城市污染物溯源及解析关键方法研究*
2022-09-23三峡智慧水务科技有限公司陈江海
三峡智慧水务科技有限公司 陈江海
一、引言
城市的发展,伴随着水环境的改变和水生态的重塑。自改革开放以来,由于城市高速发展和人口聚集,高强度的生产、生活活动给城市水环境带来了高通量的污染负荷,而城市环境基础设施的建设速度及建设水平却尚未达到需求标准。大量城市河道成为行洪和排污通道,当水体中的有机质、氮、磷等污染物浓度超过水体自净能力,河流水环境会遭到严重污染和破坏,因此城市水环境中河水滞留、河道淤积、水体浑浊黑臭等问题十分普遍,与人民日益增强的环保意识及美好生活向往存在较大差异。
水环境高效精准治污的前提是摸清污染物状况及来源,通过对污染物的来源进行定性或定量研究,识别水环境污染物及其来源的因果对应关系是制定经济合理、技术可行及效果达标的工程实施方案关键环节。传统的污染源调查工作仅能初步判断污染源类型及产污负荷,较难反映污染源对水环境的具体贡献率;另外,城市水环境的点源污染通常数以千计甚至更多,而非点源污染的排水规律通常不够清晰,这会导致污染源调查工作需要很高的成本。因此,通过对水环境污染源的位置、源强及排放过程进行精准识别,开发低成本、快速、广谱性污染物溯源技术是非常必要及和紧迫的。
城市水环境污染物溯源通常需要基于水体及污染源的水质及水量监测数据,而不同的溯源技术对监测布点方案、监测指标、监测频率及监测方法的要求也不尽相同。因此,开展涵盖污染全因素、反映技术优缺点、契合工程实际的监测体系研究也迫在眉睫。通过对城市水环境溯源技术、各污染源溯源技术方案适配性等系统整理分析,最终形成基于污染源特性、满足各溯源技术需求的监测方案,对指导城市河道综合治理工程精准治污方案编制有极其重要的理论及现实意义。
二、城市水环境污染物溯源技术现状
排水系统的缺陷普遍被认为是城市河流污染的主要成因,对经历快速城市化的城市尤甚。城市排水系统的问题主要反映在管网上,主要表现在两个方面,一是新建污水管系统与现存的雨水排水系统关联性差导致雨污管混错接,二是管材及管建质量差导致地下水渗入。因此,管网问题主要由三种管网缺陷组成:污水纳管系统不完善、管网损坏及雨污管非法混接等。
目前,针对排污口污染物溯源的方法可以分为管网排查法、物理检查法、多元统计法、特征因子耦合化学质量平衡法、数学模拟法,不同的溯源方法适用于不同污染源的鉴别。
(一)管网排查法
在进行管网探查前,首先需要对入河排污口进行全面的调查与监测。入河排污口的调查内容包括:入河排污口的类型、数量和位置分布、排放方式、污水入河方式、入河排污口的管理单位、排污单位以及水域信息。入河排污口的监测主要涉及监测频率、水量及水质监测三方面。
为确定黑臭河流的污染源,吴可[1]等人对河流旱季入河污水的源头进行了排查,并结合沿河排口和河道断面的水质水量的监测数据进行分析。李正雄[2]等人通过利用人工探查结合管道内窥摄像检查技术、管道潜望镜等仪器设备对盘溪河流域的市政排水管网进行了内窥检测,探索出了最优的内窥检测方案。(见图1)
图1 溯源路径、CCTV、QV示意图
管网排查法可以探清覆盖市政管网的所有问题,能部分回答地表水的主要污染来源。但由于地表水质与污染排放源之间关系复杂,源与受体之间并不是简单的线性关系,因此管网排查法不能作为地表水污染物溯源的唯一措施。
(二)物理检查法
CCTV技术可用于判定管网的破损位置,但对于大范围的污水收集系统,全面CCTV检测需要大量的人力、物力投入。因此需要首先确定污水管网系统的重点破损区域,在此基础上采用CCTV进行针对性检测。目前,Almeida[3]等人以葡萄牙埃斯托里尔海岸为研究对象,探讨了截流系统覆盖较大流域、市政管网资料缺乏的情况下,采用流量计数据结合水的使用信息来分析各污染源分布的可行性。除流量监测外,也可通过包括烟雾测试(smoke testing)、视觉检查(visual inspection)、染 料测试(dye testing)、视频识别(video reconnaissance)、光纤分布式温度传感(fiberoptic distributed temperature sensing)等物理检查的方法确定旱天管网错混接的问题。
物理检查法可以作为管网排查法的辅助检查法,仅能适用于拓扑关系较简单的管网,需要投入较大的人力及物力。(见图2,图3)
图2 (A)烟雾测试系统;(B)烟雾蜡烛;(C)排烟风机
图3 (A)管道染料测试;(B)垂直井内投入网袋染料;(C)雨水中染料路径
(三)多元统计法
多元统计法可以用来探索样本之间、变量之间的相关性,评价水样间的相似程度,识别不同污染物的输入途径,可被广泛用于分析污染的来源。目前,常用的多元统计分析方法包括聚类分析(Cluster analysis)、变异分析(Discri minant analysis)、主成分分析(Principal component analysis)、t检验法和重复性限法等,已被逐渐用于河水水质及点源污染风险的评估。
