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让黑臭水体无处容身之精准识别诊断

归档日期:06-24       文本归类:地物      文章编辑:爱尚语录

  摘要:治理黑臭水体的首要任务是对黑臭水体能够进行精确识别和诊断。而黑臭水体的识别诊断技术的发展趋势,则是希望在大幅减少人力及时间成本的基础上,获得更加客观的认定结果,甚至可以对黑臭水体根据污染程度进行

  摘要:治理黑臭水体的首要任务是对黑臭水体能够进行精确识别和诊断。而黑臭水体的识别诊断技术的发展趋势,则是希望在大幅减少人力及时间成本的基础上,获得更加客观的认定结果,甚至可以对黑臭水体根据污染程度进行直接分级。本文将从黑臭水体的识别和诊断两个方面来梳理目前一些具有应用潜力的黑臭水体识别诊断技术,希望能对未来黑臭水体的识别诊断技术发展提供一定的帮助和参考。

  黑臭水体的识别主要依赖于其最明显的特征,黑和臭。水体中的“黑”主要来源分为两部分:一部分是以固态形式悬浮或吸附于悬浮颗粒上的有色不溶性物质,另一部分来源于可溶性的有色有机化合物。其中悬浮颗粒对于水体致黑起主要作用,主要致黑成分为易被氧化的FeS和MnS。黑臭水体的臭味则一般来源于厌氧细菌产生的甲硫醇(CH3SH)、硫化氢(H2S)和氨(NH3),以及好氧细菌产生的乔司脒(geosmin)和2-甲基异莰醇(2-MIB)等物质。

  对于黑臭水体的评估,一方面需要定性的判断水体是否黑臭,另一方面需要定量评估黑臭水体的污染情况,对黑臭水体的污染程度进行分级。识别过程仅是定性的判别,可以从遥感影像上,依据黑臭水体空间分布特征,人工目视识别出疑似的黑臭水体。而分级过程是一个定量过程,首先需要建立起黑臭水体的光谱识别模型和色度模型,然后基于模型,在城市水系掩膜图上提取黑臭水体的轻重分级程度。

  随着遥感(RS,remote sensing)、全球卫星定位系统(GPS,global positioning system)、地理信息系统(GIS,geographic information system)、微型计算机、以及通讯设备等技术的迅速发展,依靠水体的光谱特性、色度指标对黑臭水体进行识别和分级已成为一种很具有竞争力的黑臭水体诊断技术。黑臭水体在遥感影像上可表现出与正常水体不同的光谱反射曲线,通过一定的遥感数据后处理,可通过人工目视辨别出疑似的黑臭水体。

  与常规黑臭水体实地调查相比,遥感监测技术具有空间和时间上的相对连续性,动态范围大,有利于从大尺度层面上把握黑臭水体特征,掌握黑臭水体演变迁移过程,可减少大量人力、物力和时间花费。

  温爽等成功利用高分影像对南京市的黑臭水体进行了遥感识别,通过构建城市黑臭水体的遥感识别算法,并分析了黑臭水体的空间分布和环境特点,发现黑臭水体主要分布于各城区人口密集的区域,水体黑臭的原因主要来源于生活污水、工业废水、断头滨等。另外,李佳琦等对银川市污染水体进行了遥感识别和实地验证,最终确定银川市污黑臭染水体12条,卫星遥感识别的精度达到62.96%,识别精度仍有待进一步提升。曹红业等分别通过对重度、轻度和一般水体固有的光学量、表观光学量和水质参数等参数特性进行差异分析,提出了一种基于实测遥感反射率的黑臭水体识别方法,可有效区分重度、轻度黑臭水体和一般水体。

  遥感监测技术会在很大程度上受到其它因素干扰,比如城市细小水体会因遥感影像分辨率的限制而出现识别困难的问题。城市地形同样会对遥感影像识别带来很多困难,如城市中的建筑物和乔木植物会对遥感影像造成一定地形阴影,特别是在城市河道宽度较窄的水域。因地形阴影的光谱信息与水体的光谱信息相近,会对水体识别造成严重干扰。但不可否认的是,卫星遥感监测技术仍会是黑臭水体诊断识别领域未来的发展方向,它可以联合其他识别监测技术对黑臭水体情况进行实时监督和及早预警。

  无人机可在云下低空飞行,具有质量轻、灵活性高、操作简单、影像分辨率高、时效性强、作业周期短、成本低等优点。且微小型无人机信息获取平台构建容易、运行和维护成本低,更有利于大规模应用,可作为一种常规的黑臭水体辅助监测手段。

