1.2　黑臭水体的成因

黑臭水体形成因素不仅复杂且多变。当前主要原因归纳为:外源污染物输入、内源污染物释放、水动力学条件等不足及水体热污染等环境因素。

1.2.1　外源污染物输入

外源污染物的排放导致城市黑臭水加剧,城市污水净化能力弱、地表径流污染负荷大以及截污治污设施相对落后。工业的发展中,一部分企业将未处理或处置不当的废水外排,导致内河的有机污染物COD_Cr、BOD₅、NH₃⁃N及含磷化合物含量增加。此外,不同类型污水所排放的含糖类物质、含氨基酸等化合物以及油脂类等分解消耗了大量的溶解氧(Dissolved Oxygen,以下简称DO)。当径流量小的水体缺氧到一定程度时,厌氧微生物大量繁殖且快速分解有机物,故而引起水体发黑发臭。

1.2.1.1　水体有机污染

城市河流不仅供水,同时也已成为城市工业废水、居民生活污水的主要排放场所。随着工业废水和生活污水的大量排放,河流中有机碳污染物(COD_Cr、BOD₅)、有机氮污染物(NH₃⁃N)以及含磷化合物负荷不断加大。有机污染物在分解过程中耗氧大于复氧,造成水体缺氧,厌氧微生物大量繁殖并分解有机物产生大量有臭气体如甲烷(CH₄)、硫化氢(H₂S)、氨(NH₃)等逸出水面进入大气,使水体发臭。有机物主要是指糖类、蛋白质、油脂、氨基酸、酯类等。这些物质以悬浮态或溶解态存在于污废水中,排入水体后能在微生物作用下分解成CO₂和水等简单无机物,同时消耗大量的氧。除此之外,当水体中受到有机碳与有机氮以及有机磷污染物污染时,无论其中是否有充分的DO,在适合的水温下都将受到好氧放线菌或厌氧微生物的降解,排放出不同种类发臭物质,引起水体不同程度的黑臭。

1.2.1.2　有机氮污染

生活污水中各种有机含氮还原性物质在水体中缓慢的好氧降解,导致水体DO降低。含氮有机物降解的耗氧远大于有机物降解的耗氧,含氮物质与一般的碳水化合物一起参与耗氧过程,使水体中DO降低,导致水质恶化,发黑发臭。目前的河水要增加1mg DO,就必须减少0.303mg NH₃⁃N,可见降低NH₃⁃N的浓度对提高河水的DO至关重要。

1.2.1.3　总磷污染

当外源排放的含磷生活、工业污水进入水体后,可以通过水体中颗粒状物质的吸附、沉降、絮凝、络合等作用进入底泥中,随着排放时间的持续,底泥中含磷污染物越积越多。底泥中的磷一旦释放易造成水体富营养化。

1.2.1.4　重金属污染

重金属污染也是城市河流污染类型的一种,它对河流黑臭的贡献主要在于水体中铁锰的浓度,而悬浮物质中的铁锰是重要的致黑因子之一。

1.2.2　内源污染物释放

主要原因是底泥以及底质的再悬浮。

外来污染物进入水体后经过长期的积累、沉淀和固化,以及水体中死亡生物体的沉降积聚于水底底泥,形成内源污染源。底泥中含有大量的有机物和氮磷营养盐,它们在一定条件下会从底泥中释放出来,对水体水质造成二次污染,严重影响了城市水体环境,加大了水体黑臭程度。

水体中的大量污染物在水力循环、人力干扰以及水生生物活动的影响下,造成了沉积底泥再悬浮,一系列的物理⁃生物⁃化学反复作用使底泥颗粒上的污染物与孔隙水发生交换,向水体释放有机物,从而致使水体黑臭。另一方面,大量底泥为微生物提供了充足的营养物质。以放线菌和蓝藻为例,这两种微生物因代谢后,底泥发生甲烷化、反硝化反应,从而底泥上浮致水体黑臭。目前不少黑臭水体治理工程中,转向以底泥清淤为主。

