城市不同水体表观特征污染物及污染类型识别

通信作者:黄勇,教授。E-mail:yhuang-s2@sina.com

城市不同水体表观特征污染物及污染类型识别

孙娜,黄勇,李学艳

(苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏 苏州215009)

摘要：选择苏州市区河网为研究对象,经过为期近3年的广域布点采样,选取DO,温度,pH,CODMn,S2-,浊度,Chl-a,UV254等作为水质监测指标,通过对各指标累计频率分布及其变化趋势的统计分析,识别出不同污染水体的主要表观特征污染物,并依此对水体污染类型进行了划分界定。结果表明：监测指标UV254值、浊度与ρ(CODMn)的比值、ρ(S2-)和ρ(Chl-a)对不同污染水体有很好的区分度,可作为表观特征污染物指标;将污染水体分为4种类型:有机主导型、无机主导型、营养主导型和混合型,前3种类型的主要筛选条件分别为UV254值·ρ(S2-)·1000大于10cm-1·(mg/L)、浊度与ρ(CODMn)的比值大于15NTU/(mg/L)和ρ(Chl-a)>20μg/L;利用该条件对6条定点监测河流污染类型进行初步划分。

关键词：表观污染;特征污染物;污染类型;地表水

基金项目:国家自然科学基金(50938005,51108291);江苏省重点实验室开放课题(ZD111205)

作者简介:孙娜(1989—),女,硕士研究生,研究方向为水污染控制工程。E-mail:sunna_simple@163.com

中图分类号：X522文献标志码：A

收稿日期：(2014-08-27编辑：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

据环保部水质报告显示,至2012年我国已有31.1%的河流不能满足饮用水质量标准[1]。受点源、面源及内源的复合污染,城市水体污染问题愈来愈复杂,黑臭、水华现象时有发生。对水体进行分类分析,能提高人们对水污染状况的认识,利于水体的污染防治。有不少学者依据水质指标对城市水体进行污染分类研究。KANNEL等[2]设立了4种水质参数，将不同城市水体分为了优、良、差3个等级。Aabha等[3]基于13个单一指标,建立了OIP水质分类方法,将水体分为良好、可接受、轻污染、污染、重污染5个等级。Yuichi等[4]使用水体沉积物中的NH3-N、大肠杆菌等指标对城市河道进行划分,得出了“工业污染和人口密度为主要污染原因”这一结论。国内关于污染水体特性分类分析方面的研究也较多。王立新等[5]在污染程度等级分类的基础上,对不同城市河流污染类型进行分类,并阐释了各河道的污染成因。谈旭初[6]依据污染分担率,划分并命名了地表水污染类型。依据水质指标对水体污染特性进行分类分析,能够深入了解水体的污染程度和污染原因。然而,当前城市水体的主要功能正逐渐由饮用水功能转变为景观功能,作为景观功能水体,良好的表观性状是水体所应具备的最基本特征,所以对城市水体进行分类研究时不仅要考虑水质问题,其表观污染效应也不容忽视。

城市受污染水体常呈浑浊状且伴有异色,如:黑色、灰色、深绿色等,并散发出异味。笔者选取受不同程度污染的苏州城市水体作为研究对象,通过广域布点采样分析和现场评价,识别出不同水体的表观特征污染物,对不同水体污染类型进行分类,初步探讨定点监测河流的表观污染物特性,为明确监测河段的污染成因、防治对策提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区域

苏州市地处亚热带季风气候区,四季分明,雨量充沛,年均降雨量约为1100mm。城市水系发达,水域总面积为3 609.09km2，占全市总面积的42.5%,是具有代表性的江南河网城市。本文选取苏州市高新区、古城区内及外城河周边河道作为研究区域,该区域内地势平坦,河道密布,水流缓慢,水深较浅且易受外界环境影响,水体以景观功能为主；古城区内河道构成了“三纵三横一环”的河网体系。研究区域内水污染原因既包括居民生活污水、三产污水的点源污染,也包括地表径流、底泥释放等非点源污染。