  侍昊等利用多旋翼无人机搭载多光谱相机,利用影像特征变换结合面向对象分类方法,对南京市河西南部的河道进行了黑臭水体的遥感信息提取。结果表明无人机影像具有更加丰富的色彩和纹理,对水体水色及水域周边生态景观具有较好的识别能力,光谱指数比主成分变换和纹理分析方法具有更好的典型地物识别,采用标准最邻近分类法提取城市水环境信息能够获得较高分类精度。

  因微小型无人机载荷量有限,无人机搭载的传感器主要还是以数码相机和轻型多光谱相机为主。而搭载多光谱、高光谱、近红外、雷达等专业设备的相对较少,直接影响在于获得的影像光谱分辨率不足,这在一定程度上限制了利用无人机进行黑臭水体识别诊断应用。目前的微小型无人机获取的图像覆盖范围小,飞行路线和姿态存在不稳定的情况,另外摄像镜头的光学畸变等因素都会在一定程度上导致获取得到的遥感图像不理想,存在无规律,灰度不一致,畸变的情况。

  目前,无人机影像技术无法对水体的黑臭程度进行界定分级,无人机影像与黑臭水体透明度、溶解氧、氨氮等常规检测指标之间的关系有待进一步的建立。如需进一步发展无人机辅助黑臭水体识别诊断技术,需要在尽可能少地提高无人机平台成本的同时,最大化提高微小型无人机的载荷能力和续航能力,同时开发配套的高稳定性自动导航飞控技术及遥感信息无限网络快速传输技术,在保证无人机飞行的安全性、稳定性、遥感数据的精度和准确度的情况下,实现无人机超视距、超低空、随时起降、实时传输数据等要求。微小型无人机的连续光谱传输器、多光谱图像采集系统、传感器远程控制系统都还需进一步的开发和升级。进一步的研发工作还可以放在对于轻便型气味遥感监测设备上,如果能使无人机具有H2S、NH3等气体的协同探测能力将大大提高黑臭水体的识别能力。对于遥感数据的后处理部分,也需要进一步优化遥感数据的几何校正算法及自动校正系统,实现对黑臭水体更精准的识别。

  政府工作任务已经明确提出黑臭水体的整治效果要以老百姓满意为标准。以往针对黑臭水体难闻气味的评判,最直接的办法是进行现场调查,依靠人的观感和嗅觉去评判,但是这种方法很难进行量化和标准化,存在很大的主观性。如果通过气体探测技术对黑臭河道释放的特征臭味气体进行检测,除了可以客观量化黑臭水体的臭味,还可以间接反映出黑臭河道中发生的有机生化过程,对后续的黑臭水体的治理提供一定的量化依据。

  目前还没有气体探测仪器被应用到黑臭河道的识别诊断过程中,但相关的气体探测技术已经存在,包括光学法、传感器分析法、气体探测管法等。虽然存在基于遥感探测和激光吸收光谱的气体探测仪,但这种技术成本太高,一般用于痕量气体的探测。

  对于黑臭水体臭味检测的大规模、低成本的需求,其他气体探测技术也已足够满足。在钻井现场使用的H2S气体探测仪器就可以加以改进并用于对黑臭水体的探测中,其原理是通过探测器风箱或活塞产生真空,将空气吸入探测器,当管内化学物质遇到H2S气体时,颜色会变黑,依据探测管内颜色的变化尺度,可以知道H2S气体的浓度。张石锐在研究畜禽业生产过程中产生的有害气体探测过程中,通过测量畜禽舍内恶臭气体的主要成分及浓度,利用与嗅觉法相结合的算法反演畜禽舍内气体恶臭等级,这种方法降低了实验室电子鼻系统的复杂程度和成本,可以借鉴到黑臭水体恶臭气体的探测过程中。

  后续研究还可探索如何将气体探测仪器集成化,使得一款气体探测仪可同时对多种恶臭气体含量进行检测,并同时小型化,使其可用于河道中黑臭水体的原位监测,或微型化来配合无人机载荷限制,在减少大量人力实地勘察的成本后,能够大幅提高黑臭水体识别和分级的客观性和准确度,这无疑都将大大助力于黑臭水体的治理工作。

  由于城市黑臭水体的增多,污染水体的下渗造成城市地下水被污染的概率大幅提高,尤其在一些大中城市、特殊矿工企业、化工园区的浅层地下水受到污染的可能性非常高。城市地下水也有可能出现黑臭情况,这就需要对于城市地下水水质情况进行实时监测,对于可能出现黑臭的地下水区域早预警、早防范、早治理。