城市河流污染的特点是水质及其底泥污染都非常严重。水体中的大量污染物沉淀并累积在河流底泥中,某种意义上,底泥是排入河流中各种污染的主要归属之一。大量的污染严重的底泥在物理、化学和生物等一系列作用下,吸附在底泥颗粒上的污染物与孔隙水发生交换,从而向水中释放污染物,造成水体二次污染,导致河道水体常年黑臭;大量的底泥也为微生物的繁殖提供了温床,在这些微生物中,放线菌和蓝藻类对水体黑臭贡献最大。沉积在河床底部的污泥,由于水流的冲刷、人为扰动,大型工程的建设以及生物活动,均能引起底泥再悬浮。悬浮于水流中的底泥颗粒本身对水体也起着致黑的作用,应太林等研究得出悬浮颗粒物中主要致黑成分为易被氧化的硫化亚铁(FeS)和硫化亚锰(MnS),即本身有颜色的则参与致黑。1997年应太林等还对不同扰动下底泥再悬浮对苏州河黑臭的影响研究中,得出随着扰动速度的增加可以加剧河流水质的黑臭程度。

1.2.3　水动力学条件等不足

水在循环过程中为水污染的形成、迁移、转化提供了运输载体,水循环与水污染过程紧密相连。城市河道易出现流量小、渠道化和流速慢等特征。在对Yodo河黑臭原因分析时,研究者发现河道水流不畅,导致水体中藻类浓度过高,藻类物质腐烂水体出现霉臭味。张敏等在对浦东新区城市河道水体黑臭试验时,发现了污泥淤积等所引起的河道变窄、水生植物繁殖也易导致城市黑臭。

水动力学条件不足、水循环不畅也是引起河道水体黑臭的原因之一。诸如河道水量不足、流速低缓以及河道渠道化、硬质化等都有可能导致河道黑臭。河道污泥淤积导致的河床升高、水生植物疯长、闸坝阻拦造成河道流水不畅,甚至形成死水,导致水体环境恶化,同时指出河道的渠道化、硬质化,割裂了土壤与水体的渗透关系,阻断了水体自然循环过程,形成污染物积累,水体自净能力显著减弱,水体恶化敏感性增强,导致水体出现黑臭现象。

水循环与水污染过程紧密相连。城市水循环是水污染形成、迁移、转化等一系列过程的载体,又是影响其动力学过程的因素之一。水循环对水污染过程的作用主要从两方面体现:一方面,人类活动不断改变自然水循环的动力学过程,改变了河流特征,影响到污染物的迁移转化过程,进而影响流域水环境状况。原水调配不合理和人工取用水量的增加在一定程度上减少了区域自然水循环通量;人工水循环过程中的耗水量增加又导致取用水量的不断增加等导致水体水量不足,黑臭现象易发;另一方面,污染物伴随水循环过程也发生着迁移转换,水污染物在各水循环要素过程中会与环境中的其他物质及其自身相互反应,在水循环条件不具备时,部分生成物又会对环境造成二次污染,进一步降低水资源与水环境质量。

1.2.4　水体的温度高梯度变化

因工业冷却水、污水处理厂尾水等不断排入城市水体,会导致水温升高,从而加快水体中的微生物和藻类残体分解为有机物及氨氮速度,致使水体处于缺氧或者厌氧状态,并致使水体发黑发臭。受温度影响,夏季水体黑臭现象会比在冬季显著增多。这是因为温度越高,微生物的活动频率越高,水体中的溶解氧含量就越低。在25℃时,放线菌的繁殖量达到最高,水体的黑臭也最严重。同时,在较高水温下,硫酸盐还原菌活动频率加快,导致水体中更多的硫酸根被还原成硫化氢,从而使得水体发臭。污水源热泵在冬季会使排放污水的温度更低,会严重抑制排放区域的微生物活性和生态系统安全。一般河道附近的工厂排放到水体中的工业冷却水,不仅能威胁到河流中水生生物的繁殖和生存,且能促进水体发臭等现象。

1.2.5　航运

城市河流的主要功能之一就是航运。船舶污染是一种综合性污染,主要和运输货物的性质、船上的生活污水、垃圾、粪便以及废油的排放有关。而航运对河流产生黑臭还有一大贡献就是它会导致河流沉积物发生再悬浮。此外,生活、工业垃圾的随意堆放、城市暴雨径流、支流泄水或上游的污水等对河流的黑臭均具有不同程度的贡献。