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user: 3. 城市黑臭水体成因分析 (一) 黑臭水体污染源 1) 外源污染 由于地区现状条件和污水管网截污不彻底等原因，河道沿岸不断会有各种工业废水、生活污水、地表径流、垃圾等外源污染排入的现象，使得河道污染负荷增加 [ 16 ] ，造成含有大量有机污染物废水直接排入水体。有机污染物主要包括有机碳污染源(化学需氧量COD、生化需氧量BOD)、有机氮污染物(氨氮)以及含磷化合物，这些污染物主要来自废水、污水中的糖类、蛋白质、氨基酸、油脂等有机物的分解，在分解过程中消耗大量的溶解氧，加上大量动植物的呼吸作用，使耗氧量进一步加大，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致黑致臭物质，从而引起水体发黑发臭。加上大多数有机物富集在水体表面形成有机物膜会破坏正常水气界面交换，从而加剧水体发黑发臭 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] 。热污染也是造成城市河道黑臭的外源污染之一。城市热污染主要是大量较高温度的工业冷却水、污水处理厂退水以及居民日常生活污水等排入引起的，导致局部甚至整个水体水温升高。水体中微生物在适宜水温下发生强烈的活动，致使水体中的大量有机物分解，降低溶解氧，释放各种发臭物质。水体一般在夏季出现黑臭现象比在冬季显著增多，主要原因是一方面微生物的活动频率与温度呈显著正相关性，另一方 Table 1 Comparison of characteristics of aeration and oxygenation equipmen 曝气设备类型 组成 优点 缺点 适用范围 鼓风机-微孔 布气管 曝气系统 鼓风机 微孔布气管 氧转移速率较高 ① 布气管安装工程量大， 维修困难，对航运有一定的影响； ② 鼓机房占地面积大，投资大， 运行噪声较大，影响周围居民的生活 郊区不通航河道 纯氧–微孔布 气管曝气系统 氧源 微孔布气管 ① 不需建造专门的构筑物， 占地面积小； ② 系统无动力装置，运行费用小，运行可靠，无噪声； ③ 安装方便，不易堵塞； ④ 氧转移率高 对航运有一定的影响 不通航河道 纯氧-混流增 氧系统 氧源水泵 混流器喷射器 ① 氧转移率高； ② 可安置在河床近岸处， 对航运的影响较小 - 既可用于固定 式充氧站，也可用于 移动式水上充氧平台 叶轮吸气推流 式曝气器 电动机传动轴 进气通道叶轮 ① 安装方便、调整灵活； ② 漂浮在水面，受水位影响小； ③ 基本不占地； ④ 维修简单方便 ① 叶轮易被堵塞缠绕； ② 影响航运； ③ 会在水面形成泡沫，影响水体美观 不通航河道 水下射流 曝气设备 潜水 泵水射器 ① 安装方便； ② 基本不占地 维修较麻烦 不通航河道 叶轮式 增氧机 叶轮浮筒 电机 ① 安装方便； ② 基本不占地 ① 产生噪音； ② 外表不美观 多用于渔业水体， 尤适用于较浅的水体 表1. 曝气充氧设备的特性比较 面水体中的溶解氧含量随着温度的升高而降低 [ 20 ] [ 21 ] 。有研究 [ 22 ] 表明，水体温度低于8℃和高于35℃时，放线菌分解有机物产生致黑致臭物质的活动受到影响，一般不会产生黑臭，而在25℃时放线菌的繁殖达到最高，水体的黑臭也达到最大。 2) 内源污染 底泥是城市水体的重要内源污染物，在水力冲刷、人为扰动以及生物活动影响下，引起沉积底泥再悬浮，在一系列物理-化学-生物综合作用下，吸附在底泥颗粒上的污染物与孔隙水发生交换，从而向水体中释放污染物，大量悬浮颗粒漂浮在水中，导致水体发黑发臭，另外大量底泥为微生物提供良好的生存空间，其中放线菌和蓝藻通过代谢作用使得底泥甲烷化、反硝化，导致底泥上浮及水体黑臭 [ 23 ] 。相关研究 [ 24 ] 表明，太湖地区发生局部黑臭水体现象，实地监测与资料分析表明局部黑臭水体形成区域分布与太湖底部淤泥集中区域位置基本一致，并进一步指出，湖泊中藻类大量繁殖后发生死亡沉降，藻类有机质的大量堆积是底泥的主要成分，也是形成局部黑臭水体的发生基础。 (二) 水动力条件 水动力学条件不足、水循环不畅是引起河道水体黑臭的原因之一，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 [ 25 ] 。