1.2样品采集及分析方法

2011—2013年在研究区域内共设有46个广域采样点(图1)。经过长期观测和实地考察,并考虑河道性质及周边环境因素,在高新区设置15个具有代表性的水质采样点,采样时间为2011年10月—2013年12月,每2个月采样1次。古城区内及外城河周边河道的另外31个广域采样点与苏州市城市排水监测站的水质监测点相同,2012年10月—2013年12月期间对此类采样点每2个月采集1次,截止到2013年末共采集到400组完整数据。2013年11月—2014年3月在研究区域内另设6个典型河道监测点,采样频率为1次/月。

每组监测数据包括现场评价记录和指标测定。依据苏州城区河道性质,在每个监测断面设中泓1个采样点,采集0.5 m以上表层水。由于目前对水体的表观质量评价尚未有统一标准,本文采用文献[7]中的方法对水体进行现场表观质量评价,并记录水色、浑浊程度、周边环境等。参照文献[8]进行水样的采集、运输和分析。使用洁净干燥的聚乙烯瓶盛放水样,并置于移动冰箱内(4℃)保存,所有水样在24 h内完成水质监测。监测指标包括DO,pH,CODMn,温度，硫化物,浊度,Chl-a,UV254。其中DO和温度用YSI-550A便携式溶氧仪测定,pH值采用玻璃电极法测定,CODMn值采用高锰酸钾酸性法测定,硫化物采用亚甲蓝分光光度法测定,浊度采用HACH2100N型浊度仪测定,Chl-a采用Water-pam水样荧光仪测定,使用UVmini-1240型紫外可见分光光度计进行UV254值的测定,测定之前水样须经过0.45μm滤膜过滤。

图1　各采样点布设

2结果与讨论

2.1水体表观特征污染物的识别

不同城市水体中,由于污染物质形成机理不同,其含量也存在明显差异,进而影响水体的表观效应。受表观污染物影响,水体呈黑色、深绿色、黄色等,研究不同水体的表观特征污染物对划分水体污染类型及制定相应的污染治理方案具有指示意义。

水体黑臭机理认为当水体中有机物含量过高时,有机物分解会不断消耗水中的DO,缺氧的环境使水体中的硫酸盐还原成H2S气体,H2S在溢出水面时会与Fe、Mn结合,最终导致水体的黑臭。H2S、CH4、NH3等被认为是黑臭水体中的发臭物质,FeS及MnS则被认为是主要的致黑物质。当ρ(S2-)> 0.05mg/L时,水体开始出现黑臭现象(图2(a)),超过0.2mg/L黑臭发生概率接近100%,黑臭现象主要集中分布在硫化物累计频率为80%～100%之间。UV254是衡量水中有机物指标的一项重要参数,能够间接反映水体的有机污染程度,另外,也可用于衡量水体的发黑程度;随着硫化物累计频率的增长,UV254值在累计频率为90%(ρ(S2-)>0.1mg/L))时开始增长且趋势明显。由图2(b)可知,ρ(CODMn)>5mg/L的情况下,水体就出现黑臭现象,此时其他指标的波动幅度并不大。当ρ(CODMn)>10mg/L时,水体黑臭发生频率增大,DO有明显下降趋势。地表水中可用CODMn作为有机污染指标,其质量浓度大于4mg/L时即认为水体受到有机污染[9],依此标准,约80%的水体受到有机污染。

城市水体表观污染主要由非溶解性物质造成。水中悬浮物包含有机成分和无机成分,浊度值与ρ(CODMn)的比值可用以表示单位浊度的水体有机污染水平,比值越小则表示造成水体浑浊的有机成分越多,反之则表示悬浮物中的无机成分较多。对比不同水体的表观特征,黄色水体中该比值明显较其他水体高(图2(c)),尤其是深绿色水体其比值远小于黄色水体。

Chl-a可用来估测水体藻类等生物量的大小,且可作为初级生产力指示富营养化发生的程度。当ρ(Chl-a)在18～23μg/L之间时为中营养化,108～154μg/L之间为超富营养化[10]。由ρ(Chl-a)累计频率分布图(图2(d))可以看出,深绿色水体几乎都超过中营养化,最高时甚至达到了超富营养化,Chl-a质量浓度远高于其他水体,所以能够较好地将深绿色水体与其他表观特征水体区分开。

