城市不同水體表觀特征污染物及污染類型識別

通信作者:黃勇,教授。E-mail:yhuang-s2@sina.com

城市不同水體表觀特征污染物及污染類型識別

孫娜,黃勇,李學艷

(蘇州科技學院環(huán)境科學與工程學院,江蘇 蘇州215009)

摘要：選擇蘇州市區(qū)河網(wǎng)為研究對象,經(jīng)過為期近3年的廣域布點采樣,選取DO,溫度,pH,CODMn,S2-,濁度,Chl-a,UV254等作為水質(zhì)監(jiān)測指標,通過對各指標累計頻率分布及其變化趨勢的統(tǒng)計分析,識別出不同污染水體的主要表觀特征污染物,并依此對水體污染類型進行了劃分界定。結果表明：監(jiān)測指標UV254值、濁度與ρ(CODMn)的比值、ρ(S2-)和ρ(Chl-a)對不同污染水體有很好的區(qū)分度,可作為表觀特征污染物指標;將污染水體分為4種類型:有機主導型、無機主導型、營養(yǎng)主導型和混合型,前3種類型的主要篩選條件分別為UV254值·ρ(S2-)·1000大于10cm-1·(mg/L)、濁度與ρ(CODMn)的比值大于15NTU/(mg/L)和ρ(Chl-a)>20μg/L;利用該條件對6條定點監(jiān)測河流污染類型進行初步劃分。

關鍵詞：表觀污染;特征污染物;污染類型;地表水

基金項目:國家自然科學基金(50938005,51108291);江蘇省重點實驗室開放課題(ZD111205)

作者簡介:孫娜(1989—),女,碩士研究生,研究方向為水污染控制工程。E-mail:sunna_simple@163.com

中圖分類號：X522文獻標志碼：A

收稿日期：(2014-08-27編輯：徐娟)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.017

Identification of pollutant with different apparent characteristics and

types of pollution in urban water

SUN Na, HUANG Yong, LI Xueyan

(SchoolofEnvironmentScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,

Suzhou215009,China)

Abstract：Taking the river system in Suzhou City as our subject, during our 3-year wide-area points sampling, we chose dissolved oxygen(DO), Temperature(T), pH, Potassium permanganate index(CODMn), Sulfide(S2-), Turbidity, Chlorophyll-a(Chl-a) and UV spectrophotometry(UV254)as the water quality monitoring indicators. By analyzing the cumulative frequency distribution and trend among various indicators, we identified the pollutants with main apparent characteristic from different polluted water and divided types of water pollution according to that. The results show that value of UV254, Turbidity/ρ(CODMn),ρ(S2-) and ρ(Chl-a) can be used as features of pollutants because of their good distinguish degree; Different polluted water can be divided into four types: organic leading, inorganic leading, nutrition leading and hybrid, filter conditions of the former three types are value of UV254·ρ(S2-)·1000>10cm-1·(mg·L-1), Turbidity/ρ(CODMn)>15NTU/(mg·L-1), ρ(Chl-a)>20μg·L-1; This method can identify different types of the six monitored rivers.

Key words： apparent pollution; particular pollutants; pollution type; surface water

據(jù)環(huán)保部水質(zhì)報告顯示,至2012年我國已有31.1%的河流不能滿足飲用水質(zhì)量標準[1]。受點源、面源及內(nèi)源的復合污染,城市水體污染問題愈來愈復雜,黑臭、水華現(xiàn)象時有發(fā)生。對水體進行分類分析,能提高人們對水污染狀況的認識,利于水體的污染防治。有不少學者依據(jù)水質(zhì)指標對城市水體進行污染分類研究。KANNEL等[2]設立了4種水質(zhì)參數(shù)，將不同城市水體分為了優(yōu)、良、差3個等級。Aabha等[3]基于13個單一指標,建立了OIP水質(zhì)分類方法,將水體分為良好、可接受、輕污染、污染、重污染5個等級。Yuichi等[4]使用水體沉積物中的NH3-N、大腸桿菌等指標對城市河道進行劃分,得出了“工業(yè)污染和人口密度為主要污染原因”這一結論。國內(nèi)關于污染水體特性分類分析方面的研究也較多。王立新等[5]在污染程度等級分類的基礎上,對不同城市河流污染類型進行分類,并闡釋了各河道的污染成因。談旭初[6]依據(jù)污染分擔率,劃分并命名了地表水污染類型。依據(jù)水質(zhì)指標對水體污染特性進行分類分析,能夠深入了解水體的污染程度和污染原因。然而,當前城市水體的主要功能正逐漸由飲用水功能轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^功能,作為景觀功能水體,良好的表觀性狀是水體所應具備的最基本特征,所以對城市水體進行分類研究時不僅要考慮水質(zhì)問題,其表觀污染效應也不容忽視。

