（环境科学专业论文）汾河太原城区段河流黑臭问题研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 构和排污口分布特点设置监测断面，对河流水质进行了长期监测和实验 室研究分析。以现状监测为基础，进行河流水质评价，反映了汾河太原 城区段水环境现状。 ( 3 ) 对太原城区段河流进行了黑臭成因分析，依据监测结果，应用 综合污染指数法和污染负荷比，分析了影响黑臭的主要因子及各因子的 权重，进一步指出各支流及排污e l 对黑臭的贡献率，揭示了污染因子及 各支流对黑臭的影响。 ( 4 ) 通过各监测因素对黑臭影响分析，筛选确定汾河太原城区段黑 臭主要形成的因素。考虑多种环境因素对黑臭的影响，建立了适合太原 城区段的河流黑臭指数模型。对黑臭程度进行了分级，定量地反映出了 汾河太原城区段的黑臭程度。针对干旱地区河流受季节性变化大的特点， 依据河流黑臭指数模型研究了黑臭时空变化规律，分析了各个支流随时 间变化的特性；揭示了丰水期和枯水期时期，河流在空间上黑臭变化的 特性。 ( 5 ) 应用大气扩散模型，进行臭气在大气扩散中的模拟计算，定量 地揭示臭气对周边环境的影响及程度。 关键词：汾河，干旱地区河流，河流黑臭，黑臭指数模型，臭气扩散 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nb l a c kan ds n ki s s u e0 f f e n r i v e ri nt a i y u a nc i t yz o n e a b s t ra c t l o t so fc h a r a c t e r i s t i c so fr i v e ri nt h ea r i da r e as u c ha sl i t t l ef l o wc a p a c i t y o fr i v e r , g r e a tt e m p o r a l s p a t i a lc h a n g e ，s e r i o u sp o l l u t e dw a t e ra n da g g r a v a t i v e d i v e r s i f i c a t i o nt r e n do ft h ed e g r e eo fb l a c ka n ds t i n k t h i sp a p e rc h o o s e st h e r e p r e s e n t a t i v ef e nr i v e ri nt a i y u a nc i t yz o n ea st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a n d a p p l i e ss y s t e m sm e t h o dt or e s e a r c ht h eb l a c ka n ds t i n ko fr i v e r a p p l y i n gt h e s y s t e m sm e t h o d ，t h ei s s u eo nt h eb l a c ka n ds t i n ko ft h ef e nr i v e ri nt a i y u a n c i t yz o n ei ss t u d i e d d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ec o l l e c t i o na n dt h ea n a l y z i n g o f t h es t a t i s t i c a l d a t a ，b y a p p l y i n gs i n g l ep o l l u t i o ni n d e x ，c o m p r e h e n s i v e p o l l u t i o ni n d e xa n dt h er a t eo fp o l l u t i o nl o a d s ，i ta n a l y z e sm a i nf a c t o r so ft h e c a u s eo ft h er i v e rb l a c ka n ds t i n ka n dc o n t r i b u t er a t eo fe v e r yb r a n c ht o p o l l u t i o n t h ep a p e ri n d i c a t e st h ew e i g h td e t e r m i n a t i o no fp o l l u t i o nf a c t o r s a n dt r i b u t a r y o nt h eb a s i so fm o n i t o r i n gr e s u l t sa n dp o l l u t e df a c t o r sa n a l y s i s ， t h em a i ne n v i r o n m e n tf a c t o r so fe f f e c to nb l a c ka n ds t i n ka r ea s c e r t a i n e d l l