城市水循环中的微量污染物负荷外文翻译资料

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城市水循环中的微量污染物负荷

作者

Andreas Musolff

Helmholtz-Zentrum fuuml;r Umweltforschung

21 PUBLICATIONS 251 CITATIONS

Sebastian Leschik

CDM Smith Consult GmbH

24 PUBLICATIONS 225 CITATIONS

Gerhard Strauch

Helmholtz-Zentrum fuuml;r Umweltforschung

130 PUBLICATIONS 1,420 CITATIONS

城市水循环中的微量污染物负荷

提高对城市水环境中的微污染物评估水平是一项具有挑战性的任务，因为水质水量平衡和污染物浓度有在时间和空间上明显变化的特点。在这项研究中以中欧城市一年的排水量化数据做研究。在几个被监测的微污染物的质量浓度平衡基础上研究一定区域的废水、地表水和地下水。微污染物的释放主要是由污水处理厂排放。但是研究表明污水管道会溢出的大量的咖啡因，双酚A和4-壬基酚等物质，因为估计9.9% -13.0%废水在干旱天天气下会发生地下水污水泄漏，很大质量的双酚A和4-壬基酚也被释放。废水连续处理可能对水生生态系统诱发急性以及慢性影响，对此做出时间上的动态方案以达到间歇控制地下水的目的。这项研究指出了在城市水资源污染评估中地下水污染和相应方案的重要性。

介绍

各种含有有机化合物的废水的工业废水如药品、个人护理产品的添加剂(集体PPCP)、家用化学品和工业化学物质的生产工业废水被大众认为是对水生生态系统和人类健康潜在的威胁。因为这些污染物大多数情况在环境中处于低浓度范围，所以被称为微量污染物。微污染物对水生生态系统和人类有很大威胁，它会影响人类健康包括内分泌系统等，也可能在污染物的相互作用或慢性影响下长期影响人类健康。

由于大量的废水产生和转化，城市建设、城市水资源规划中有关微量污染物的处理规划。直到现在，大多数研究表明微污染物的产生发生在废水处理过程。这个污染源被认为是最重要的，因为通常微污染物在处理过程中，只有部分被去除，因此其不断释放到水环境中。一些研究表明微污染物处理过程中污水管道会有污染物泄漏。在当地地区的污水系统中，雨水径流和未经处理的废水可以超过污水网络释放到表面水域。现在，对于地表水这个来源被认为是一个重要的微污染物附加源。一些研究中，地下水资源中也有微污染物。污水泄漏和地表水污染可能长期对地下水水质恶化有影响。

到目前为止，没有研究说明在城市地区中微量污染物在不同的废水产生途径中对地下水和地表水会造成污染。现在必须构造一个关于城市水体和微量污染物产生途径的知识框架。污水泄漏产生的水流的扩散对密封地下水系统产生强烈影响并且破坏污染物的平衡。在城市水域中，微量污染物的扩散点与线的时空分布十分复杂。

假设对于复杂的城市整体中包括废水、地下水和地表水流的污染，如果能够描述在所有的水体中的微量污染物负荷有助于提高不同环境下信息的相关性。

在选择研究区域中，地下水进水与匹配的排水系统所对应流域的污水相互交流。因此，构造一个综合性的水和污染物质量平衡概念框架是有可能的，包括污 水系统微污染物的来源和地下水地表水接受者。在我们看来，研究区域的松散含水层的浅层地下水表面可以被看作是一个典型。在中欧城市，大多数城市污水系统都直接连通到在附近的一条河流用来冲积沉淀物。布朗-巴赫的报告中总废水量是德国的40%。污水主要来自地下水漏出，特别是在浅层地下水交流的污水处理系统中漏出。