城市受污染水體常呈渾濁狀且伴有異色,如:黑色、灰色、深綠色等,并散發(fā)出異味。筆者選取受不同程度污染的蘇州城市水體作為研究對象,通過廣域布點采樣分析和現(xiàn)場評價,識別出不同水體的表觀特征污染物,對不同水體污染類型進行分類,初步探討定點監(jiān)測河流的表觀污染物特性,為明確監(jiān)測河段的污染成因、防治對策提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

蘇州市地處亞熱帶季風氣候區(qū),四季分明,雨量充沛,年均降雨量約為1100mm。城市水系發(fā)達,水域總面積為3 609.09km2，占全市總面積的42.5%,是具有代表性的江南河網(wǎng)城市。本文選取蘇州市高新區(qū)、古城區(qū)內(nèi)及外城河周邊河道作為研究區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)地勢平坦,河道密布,水流緩慢,水深較淺且易受外界環(huán)境影響,水體以景觀功能為主；古城區(qū)內(nèi)河道構成了“三縱三橫一環(huán)”的河網(wǎng)體系。研究區(qū)域內(nèi)水污染原因既包括居民生活污水、三產(chǎn)污水的點源污染,也包括地表徑流、底泥釋放等非點源污染。

1.2樣品采集及分析方法

2011—2013年在研究區(qū)域內(nèi)共設有46個廣域采樣點(圖1)。經(jīng)過長期觀測和實地考察,并考慮河道性質(zhì)及周邊環(huán)境因素,在高新區(qū)設置15個具有代表性的水質(zhì)采樣點,采樣時間為2011年10月—2013年12月,每2個月采樣1次。古城區(qū)內(nèi)及外城河周邊河道的另外31個廣域采樣點與蘇州市城市排水監(jiān)測站的水質(zhì)監(jiān)測點相同,2012年10月—2013年12月期間對此類采樣點每2個月采集1次,截止到2013年末共采集到400組完整數(shù)據(jù)。2013年11月—2014年3月在研究區(qū)域內(nèi)另設6個典型河道監(jiān)測點,采樣頻率為1次/月。

每組監(jiān)測數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場評價記錄和指標測定。依據(jù)蘇州城區(qū)河道性質(zhì),在每個監(jiān)測斷面設中泓1個采樣點,采集0.5 m以上表層水。由于目前對水體的表觀質(zhì)量評價尚未有統(tǒng)一標準,本文采用文獻[7]中的方法對水體進行現(xiàn)場表觀質(zhì)量評價,并記錄水色、渾濁程度、周邊環(huán)境等。參照文獻[8]進行水樣的采集、運輸和分析。使用潔凈干燥的聚乙烯瓶盛放水樣,并置于移動冰箱內(nèi)(4℃)保存,所有水樣在24 h內(nèi)完成水質(zhì)監(jiān)測。監(jiān)測指標包括DO,pH,CODMn,溫度，硫化物,濁度,Chl-a,UV254。其中DO和溫度用YSI-550A便攜式溶氧儀測定,pH值采用玻璃電極法測定,CODMn值采用高錳酸鉀酸性法測定,硫化物采用亞甲藍分光光度法測定,濁度采用HACH2100N型濁度儀測定,Chl-a采用Water-pam水樣熒光儀測定,使用UVmini-1240型紫外可見分光光度計進行UV254值的測定,測定之前水樣須經(jīng)過0.45μm濾膜過濾。

