城市河流污染物的去除率研究

[韓]宋閔察 等

邱訓平 譯自英刊《水科學和技術》2009年第11期

為改善公眾衛生和繁榮生物多樣性,對水資源系統的物理、化學和生物過程的研究是非常有價值的。然而,近來河流及其鄰近區域的大規模環境改造(如將陸地改造成河道或將河道填平成陸地)經常擾亂了這項工作。尤其是城市河流極易受到這些外部壓力的沖擊,這是當今城市河流存在的普遍問題,只是程度不同而已。這主要是由于在相對較小的集水區,設置了高密度的和復雜的基礎設施,它導致城市河流出現長期的生態退化問題。值得注意的是,在干旱季節水量減少的情況下,降雨期間水文過程線劇烈變化,伴隨污染物負荷明顯增加。

在評估當前的環境狀況(或生態系統)和減少因城市開發而對環境造成的潛在影響方面,已進行了大量研究。在河流環境管理方面,主要的工作集中在減少污染負荷、恢復水文周期、增加河勢穩定、提高城市河流的生物多樣性等方面。根據總體恢復的原則,韓國的環境和地方政府部門從20世紀 90年代中期起,啟動了城市河流長期恢復計劃,以重新調整河流使之恢復天然的功能和生境。在此之前,韓國的城市河流經歷了一系列的轉換:20世紀 60年代之前為天然河流,70年代為防災河流,80年代為占用河流(作為娛樂場所和停車場)。然而,盡管開展了大量工作,韓國的城市河流并沒有如預期那樣得到恢復,主要是由于水質差、大量的公路采用了非滲透性的材料(瀝青或混凝土)以及河道流量的時空變化大。因此,未來的恢復方案需要更好的方法來解決這些問題并通過努力提高環境效益。

為達到這一目的,本研究在水質現狀分析中,著重對水質管理方案的生物降解和人類健康這兩個不同的方面進行了研究。目前在光州川已啟動一個稱為“天然光州川凈化工程”的城市河流恢復工程,以改善生態景觀并提供足夠的環境流量。作為該恢復工程的內容之一,本研究的目的是探討水質控制以及建設濕地對改善光州川水質的潛在作用,以期為城市河流有效恢復提供幾個可能的方案。

1 材料和方法

1.1 研究區域

韓國的光州川為榮山江(Yeongsan River)的13條支流之一,它位于潭陽(Damyang)和羅州(Naju)市之間,流經光州市中心。光州市是韓國最大的城市之一,面積約501.41 km2,人口140萬。河流發源于光州市東部的姆登格(Mudeung)山谷(平均海拔1187m),與一條來源于光州水庫的水流匯合,該水庫為居民生活提供飲用水源。光州川總長約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河的上游地區之外,多數支流集水區的公路和商住混合區域鋪上了水泥或瀝青。支流當中,T1和 T3在20世紀70年代前未受到污染或破壞,但它們被改造成統一的開放式水道,接納生活污水處理廠的尾水,現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年間實施了城市河流恢復工程,公共投資約4350萬美元,工程目的是逐步恢復上游、中游和下游的自然、文化和生態資源。

1.2 資料收集

光州川上游 G5和下游G2監測點的BOD5由環境部門負責監測,G4水質監測點由光州市衛生和環境研究所每月負責監測1次。

G3、G4和 G5監測點的水樣取自河道中層,在收集地表水樣后,實驗室每個月測定一次 FIB。對于 FIB濃度的監測實驗,使用酶底物法和腸球菌檢測法分別進行 E.coli(大腸桿菌)和 ENT(中腸球菌)規定的基準測試,用 97孔定量盤/2000進行定量驗證。這種簡化測試是一種隱現測試,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)培養基作為細菌生長的養分。準備2個待分析的水樣,方法是取10m L水樣,再用 90mL蒸餾水稀釋,后混合搖勻即成。培養基加入水樣中,溶解后將其轉移到定量盤/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24 h。最后以每100m L檢樣內大腸菌群最可能數(MPN/100m L)來表示結果。