i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h r o u g ht h em e t h o do fl e a s ts q u a r ea n dr e g r e s s i o na n a l y s i sf o rm o n i t o r i n g d a t a ，c o r r e s p o n d i n gf o r mb e t w e e nd i f f e r e n te n v k o n m e n tf a c t o ra n dt h eb l a c k a n ds t i n ke x p r e s s i o ni ss e tu p t h eb l a c ka n ds t i n ke x p o n e n t i a lm o d e lo fr i v e r i se s t a b l i s h e df o rt h ef e nr i v e ri nt a i y u a nc i t yz o n e q u a n t i t a t i v ec l a s s i f i e d s t a n d a r d so ft h eb l a c ka n ds t i n k sd e g r e ea r ed e d d e d ，t h r o u g ht h ev a l i d a t i o n ， t h em o d e li sr e l i a b l e a t m o s p h e r ed i f f u s e dm o d e li sc h o s e na sr e s e a r c ht o o lt o s t i n ke f f e c to n n e a r b y e n v i r o n m e n t t h er e s e a r c hh a ss o m et h e o r y s i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u e t h er e s u l t s o fs t u d yc a no f f e rt h e o r y f o u n d a t i o nf o rt h ef e nr i v e ri nt a i y u a nc i t yz o n e sm a n a g e m e n ta n dh a v e t e c h n i q u es u p p o r t sf o rw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n g t h em a i nr e s u l t so fr e s e a r c h ： ( 1 ) i nt h ef i r s tt i m e ，t h r o u g ht h es y s t e m sa n a l y s i st e c h n i q u em e t h o d ，t h e i s s u eo nt h eb l a c ka n ds t i n ko ft h ef e nr i v e ri nt a i y u a nc i t yz o n ei ss t u d i e d ( 2 ) b a s e do nt h ec o l l e c t i o no ft r i b u t a r ya n dt h ed r a i no fr e s e a r c h f u lr i v e r r e a c h ，t h em o n i t o r i n gc r o s s - s e c t i o ni s s e ta c c o r d i n gt ot h er i v e r sn a t u r a l s t r u c t u r ea n ds e t t i n gc h a r a c t e r i s t i co fd r a i no fr i v e r t h el o n g t e r mm o n i t o rt o t h ew a t e rq u a l i t yi sc a r r i e do u ta n da n a l y z e di nt h el a b o r a t o r y a c c o u n tf o r m o n i t o r i n gd a t u m ，t h ew a t e rq u a l i t yi se v a l u a t e d ，t h ew a t e rq u a l i t yo f t h ef e n r i v e ri nt a i y u a n c i t yz o n ei ss h o w e d ( 3 ) i ta n a l y s e st h em a i nc a u s eo f t h ef e nr i v e ri nt a i y u a nc i t yz o n e o n t h eb a s i so fm o n i t o r i n gr e s u l t s ，b ya p p l y i n gc o m p