深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水水質(zhì)污染特征研究*

賴后偉 黎京士 龐志華 周秀秀 何晨暉

(環(huán)境保護部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655)

初期雨水為降雨初期形成的地面徑流，國外稱為“first-flush”[1]。初期雨水具有較高的污染負荷，夾帶著地面殘留污染物，其COD、氨氮等指標接近甚至高于典型城市生活污水的濃度[2-3]。近年來，初期雨水所帶來的面源污染問題已經(jīng)引起國內(nèi)外的關(guān)注。初期雨水污染除與降雨強度、季節(jié)氣候相關(guān)而引起的年際變化以外[4]，還與地域和地區(qū)功能相關(guān)[5-6]。性質(zhì)不同的城市功能區(qū)，其地表所富集的污染物在數(shù)量和性質(zhì)上均有所不同，初期雨水形成的徑流污染特征也有所不同。有研究表明，工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)初期雨水污染較居民區(qū)污染嚴重得多，尤其是工業(yè)區(qū)地表徑流的初次沖刷效應(yīng)更顯著[7]。近年來，我國工業(yè)區(qū)逐漸發(fā)展壯大，由于工業(yè)種類多樣，下墊面及功能區(qū)不同，導(dǎo)致工業(yè)區(qū)初期雨水成分復(fù)雜，不同區(qū)域污染特征各異[8]1801,[9-11]。目前，國內(nèi)外關(guān)于初期雨水的研究主要集中于城市雨水，將工業(yè)區(qū)作為特定研究區(qū)域的較少。這主要是由于工業(yè)區(qū)復(fù)雜多樣，除存在居民區(qū)、商業(yè)區(qū)外，工業(yè)制造、加工業(yè)多樣，以實際工業(yè)區(qū)初期雨水作為研究對象受天氣、地域等因素制約嚴重，而模擬不同工業(yè)區(qū)初期雨水缺乏必要的數(shù)據(jù)，這導(dǎo)致工業(yè)區(qū)初期雨水處理技術(shù)研究存在較大困難。

為解決工業(yè)區(qū)初期雨水污染特征研究不足的問題，課題組選擇深圳大工業(yè)區(qū)6個區(qū)域作為初期雨水監(jiān)測點進行采樣，分析在不同下墊面的初期雨水中常規(guī)污染物濃度，為工業(yè)區(qū)初期雨水處理技術(shù)研究提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

表1 深圳大工業(yè)區(qū)監(jiān)測點的情況

表2 深圳大工業(yè)區(qū)1#～5#監(jiān)測點初期雨水污染情況

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點

以深圳大工業(yè)區(qū)坪山文化廣場—國惠康、比亞迪路、蘭竹路—創(chuàng)景路、金牛路—荔景南路、田頭老圍村、坪山河(上洋段)6個區(qū)域為主要監(jiān)測點，分析初期雨水中常規(guī)污染物濃度。采樣時間集中在7—11月，每月采樣1次，每次降雨總量均超過50 mm，7—11月每次采樣初期小時降雨強度分別為30.2、25.4、52.5、30.3、35.7 mm，監(jiān)測點的情況見表1。

1.2 分析方法

暴雨時期在各監(jiān)測點收集初期雨水，在10、20、30 min時進行取樣，而坪山河(上洋段)監(jiān)測點分別在暴雨期30 min、60 min、1 d進行取樣，檢測初期雨水中污染物情況，檢測指標包括COD、TN、氨氮、TP、SS等常規(guī)污染物以及雙酚A、汞、銅、錳等毒害性有機物和部分重金屬指標。

