境效益。

為達(dá)到這一目的,本研究在水質(zhì)現(xiàn)狀分析中,著重對(duì)水質(zhì)管理方案的生物降解和人類健康這兩個(gè)不同的方面進(jìn)行了研究。目前在光州川已啟動(dòng)一個(gè)稱為“天然光州川凈化工程”的城市河流恢復(fù)工程,以改善生態(tài)景觀并提供足夠的環(huán)境流量。作為該恢復(fù)工程的內(nèi)容之一,本研究的目的是探討水質(zhì)控制以及建設(shè)濕地對(duì)改善光州川水質(zhì)的潛在作用,以期為城市河流有效恢復(fù)提供幾個(gè)可能的方案。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

韓國(guó)的光州川為榮山江(Yeongsan River)的13條支流之一,它位于潭陽(yáng)(Damyang)和羅州(Naju)市之間,流經(jīng)光州市中心。光州市是韓國(guó)最大的城市之一,面積約501.41 km2,人口140萬(wàn)。河流發(fā)源于光州市東部的姆登格(Mudeung)山谷(平均海拔1187m),與一條來(lái)源于光州水庫(kù)的水流匯合,該水庫(kù)為居民生活提供飲用水源。光州川總長(zhǎng)約23 km,集水面積109.9 km2。光州川有5條主要支流:Geukrak(T1)、Yeongbong(T2)、Seobang(T3)、Dongae(T4)及 Jeungsimsa(T5)河 。除 Jeungsimsa河的上游地區(qū)之外,多數(shù)支流集水區(qū)的公路和商住混合區(qū)域鋪上了水泥或?yàn)r青。支流當(dāng)中,T1和 T3在20世紀(jì)70年代前未受到污染或破壞,但它們被改造成統(tǒng)一的開放式水道,接納生活污水處理廠的尾水,現(xiàn)在這些支流正逐漸退化。在水位和流量方面,為維持足夠的基流,光州川通過(guò)地下管道從榮山江G1取水口處取水,在排放口 G4處排放,日均取水量 43200m3(約0.5 m3/s)。光州市市政府在2004～2009年間實(shí)施了城市河流恢復(fù)工程,公共投資約4350萬(wàn)美元,工程目的是逐步恢復(fù)上游、中游和下游的自然、文化和生態(tài)資源。

1.2 資料收集

光州川上游 G5和下游G2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的BOD5由環(huán)境部門負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè),G4水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)由光州市衛(wèi)生和環(huán)境研究所每月負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)1次。

G3、G4和 G5監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水樣取自河道中層,在收集地表水樣后,實(shí)驗(yàn)室每個(gè)月測(cè)定一次 FIB。對(duì)于 FIB濃度的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn),使用酶底物法和腸球菌檢測(cè)法分別進(jìn)行 E.coli(大腸桿菌)和 ENT(中腸球菌)規(guī)定的基準(zhǔn)測(cè)試,用 97孔定量盤/2000進(jìn)行定量驗(yàn)證。這種簡(jiǎn)化測(cè)試是一種隱現(xiàn)測(cè)試,它利用指定的鄰硝基苯 -β-D-半乳糖苷(ONPG)和 4-甲基傘形酮 -β-D半乳糖苷(MUG)培養(yǎng)基作為細(xì)菌生長(zhǎng)的養(yǎng)分。準(zhǔn)備2個(gè)待分析的水樣,方法是取10m L水樣,再用 90mL蒸餾水稀釋,后混合搖勻即成。培養(yǎng)基加入水樣中,溶解后將其轉(zhuǎn)移到定量盤/2000中。定量盤 /2000密封后,分別置于 35±0.5℃(E.coli)和 41±0.5℃(ENT)恒溫下各培養(yǎng)24 h。最后以每100m L檢樣內(nèi)大腸菌群最可能數(shù)(MPN/100m L)來(lái)表示結(jié)果。