r e h e n s i v ep o l l u t i o ni n d e x i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n dt h er a t eo fp o l l u t i o nl o a d s ，i tp o i n to u tt h em a i nf a c t o r so fe f f e c to nt h e b l a c ka n ds t i n ka n dt h er a t eo fd i f f e r e n tf a c t o r , t h e nt h er a t eo fe v e r yt r i b u t a r y i si n d i c a t e d ，t h ep o l l u t i o nf a c t o r sa n dd r a i no ft h i sr i v e rt ot h ee f f e c to nt h e b l a c ka n ds t i n ka r er e f l e c t e d ( 4 ) t h r o u g ht h ef a c t o r so fw a t e rm o n i t o r i n ga n a l y s i st oe f f e c to nb l a c k a n ds t i n k ，t h er e a c hp o l l u t i o nc o n t r o l l a b l ef a c t o r sa r es c r e e n e da n dd e f i n e d m a n yf a c t o r st ot h eb l a c ka n ds t i n ke f f e c ta r ec o n s i d e r e d ，t h eb l a c ka n ds t i n k e x p o n e n t i a lm o d e lo fr i v e ri s e s t a b l i s h e df o rt h ef e nr i v e ri nt a i y u a nc i t y z o n e c l a s s i f i e ds t a n d a r d so ft h eb l a c ka n ds t i n k sd e g r e ea r ep u tf o r w a r d ，t h e b l a c ka n ds t i n k sd e g r e eo fr i v e ra r eq u a n t i t a t i v e l yr e f l e c t e d t h i sp a p e rf o c u s o nt h ep r o b l e mo fs e a s o n a le f f e c tf o rt h ea r i da r e a ，a c c o r d i n gt ot h eb l a c ka n d s t i n ko fe x p o n e n t i a lm o d e lo fr i v e r , t h et e m p o r a l s p a t i a lc h a n g eo ft h eb l a c k a n ds t i n kv a r i a t i o nt r e n da r es t u d i e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb l a c ka n ds t i n k v a r i a t i o ni ns p a c ei ss h o w e di nf l o o ds e a s o na n dd r ys e a s o n ( 5 ) a p p l y i n ga t m o s p h e r ed i f f u s e dm o d e l ，s i m u l a t i v ec a l c u l a t eo fs t i n ki n t h ea t m o s p h e r ed i f f u s e dm o d e li sc a r r i e do u t i tr e f l e c t st h ee f f e c ta n dd e g r e e o fs t i n kt on e a r b ye n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：f e nr i v e r , r i v e ri na r i da r e a ，b l a c ka n ds t i n ko fr i v e r , t h e b l a c ka n ds t i n ke x p o n e n t i a lm o d e l ，s t i n kd i f f u s e d v 声明 y9 7 9 3 6 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 里叁竖日期： 关于学位论文使用权的说明 钟6 罗、t ； 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： ! 