  常规检测方法是通过从地下水中抽取样本后,再进行水体是否黑臭的判别。因黑臭水体成因关乎于水底沉积物中微生物的活动,如何能够在尽量小的对水底沉积物产生扰动的基础上,采取具有代表性的样本是需要关注的一点。李文攀等比较目前常见的3种地下水采样方式,贝勒管式、潜水泵式和低流速气囊式采样等,证明了低流速采样可以有效减少对地下水的扰动,降低水样浊度,同时也避免了水位大幅降低,减弱了不同层次间污染物的迁移以及与周边水的交叉污染问题,所采水样能准确代表目标层位的水质情况。当然,通过调节潜水泵的抽水速率也可以实现低扰动的取样。

  除了对地下水抽样后进行检测,近年来的光学监测技术的发展也为原位污水监测提供了新的可能。吴静等利用三维荧光光谱成功对两个城市的污水实现了有效区分,武晓丽等利用多源光谱信息融合技术对32个城市地表水和生活污水进行研究后,证明多源光谱融合分析方法可以将总有机碳指标的分析误差均方根比单一光谱分析降低34.7%~36.1%。这些光学监测技术手段的发展,如果能够和地下水低扰动采样技术结合起来,加上信息实时传输技术,可以实现水体原位监测;如果能够进一步和航潜器等技术结合起来,还能实现河道底部水质黑臭情况的探查,将会对黑臭水体的识别和诊断具有很大的指导意义。后期研究还可以将水质情况分析和人工智能技术结合起来,实现水质的智能监测,在大幅减少人为误差的同时,提高效率和准确度,对于已被污染区域或极易黑臭的区域实现实时监督和预警。

  常规的河道污染物确定一般是依靠实地调查,取样检测后通过试验指标进行判断,并配合污染源调查和排污系数法。随着目前更多示踪剂技术的发展,对于黑臭河道中污染源的来源有了更好的解析方法,如示踪剂可以是洗衣液中的特有化合物,肥料中的特殊成分,又或者是DNA片段。在这些手段中,同位素溯源技术和生物溯源技术显示出了良好的潜力。这种通过示踪剂进行的污染源溯源手段可以更加客观的描述衡量水体的污染情况。只有在清晰了解黑臭河道中污染源的来源和组成后,才能更好的针对性地提出定制化的最优治理方案,从根本上完成对河道的黑臭问题的治理。

  同位素溯源技术根据自然环境中某种元素的同位素丰度的比例变化来对污染物的来源进行鉴别。这种方法对于由无机物或者有机物造成的污染都可以进行很好的定性或定量分析,尤其对于有机物造成的污染,除了可以鉴别其来源之外,还可以研究有机污染物的降解过程。

  对于无机物污染物的鉴别包括了对金属、类金属和非金属元素的鉴别。通过比对纪录和现状中的地表和水体中的某种元素的同位素比例变化,可以揭示地表和水体中元素的交换迁移过程。近年来,痕量金属污染源解析技术得到快速发展,MC-ICP-MS仪器可以为低含量的金属提供准确的分析且不需要进行传统方法中化合物的纯化和去溶剂化步骤。铅作为一种常用的,具有多种同位素的示踪剂,可利用其不同同位素之间的比例(206Pb/204Pb,207Pb/204Pb 和208Pb/204Pb) 指示不止一种污染物的来源。Alain Cocherie和Michele Robert 提出了一种新的样本夹逼测量方法,利用铅的同位素对雨水样本实现了直接分析,避免了以往需要纯化铅元素的步骤,有效节省了时间。

  城市水体出现黑臭问题很重要的一个原因就是,来源于工业、农业和日常生活中的有机污染物被大量排放入河,常规的污染物浓度监测方法无法明确污染源头,而同位素溯源技术可以帮助研究者进行有效溯源,找到造成水体黑臭的最大责任方。同时,同位素的溯源技术不仅能够反映出污染物的来源,还可以在一定程度上反映污染物在被释放到环境中后所经历的一系列变化。常用的元素同位素,包括13C/12C、D/H、15N/14N等。虽然同位素不会像有机物一样,在环境中迁移和转移过程中受到例如稀释、蒸发、吸附和去吸附等影响,但生物活动的降解或者非生物的变换反应,如化学反应、光反应,还是会对同位素含量和组成造成一定影响。