当水体表观较差、呈现黑色时,因受有机污染严重,硫化物质量浓度值和UV254值明显偏高;黄色水体中无机黏土和泥沙等成分含量较高,有机物含量低,导致单位浊度水体的有机物含量少，即浊度与ρ(CODMn)的比值偏大;深绿色水体主要受悬浮微生物影响,ρ(Chl-a)明显较其他水体高,且与其他水体的区分度高。综上所述,ρ(S2-)、UV254、浊度与ρ(CODMn)的比值和ρ(Chl-a)均可作为水体的表观特征污染物指标,用以指示不同的表观污染特性。

图2　各污染指标累计频率分布

2.2不同表观污染类型分类

通过对所有广域采样点的表观特征污染物指标(UV254值、浊度与ρ(CODMn)比值、ρ(S2-)和ρ(Chl-a))水质监测数据和现场评价记录进行深入分析归纳,除表观良好(透明度大于0.7m,无明显颗粒物及异常颜色)的水体外,将具有不同表观特征的污染水体分为4种类型:有机主导型、无机主导型、营养主导型和混合型。有机主导型污染水体主要由各种来源的有机物所致,水体表观差,其极端表观现象为黑臭;无机主导型污染水体主要污染物为泥沙、泥土等无机颗粒物,水体表观特点为浊度高;营养主导型污染水体表观呈现绿色或深绿色,水体浮游微生物如藻类含量高,浑浊度较低,水华暴发风险高;混合型污染水体介于前三者之间,其表观污染受多种因素影响,会因环境等条件的变化向某一主导型发展。

极端污染水体中,黑色水体为典型的有机主导型污染水体,黄色水体为典型的无机主导型污染水体,深绿色水体为典型的营养主导型水体。以表观特征污染物质为依据,对所测400组数据进行分析,分别将UV254值·ρ(S2-)·1000、浊度与ρ(CODMn)的比值、ρ(Chl-a)作为主要筛选因子,并确定了筛选条件及辅助筛选条件,初步界定了水体不同污染类型(表1)。

表1　不同污染水体类型分类

2.3典型表观污染河道污染类型的划分

运用以上结论对定点监测的6条典型污染河道进行污染类型划分,初步探讨河道的污染成因,以期为河道污染的防治对策提供一定的理论依据。6处采样点均是典型的城市污染河道(图1),其中2处位于古城区内,2处位于高新区,另2处为京杭运河苏州段及其支流河道。

处于苏州古城区内的2处监测点,监测期间有机主导型表观污染出现频率最高，分别为50.0%、75.0%,这两条河道主要受周围居民生活污水点源排放及游客交通等面源有机污染的影响,加之河道浅窄、底泥淤厚、水流缓慢,水体受阳光直射少,河道多呈灰黑色有时甚至出现黑臭现象。高新区内的2处监测点主要为营养主导型污染,出现频率分别为48.5%、27.3%,水体受阳光直射,略浑浊,藻类生长旺盛,代谢产物多,多呈鲜艳黄绿色或深绿色,偶尔会散发出腥味和霉味。分析原因为河道浅窄、底泥淤厚、水流缓慢,存在生活污染源但污染程度较轻。京杭运河苏州段河面宽阔、河道较深、水体流速大,受水面行船、挖沙等活动影响,水体扰动大、无机泥沙颗粒污染较重,水体多呈土黄色,另一监测点因与运河相通水质交换频繁,所呈现的表观状况与运河几乎一致,无机主导型表观污染出现频率分别为62.5%、34.4%。

3结论

a. 城市污染水体因主导污染物的不同,其表观效应也各不相同。通过广域布点采样分析发现,ρ(S2-)、UV254、浊度与ρ(CODMn)的比值和ρ(Chl-a)均可作为表观特征污染物指标。利用这些特征污染物指标,可表征不同污染类型水体及不同的表观污染现象。

b. 将城市污染水体划分界定为4种类型,分别为有机主导型(UV254值·ρ(S2-)·1000大于10cm-1(mg/L))、无机主导型(浊度与ρ(CODMn)的比值大于15NTU/(mg/L))、营养主导型(ρ(Chl-a)>20μg/L)和混合型污染水体,各主导型污染水体并配有其辅助筛选条件。

c. 运用分类方法对6条典型污染河道进行污染类型划分,统计了各河道主要污染类型的发生频率,并具体分析了各河道的污染成因,结果发现均符合各自的划分类型。

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