1.3 水質模擬和統計分析

為了研究改善光州川水質的方案,利用穩態常規污染物模型 QUAL2E對定性指標生化需氧量BOD5按一階降解過程進行模擬。模型的主方程是平流 -擴散方程和外源庫反應方程。該模型能夠把多點排放水量、取水量和支流水量等變量也包括進來,但進入到河流的水量及排放量在模擬中以常數代替?；?G1取水口水質優良可以保證整條光州川(見圖1)水質更好的事實,形成了一個方案。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,相應河流流速也增大,水體稀釋能力增強,以減輕污染。但是,因為通過地下管道從榮山江引水直接與光州川水混合,預計 G4排放口與 G1取水口的水質有所不同。為此利用回歸分析和統計繪圖工具對 G4監測點 BOD5的濃度進行了預測。為研究改善水質的另一方面,借助了在羅州市松泉里運作的人工濕地試點的測試結果。

2 結果與討論

2.1 BOD5水質目標

圖1說明了 G1和 G4監測點(G1取水點為實線,G4排放點為虛線)BOD5濃度在2003～2008年間的歷時變化。從圖中可以看出,在 G1點干旱季節BOD5的濃度明顯高于其他季節。這主要是由于在干旱季節,河道流速下降,而營養鹽和有機物增加(由頻繁的農業生產活動引起)。除2003年初始階段外,G4點 BOD5的濃度在其他時段也同榮山江類似,即干旱季節濃度顯著高于其他季節。相關系數表明,在 G1和 G4的濃度之間存在相似的季節性變化(R2=0.61),這意味著取水口水質決定了排放口的水質。

圖1 2003～2008年 G1和 G 4監測點 BOD5濃度的變化過程

為確定改善光州川水質方案需要的水量,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水質濃度的變化。圖2為模擬結果,圖中實線和虛線分別代表大壩泄流量增加前后預測的 BOD5濃度。最初,該模型用2001～2006年的逐月資料進行了驗證,模型系數通過系數組合確定,以盡量減少誤差平方和。模擬結果表明,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。這一結果本身也證明了通過大壩泄流增加流量,可改善榮山江干流水質,相應光州川水質也隨之改善。

2.2 公共衛生目標

圖3展示了光州川上游 3個監測站2007年11月 ～2008年 9月間水體中 ENT和 E.coli濃度的季節性變化。其中橫軸和縱軸分別代表研究階段和細菌濃度。無論是監測站之間還是 ENT和 E.coli濃度間,均未發現有任何明顯的規律。然而,最低濃度通常出現在1月和2月,在此期間,光州川水質相對較好。此外,G5監測點的 ENT及 E.coli濃度普遍低于其他兩個監測點,說明上游水質較好。相關系數分析結果表明:G4和 G5監測點濃度之間的相關性較好(ENT的 R2=0.521,E.coli的 R2=0.689),G5和 G3監測點濃度之間的相關性較差(ENT的 R2=-0.144,E.coli的 R2=-0.02),這說明 G3監測點水質受G4監測點出流水質的影響明顯。因此為了改善光州川的水質,強烈建議對 G4監測點的 FIB濃度進行控制。

為確定 G4監測點污染物削減的有效性,重新評估了取水口 G1和排放口 G4的細菌濃度。圖 4顯示了2個監測點2007年11月 ～2008年 9月間ENT和 E.coli濃度的季節變化,其橫軸和縱軸與圖3相同。由圖 4可看出,干流 G1監測點和支流 G4監測點的 ENT和 E.coli濃度在冬季(11月至次年的2月)差異較大,其他時段呈現相似的變化趨勢。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之間細菌濃度的關系,除去7～9月的雨季時段,其他時段內二者間存在極強的負相關性(ENT的 R2=-0.60,E.coli的 R2=-0.71)。這一結果與 BOD5的結果相反,即控制取水口 G1的水質不能保證排放口 G4的細菌濃度低。因此,根據以上的分析結果,需要具體的管理策略來降低光州川的細菌濃度。