1.3 水質(zhì)模擬和統(tǒng)計(jì)分析

為了研究改善光州川水質(zhì)的方案,利用穩(wěn)態(tài)常規(guī)污染物模型 QUAL2E對(duì)定性指標(biāo)生化需氧量BOD5按一階降解過(guò)程進(jìn)行模擬。模型的主方程是平流 -擴(kuò)散方程和外源庫(kù)反應(yīng)方程。該模型能夠把多點(diǎn)排放水量、取水量和支流水量等變量也包括進(jìn)來(lái),但進(jìn)入到河流的水量及排放量在模擬中以常數(shù)代替?；?G1取水口水質(zhì)優(yōu)良可以保證整條光州川(見(jiàn)圖1)水質(zhì)更好的事實(shí),形成了一個(gè)方案。在該方案中,將上游壩的排放流量由0.4 m3/s增加到2.0m3/s,相應(yīng)河流流速也增大,水體稀釋能力增強(qiáng),以減輕污染。但是,因?yàn)橥ㄟ^(guò)地下管道從榮山江引水直接與光州川水混合,預(yù)計(jì) G4排放口與 G1取水口的水質(zhì)有所不同。為此利用回歸分析和統(tǒng)計(jì)繪圖工具對(duì) G4監(jiān)測(cè)點(diǎn) BOD5的濃度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。為研究改善水質(zhì)的另一方面,借助了在羅州市松泉里運(yùn)作的人工濕地試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 BOD5水質(zhì)目標(biāo)

圖1說(shuō)明了 G1和 G4監(jiān)測(cè)點(diǎn)(G1取水點(diǎn)為實(shí)線,G4排放點(diǎn)為虛線)BOD5濃度在2003～2008年間的歷時(shí)變化。從圖中可以看出,在 G1點(diǎn)干旱季節(jié)BOD5的濃度明顯高于其他季節(jié)。這主要是由于在干旱季節(jié),河道流速下降,而營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物增加(由頻繁的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)引起)。除2003年初始階段外,G4點(diǎn) BOD5的濃度在其他時(shí)段也同榮山江類似,即干旱季節(jié)濃度顯著高于其他季節(jié)。相關(guān)系數(shù)表明,在 G1和 G4的濃度之間存在相似的季節(jié)性變化(R2=0.61),這意味著取水口水質(zhì)決定了排放口的水質(zhì)。

圖1 2003～2008年 G1和 G 4監(jiān)測(cè)點(diǎn) BOD5濃度的變化過(guò)程

為確定改善光州川水質(zhì)方案需要的水量,將榮山江上游大壩泄流量由0.4 m3/s增加到2.0m3/s,以在榮山江干流模擬 BOD5水質(zhì)濃度的變化。圖2為模擬結(jié)果,圖中實(shí)線和虛線分別代表大壩泄流量增加前后預(yù)測(cè)的 BOD5濃度。最初,該模型用2001～2006年的逐月資料進(jìn)行了驗(yàn)證,模型系數(shù)通過(guò)系數(shù)組合確定,以盡量減少誤差平方和。模擬結(jié)果表明,取水口 BOD5隨大壩泄水增加大大降低,由3.7 mg/L降為0.9 mg/L。這一結(jié)果本身也證明了通過(guò)大壩泄流增加流量,可改善榮山江干流水質(zhì),相應(yīng)光州川水質(zhì)也隨之改善。

2.2 公共衛(wèi)生目標(biāo)