叠叁盗日期：竺i 三! f 日期：二盼石j ，f 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 国际上很多发达国家在工业化的进程中，河流受到了不同程度的污染。1 9 世纪 至上世纪中叶，伦敦的泰晤士河( t h a m e s ) 成为英国污染最严重的河流，河水常年黑臭。 联邦德国的莱茵河、美国的特拉华河( d e l a w e r ) 、芝加哥河在上世纪四、五十年代也 成为污染相当严重的河流。其中特拉华河还被称为“污水明渠”，污染极其严重。 随着经济实力的提升，西方发达国家开始认识到环境问题的重要性，开始对水体 污染进行治理。特别是一些著名的河流得到了治理。在治理城市河流中进行了理论研 究，水体发臭的内因就是国外学者1 9 世纪6 0 年代提出的。通过对河流污染的治理很 多河流又重获新生。 在我国，8 0 以上的污水未经有效处理直接排入水体，已造成全国1 3 以上的河 段受到污染，9 0 以上的城市水域严重污染，近5 0 的重点城镇水源不符合饮用标准 。目前我国水污染形势依然相当严峻，主要江、河、湖、库等水域受到不同程度的 污染。有些水域已经受到严重的有机物污染。据2 0 0 3 年中国环境状况公报报道，全 国七大水系4 0 9 个重点监测断面中，仅有3 8 1 的河流断面满足i 一类水质要求， 3 2 2 属于、v 类水质，2 9 7 属于劣v 类水质。1 。河流为城市提供饮用水源和舟 棹交通之利，对城市的存在形态及经济发展起着非常重要的作用。然而，城市河流历 来被人们视为城市废水和生活污水的主要排污通道和排污场所。随着城市化步伐的加 快和工业化程度的提高，那些城市赖以生存的河流已遭到日益严重的污染，水体出现 季节性或终年黑臭。 比如以前上海的苏州河、宁波的内河、苏州的外城河、南京的秦淮河，水质均受 到严重污染，黑臭现象非常突出。常州是一个河道纵横的水网地区，根据近年来的观 测资料，运河及其支流都发生了不同程度的黑臭现象。运河支流黑臭现象较为严重， 部分河道黑臭发生率高达8 0 以上啪。而城市河流的黑臭，严重威胁了居民的生活和 太原理工大学硕士研究生学位论文 健康，限制了城市自身的发展，破坏了城市的美好形象。因此，探索引起城市河流黑 臭的原因，分析它造成的生态危害，并提出相应的对策和建议势在必行。另一方面， 由于华北地区是我国重工业基地和能源基地之一，大型工矿企业分布较多，工业需水 量较大；加之这些大型企业大多是在建国初期建成的，生产工艺及其设备都已落后， 造成单位产值的排污量巨大，污染严重。与沿海城市相比，华北地区的大中城市经济 相对落后，市政设施比较陈旧，生活污水收集率和处理率都很低。生活污水排放量的 增加使得该地区河流承受巨大的压力，河流水质污染日趋严重。很多河流常年处于黑 臭状态，找到引起黑臭的原因对于治理河流是至关重要的。 由此可见，研究引起河流黑臭的原因是非常必要的。 城市河流出现黑臭现象已成为我国许多大中城市共同存在的污染问题。上海苏州 等近海城市和水网地区的黑臭报道已有很多，但是对于干旱地区有关黑臭问题的研究 和报道极少。太原是一个人口密度大，以工业为主的省会城市，市内河流已成为工业 废水和生活污水的主要排污通道和排污场所，黑臭问题相当严重。因此以具有代表性 的汾河太原城区段为研究背景，进行干旱地区城市地表水黑臭问题研究有极其重要的 意义。 1 2 河流黑臭问题的研究与发展 有关河流黑臭特性的研究国外较早，一些学者对发生黑臭的机理进行了细致的研 究。近年来国外研究多集中在：( 1 ) 特定污染物对河流黑臭影响，尤其是特定污染物 恶臭问题的研究h “7 】；( 2 ) 特殊生产企业恶臭问题的研究【8 9 1 。同时考虑多种污染 物、特别是黑臭多因素问题报道极少。在国内，城市河流黑臭现象已成为我国许多大 中城市共同存在的污染问题，河流黑臭报道已有很多，研究主要方面：( i ) 近海城市 和水网地区的河流黑臭问题；( 2 ) 河流水体黑臭成因及致黑作用污染物分析研究；( 3 ) 河流水体黑臭指数研究；( 4 ) 河流恶臭治理研究。其研究对象主要针对水量充沛的、 近海城市河流及河网，研究内容多集中在影响河流黑臭污染物分析研究之上，而对干 旱少雨地区、纳污严重的城市河流水体黑臭的研究很少，对河流黑臭时空变化规律、 时空分布以及数值模拟研究未见报道。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 1 国外河流黑臭问题的研究与发展 有关河流黑臭的原因，l a z a r o ( 1 9 7 9 ) 指出河流黑臭现象其实是一种生物化学现 象，水体中有机物质的厌气分解“”。他认为水体中的有机物质在分解过程中耗氧大于 复氧，造成缺氧环境，厌氧微生物分解有机物产生大量的臭味气体逸出水面进入大气， 致使水体黑臭。 r o m m a n o 在1 9 6 3 年指出表征水体黑臭的指示物质是由放线菌在有机污染物存在 下所产生的乔司脒 g e o s m i n ( 萘烷醇类) 和2 - m i b ( 冰片烷醇类) ，而乔司脒的含量 可以定量描述水体黑臭的程度3 。乔司脒与水质的关系见表卜1 。 