尹海龙[4]等人分析了62座城市污水处理厂的进水水质,重点分析了BOD5/COD、BOD5/TN和SS/BOD53个比值。通过对污水处理厂进水水质的分析,可以发现BOD5含量偏低,且SS与BOD5相关性差,可能原因是工业废水的接入。(见表1)
表1 上海某排水系统粪便污染指示菌浓度对比
多元统计法可通过数据分析的方法阐明水体各指标的关系,可对水体污染物的来源提出可能的猜想。但多元统计法需要长期、大量的水质数据,难以在短期内被用于污染源的分析。
(四)特征因子法
水质特征因子溯源法可以用来确定雨水管网旱天污染的来源,通过采用不同混接类型的特征因子,利用流量图法或化学质量平衡法(Chemical mass balance model,CMBM)定性、定量判定雨水管网旱天水量来源及不同混接来源的比例。
尹海龙[5]等人测定了上海市某排水系统各混接类型以及雨水管网旱天末端出流中粪便污染指示菌浓度分布,结果表明:生活污水中粪便污染指示菌浓度远高于其他混接类型,可以通过粪便指示菌浓度确定生活污水的混接比例。徐祖信[6]等人通过选择总氮和硬度分别作为生活污水和地下水的特征因子,采用化学质量平衡法分析了排水管网内地下水入渗的情况。
利用特征因子的方法进行污染物溯源虽然较成熟,但也存在明显局限。一是无法在污染物来源复杂的情况下,准确判断并得到结论;二是水化学参数稳定性较差,只能在特定场合使用,影响了该方法的适用范围;三是该方法只能给出贡献较大的污染源,缺乏对水体污染防治工作的实际指导意义。
(五)数学模拟法
除需实际监测外,污染源也可通过数学模拟法进行识别。数学模拟法可以分为直接求解法和间接求解法。直接求解法主要包括解析法和正则化方法;间接求解法则主要包括模拟优化法、概率统计法及耦合算法等。
直接法中的解析法是反问题求解最早的方法,将源项作为待求变量,针对特定的反问题用特定的数学方法直接求解,具有计算成本低、结果精确的优点。间接求解法中的模拟优化法可将污染源识别问题转化成最优化问题,即通过寻找污染源的位置、浓度等变量或它们的组合,使模拟模型的输出结果逼近观测数据。该方法可将正向地表水流与污染物迁移数学模型与优化算法耦合在一起,形成模拟-优化耦合模型。
数学模拟法对模型构建的源数据要求很高,并对于不同的流域需采用不同的模型,难以快速、直接用于水体的污染源识别,因此仅能作为污染物溯源技术的支撑。
三、城市水环境污染物溯源技术体系
具体而言,为实现对城市河流污染源的精准识别,需要快速、低成本、适用范围广的污染物溯源技术方案,因此本研究提出了一套针对城市河流污染物的溯源技术方案。具体步骤如下:
(1)为实现城市河流污染物的快速、精准溯源,首先需构建流域的水文及水质模型;
(2)依据流域考核断面或排水管网排污风险高排水片区对应断面等依据判断流域溯源重点断面;
(3)为确定上述重点断面的污染性质,制定河流的初步监测方案,并开展全时间、全指标的水质、水量监测工作;
(4)依据重点断面的污染性质及各溯源技术的适用范围,判断各重点断面适配的溯源技术;
(5)根据重点断面适配技术,确定需溯源监测的指标及适配的检测方法;
(6)根据各断面的溯源需求,将各断面分类为固定监测断面、轮换监测断面及临时监测断面,从而形成城市河流污染物的溯源监测方案;
(7)根据上述监测方案,开展城市河流的污染物溯源监测工作;
(8)得到溯源重点断面各指标的监测值后,调用水文模型;
(9)自流域下游往上游反向向模型输入下游重点断面实测浓度,得到上游重点断面模型计算浓度;
(10)依次比较上游重点断面实测浓度与模型计算浓度,若实测浓度大于计算浓度,则判定该河段需要溯源;
(11)根据各污染物指标的实测浓度与模型计算浓度之间的差距判断河段溯源等级,若任意指标实测浓度大于3倍计算浓度,则判断溯源等级高,需要立即现场踏勘找到问题排口;若实测浓度位于2-3倍计算浓度之间,则判断溯源等级中,可观察其他指标监测情况,适时现场踏勘寻找问题排口;若实测浓度位于1-2倍计算浓度之间,则判断溯源等级低,可持续观察各指标监测浓度。但若为考核断面出现实测浓度大于计算负荷,则判断溯源等级高。
(12)现场踏勘问题河段,识别问题排口。
(13)对问题排口进行水质及水量的连续在线监测,基于溯源技术体系,识别污染源。
四、结语
城市水环境污染物溯源技术的发展有助于高效精准治污,结合监测体系的建设能够掌握污染物的运移态势,辅助工作人员精准定位污染物来源。产生的大量监测数据可使用机器学习进一步挖掘深层价值,实现数据的充分利用,并进一步为优化溯源技术方案提供依据。本文综述了当前城市中应用成熟的溯源技术,并提供一套针对城市河流的溯源技术方案,但在应用中需重点考虑如下几个问题:
(1)针对不同研究区域,方案是否有普适性;(2)由于管网条件恶劣,如何在缺损、失真数据条件下提高溯源准确性仍需讨论;(3)如何优化当前溯源方案,以提高在不同情况下的稳定性还值得进一步研究。