2 結(jié)果與討論

2.1 深圳大工業(yè)區(qū)各功能區(qū)初期雨水的污染特征

深圳大工業(yè)區(qū)1#～5#監(jiān)測點前30 min的初期雨水污染情況見表2。

從總體數(shù)據(jù)上看，深圳大工業(yè)區(qū)各監(jiān)測點的初期雨水常規(guī)污染物指標已經(jīng)接近典型城市生活污水處理廠進水水質(zhì)，甚至COD最高可達1 467.00 mg/L，高于典型城市生活污水的COD，不過略低于中國臺灣中心區(qū)工業(yè)園區(qū)的初期雨水COD[8]1805。由于下墊面與人口流量不同，大工業(yè)區(qū)商業(yè)區(qū)的SS質(zhì)量濃度最高，平均達到968.70 mg/L；商業(yè)區(qū)及居住區(qū)的COD遠高于工業(yè)區(qū)。居住區(qū)的TN、氨氮、TP濃度最大值最高，其原因主要是該居住區(qū)管理水平低，城中村人口集中，路面堆積物、垃圾較多，污水直排嚴重，造成氮、磷污染嚴重，其TN、氨氮、TP最高質(zhì)量濃度分別可達到29.43、19.64、3.16 mg/L。以汽車為主的制造業(yè)區(qū)域與以化妝品、制藥、電子等為主的制造業(yè)區(qū)域初期雨水污染情況相近，出口加工區(qū)及高科技工業(yè)和現(xiàn)代物流業(yè)區(qū)域的初期雨水TN、TP濃度略低于其他區(qū)域。

有研究表明，地面道路徑流SS濃度與COD、TN、TP濃度存在一定的線性相關(guān)性[12]。通過對比深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水的SS濃度與COD、氨氮、TN、TP濃度，發(fā)現(xiàn)SS濃度與COD、氨氮、TP濃度存在線性相關(guān)關(guān)系，而SS濃度與TN濃度的線性相關(guān)性較差，見表3。

表3 初期雨水中的污染物與SS的線性相關(guān)性1)

注：1)Y為初期雨水中各污染物質(zhì)量濃度，mg/L；X為SS質(zhì)量濃度，mg/L。

大工業(yè)區(qū)初期雨水除包含常規(guī)污染物外，還含有毒害性有機物及重金屬[13]。對初期雨水中的汞、銅、錳重金屬進行監(jiān)測，其結(jié)果見圖1。從圖1可看出，深圳大工業(yè)區(qū)各監(jiān)測點初期雨水均檢測出汞、銅、錳3種重金屬，且汞質(zhì)量濃度較接近，維持在0.06～0.09 μg/L；以汽車為主的制造業(yè)區(qū)域的銅質(zhì)量濃度最高，達到0.37 mg/L；出口加工區(qū)及高科技工業(yè)和現(xiàn)代物流業(yè)區(qū)域的錳質(zhì)量濃度最低，為0.17 mg/L。

圖1 深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水中重金屬質(zhì)量濃度

2.2 深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水污染物隨時間的變化

深圳大工業(yè)區(qū)1#～5#監(jiān)測點COD、TN、氨氮、TP、SS隨時間的變化見圖2。一般認為，隨著降雨歷時的進行，雨水徑流污染物濃度呈現(xiàn)遞減的趨勢。從圖2可以看出，污染物在不同區(qū)域隨降雨歷時的變化規(guī)律是不同的，各監(jiān)測點初期雨水污染物濃度呈現(xiàn)不同的波動狀態(tài)。1#監(jiān)測點在30 min內(nèi)COD與SS濃度均先降后升，而5#監(jiān)測點COD與SS濃度先升后降。氨氮、TN濃度在1#監(jiān)測點呈現(xiàn)先升后降趨勢；氮、磷濃度在2#監(jiān)測點30 min內(nèi)總體呈上升趨勢；氮、磷濃度在3#監(jiān)測點總體呈下降趨勢；在4#監(jiān)測點TN濃度隨時間下降，而氨氮、TP濃度先升后降；5#監(jiān)測點氨氮濃度先升后降，TN濃度持續(xù)上升，而TP濃度總體略有下降。

針對多監(jiān)測點出現(xiàn)初期雨水污染物濃度隨時間波動甚至持續(xù)上升的情況，日本學(xué)者在對城市初期雨水污染特征研究時也發(fā)現(xiàn)，污染物濃度存在隨時間上升的現(xiàn)象，其原因可能是：(1)由于下墊面各類污染物濃度不同，降雨強度變化，導(dǎo)致初期雨水中各類污染物濃度出現(xiàn)不一致的波動；(2)由于居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、典型城中村地區(qū)人口流動大，人為因素將導(dǎo)致初期雨水污染物濃度的波動；而以化妝品、藥物、電子等為主的制造業(yè)區(qū)域的車輛運輸，易造成初期雨水污染物濃度暫時增加[14]。即使有部分功能區(qū)初期雨水污染物濃度在30 min內(nèi)存在波動，基于國內(nèi)外研究結(jié)果推測，初期雨水污染物濃度在30 min后將逐漸下降并趨于穩(wěn)定。一般認為，由于降雨強度較大的雨水徑流沖刷徹底，將造成初期雨水中污染物濃度在較短時間內(nèi)達到峰值[15]。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水各污染物濃度在暴雨強度較大的情況下，在更短時間內(nèi)達到污染物濃度最大值，并在更短時間內(nèi)達到污染物濃度下降狀態(tài)。