圖3展示了光州川上游 3個(gè)監(jiān)測(cè)站2007年11月 ～2008年 9月間水體中 ENT和 E.coli濃度的季節(jié)性變化。其中橫軸和縱軸分別代表研究階段和細(xì)菌濃度。無(wú)論是監(jiān)測(cè)站之間還是 ENT和 E.coli濃度間,均未發(fā)現(xiàn)有任何明顯的規(guī)律。然而,最低濃度通常出現(xiàn)在1月和2月,在此期間,光州川水質(zhì)相對(duì)較好。此外,G5監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 ENT及 E.coli濃度普遍低于其他兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),說(shuō)明上游水質(zhì)較好。相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果表明:G4和 G5監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度之間的相關(guān)性較好(ENT的 R2=0.521,E.coli的 R2=0.689),G5和 G3監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度之間的相關(guān)性較差(ENT的 R2=-0.144,E.coli的 R2=-0.02),這說(shuō)明 G3監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)受G4監(jiān)測(cè)點(diǎn)出流水質(zhì)的影響明顯。因此為了改善光州川的水質(zhì),強(qiáng)烈建議對(duì) G4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 FIB濃度進(jìn)行控制。

為確定 G4監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物削減的有效性,重新評(píng)估了取水口 G1和排放口 G4的細(xì)菌濃度。圖 4顯示了2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2007年11月 ～2008年 9月間ENT和 E.coli濃度的季節(jié)變化,其橫軸和縱軸與圖3相同。由圖 4可看出,干流 G1監(jiān)測(cè)點(diǎn)和支流 G4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的 ENT和 E.coli濃度在冬季(11月至次年的2月)差異較大,其他時(shí)段呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)。特別值得一提的是,在5月份 ENT的濃度顯著降低,這意味著細(xì)菌濃度可能與 BOD5濃度具有不同的模式。此外,還研究了 G1和 G4之間細(xì)菌濃度的關(guān)系,除去7～9月的雨季時(shí)段,其他時(shí)段內(nèi)二者間存在極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性(ENT的 R2=-0.60,E.coli的 R2=-0.71)。這一結(jié)果與 BOD5的結(jié)果相反,即控制取水口 G1的水質(zhì)不能保證排放口 G4的細(xì)菌濃度低。因此,根據(jù)以上的分析結(jié)果,需要具體的管理策略來(lái)降低光州川的細(xì)菌濃度。

圖2 榮山江干流BOD5的QUAL2E模型模擬結(jié)果

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn) G 3、G4和 G5處水體中 ENT和 E.coli濃度的季節(jié)性變化

圖4 取水口 G1與排放口G 4水體中 ENT和 E.coli濃度的季節(jié)性變化

圖5 已建濕地 ENT和 E.coli的去除率實(shí)驗(yàn)結(jié)果(2008年11月24日調(diào)查)

圖6 取水口G1和排放口 G4間 BOD5濃度回歸分析(a),以及 G4附近建造人工濕地后的 ENT濃度(b)及 E.coli濃度(c)預(yù)測(cè)

在此,為減輕城市河流的污染程度,建議通過(guò)使用 G4處修建的人工濕地來(lái)實(shí)現(xiàn) FIB的總量控制。確定和提議這項(xiàng)計(jì)劃是因?yàn)樗梢赃_(dá)到以下目標(biāo):①自然景觀更好,河流可實(shí)現(xiàn)自然且可持續(xù)恢復(fù);②能更加有效地改善水質(zhì),尤其是改善受到污染的城市河流的水質(zhì)。盡管2009年前從未中斷過(guò)前面提到的濕地的建設(shè),并還將在 G2和 G4附近建設(shè)另一個(gè)與其類似規(guī)模的分布式濕地。因此,對(duì)目前在羅州市松泉里運(yùn)營(yíng)的濕地(處理量13127 m3/d)的去除率進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,并以此推論如何控制排放口G4的 ENT和 E.coli濃度。圖5給出了已建濕地入流(實(shí)線)和出流(虛線)污水中 ENT和 E.coli濃度24 h的變化過(guò)程。由圖可見(jiàn),盡管進(jìn)水和出水水質(zhì)每天都有變化,但濕地通常表現(xiàn)出良好的 ENT及E.coli去除率。ENT和 E.coli日均去除率分別達(dá)到95%和 80%。這一結(jié)果意味著,在 G4建設(shè)人工濕地可以大大減少光州川的細(xì)菌濃度,從而減輕公眾健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 污染物去除率評(píng)價(jià)