表卜1 乔司脒与水质的关系“2 1 t a b l e1 - l g e o s m i na n dw a t e rq u a l i t yr e l a t i o n s 水体污染物( m o l 1 ) 碳氢化合物氮化合物磷化合物水体中产生 ( 以c 计)( 以n 计)( 以p 计)乔司脒 278x10。000 0l x l 0 400 0 057x10。0 01 x 1 0 。25 7 x l o 。1 9 2 0l x l 0 35 7 x 1 0 4 1 3 5 2 7 8 x 1 0 205 7 x 1 0 。 o 2 6 2 7 8 x 1 0 2l x l 0 。20 2 3 7 5 5 6 x 1 0 2l x l 0 45 7 x 1 0 - 60 5 5 6 x 1 0 31 x 1 0 。55 7 x 1 0 5 0 5 5 6 x 1 0 3l x l 0 55 7 x 1 0 4 0 3 3 2 7 8 x 1 0 2l x l o 。25 7 x 1 0 4 0 9 1 9 8 3 年w o o ds z 指出，碳氢化合物在2 7 8 1 0 。2 m o l 1 ，氮化合物在1 0 1 0 。2 m o l 1 时，发臭物质乔司脒的含量最大“”。w o o ds t 也指出，水温低于8 c ，放 线菌分解有机污染物，产生乔司脒的活动受到抑制；大于2 0 c 时，活动最活跃，最 易发生黑臭，而在2 5 放线菌的繁殖达到最高，河流的黑臭也达到最大“”。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 有关引起黑臭的环境因素影响研究，国外只是分别讨论，同时考虑多因素影响的 报道没有。 国外对河流黑臭问题研究的典型事例是英国的泰晤士河( t h a m e s ) 。该河1 8 世纪 为世界著名的鲑鱼产地，但1 9 世纪以来随着工业化的发展，水质迅速恶化，成为世 界上污染最严重的河流之一。该河流水质恶臭，河中水生生物和水鸟基本绝迹。英国 为解决泰晤士河的污染问题，成立了城市工程局，分为4 个阶段用系统分析的方法进 行污染治理，并且在上世纪5 0 年代末开始运用数学方法来预测泰晤士河的污染趋势 及其对河流水质的影响，并制定了河流的水质目标。通过几十年的努力，泰晤士河的 治理取得了令人瞩目的成就，河流水质已经逐步好转并且开始变清。 1 2 2 国内河流黑臭问题的研究与发展 黑臭是有机污染的一种极端现象。国内有关河流黑臭的研究最初是上海在苏州河 治理中提出的。黑臭表征方法的黑臭指数这一概念是由上海自来水公司提出的。黑臭 主要为有机物的腐败，底泥中大量放线菌的繁殖及热污染造成。 大量研究表明发生黑臭的机理基本一样：由于水体缺氧，有机物腐败而造成的。 当大量的有机污染物进入水体，在好氧微生物的生化作用下，消耗了水体中大量的氧 气，使水体转化成缺氧状态，致使厌氧细菌大量繁殖，有机物腐败、分解、发酵，分 解为氨氮、腐殖质、硫化氢、甲烷和硫醇等，使水体变黑、变臭。 目前在国内外尚无确定性的影响黑臭因素选择。 目前国内外常用的有机污染指标为：化学耗氧量( c o d 。或c 0 阢) 、5 日生化需氧量 ( b o d 。) 、溶解氧( d o ) 、氨氮( n h , 一n ) 。c o d 。是指水体中能被氧化的物质在一定条件下 被氧化时所消耗的氧的量，而b o d 。是指由于好气性微生物的作用使水体有机物完全 氧化所需的水中的溶解氧的量，二者均是衡量水体被污染程度的指标。d o 是指溶解在 水体中的氧的含量，清洁的水在正常情况下所含溶解氧接近饱和状态，当水体受到有 机污染而开始有机物的氧化耗氧时，水体的溶解氧逐步减少，当污染严重时氧化作用 进行得很快，水体来不及从空气中吸收充足的氧来补充水体中的氧，水体中的溶解氧 不断减少，甚至接近零，在这种情况下，厌氧菌大量繁殖，有机物发生腐败作用，水 体就会发黑发臭，因此d 0 是水体黑臭的主要控制指标。n h 3 _ n 主要来源于农业化肥、 生活污水和一些化学工业废水，排入水体中的有机氨很不稳定，有氧存在时，在微生 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 物的作用下继续转化，成为无机氮化物，整个转化过程需消耗水中大量的氧气，使水 质变坏，发黑发臭，故n h 。一n 也认为是引起水体黑臭的重要污染因子。 以上指标也是地面水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中必测的监测项目。c o 瞻 和b o d ；主要控制水体有机污染物，防治水体黑臭；d o 是水体感官指标及保护水生物的 基准要求，如鱼类生存要求等；在g b 3 8 3 8 2 0 0 2 中也有n h 3 一n 指标来分析评价含氮有机 物。不少学者认为，上述四项有机污染指标是黑臭评价中常用和较可靠的指标。 国内学者对河流黑臭问题也进行了一些比较深入的研究。在致黑方面主要有下面 研究。如罗纪旦认为河流水体的黑臭与存在的腐殖质有关，硫化亚铁是其中的主要致 黑物质“。应太林等1 9 9 7 年在苏州河水体黑臭机理及底质再悬浮对水体的影响文章 中，探讨了苏州河水体黑臭现象，证实了水体发黑主要与存在吸附了的带负电胶体悬 浮颗粒有关，且腐殖质是吸附物或络合物的主要组成。水体发臭为含硫、氮等有机物 降解时逸出等所致。作者用类地面水对典型污染断面的底质进行了反复搅拌清洗试 验。