圖1　各采樣點布設

2結果與討論

2.1水體表觀特征污染物的識別

不同城市水體中,由于污染物質(zhì)形成機理不同,其含量也存在明顯差異,進而影響水體的表觀效應。受表觀污染物影響,水體呈黑色、深綠色、黃色等,研究不同水體的表觀特征污染物對劃分水體污染類型及制定相應的污染治理方案具有指示意義。

水體黑臭機理認為當水體中有機物含量過高時,有機物分解會不斷消耗水中的DO,缺氧的環(huán)境使水體中的硫酸鹽還原成H2S氣體,H2S在溢出水面時會與Fe、Mn結合,最終導致水體的黑臭。H2S、CH4、NH3等被認為是黑臭水體中的發(fā)臭物質(zhì),FeS及MnS則被認為是主要的致黑物質(zhì)。當ρ(S2-)> 0.05mg/L時,水體開始出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象(圖2(a)),超過0.2mg/L黑臭發(fā)生概率接近100%,黑臭現(xiàn)象主要集中分布在硫化物累計頻率為80%～100%之間。UV254是衡量水中有機物指標的一項重要參數(shù),能夠間接反映水體的有機污染程度,另外,也可用于衡量水體的發(fā)黑程度;隨著硫化物累計頻率的增長,UV254值在累計頻率為90%(ρ(S2-)>0.1mg/L))時開始增長且趨勢明顯。由圖2(b)可知,ρ(CODMn)>5mg/L的情況下,水體就出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象,此時其他指標的波動幅度并不大。當ρ(CODMn)>10mg/L時,水體黑臭發(fā)生頻率增大,DO有明顯下降趨勢。地表水中可用CODMn作為有機污染指標,其質(zhì)量濃度大于4mg/L時即認為水體受到有機污染[9],依此標準,約80%的水體受到有機污染。

城市水體表觀污染主要由非溶解性物質(zhì)造成。水中懸浮物包含有機成分和無機成分,濁度值與ρ(CODMn)的比值可用以表示單位濁度的水體有機污染水平,比值越小則表示造成水體渾濁的有機成分越多,反之則表示懸浮物中的無機成分較多。對比不同水體的表觀特征,黃色水體中該比值明顯較其他水體高(圖2(c)),尤其是深綠色水體其比值遠小于黃色水體。

Chl-a可用來估測水體藻類等生物量的大小,且可作為初級生產(chǎn)力指示富營養(yǎng)化發(fā)生的程度。當ρ(Chl-a)在18～23μg/L之間時為中營養(yǎng)化,108～154μg/L之間為超富營養(yǎng)化[10]。由ρ(Chl-a)累計頻率分布圖(圖2(d))可以看出,深綠色水體幾乎都超過中營養(yǎng)化,最高時甚至達到了超富營養(yǎng)化,Chl-a質(zhì)量濃度遠高于其他水體,所以能夠較好地將深綠色水體與其他表觀特征水體區(qū)分開。

當水體表觀較差、呈現(xiàn)黑色時,因受有機污染嚴重,硫化物質(zhì)量濃度值和UV254值明顯偏高;黃色水體中無機黏土和泥沙等成分含量較高,有機物含量低,導致單位濁度水體的有機物含量少，即濁度與ρ(CODMn)的比值偏大;深綠色水體主要受懸浮微生物影響,ρ(Chl-a)明顯較其他水體高,且與其他水體的區(qū)分度高。綜上所述,ρ(S2-)、UV254、濁度與ρ(CODMn)的比值和ρ(Chl-a)均可作為水體的表觀特征污染物指標,用以指示不同的表觀污染特性。

