基于監測數據的黑臭河道水體治理凈化效果分析

張偉杰

（深圳市水務工程建設管理中心,廣東 深圳 518000）

隨著城市化進程的加速,黑臭河道已經成為城市環境治理的難點之一。黑臭河道水體中存在大量有機物、氨氮、總磷等污染物,給人類健康和生態環境帶來巨大威脅。為了有效治理黑臭河道,科研工作者和政府部門不斷探索各種治理技術和模式。目前,隨著科技水平的提升,黑臭河道水體監測技術不斷完善,監測數據的可靠性和準確性得到提升。在這樣的背景下,黑臭河道水體治理凈化效果的研究也得到了廣泛關注和深入探索。

已有多位學者開展了黑臭水體凈化效果研究,并取得了有益成果。方焰星[1]等對5 種水生植物對污染水體的凈化效果進行了對比；丁文婧[2]等指出總磷是重要的水質參數之一,有效監控總磷含量可以控制水體富營養化,有利于保護水資源的飲用和水生動植物的養殖；黃南平[3]等研究了在污水廠改造過程中出現的問題,指出碳源和池容是影響脫氮的主要因素；關智平[4]立足于城市黑臭水體治理現狀,研究分析了生態修復技術在城市黑臭水體治理中的應用和實踐；彭婉婷[5]等通過室內靜水實驗7 種不同生態型的濕地植物進行鑲嵌組合后各組合對水體中氮、磷的去除效果。

本研究目的是通過對某黑臭河道的生態修復和治理,探究有效的水體凈化和治理方法。進行長期的水質監測,并統計化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）的去除率,以評估生態修復和治理措施的實際效果,以期為其他黑臭河道的治理提供科學依據。

1 研究對象概況

本文的研究對象是一條位于某城市的黑臭河道,該河道是當地主要的水資源之一。由于長期受到生活污水、農業面源污染等多種因素的影響,該河道水體出現了黑臭現象,水質狀況嚴重受損。該黑臭河道的河流長度約為10 km,流域面積約為80 km2,河道兩側分別為城市和農村。河道周邊存在著大量的生活污水排放口、工業廢水排放口以及農業面源污染等,使得該河道的水體受到了極大的污染。為了治理該黑臭河道水體,當地政府部門采取了多種治理措施,包括建設景觀支渠、構建植物群落、建造生態氧化塘、構建人工濕地、生態浮床等。本文對該黑臭河道治理項目的實施效果進行監測和評估。

2 研究方法

本文的實驗方法主要包括：采樣、監測和數據分析。采樣方面,本研究選擇黑臭河道中流域較為典型的水域作為樣本點,采用水樣器在不同時間點采集水樣,并使用干凈的玻璃瓶進行保存。樣本采集過程中需遵守嚴格的操作規范,避免外界污染。監測方面,本研究采用國家標準方法對水質指標進行監測,包括COD、NH3-N、TP、TN 等。監測過程中需嚴格按照標準方法操作,保證監測結果的準確性和可比性。

3 研究結果

3.1 COD 去除率

圖1 是出水口CODcr 濃度隨月份變化曲線,如圖1 所示,在監測過程中,位于不同位置的監測點CODcr 濃度分別是：源頭24.33 mg/L±32.36 mg/L、景觀支渠11.77 mg/L±20.84 mg/L、植物群落構建區13.93 mg/L±33.73 mg/L、生態氧化塘14.55 mg/L±30.10 mg/L、人工濕地20.7 mg/L±11.67 mg/L、生態浮床11.92 mg/L±8.91 mg/L。通過分析整個系統的CODcr 監測數據可知基本滿足地表水V 類標準。隨著季節的變化,月份的增加,CODcr 濃度在11 月份達到峰值,這與氣溫、日照時間、降雨量、水流量、植被生長等因素有關。在夏季和春季,植物生長旺盛,通過光合作用吸收二氧化碳和營養鹽,水中的有機物質會被生物降解,從而導致CODcr 濃度下降。相反,在秋季和冬季,植物生長減緩,水中的有機物質在缺乏光照和生物降解作用下逐漸積累,從而導致CODcr 濃度升高。在景觀支渠、生態氧化塘、植物群落構建區、生態浮床這四種生態措施中出水口的CODcr 的濃度較好平均值在Ⅳ類標準以上,全年大部分月份在Ⅴ類標準以上,這與施工預期吻合。

