1.2　黑臭水體的成因

黑臭水體形成因素不僅復雜且多變。當前主要原因歸納為:外源污染物輸入、內源污染物釋放、水動力學條件等不足及水體熱污染等環境因素。

1.2.1　外源污染物輸入

外源污染物的排放導致城市黑臭水加劇,城市污水凈化能力弱、地表徑流污染負荷大以及截污治污設施相對落后。工業的發展中,一部分企業將未處理或處置不當的廢水外排,導致內河的有機污染物COD_Cr、BOD₅、NH₃?N及含磷化合物含量增加。此外,不同類型污水所排放的含糖類物質、含氨基酸等化合物以及油脂類等分解消耗了大量的溶解氧(Dissolved Oxygen,以下簡稱DO)。當徑流量小的水體缺氧到一定程度時,厭氧微生物大量繁殖且快速分解有機物,故而引起水體發黑發臭。

1.2.1.1　水體有機污染

城市河流不僅供水,同時也已成為城市工業廢水、居民生活污水的主要排放場所。隨著工業廢水和生活污水的大量排放,河流中有機碳污染物(COD_Cr、BOD₅)、有機氮污染物(NH₃?N)以及含磷化合物負荷不斷加大。有機污染物在分解過程中耗氧大于復氧,造成水體缺氧,厭氧微生物大量繁殖并分解有機物產生大量有臭氣體如甲烷(CH₄)、硫化氫(H₂S)、氨(NH₃)等逸出水面進入大氣,使水體發臭。有機物主要是指糖類、蛋白質、油脂、氨基酸、酯類等。這些物質以懸浮態或溶解態存在于污廢水中,排入水體后能在微生物作用下分解成CO₂和水等簡單無機物,同時消耗大量的氧。除此之外,當水體中受到有機碳與有機氮以及有機磷污染物污染時,無論其中是否有充分的DO,在適合的水溫下都將受到好氧放線菌或厭氧微生物的降解,排放出不同種類發臭物質,引起水體不同程度的黑臭。

1.2.1.2　有機氮污染

生活污水中各種有機含氮還原性物質在水體中緩慢的好氧降解,導致水體DO降低。含氮有機物降解的耗氧遠大于有機物降解的耗氧,含氮物質與一般的碳水化合物一起參與耗氧過程,使水體中DO降低,導致水質惡化,發黑發臭。目前的河水要增加1mg DO,就必須減少0.303mg NH₃?N,可見降低NH₃?N的濃度對提高河水的DO至關重要。

1.2.1.3　總磷污染

當外源排放的含磷生活、工業污水進入水體后,可以通過水體中顆粒狀物質的吸附、沉降、絮凝、絡合等作用進入底泥中,隨著排放時間的持續,底泥中含磷污染物越積越多。底泥中的磷一旦釋放易造成水體富營養化。

1.2.1.4　重金屬污染

重金屬污染也是城市河流污染類型的一種,它對河流黑臭的貢獻主要在于水體中鐵錳的濃度,而懸浮物質中的鐵錳是重要的致黑因子之一。

1.2.2　內源污染物釋放

主要原因是底泥以及底質的再懸浮。

外來污染物進入水體后經過長期的積累、沉淀和固化,以及水體中死亡生物體的沉降積聚于水底底泥,形成內源污染源。底泥中含有大量的有機物和氮磷營養鹽,它們在一定條件下會從底泥中釋放出來,對水體水質造成二次污染,嚴重影響了城市水體環境,加大了水體黑臭程度。

水體中的大量污染物在水力循環、人力干擾以及水生生物活動的影響下,造成了沉積底泥再懸浮,一系列的物理?生物?化學反復作用使底泥顆粒上的污染物與孔隙水發生交換,向水體釋放有機物,從而致使水體黑臭。另一方面,大量底泥為微生物提供了充足的營養物質。以放線菌和藍藻為例,這兩種微生物因代謝后,底泥發生甲烷化、反硝化反應,從而底泥上浮致水體黑臭。目前不少黑臭水體治理工程中,轉向以底泥清淤為主。