2.3 深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水對附近水體的影響

深圳坪山河位于深圳大工業(yè)區(qū)，由于初期雨水沖刷所攜帶的污染物部分流入坪山河，為探究大工業(yè)區(qū)初期雨水對附近水體水質(zhì)的影響，對從降雨開始至降雨結(jié)束1 d內(nèi)的坪山河(上洋段)水質(zhì)變化情況進行了監(jiān)測，坪山河(上洋段)在降雨過程中水質(zhì)變化情況見表4、圖3。

表4 坪山河(上洋段)正常情況與降雨時期水質(zhì)對比

由表4可以看出，坪山河(上洋段)正常情況下的COD、TN、氨氮、TP、SS平均質(zhì)量濃度分別為14.60、5.01、0.50、0.22、40.33 mg/L，而監(jiān)測的降雨期間坪山河(上洋段)COD、TN、氨氮、TP、SS平均質(zhì)量濃度分別為33.33、6.03、1.42、0.45、66.67 mg/L，分別升高128.3%、20.4%、184.0%、104.5%、65.3%，降雨及產(chǎn)生的雨水徑流對坪山河(上洋段)造成了影響，說明雨水初期沖刷所攜帶的污染物是影響坪山河水質(zhì)的因素之一，尤其是在降雨間隔較大的情況下，前30 min雨水徑流對附近水體造成的影響巨大。

從圖3可以看出，在降雨過程中，坪山河SS、COD濃度受初期雨水影響有所上升，TN濃度在30 min內(nèi)有所下降后逐漸上升，其中SS濃度影響巨大，降雨歷時60 min即升高48.8%；而坪山河氨氮、TP濃度受初期雨水影響較小，變化不大。前30 min初期雨水SS、COD、TN、氨氮、TP平均值分別為467.10、911.10、10.56、8.04、1.81 mg/L，分別比降雨前附近河水高1 058%、2 829%、111%、159%、155%，說明坪山河水質(zhì)受初期雨水影響大。據(jù)此，對初期雨水中的毒害性有機物雙酚A進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其達到1.49～4.89 μg/L，而河水中的雙酚A質(zhì)量濃度為165 ng/L，相差10倍以上，推測坪山河水中的雙酚A濃度受附近大工業(yè)區(qū)初期雨水的影響大。

圖2 各監(jiān)測點常規(guī)污染物隨降雨歷時的變化

3 結(jié) 論

(1) 深圳大工業(yè)區(qū)初期雨水污染嚴重，COD濃度高于典型城市生活污水COD濃度。深圳大工業(yè)區(qū)居住區(qū)和商業(yè)區(qū)初期雨水COD污染最嚴重，出口加工區(qū)及高科技工業(yè)和現(xiàn)代物流業(yè)區(qū)域的初期雨水TN、TP濃度略低于其他區(qū)域。整個大工業(yè)區(qū)初期雨水中COD、氨氮、TP濃度與SS濃度存在線性相關(guān)關(guān)系，而SS濃度與TN濃度的線性相關(guān)性較差。大工業(yè)區(qū)各區(qū)域均檢測出微量的汞、銅、錳重金屬。

(2) 污染物在深圳大工業(yè)區(qū)不同區(qū)域隨降雨歷時的變化規(guī)律是不同的，各區(qū)域初期雨水污染物濃度呈現(xiàn)各異的波動變化。

圖3 坪山河(上洋段)在降雨過程中水質(zhì)變化情況

(3) 深圳大工業(yè)區(qū)各區(qū)域初期雨水SS、COD、TN、氨氮、TP濃度遠高于附近河水，一定程度上影響了附近河水水質(zhì)。

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