圖1 出水口CODcr 濃度隨月份變化曲線

圖2 是COD 去除率隨月份變化曲線圖,觀察圖2 可以發現幾種生態措施對COD 去除率相差不大,通過計算其全年平均去除率其中去除率最高的是景觀支渠31.04%,最低是是植物群落構建區28.04%。這些生態處理設施對COD 的平均去除率相差不大,可能是因為它們都能提供充足的環境和生態功能,促進生態系統內各種微生物和生態因子的協同作用,最終達到去除COD 的效果。

圖2 COD 去除率隨月份變化曲線圖

3.2 TN 去除率

觀察圖3 可以發現,在監測過程中,位于不同位置的監測點TN 濃度分別是：源頭2.83 mg/L±0.89 mg/L、景觀支渠1.49 mg/L±3.84 mg/L、植物群落構建區1.93 mg/L±1.73 mg/L、生態氧化塘1.55 mg/L±1.31 mg/L、人工濕地1.69 mg/L±3.09 mg/L、生態浮床1.92 mg/L±1.24 mg/L。在所有生態措施中,TN 濃度最高值在2 月的生態氧化塘為7.53 mg/L,最小值出現在9 月份的景觀支渠為0.45 mg/L。在6 月～9 月,多個生態措施中的TN 濃度呈下降趨勢,在9 月～12 月呈上升趨勢,這是因為在6 月～9 月期間,水體生態系統比較穩定,生物多樣性較高,氣溫較高,這些因素共同作用下,生態措施能夠更有效地降低水中的TN 濃度。而在9 月～12 月,水體生態系統不夠穩定,降雨量逐漸增加,氣溫下降,生態措施的凈化效果受到一定的影響,導致TN 濃度呈上升趨勢。

圖3 出水口TN 濃度隨月份變化曲線

從圖4 可以看出,生態氧化塘對TN 的凈化效果較好,在全年有9 個月份凈化效果高于整體水平,其中在5 月份的凈化效果最好接近90%,平均去除率在46.58%。生態浮床對TN的凈化效果僅次于生態氧化塘,其平均去除率在38.59%。景觀支渠對TN 的凈化效果最差,全年有11 個月低于整體水平,這主要是由于其設計和建設問題、空間受限、水流速度過快以及缺乏水生植物等原因所致,其平均去除率是11.71%。植物群落構建區和人工濕地的平均去除率相差不大均在百分之25%左右。

圖4 TN 去除率隨月份變化曲線圖

3.3 NH3-N 去除率

如圖5 所示,在監測過程中,位于不同位置的監測點NH3-N 濃度分別是：源頭1.27 mg/L±0.85 mg/L、景觀支渠0.54 mg/L±2.92 mg/L、植物群落構建區0.37 mg/L±0.62 mg/L、生態氧化塘0.59 mg/L±1.08 mg/L、人工濕地0.76 mg/L±1.30 mg/L、生態浮床0.69 mg/L±1.27 mg/L。從源頭進水時的NH3-N 濃度可以看出,在冬春季節NH3-N 濃度較高,夏季較低,這是因為在冬春季節,水溫低,水流速較慢,水中生物代謝相對較緩慢,因此NH3-N 濃度相對較高；而夏季水溫升高,水流速相對較快,水中生物代謝活躍,NH3-N 得到充分的代謝和轉化,因此NH3-N 濃度相對較低。