城市河流污染的特點是水質及其底泥污染都非常嚴重。水體中的大量污染物沉淀并累積在河流底泥中,某種意義上,底泥是排入河流中各種污染的主要歸屬之一。大量的污染嚴重的底泥在物理、化學和生物等一系列作用下,吸附在底泥顆粒上的污染物與孔隙水發生交換,從而向水中釋放污染物,造成水體二次污染,導致河道水體常年黑臭;大量的底泥也為微生物的繁殖提供了溫床,在這些微生物中,放線菌和藍藻類對水體黑臭貢獻最大。沉積在河床底部的污泥,由于水流的沖刷、人為擾動,大型工程的建設以及生物活動,均能引起底泥再懸浮。懸浮于水流中的底泥顆粒本身對水體也起著致黑的作用,應太林等研究得出懸浮顆粒物中主要致黑成分為易被氧化的硫化亞鐵(FeS)和硫化亞錳(MnS),即本身有顏色的則參與致黑。1997年應太林等還對不同擾動下底泥再懸浮對蘇州河黑臭的影響研究中,得出隨著擾動速度的增加可以加劇河流水質的黑臭程度。

1.2.3　水動力學條件等不足

水在循環過程中為水污染的形成、遷移、轉化提供了運輸載體,水循環與水污染過程緊密相連。城市河道易出現流量小、渠道化和流速慢等特征。在對Yodo河黑臭原因分析時,研究者發現河道水流不暢,導致水體中藻類濃度過高,藻類物質腐爛水體出現霉臭味。張敏等在對浦東新區城市河道水體黑臭試驗時,發現了污泥淤積等所引起的河道變窄、水生植物繁殖也易導致城市黑臭。

水動力學條件不足、水循環不暢也是引起河道水體黑臭的原因之一。諸如河道水量不足、流速低緩以及河道渠道化、硬質化等都有可能導致河道黑臭。河道污泥淤積導致的河床升高、水生植物瘋長、閘壩阻攔造成河道流水不暢,甚至形成死水,導致水體環境惡化,同時指出河道的渠道化、硬質化,割裂了土壤與水體的滲透關系,阻斷了水體自然循環過程,形成污染物積累,水體自凈能力顯著減弱,水體惡化敏感性增強,導致水體出現黑臭現象。

水循環與水污染過程緊密相連。城市水循環是水污染形成、遷移、轉化等一系列過程的載體,又是影響其動力學過程的因素之一。水循環對水污染過程的作用主要從兩方面體現:一方面,人類活動不斷改變自然水循環的動力學過程,改變了河流特征,影響到污染物的遷移轉化過程,進而影響流域水環境狀況。原水調配不合理和人工取用水量的增加在一定程度上減少了區域自然水循環通量;人工水循環過程中的耗水量增加又導致取用水量的不斷增加等導致水體水量不足,黑臭現象易發;另一方面,污染物伴隨水循環過程也發生著遷移轉換,水污染物在各水循環要素過程中會與環境中的其他物質及其自身相互反應,在水循環條件不具備時,部分生成物又會對環境造成二次污染,進一步降低水資源與水環境質量。

1.2.4　水體的溫度高梯度變化

因工業冷卻水、污水處理廠尾水等不斷排入城市水體,會導致水溫升高,從而加快水體中的微生物和藻類殘體分解為有機物及氨氮速度,致使水體處于缺氧或者厭氧狀態,并致使水體發黑發臭。受溫度影響,夏季水體黑臭現象會比在冬季顯著增多。這是因為溫度越高,微生物的活動頻率越高,水體中的溶解氧含量就越低。在25℃時,放線菌的繁殖量達到最高,水體的黑臭也最嚴重。同時,在較高水溫下,硫酸鹽還原菌活動頻率加快,導致水體中更多的硫酸根被還原成硫化氫,從而使得水體發臭。污水源熱泵在冬季會使排放污水的溫度更低,會嚴重抑制排放區域的微生物活性和生態系統安全。一般河道附近的工廠排放到水體中的工業冷卻水,不僅能威脅到河流中水生生物的繁殖和生存,且能促進水體發臭等現象。

1.2.5　航運

城市河流的主要功能之一就是航運。船舶污染是一種綜合性污染,主要和運輸貨物的性質、船上的生活污水、垃圾、糞便以及廢油的排放有關。而航運對河流產生黑臭還有一大貢獻就是它會導致河流沉積物發生再懸浮。此外,生活、工業垃圾的隨意堆放、城市暴雨徑流、支流泄水或上游的污水等對河流的黑臭均具有不同程度的貢獻。