城市河流污染物的去除率研究

[韩]宋闵察 等

邱训平 译自英刊《水科学和技术》2009年第11期

为改善公众卫生和繁荣生物多样性,对水资源系统的物理、化学和生物过程的研究是非常有价值的。然而,近来河流及其邻近区域的大规模环境改造(如将陆地改造成河道或将河道填平成陆地)经常扰乱了这项工作。尤其是城市河流极易受到这些外部压力的冲击,这是当今城市河流存在的普遍问题,只是程度不同而已。这主要是由于在相对较小的集水区,设置了高密度的和复杂的基础设施,它导致城市河流出现长期的生态退化问题。值得注意的是,在干旱季节水量减少的情况下,降雨期间水文过程线剧烈变化,伴随污染物负荷明显增加。

在评估当前的环境状况(或生态系统)和减少因城市开发而对环境造成的潜在影响方面,已进行了大量研究。在河流环境管理方面,主要的工作集中在减少污染负荷、恢复水文周期、增加河势稳定、提高城市河流的生物多样性等方面。根据总体恢复的原则,韩国的环境和地方政府部门从20世纪 90年代中期起,启动了城市河流长期恢复计划,以重新调整河流使之恢复天然的功能和生境。在此之前,韩国的城市河流经历了一系列的转换:20世纪 60年代之前为天然河流,70年代为防灾河流,80年代为占用河流(作为娱乐场所和停车场)。然而,尽管开展了大量工作,韩国的城市河流并没有如预期那样得到恢复,主要是由于水质差、大量的公路采用了非渗透性的材料(沥青或混凝土)以及河道流量的时空变化大。因此,未来的恢复方案需要更好的方法来解决这些问题并通过努力提高环境效益。

为达到这一目的,本研究在水质现状分析中,着重对水质管理方案的生物降解和人类健康这两个不同的方面进行了研究。目前在光州川已启动一个称为“天然光州川净化工程”的城市河流恢复工程,以改善生态景观并提供足够的环境流量。作为该恢复工程的内容之一,本研究的目的是探讨水质控制以及建设湿地对改善光州川水质的潜在作用,以期为城市河流有效恢复提供几个可能的方案。

1 材料和方法

1.1 研究区域

韩国的光州川为荣山江(Yeongsan River)的13条支流之一,它位于潭阳(Damyang)和罗州(Naju)市之间,流经光州市中心。光州市是韩国最大的城市之一,面积约501.41 km2,人口140万。河流发源于光州市东部的姆登格(Mudeung)山谷(平均海拔1187m),与一条来源于光州水库的水流汇合,该水库为居民生活提供饮用水源。光州川总长约23 km,集水面积109.9 km2。光州川有5条主要支流:Geukrak(T1)、Yeongbong(T2)、Seobang(T3)、Dongae(T4)及 Jeungsimsa(T5)河 。除 Jeungsimsa河的上游地区之外,多数支流集水区的公路和商住混合区域铺上了水泥或沥青。支流当中,T1和 T3在20世纪70年代前未受到污染或破坏,但它们被改造成统一的开放式水道,接纳生活污水处理厂的尾水,现在这些支流正逐渐退化。在水位和流量方面,为维持足够的基流,光州川通过地下管道从荣山江G1取水口处取水,在排放口 G4处排放,日均取水量 43200m3(约0.5 m3/s)。光州市市政府在2004～2009年间实施了城市河流恢复工程,公共投资约4350万美元,工程目的是逐步恢复上游、中游和下游的自然、文化和生态资源。

1.2 资料收集

光州川上游 G5和下游G2监测点的BOD5由环境部门负责监测,G4水质监测点由光州市卫生和环境研究所每月负责监测1次。

G3、G4和 G5监测点的水样取自河道中层,在收集地表水样后,实验室每个月测定一次 FIB。对于 FIB浓度的监测实验,使用酶底物法和肠球菌检测法分别进行 E.coli(大肠杆菌)和 ENT(中肠球菌)规定的基准测试,用 97孔定量盘/2000进行定量验证。这种简化测试是一种隐现测试,它利用指定的邻硝基苯 -β-D-半乳糖苷(ONPG)和 4-甲基伞形酮 -β-D半乳糖苷(MUG)培养基作为细菌生长的养分。准备2个待分析的水样,方法是取10m L水样,再用 90mL蒸馏水稀释,后混合摇匀即成。培养基加入水样中,溶解后将其转移到定量盘/2000中。定量盘 /2000密封后,分别置于 35±0.5℃(E.coli)和 41±0.5℃(ENT)恒温下各培养24 h。最后以每100m L检样内大肠菌群最可能数(MPN/100m L)来表示结果。