圖5 出水口NH3-N 濃度隨月份變化曲線

圖6 是NH3-N 去除率隨月份變化曲線圖,觀察圖6 可以發現生態浮床對NH3-N 的凈化效果最好,全年平均凈化率為78.9%,人工濕地的凈化效果僅次于生態浮床,其平均凈化率為69.8%,植物群落構建區的平均凈化率為56.63%,景觀支渠和生態氧化塘的凈化效果相近分別是46.99%和45.99%。生態浮床和人工濕地作為一種低成本、低能耗的人工濕地系統,能夠利用水生植物和微生物的生態學作用,去除廢水中的氨氮等污染物質,其中水生植物和微生物共同作用起到了主要的凈化作用。水生植物可以吸收水中的營養物質,促進水中的微生物生長和代謝,從而促進污染物的降解和去除。而人工濕地中的微生物群落可以有效地利用廢水中的氨氮等污染物質,將其轉化為無害物質。此外,生態浮床和人工濕地的構建還能夠提高水體中的溶解氧含量,促進水中的微生物生長和代謝,從而增強凈化效果。

圖6 NH3-N 去除率隨月份變化曲線圖

3.4 TP 去除率

從圖7 可以看出,在監測過程中,位于不同位置的監測點TP 濃度分別是：源頭0.18 mg/L±0.12 mg/L、景觀支渠0.10 mg/L±0.13 mg/L、植物群落構建區0.11 mg/L±0.14 mg/L、生態氧化塘0.11 mg/L±0.10 mg/L、人工濕地0.13 mg/L±0.14 mg/L、生態浮床0.09 mg/L±0.12 mg/L。整體看來,該河道的TP 濃度較低,TP 濃度最高的是源頭出水口的0.3 mg/L。TP 濃度在冬春季節相對較高,總體來說其原因有多方面,包括氣溫較低、水體中的生物活動緩慢、水流速度較慢、植物吸收磷的能力較弱以及農業活動對水體的污染等。這些因素導致了TP在水體中停留時間較長,難以被移走和轉化,最終導致了TP濃度的升高。

圖7 出水口TP 濃度隨月份變化曲線

如圖8 所示,生態氧化塘對TP 的凈化效果最好,全年平均去除率在59.66%,其次是植物群落構建區,其平均去除率是35.56%,景觀支渠和人工濕地的平均去除率相近均在22%左右,生態浮床的平均去除率是27.03%,其中景觀支渠的去除率最低。生態氧化塘對TP 的凈化效果最好是因為其采用了多種不同的生態措施,包括水生植物、微生物等,能夠有效地吸附和轉化TP。生態氧化塘能夠利用水流和自然光照的作用,提供適宜的生境環境,利用水生植物吸收和轉移營養物質,同時利用微生物將TP 分解成無害物質,從而達到凈化水體的目的。景觀支渠和人工濕地的水體流動性較弱,難以將底部的污染物充分懸浮到水體表面,從而限制其對TP的去除效果。其次,景觀支渠和人工濕地的植被覆蓋率較低,這限制了其生態系統的穩定性和功能,進一步影響了其處理效果。

圖8 TP 去除率隨月份變化曲線圖

4 結論

本文通過對某黑臭河道的生態修復和治理,探究有效的水體凈化和治理方法,進行了長期的水質監測,并統計了化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）的去除率,得到以下結論：

1）整個系統的CODcr 監測數據基本滿足地表水V 類標準,CODcr 濃度在11 月份達到峰值。在6 月～9 月,多個生態措施中的TN 濃度呈下降趨勢,在9 月～12 月呈上升趨勢。在冬春季節NH3-N 濃度較高,夏季較低。整體看來,該河道的TP 濃度較低,且TP 濃度在冬春季節相對較高。

2）幾種生態措施對COD 去除率相差不大,平均去除率都在30%左右,生態氧化塘對TN 和TP 的凈化效果較好,平均凈化率分別是46.58%和59.66%；生態浮床對NH3-N 的凈化效果最好,平均凈化率為78.9%；景觀支渠對TN 和TP 的凈化效果最差。