结果表明，随着清洗次数的增加，水体的黑臭指数下降最终可不黑臭。底泥再悬 浮对水质的影响试验表明，搅拌速度增加，各项指标恶化，黑臭加剧n ”。 有关河流黑臭定量化的表示上除了数学模型外，也有学者对黑度和表征黑臭指标 做了一些研究。1 9 9 4 年戴树柱等报道水体黑臭的黑度阈值为2 1 5 “”，此后胡国臣等 对水体的现场观察和对试验数据分析，证明此阈值符合实际。 1 9 9 9 年南开大学的胡国臣等，选用与水体发生黑臭有关的生化指标d o 、b o d ；、 细菌总数、沉积物和水中h 2 s 产生菌数、沉积物脱氢酶活性等，进行测定和分析，结 果表明：d o 、b o d ；、和水相中s 吼2 。还原菌数，与水体黑臭有较好的相关性。最后文章 指出，以水体自变量d o ，b o d 。、还原s o , 2 。产生的h ：s 细菌数，及水体因变量c h ，作为 控制水体黑臭的水质指标是可行的。水体黑臭与不黑臭的临界指标为：c h = 2 1 5 ， d o = i 8 m g l ，n = 2 0 0 0 ，b o o , = 1 4 m g l 。 国内对河流黑臭原因也有一些详细的分析。例如：珠江广州河段水体中b o d 。不 高而溶解氧较低的特征，1 0 多年来没有改变，甚至发展到局部水质出现发黑发臭的 现象。在影响珠江广州河段局部水体黑臭的主要原因剖析一文中，作者从污染物耗氧、 污染物降解能力、水体氧平衡和水文条件等方面剖析这种水质污染的原因，进而提出 解决广州河段水污染控制的有效途径。文章指出珠江广州河段溶解氧低，局部水体发 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 黑发臭的主要原因是水体中氨氮太多，大量消耗水中的溶解氧所致。据氨氮耗氧实验 结果，广州河段研究断面氨氮平均耗氧系数为3 3 。因此，目前的河水要增加l m g 的 溶解氧，就必须减少0 3 0 3 m g 的氨氮。可见降低氨氮的含量对提高河水的溶解氧至关 重要m 3 。 国内还有一些其他的报道如：松花江哈尔滨江段黑臭现象分析，沈阳市卫工河黑 臭现象分析，在此文中，分析了导致卫工河黑臭的几个主要原因：有机污染负荷大、 河流底泥污染、水体热污染及其它因素。提出了综合治理卫工河的技术路线。特别提 到了地下水铁、锰超标非常普遍，随污水排入环境水体，悬浮物中的铁、锰粒子是重 要的致黑因子之一o ”。 此外，在佛山汾江水体恶臭的化学因素特征研究中。为了探索汾江河流水体黑臭 与水质化学特征的关系，研究人员初步测定了汾江河水中氧化还原电位、溶解氧、化 学耗氧量、总氮、氨氮、硫化物、气相硫化氢、生化需氧量、嗅阙值、有机酸、有机 碱等与水质黑臭有关的项目，分析了溶解氧与河水发生恶臭的组合关系，提出恶臭指 数为客观衡量恶臭程度和状况提供了一个定量依据“”。 国内外均有研究表明，河流底泥对上覆水体的影响是巨大的。底泥污染物含量与 其释放速率呈显著正相关，底泥污染物释放后，河水中c o d 。浓度将超过v 类水标准啪1 清淤虽然能除去部分已污染的底泥，但我国城市黑臭河流大部分已有十多年、甚至几 十年的底泥积累，底泥厚度一般有l m 以上，受工程条件限制，不可能将全部污泥清掉， 清淤后的底泥仍为新的污染源，而且清出的底泥容易形成第2 次污染。仅通过截污、 清淤、冲水，即使短期内能解决黑臭问题，但由于其好氧洁净生态系统还未建立起来， 本身自净能力有限，一旦河流纳污很快又恢复到黑臭状况；投放微生物虽然能解决部 分问题，但由于外源微生物很难进入自然生态系中，其作用也十分有限。只有激活土 著微生物，改善河流微生物区系，提高其生物多样性，建立良性生态平衡，并在河流 养护过程中不断强化土著微生物活性，保持其生态平衡，提高自净能力，才能从根本 上解决河流黑臭的污染问题。有试验结果表明，在没有完全截污的情况下，通过底泥 生物氧化和水体生物修复，配合河流生态恢复技术，能有效地消除水体黑臭，逐步建 立河流洁净好氧生态系统，延长河流生物链，增加水体生物多样性，提高水体自净能 力。底泥生物氧化是城市黑臭河流治理不可或缺的措施，也是河流生态治理的重要组 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 成部分，在清淤、驳岸、截污、绿化等城市河流整治工程基础上对黑臭河流进行生态 治理并长期保养，以改善城市河网景观，提升城市形象，优化城市投资环境，其社会 效益不可估量。 1 9 9 8 年，挪威政府资助上海市环境科学研究院、n i v a 和i c i 开展苏州河环境治理 研究。“，以期为苏州河治理工程提供科学依据。该项目研究内容包括苏州河曝气复氧 可行性研究，底泥污染研究等内容。 污染物在底质与流动水体中的浓度不平衡是经常存在的，尤其当水质提高后，必 然发生液相和固相之间化学污染物质浓度再分配过程。底质中的生化反应和化学反 应，以及它和水体的交换吸附分配过程，使底质中污染物质的形态和含量发生变化。 除底质中可溶解性污染物质直接溶入水体外，由于水流作用使底质悬浮；底质扩散到 间隙水中的污染物质，以及底质细粒表面吸附的污染物质，通过底质、水界面向上复 水扩散，从而再次影响流动水体水质恤嘲。 地表水体溶解氧主要来源于大气复氧和光合作用产氧等。而耗氧过程则包括生化 需氧( b o d ) 、底泥耗氧( s o d ) 、氨的硝化、及浮游植物和动物的呼吸等。