  Steven Granger等利用氧的同位素18OPO4对英国境内的Taw河流域中的PO4来源进行了分析,揭示了河道中PO4参与的微生物循环过程,但需要明确的是,如果元素参与的微生物循环周期过短,该同位素溯源的方法也不适合。Fadong Li等对黄河流域的潘庄灌溉区利用同位素15N和18O的含量,配合Cl/Na+, SO42/Ca2+的比例分布,对河水中的NO3进行了定量研究,结果发现NO3主要来源于化学肥料、粪肥和污水排放,根据贝叶斯模型计算,粪肥和污水是黄河水中NO3的主要来源。NO3的污染排放主要受灌溉区域的影响,化肥中很大一部分N的流失在于作物对化肥的低利用率和灌溉用水将多余化肥冲洗入河。

  生物溯源技术对由生物来源的粪便污染的水体具有良好的鉴别能力。该技术的溯源探针可依据具有物种特异性的肠道细菌或肠道病毒或线粒体DNA序列来设计构建。这种方法一般还需要构建指纹分析库,可依据生物肠道中细菌的抗性、形态,或PCR标志基因来进行构建。将试验获得的图谱与指纹分析库进行比对,从而确定到底是什么生物粪便造成了水体污染。指纹分析库中样本最好与试验对象具有相同或相似的地理位置。

  生物溯源技术的探针虽然有多种选择,因为线粒体DNA具有很好的物种特异性,利用线粒体DNA构建探针获得了很多关注。据报道,1克的动物粪便可以检测到大约107个剥落的结肠细胞,每一个细胞含有成百上千的线粒体DNA的拷贝,这个数目差不多可以等同于粪便中细菌的含量。利用PCR、qPCR以及基因微阵列技术可以有效确定线粒体DNA的来源。线粒体中的某些特定片段,比如ND2、ND5、CytB,12S-16S 和COX3-ND3常常被用作物种特异性引物。针对排泄出来的粪便中的线粒体DNA会不断的被环境稀释和降解,很有可能会降低到PCR检出限以下的问题,Martellini等人应用嵌套PCR在对目标序列进行了扩增的基础上,额外设计了第二对针对线粒体DNA的扩增子序列的引物,成功将检测灵敏度提高了100倍。但如果对每种物种都设计并合成特定引物序列,将会浪费大量时间和人力,解决方法可以是采用通用引物先对样本中存在的目标DNA进行第一轮扩增,排除部分不存在的动物类别,而对于有PCR阳性结果的物种再分别设计特定引物进行验证。

  除了定性溯源,如果采用实时荧光定量PCR,还可以定量不同来源的生物粪便污染百分比,进一步加强了对不同物种来源的污染的认定。Richard Villemur等利用末端嵌套PCR对人、牛、猪的线粒体DNA,以及人特有的拟杆菌HF183进行了检测,实验发现在82种不同水样环境中的出现率分别为46%、23%、6% 和50%。通过定量PCR的测定,HF183的浓度比人线粒体DNA的浓度高一个数量级。Xiwei He等利用定量PCR监测了河水中人、猪和鸡的线粒体DNA降解情况,研究发现,人的粪便中线粒体DNA的丰度高于猪和鸡,这也从侧面验证了W. Schill 等鉴别污水样本时,只有人类的线粒体DNA能够被检测到,尽管他们进行了对20种物种粪便悬浮液进行了盲测,正确识别了其中的16种样本。

  传统的黑臭水体识别诊断基本依靠实地调查、人为评价,这样的调查方法虽然直接,但是需要耗费大量的人力和时间成本,且评价结果具有很强的主观性,可能存在误报或漏报的情况。

  遥感监测技术会是一种非常有潜力的黑臭水体识别技术,在大尺度上可以应用卫星遥感监测技术,在小尺度探测上,可以利用无人机遥感技术,或者光学原位监测技术;将气体探测技术和黑臭水体的识别技术进行结合,将会进一步提高黑臭水体识别的客观性和准确性。

  对于黑臭水体成因,可采用溯源技术进行污染物来源分析。其中最受关注的溯源技术有同位素溯源技术和生物溯源技术。同位素溯源技术可灵活应用在无机污染物和有机污染物的探查上,而线粒体DNA因具有良好的物种特异性,对于由粪便造成的污染具有很好的探查效果。溯源技术的应用除了可以定性污染物来源,还可定量多种污染物的致污百分比,实现从根本上治理黑臭水体的目标。

  黑臭水体的治理不应该迷信于单一技术,如何科学合理地建立黑臭水体识别诊断工具库,将多种技术进行复合应用才能更好的为黑臭水体的治理工作提供帮助。(出处:知合环境水院)

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