现在，我们的研究集中在监测在不同水体一年内的微量污染物，在评价的基础上进行统计。本研究着重于德国莱比锡城地下污水管道及城市水体的微量污染物。我们使用的结果来源于有关微量污染物浓度概率处理和未经处理的废水和地下水的情况监控。对地下水流动数值模型和废水流量测量下的微量污染物浓度的年度负荷进行估算。因此，我们能够描述不同城市之间的水流和水体，描述微量污染物负荷平衡。指出微量污染物释放环境的时间分布，讨论不同相关性的微量污染物的释放方式和其在水生生态系统潜在影响。

图1

研究区域地下水流模型，污水管道的位置、土地使用、和表面填土。在德国右上角的位置。WWPS为污水泵站，表示污水系统出口溢流设施。

材料与方法

实验区域 实验地区在欧洲中部的莱比锡市的西北部，在污水系统中的污水收集系统中进行，该地区面积为5.37km。有24.6%为全封闭的道路和建筑用地，31.8%的地区为半封闭用地。整个排污管网总长为54.7km，排污管网是混合制排污系统。29%排污管位于平均地下水水位之上。污水将会流入泵站，同时将所有的污水泵置于实验区东北部的污水处理厂，这个污水处理厂可处理莱比锡市大部分的污水，经污水处理厂治理后的污水排入Weisse Elster河流。

Bauerngarben溪位于整个排污管网的东部和北部的边缘，他的水质水量受到沿河6个站点合流制排水管道溢流的影响，并不受地表径流的影响。为确保Bauemgarben溪流持续的水量，Weisse Elster河流的河水绕开了这条溪流。实验地区的地质是第四纪沉积砂、砾石含水层及不连续分布第三纪砂质含水层交汇点的下方。该地区的北部有第四纪沉积物含水层和亚黏上冲积层之间的2个不连续分布砾石黏上层作为阻水层。从南至北的地下水流形成的分水岭与排污管网的分布相吻合。在整个排污管网分布的区域内的地下水是无压和好氧的。

样品采集和野外作业 在2007年4月至200 8年4月进行水质监测二审，在参考文献中对此进行了详细的阐述。简单地说，每隔3个月在整个污管网分布地区内的7个地下水监测中进行采样，并且测量样品和包括微量污染物质含量在内的水。每个月对2个分别为位于原始沉积人口处及污水处理厂治理后出口处的监测井进行采样。地下水样使用潜水泵采集，污水样品随机采取。除此之外，野外实验还包括8个自动测量地下水位的观测井。

样品分析和质量评估 实验采集13个污水处理厂入口处的样品和13个出口处的样品以及56个地下水的样品，对6种微量污染物质指标进行分析——双酚A，BPA，含雌激素聚碳酸酯前体)4—壬基苯酚（NP，欧盟2005年后限制使用的含有雌性激素的壬基酚聚氧乙烯醚为分散剂所降解而得的同分异构体混合物）、咖啡因（CAF，饮料和药物中的兴奋剂）、加乐麝香(HHCB)和吐纳麝香(AHTN)、多环麝香芳香剂、氟甲酰氮草(CBZ，水体中不易分解的镇痛剂)。

在中和状态下使用同相萃取法及气相色谱、质谱联用技术分析方法、外标准源法等化学分析方法，用以量化CAF、HHCB、AHTN、CBZ。以及使用内标准源法测量NP和BPA，超出检测限的浓度归为0。化学分析中出现的微量污染物未进行考虑，例如，恢复标准较低及色谱图中的重叠峰。

图2

城市水方案之间的水舱。灰色箭头指示有关环境微污染物的释放路径:WWPS，污水泵站，污水处理厂；ET；蒸散；P，降水；Q_ro ，污水系统(雨水);Q_ww，污水流；Q_{rch rain} ，雨水、地下水，从渗透雨水补给；Q_rch,ww，地下水，污水泄漏电；Q_cso,结合下水道溢出地表水；Q_ex,地下水漏出流向污水系统；Q _gw，地下水流量通过边界；Q _ww,_p ，结合污水泵； Q _tww ，处理废水。