圖2 榮山江干流BOD5的QUAL2E模型模擬結果

圖3 監測點 G 3、G4和 G5處水體中 ENT和 E.coli濃度的季節性變化

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

圖5 已建濕地 ENT和 E.coli的去除率實驗結果(2008年11月24日調查)

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)預測

在此,為減輕城市河流的污染程度,建議通過使用 G4處修建的人工濕地來實現 FIB的總量控制。確定和提議這項計劃是因為它可以達到以下目標:①自然景觀更好,河流可實現自然且可持續恢復;②能更加有效地改善水質,尤其是改善受到污染的城市河流的水質。盡管2009年前從未中斷過前面提到的濕地的建設,并還將在 G2和 G4附近建設另一個與其類似規模的分布式濕地。因此,對目前在羅州市松泉里運營的濕地(處理量13127 m3/d)的去除率進行了簡要介紹,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(實線)和出流(虛線)污水中 ENT和 E.coli濃度24 h的變化過程。由圖可見,盡管進水和出水水質每天都有變化,但濕地通常表現出良好的 ENT及E.coli去除率。ENT和 E.coli日均去除率分別達到95%和 80%。這一結果意味著,在 G4建設人工濕地可以大大減少光州川的細菌濃度,從而減輕公眾健康的潛在風險。

2.3 污染物去除率評價

基于兩個方面的水質目標,簡單地計算了污染物 BOD5和 ENT,以及 E.coli去除率(見圖 6)。建議采用2種不同的方案,以減輕光州川污染程度。一個是增加上游大壩泄流量,另一個是在城市河流鄰近 G4排放口處建造分布式濕地。其結果如圖 6所示,采用回歸分析和污染物總體負荷評估方法分別來預測最終出水的 BOD5以及 ENT和 E.coli的濃度?；貧w分析結果表明,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濃度則會達到0.9mg/L,排放口 G4處的水質隨之就會得到改善,其 BOD5濃度會降到2.89mg/L(參見圖 6(a)中的方程)。這一結果表明,如果對大壩泄流進行優化,就能將榮山江干流和光州支流的水質更好地維持在Ⅲ類水以上(＜3 mg/L,韓國河流水質標準)。此外,當將已建濕地的平均去除率(ENT為 95%,E.coli為 80%)應用于 G4排水點時,與附近監測站 G3和 G5的水質相比,其 ENT和E.coli濃度更低或相當(見圖 6(b)和(c))。事實上,從圖上還可看出 G3(匯合后)和 G5(匯合前)監測站間細菌濃度的差異較小,可能反映出濕地對城市河流水質產生的影響不顯著。但是,當采用簡單物質平衡方程: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菌濃度)來估算污染負荷時,結果表明除 6～9月的雨季外,ENT和 E.coli的去除率都較高。細菌去除率為負主要是因為 G5點河水的流速急劇增加,因此雨季的管理計劃要更加精細。

3 結 語

到目前為止,全球已為城市河流恢復工程作了許多努力,光州市當地政府最近也發起了旨在分別恢復光州川上、中及下游的自然、文化及生態資源的工程。然而,大多數計劃往往只注重城市河流的審美價值(如景觀),而不是水質管理,容易忽視其環境價值和生態功能。在本研究中,提供了兩個備選方案,以改善水質的兩個指標,即 BOD5和 FIB,它們分別通過 QUAL2E模型和假設的(但已納入計劃)人造濕地進行了檢驗。結果表明,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指標 BOD5的濃度就會下降;在排放口 G4處規劃建設濕地,盡管在 PWNGS的人工濕地大小可靈活調節,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,應該進一步制訂精細的管理計劃,以控制雨季細菌的濃度?？傊?綜合使用兩種方案可維持更好的城市河流水質,并可將其作為一個切實可行的方法來提高城市河流恢復工程的效果。