1.3 水质模拟和统计分析

为了研究改善光州川水质的方案,利用稳态常规污染物模型 QUAL2E对定性指标生化需氧量BOD5按一阶降解过程进行模拟。模型的主方程是平流 -扩散方程和外源库反应方程。该模型能够把多点排放水量、取水量和支流水量等变量也包括进来,但进入到河流的水量及排放量在模拟中以常数代替。基于 G1取水口水质优良可以保证整条光州川(见图1)水质更好的事实,形成了一个方案。在该方案中,将上游坝的排放流量由0.4 m3/s增加到2.0m3/s,相应河流流速也增大,水体稀释能力增强,以减轻污染。但是,因为通过地下管道从荣山江引水直接与光州川水混合,预计 G4排放口与 G1取水口的水质有所不同。为此利用回归分析和统计绘图工具对 G4监测点 BOD5的浓度进行了预测。为研究改善水质的另一方面,借助了在罗州市松泉里运作的人工湿地试点的测试结果。

2 结果与讨论

2.1 BOD5水质目标

图1说明了 G1和 G4监测点(G1取水点为实线,G4排放点为虚线)BOD5浓度在2003～2008年间的历时变化。从图中可以看出,在 G1点干旱季节BOD5的浓度明显高于其他季节。这主要是由于在干旱季节,河道流速下降,而营养盐和有机物增加(由频繁的农业生产活动引起)。除2003年初始阶段外,G4点 BOD5的浓度在其他时段也同荣山江类似,即干旱季节浓度显著高于其他季节。相关系数表明,在 G1和 G4的浓度之间存在相似的季节性变化(R2=0.61),这意味着取水口水质决定了排放口的水质。

图1 2003～2008年 G1和 G 4监测点 BOD5浓度的变化过程

为确定改善光州川水质方案需要的水量,将荣山江上游大坝泄流量由0.4 m3/s增加到2.0m3/s,以在荣山江干流模拟 BOD5水质浓度的变化。图2为模拟结果,图中实线和虚线分别代表大坝泄流量增加前后预测的 BOD5浓度。最初,该模型用2001～2006年的逐月资料进行了验证,模型系数通过系数组合确定,以尽量减少误差平方和。模拟结果表明,取水口 BOD5随大坝泄水增加大大降低,由3.7 mg/L降为0.9 mg/L。这一结果本身也证明了通过大坝泄流增加流量,可改善荣山江干流水质,相应光州川水质也随之改善。

2.2 公共卫生目标

图3展示了光州川上游 3个监测站2007年11月 ～2008年 9月间水体中 ENT和 E.coli浓度的季节性变化。其中横轴和纵轴分别代表研究阶段和细菌浓度。无论是监测站之间还是 ENT和 E.coli浓度间,均未发现有任何明显的规律。然而,最低浓度通常出现在1月和2月,在此期间,光州川水质相对较好。此外,G5监测点的 ENT及 E.coli浓度普遍低于其他两个监测点,说明上游水质较好。相关系数分析结果表明:G4和 G5监测点浓度之间的相关性较好(ENT的 R2=0.521,E.coli的 R2=0.689),G5和 G3监测点浓度之间的相关性较差(ENT的 R2=-0.144,E.coli的 R2=-0.02),这说明 G3监测点水质受G4监测点出流水质的影响明显。因此为了改善光州川的水质,强烈建议对 G4监测点的 FIB浓度进行控制。

为确定 G4监测点污染物削减的有效性,重新评估了取水口 G1和排放口 G4的细菌浓度。图 4显示了2个监测点2007年11月 ～2008年 9月间ENT和 E.coli浓度的季节变化,其横轴和纵轴与图3相同。由图 4可看出,干流 G1监测点和支流 G4监测点的 ENT和 E.coli浓度在冬季(11月至次年的2月)差异较大,其他时段呈现相似的变化趋势。特别值得一提的是,在5月份 ENT的浓度显著降低,这意味着细菌浓度可能与 BOD5浓度具有不同的模式。此外,还研究了 G1和 G4之间细菌浓度的关系,除去7～9月的雨季时段,其他时段内二者间存在极强的负相关性(ENT的 R2=-0.60,E.coli的 R2=-0.71)。这一结果与 BOD5的结果相反,即控制取水口 G1的水质不能保证排放口 G4的细菌浓度低。因此,根据以上的分析结果,需要具体的管理策略来降低光州川的细菌浓度。