s o d 是反映表 层底泥耗氧的综合指标。有些研究人员指出，s o d 约占河流中总耗氧的4 0 一5 0 。“ ”1 。底泥耗氧包括生物过程和化学过程，其中表层底泥中有机物生物降解和氨的硝化 过程是s o d 的主要构成，另外，底泥中的铁、锰、硫化物等的化学氧化也可能对s o d 有重要作用。”。有资料表明铁在还原状态下主要以亚铁形式存在、f e s 氧化反应方 程式如下o ”： f e s + 1 5 h 2 0 + 2 2 5 0 2 = f e o o h + h 2 s 0 4 1 3 河流黑臭模型的研究与发展 为了更加深入的研究黑流黑臭问题，学者们在定性研究的基础上，逐步通过系统 化的思想，用模型来定量化研究黑臭。河流不确定的环境因素，对于建立河流黑臭指 数关系式有着极为重要的影响。有关引起黑臭的环境因素影响研究， 国内外曾有报 道，但大都为分别讨论后来又有了同时考虑多因素影响的报道。 国内研究河流黑臭指数的大多为南方地区。这些地方经济发展快，工业化程度高， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 河流接纳的生活污水和工业废水多。很多学者对这些地区进行了黑臭指数的研究。各 个指数公式不相同，这反映了每个地区有每个地区的特点。国内的研究大多为南方水 网地区，有关北方干旱地区的黑臭研究相对较少，而且也不如南方研究的深入。 目前，有关河流黑臭的评价没有统一的标准。现在还是针对各自的河流提出适合 自己的黑臭指数模型。河流黑臭现象已经比较普遍，在研究和评价河流黑臭时，不同 的河流应根据各河流流域特点以及污染特征建立黑臭指数关系式对其黑臭进行判别。 而影响河流黑臭的原因非常复杂，必须择其主要影响因子，分析它们的相关关系，从 而得出河流黑臭指数与其主要影响因子的回归方程。由于河流黑臭受很多因素影响， 必须根据具体的实际污染特点，建立适合自己的河流黑臭指数模型。表卜2 列出了长 江三角洲地区部分城市河流黑臭指数关系式，从表中可以看出，不同的河流其黑臭判 别的方程是不相同的。 表1 - 2 长江三角洲地区部分城市河流黑臭指数关系式“3 “ t a b l e1 - 2b l a c ka n ds t i n ke x p o n e n tv a l u eo f r i v e ri ns e v e r a lc i t yo f c h a n g j i a n gr i v e rd e l t a 序号城市河流水质黑臭指数关系式 黑臭判别 1 ，= n h s 一( d d 饱+ o 4 ) ， 5 黄浦江 2 苏州外城河 i = b o d s c o d u , , i 1 3 ，b o d s 1 3 m g l ，1 , b o d s 2 0 r a g l 3 无锡惠山滨i = 2 1 5 7 0 8 2 7 d o ， 1 4 + 0 3 4 9 c o d 等 + o 0 8 2 6 n h s n + o 2 6 6 t 4 上海苏州河 ，= ( o 2 c o d + 0 1 n h s n )8 1 3 5 运河无锡段 i = 2 3 3 9 0 7 4 8 d o + 0 2 6 1 t + 0 3 7 2 c o d 1 4 课题研究的目的、内容及技术路线 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 1 课题研究的目的 本课题针对干旱少雨地区城市河流流量较小、流量随时空变化大、纳污严重、水 体黑臭加重的变化趋势等特点。以汾河太原城区段为研究对象，通过对研究河段的概 化、实施多断面多时段监测分析，反映水质现状特征；应用综合化、系统化方法，确 定影响河流黑臭的因素，建立适合太原城区段的河流黑臭指数模型；进行河流黑臭特 性研究，解析河流黑臭时空分布特征及时空变化规律；通过大气扩散模型，分析黑臭 对周边环境的影响。为环境管理部门提供理论依据和河流黑臭治理的措施及对策。 1 4 2 课题研究的内容 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 太原城区段水环境监测分析 对汾河太原城区段进行现场研究资料收集和现场踏勘，对入河污染源进行调查， 进而确定监测断面、监测项目及监测频率，确定水文水质的监测分析方法，对各污染 因子进行实验室分析，运用统计分析方法检验监测数据的可靠性。 ( 2 ) 确定主要污染因子和排污口对黑臭的贡献率 对汾河太原城区段的黑臭原因进行分析。依据实验结果，运用污染负荷比的方法， 确定影响河流黑臭的主要污染因子。通过计算综合污染指数，确定各支流及排污口对 河流黑臭的影响程度。 ( 3 ) 汾河太原城区段黑臭指数模型研究 针对太原地区干旱少雨、城市河流流量较小、流量随时空变化大、纳污严重、水 体黑臭加重的变化趋势等特点：应用综合化、系统化方法，确定河流致黑和产臭水质 指标；通过对研究河段的概化、实施多断面多时段监测分析，进行河流黑臭特性研究， 确定主要致黑产臭污染物及控制因子：建立适合太原城区段的河流黑臭模型。 ( 4 ) 黑臭时空分布特征及黑臭对周边环境的影响分析 依据黑臭指数模型，分析河流黑臭在丰水期，枯水期分布特征，以及不同河段 发生黑臭的差异和各自的特征。运用大气扩散模型分析黑臭对周边环境的影响，给出 防治河流黑臭的措施和对策。 