基于兩個(gè)方面的水質(zhì)目標(biāo),簡(jiǎn)單地計(jì)算了污染物 BOD5和 ENT,以及 E.coli去除率(見(jiàn)圖 6)。建議采用2種不同的方案,以減輕光州川污染程度。一個(gè)是增加上游大壩泄流量,另一個(gè)是在城市河流鄰近 G4排放口處建造分布式濕地。其結(jié)果如圖 6所示,采用回歸分析和污染物總體負(fù)荷評(píng)估方法分別來(lái)預(yù)測(cè)最終出水的 BOD5以及 ENT和 E.coli的濃度?；貧w分析結(jié)果表明,一旦將上游大壩的泄流量由0.4m3/s增加到2.0m3/s,取水口 G1處 BOD5濃度則會(huì)達(dá)到0.9mg/L,排放口 G4處的水質(zhì)隨之就會(huì)得到改善,其 BOD5濃度會(huì)降到2.89mg/L(參見(jiàn)圖 6(a)中的方程)。這一結(jié)果表明,如果對(duì)大壩泄流進(jìn)行優(yōu)化,就能將榮山江干流和光州支流的水質(zhì)更好地維持在Ⅲ類水以上(＜3 mg/L,韓國(guó)河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))。此外,當(dāng)將已建濕地的平均去除率(ENT為 95%,E.coli為 80%)應(yīng)用于 G4排水點(diǎn)時(shí),與附近監(jiān)測(cè)站 G3和 G5的水質(zhì)相比,其 ENT和E.coli濃度更低或相當(dāng)(見(jiàn)圖 6(b)和(c))。事實(shí)上,從圖上還可看出 G3(匯合后)和 G5(匯合前)監(jiān)測(cè)站間細(xì)菌濃度的差異較小,可能反映出濕地對(duì)城市河流水質(zhì)產(chǎn)生的影響不顯著。但是,當(dāng)采用簡(jiǎn)單物質(zhì)平衡方程:L(t)=Qout(t)Cout(t)-Qin(t)Cin(t)(式中 Q和 C分別代表月均流量和細(xì)菌濃度)來(lái)估算污染負(fù)荷時(shí),結(jié)果表明除 6～9月的雨季外,ENT和 E.coli的去除率都較高。細(xì)菌去除率為負(fù)主要是因?yàn)?G5點(diǎn)河水的流速急劇增加,因此雨季的管理計(jì)劃要更加精細(xì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

到目前為止,全球已為城市河流恢復(fù)工程作了許多努力,光州市當(dāng)?shù)卣罱舶l(fā)起了旨在分別恢復(fù)光州川上、中及下游的自然、文化及生態(tài)資源的工程。然而,大多數(shù)計(jì)劃往往只注重城市河流的審美價(jià)值(如景觀),而不是水質(zhì)管理,容易忽視其環(huán)境價(jià)值和生態(tài)功能。在本研究中,提供了兩個(gè)備選方案,以改善水質(zhì)的兩個(gè)指標(biāo),即 BOD5和 FIB,它們分別通過(guò) QUAL2E模型和假設(shè)的(但已納入計(jì)劃)人造濕地進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明,增加榮山江上游大壩的泄流量,干流榮山江和支流光州川的水質(zhì)指標(biāo) BOD5的濃度就會(huì)下降;在排放口 G4處規(guī)劃建設(shè)濕地,盡管在 PWNGS的人工濕地大小可靈活調(diào)節(jié),但仍期望所建濕地可使光州川 FIB的去除率高于80%(除雨季外)。因此,應(yīng)該進(jìn)一步制訂精細(xì)的管理計(jì)劃,以控制雨季細(xì)菌的濃度。總之,綜合使用兩種方案可維持更好的城市河流水質(zhì),并可將其作為一個(gè)切實(shí)可行的方法來(lái)提高城市河流恢復(fù)工程的效果。