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 [ 26 ] 。水循环对水污染过程的作用主要从两方面体现：一是人类活动改变了河流特征，影响到污染物的迁移转化过程，进而影响流域水环境状况。人工取用水量在一定程度上改变原有的水量分布，减少区域中自然水循环通量，同时耗水量的不断増加导致水体水量不足，没有足够的水体水量稀释污染物，黑臭现象易发；二是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，在水循环较为缓慢时，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 [ 27 ] 。 (三) 黑臭水体形成的化学机理 1) 致黑机理 水体致黑原理主要有2种，一种是以固态或吸附于悬浮颗粒上的形式存在于水体中的不溶性物质；另一种是溶于水的带色腐殖质类有机化合物 [ 28 ] 。罗纪旦等 [ 29 ] 通过试验发现，水体发黑与悬浮颗粒有直接联系，悬浮颗粒中的致黑物质主要是腐殖酸和富里酸。近年来在太湖水域频发的“黑水团”是污染河道上覆水体和底泥中的带色有机化合物在厌氧条件下形成的黑褐色水团，主要包含腐殖质和富里酸等物质 [ 30 ] 。应太林等 [ 31 ] 对苏州河水体黑臭进行研究，通过沉淀分离、充氧及氧化还原点位测定等试验，发现悬浮颗粒对水体致黑起到主导作用，并指出悬浮颗粒中的腐殖酸和富里酸因吸附络合了Fe、Mn和S的化合物成为主要致黑化学物，并证明了Fe 2+ 在致黑方面的主导作用。微生物作用下导致还原态铁由底泥向上覆水体扩散，在硫酸盐还原菌等还原作用下，Fe 2+ 和H 2 S反应可生成FeS。FeS是黑色沉积物，同时水体中微小的悬浮物质会吸附一部分，而部分沉积于泥水界面的还会在厌氧分解产生的气体或气泡托浮作用下重新进入上覆水体，再加上其他因素的协同作用，使水体呈现黑色 [ 32 ] 。 2) 致臭机理 根据不同产臭途径和致臭物质，城市河道致臭机理大致分为以下3种：a) H 2 S和NH 3 等小分子气体。当水体遭受严重有机物质污染时，有机物分解消耗水体中的溶解氧，造成水体缺氧。在缺氧水体中，产臭过程会与致黑同步，有机物厌氧分解产生甲烷(CH 4 )、硫化氢(H 2 S)、氨(NH 3 )等具有异味易挥发的小分子化合物，溢出水面进入大气，因而散发出臭味 [ 27 ] 。丁琦等 [ 33 ] 通过试验研究发现，水体发臭主要为含硫、氮等有机物分解时逸出的H 2 S和NH 3 等所致。此外，有机物在分解过程中还产生低碳脂肪酸及胺类等。b) 硫醚类化合物。通过对腐殖物质的分析，从腐殖酸、富里酸的酸水解产物中得到的近20种氨基酸和大量游离氨，这些氨基酸在水体中以脱氨基作用、脱羧酸作用以及某些细菌如变形杆菌分解含硫氨基酸，在产生大量的游离氨臭气的同时，也产生大量具有相当臭味的硫醚类化合物等导致水体发臭 [ 34 ] 。挥发性有机硫化物(volatile organic sulfur com-pounds， VOSCs)被证实为主要的致臭物质 [ 35 ] [ 36 ] 。试验研究 [ 37 ] [ 38 ] 发现，甲硫醇(MeSH)、二甲基硫醚(DMS)、二甲基二硫醚(DMDS)、二甲基三硫醚(DMTS)以及二甲基四硫醚(DMTeS)是黑臭水体的主要致臭物质。c) 乔司脒和2-二甲基异莰醇。当水体处于厌氧状态或营养盐相对较高时，水体中存在大量放线菌、藻类和真菌，其新陈代谢过程中会分泌多种醇类致臭物质 [ 39 ] 。土臭素是国内外研究中普遍认为导致水体发臭的主要物质之一，包括乔司脒(Geosmin，C 12 H 22 O)和2-二甲基异莰醇(2-MBI，C 11 H 20 O) [ 40 ] 。Gerber [ 41 ] [ 42 ] 于20世纪40年代先后从放线菌的发酵液中提取到乔司脒和2-二甲基异莰醇，因此，放线菌最初被认为是臭味化合物的主要来源。随后，人们的注意力转向藻类，主要是蓝藻，如颤藻(Oscillatoria)、旋藻(Lyngbya)、席藻(Phormidium)和鱼腥藻(Anabaena)，随后不断有学者证实一些真核藻类，如硅藻也是乔司脒和2-二甲基异莰醇的重要来源 [ 43 ] - [ 48 ] 。乔司脒和2-MBI在较低浓度情况下就能导致天然水体发臭，其发臭阈值分别是4和9 ng∙L −1 [ 49 ] 。