1 4 3 课题研究的技术路线 根据论文研究目的及内容，确定研究的技术路线如图1 1 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 目i - i 研究技术路线框图 f i g u r ei - it e c h n i c a lw a yo f s t a d y i n g 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章河流黑臭问题概述 2 1 河流中的水质黑臭问题 目前，国内大多数城市中的河流都出现季节性或常年性的黑臭。由于城市中工业 化程度高，经济发达，用水量很大。大量的生活污水和工业废水大量排入河流中，特 别是有机物的污染更是严重。河流黑臭已经对城市的环境造成极其坏的影响，不但影 响城市容貌，更是影响周边居民的生活和健康。因此河流的水质黑臭问题已经成为环 境研究中的一个重要课题。 2 1 1 河流黑臭现象及机理研究 河流黑臭在视觉上辨认水体的颜色为黑色或者泛黑色，在嗅觉上辨认水体直接刺 激人们的嗅觉器官。 当水体遭受严重有机污染时，有机物的好氧分解使水体中耗氧速率大于复氧速 率，造成水体缺氧：缺氧水体中的有机污染物与悬浮物在适当的水动力条件下，发生 沉淀作用，在河床底部积累大量的沉淀物；沉淀物中的厌氧微生物大量繁殖并分解有 机物产生难溶于水的有臭气体( 如硫化氢、胺、氨、甲烷等) ，臭气逸出水面进入大气， 使水体发臭。沉淀物中产生的臭气难溶于水，在其上升过程中携带泥污进入水相，使 水体发黑；同时，水体缺氧导致水中的铁、锰等重金属还原，与水中的硫形成硫化亚 铁等物质，致使水体发黑。 2 1 2 河流黑臭的主要影响因素 纵观国内外主要城市河流污染及黑臭状况，导致城市河流黑臭的主要原因无非 有以下几个方面： ( 1 ) 水体有机污染 全世界很多城市依河而筑，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( c o d 。b o d ) 、有机氮污染物( n h 3 - n ) 以及含磷化合物负荷不断加大。如前文 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 所说，水体发生黑臭主要是有机污染物发生生物化学作用的结果。r o m a n o 在1 9 6 3 年指 出表征水体黑臭的指示物质是由放线菌在有机污染物存在下所产生的乔司脒 g e o s i n ( 萘烷醇类) 和2 一m i b ( 冰片烷醇类) ，而乔司脒的含量可以定量描述水体黑臭的程度。 产生乔司脒的水质因素主要是水体中的有机碳污染物如c o d 。、b o d 。的含量、氨氮以及 磷含量。因此，随着河流有机污染物的增加，河流黑臭程度也有所加深。很多研究已 经表明河流有机物污染与河流黑臭程度的相关关系。 ( 2 ) 底层污泥以及底质的再悬浮作用 城市河流污染的特点就是不仅其水质受到严重污染，其底泥的污染也非常严重。 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。而污染了的底泥还会对河流造成二次污染。”。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，从而向河流 中释放污染物质，引起水体中的有机污染物含量增加，使河流发生二次污染，导致河 流黑臭。同时，底泥还是大量微生物繁殖的温床，其中放线菌和蓝藻类对水体黑臭的 贡献最大，这与它们在有机物参与下产生乔司脒有关。因此，在合适环境条件下，底 泥中放线菌的大量繁殖是引起河流黑臭的一大因素。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，罗纪旦、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和硫化亚锰，即本身有颜色的则参与致 黑。应太林等在1 9 9 7 年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( 见表2 - 1 ) 。 污泥中含有有机物和无机物二部分，有机物是指污水中的有机悬浮物及在厌氧条 件下发酵形成的有机污泥，无机物是指硫化物和铁( 包括河床中的铁) 在厌氧条件下 形成的硫化亚铁黑泥，这种黑泥因硫化亚铁的水解使之具有明显的恶臭气味，硫化亚 铁的自身黑色使污泥亦呈黑色m 1 。 ( 3 ) 水体热污染 城市河流热污染指河流两岸工厂向水体排放的高温废水，如电站的冷却水，它不 仅能威胁到河流中水生生物的繁殖和生存，同时它使局部甚至整个河流的水温上升， 而较高的水温是促进水体发臭的一个重要因素。w o o dst 指出：水体温度低于8 c 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 1 不同搅拌速度下底泥再悬浮对河流水质黑臭的影响“” t a b l e2 - ir e s u s p e n d e ds e d i m e n te f f e c t i n go nb l a c ka n ds t i n ko f r i v e rq u a l i t y u n d e rt h ed i f f e r e n tr a t eo f s