图2 荣山江干流BOD5的QUAL2E模型模拟结果

图3 监测点 G 3、G4和 G5处水体中 ENT和 E.coli浓度的季节性变化

图4 取水口 G1与排放口G 4水体中 ENT和 E.coli浓度的季节性变化

图5 已建湿地 ENT和 E.coli的去除率实验结果(2008年11月24日调查)

图6 取水口G1和排放口 G4间 BOD5浓度回归分析(a),以及 G4附近建造人工湿地后的 ENT浓度(b)及 E.coli浓度(c)预测

在此,为减轻城市河流的污染程度,建议通过使用 G4处修建的人工湿地来实现 FIB的总量控制。确定和提议这项计划是因为它可以达到以下目标:①自然景观更好,河流可实现自然且可持续恢复;②能更加有效地改善水质,尤其是改善受到污染的城市河流的水质。尽管2009年前从未中断过前面提到的湿地的建设,并还将在 G2和 G4附近建设另一个与其类似规模的分布式湿地。因此,对目前在罗州市松泉里运营的湿地(处理量13127 m3/d)的去除率进行了简要介绍,并以此推论如何控制排放口G4的 ENT和 E.coli浓度。图5给出了已建湿地入流(实线)和出流(虚线)污水中 ENT和 E.coli浓度24 h的变化过程。由图可见,尽管进水和出水水质每天都有变化,但湿地通常表现出良好的 ENT及E.coli去除率。ENT和 E.coli日均去除率分别达到95%和 80%。这一结果意味着,在 G4建设人工湿地可以大大减少光州川的细菌浓度,从而减轻公众健康的潜在风险。

2.3 污染物去除率评价

基于两个方面的水质目标,简单地计算了污染物 BOD5和 ENT,以及 E.coli去除率(见图 6)。建议采用2种不同的方案,以减轻光州川污染程度。一个是增加上游大坝泄流量,另一个是在城市河流邻近 G4排放口处建造分布式湿地。其结果如图 6所示,采用回归分析和污染物总体负荷评估方法分别来预测最终出水的 BOD5以及 ENT和 E.coli的浓度。回归分析结果表明,一旦将上游大坝的泄流量由0.4m3/s增加到2.0m3/s,取水口 G1处 BOD5浓度则会达到0.9mg/L,排放口 G4处的水质随之就会得到改善,其 BOD5浓度会降到2.89mg/L(参见图 6(a)中的方程)。这一结果表明,如果对大坝泄流进行优化,就能将荣山江干流和光州支流的水质更好地维持在Ⅲ类水以上(＜3 mg/L,韩国河流水质标准)。此外,当将已建湿地的平均去除率(ENT为 95%,E.coli为 80%)应用于 G4排水点时,与附近监测站 G3和 G5的水质相比,其 ENT和E.coli浓度更低或相当(见图 6(b)和(c))。事实上,从图上还可看出 G3(汇合后)和 G5(汇合前)监测站间细菌浓度的差异较小,可能反映出湿地对城市河流水质产生的影响不显著。但是,当采用简单物质平衡方程:L(t)=Qout(t)Cout(t)-Qin(t)Cin(t)(式中 Q和 C分别代表月均流量和细菌浓度)来估算污染负荷时,结果表明除 6～9月的雨季外,ENT和 E.coli的去除率都较高。细菌去除率为负主要是因为 G5点河水的流速急剧增加,因此雨季的管理计划要更加精细。

3 结 语

到目前为止,全球已为城市河流恢复工程作了许多努力,光州市当地政府最近也发起了旨在分别恢复光州川上、中及下游的自然、文化及生态资源的工程。然而,大多数计划往往只注重城市河流的审美价值(如景观),而不是水质管理,容易忽视其环境价值和生态功能。在本研究中,提供了两个备选方案,以改善水质的两个指标,即 BOD5和 FIB,它们分别通过 QUAL2E模型和假设的(但已纳入计划)人造湿地进行了检验。结果表明,增加荣山江上游大坝的泄流量,干流荣山江和支流光州川的水质指标 BOD5的浓度就会下降;在排放口 G4处规划建设湿地,尽管在 PWNGS的人工湿地大小可灵活调节,但仍期望所建湿地可使光州川 FIB的去除率高于80%(除雨季外)。因此,应该进一步制订精细的管理计划,以控制雨季细菌的浓度。总之,综合使用两种方案可维持更好的城市河流水质,并可将其作为一个切实可行的方法来提高城市河流恢复工程的效果。