水流量化：整个排污管网分布区域内年度水量基于以下计算公式得到

P Q _ww = ET _a Q _gw Q _cso Q _tww ∆S _gw (1)

Q _ww Q _ro Q _ex = Q _rch,ww Q _cso Q _tww (2)

其中，P为降雨量，Q_ww为污水流量，ET_a为实际蒸发量，Q_gw为通过排污管网分布区域边界所排出的地下水量，Q_tww为污水处理厂处理的污水水量△sgw为监测年中地下水储存量的变比值，Q_ro为污水管网所接收的地表径流，Q_ex为地下泄漏到污水管网中的流量，Q_rch,ww为污水管道泄露对地下水的补给量。

整个排污管网分布区域内年度水量是基于不同模型的组合及不同水体部分的估计方法进行量化的。

图2中阐述了水流量量化的方法、数据基础及详细信息。

负荷估算 每年的污染物负荷通过微量污染物浓度乘以年度水流流量的方法来进行估算。排污管网带来了大量微量污染物，这其中有通过未经处理的污水流 (Mi，uwww)、通过污水处理到达自然水体中(Mi，tww)、CSO(Mi，cso)、通过地下水排放到污水排放管网界外(Mi,gw)这几种方式。参考文献19中有对浓度测量方法的描述。污水排放管网界外的地下水水样在本研究中不予以考虑。因此，表2中给出了本实验中所用的微量污染物浓度百分率的概况信息。在污水排放管网区域中。泵站直接抽取污水是不可行的，因此，未经处理的污水水量在污水处理厂中抽取。如此就假设污水排放管网中未经处理的污水的水质与污水样品中的相同。对地表水体中的Mi，tww没有进行季节性估算，这是由于污水排放是非均匀的，季节性污染物质负荷受限于NP，却对年度污水处理r的排水负荷并无影响。对于地下水样，微量污染物质浓度的空间分布并无差异，然而在时间趋势不同，这是由干Bauerngraen小溪污染水体进人污水情放管网内的渗流引起的。因此，在污水排放管网区域内的地下水样，可作为通过区域边界所有地下水样
的代表。

结果与讨论
城市水量 污水排放管网区域中主要水流的流入和流出情况如表1所述。降雨量(P)是污水排放管网区域中主要的水分来源。P使用莱比锡市1994-2008年的平均降雨量(597mm/a，标准差为86mm/a)。除此之外，水分来源为自来水，总管道给水和流入排水系统的污水流量(Qww，相当于降雨量的31%)作为地下水水面之下的排水系统，地下水泄漏进入下水道系统(Qcx)弥补了污水排放管网区域中混合制污水的16%。污水水量流失到地下水中的水量(Q_rch.ww)中微量污染物质浓度的测量将干下文进行讨论。

尽管污水排放管网区域大部分为密封的，仅11%的降雨量作为暴雨径流(Q_ro)排出。如此、大量封闭的地表将不助于污水排放系统，或者水分通过地表的缝隙和裂缝渗入地表下。虽然如此，密封的地表降低了蒸腾作用，导致较高的地下水补给率(Q_rch.rain，占降雨量的37%)，地下水的测量及地下水补给率模型显示了水

位对于降水的反应十分迅速，在8-28h后便会达到最大容量，地下水主要通过降水得到补给，污水排放管网区域之外的年度地下水排放(Q_gw)低于地下水补给，总之，在含水层中还是有一定的地下水储量的变化(QSgw)。

在Baucrngarben溪流中，污水排放管网区域中的CSO(Qcso)符合于未被干扰的年度地表水流流量的16%，其中共登记了33起持续时间超过4h的排放事件。总体而言，在干旱天气情况下，通过CSO所释放的未经处理的污水水量为直接排放到地表水体中的未经处理污水排放量的2.5%(最小值1.9%，最大值3.0%)。所经测量的事4h的排放事件数低于德国排污系统溢流事件的平均值(每年45-558)。

表格 1 主要的下水道水流