圖2　各污染指標累計頻率分布

2.2不同表觀污染類型分類

通過對所有廣域采樣點的表觀特征污染物指標(UV254值、濁度與ρ(CODMn)比值、ρ(S2-)和ρ(Chl-a))水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場評價記錄進行深入分析歸納,除表觀良好(透明度大于0.7m,無明顯顆粒物及異常顏色)的水體外,將具有不同表觀特征的污染水體分為4種類型:有機主導型、無機主導型、營養(yǎng)主導型和混合型。有機主導型污染水體主要由各種來源的有機物所致,水體表觀差,其極端表觀現(xiàn)象為黑臭;無機主導型污染水體主要污染物為泥沙、泥土等無機顆粒物,水體表觀特點為濁度高;營養(yǎng)主導型污染水體表觀呈現(xiàn)綠色或深綠色,水體浮游微生物如藻類含量高,渾濁度較低,水華暴發(fā)風險高;混合型污染水體介于前三者之間,其表觀污染受多種因素影響,會因環(huán)境等條件的變化向某一主導型發(fā)展。

極端污染水體中,黑色水體為典型的有機主導型污染水體,黃色水體為典型的無機主導型污染水體,深綠色水體為典型的營養(yǎng)主導型水體。以表觀特征污染物質(zhì)為依據(jù),對所測400組數(shù)據(jù)進行分析,分別將UV254值·ρ(S2-)·1000、濁度與ρ(CODMn)的比值、ρ(Chl-a)作為主要篩選因子,并確定了篩選條件及輔助篩選條件,初步界定了水體不同污染類型(表1)。

表1　不同污染水體類型分類

2.3典型表觀污染河道污染類型的劃分

運用以上結論對定點監(jiān)測的6條典型污染河道進行污染類型劃分,初步探討河道的污染成因,以期為河道污染的防治對策提供一定的理論依據(jù)。6處采樣點均是典型的城市污染河道(圖1),其中2處位于古城區(qū)內(nèi),2處位于高新區(qū),另2處為京杭運河蘇州段及其支流河道。

處于蘇州古城區(qū)內(nèi)的2處監(jiān)測點,監(jiān)測期間有機主導型表觀污染出現(xiàn)頻率最高，分別為50.0%、75.0%,這兩條河道主要受周圍居民生活污水點源排放及游客交通等面源有機污染的影響,加之河道淺窄、底泥淤厚、水流緩慢,水體受陽光直射少,河道多呈灰黑色有時甚至出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。高新區(qū)內(nèi)的2處監(jiān)測點主要為營養(yǎng)主導型污染,出現(xiàn)頻率分別為48.5%、27.3%,水體受陽光直射,略渾濁,藻類生長旺盛,代謝產(chǎn)物多,多呈鮮艷黃綠色或深綠色,偶爾會散發(fā)出腥味和霉味。分析原因為河道淺窄、底泥淤厚、水流緩慢,存在生活污染源但污染程度較輕。京杭運河蘇州段河面寬闊、河道較深、水體流速大,受水面行船、挖沙等活動影響,水體擾動大、無機泥沙顆粒污染較重,水體多呈土黃色,另一監(jiān)測點因與運河相通水質(zhì)交換頻繁,所呈現(xiàn)的表觀狀況與運河幾乎一致,無機主導型表觀污染出現(xiàn)頻率分別為62.5%、34.4%。

3結論

a. 城市污染水體因主導污染物的不同,其表觀效應也各不相同。通過廣域布點采樣分析發(fā)現(xiàn),ρ(S2-)、UV254、濁度與ρ(CODMn)的比值和ρ(Chl-a)均可作為表觀特征污染物指標。利用這些特征污染物指標,可表征不同污染類型水體及不同的表觀污染現(xiàn)象。

b. 將城市污染水體劃分界定為4種類型,分別為有機主導型(UV254值·ρ(S2-)·1000大于10cm-1(mg/L))、無機主導型(濁度與ρ(CODMn)的比值大于15NTU/(mg/L))、營養(yǎng)主導型(ρ(Chl-a)>20μg/L)和混合型污染水體,各主導型污染水體并配有其輔助篩選條件。

c. 運用分類方法對6條典型污染河道進行污染類型劃分,統(tǒng)計了各河道主要污染類型的發(fā)生頻率,并具體分析了各河道的污染成因,結果發(fā)現(xiàn)均符合各自的劃分類型。

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