再生水修復(fù)河道水體中總氮的空間變化趨勢(shì)

李宇涵

摘 要：為研究再生水修復(fù)河道水體中總氮的空間變化趨勢(shì)，本研究在潮白河再生水補(bǔ)給河道順義段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采樣。在上、中、下游共設(shè)置了11個(gè)采樣點(diǎn)，分析其水體中總氮及物理化學(xué)指標(biāo)。再生水出水口總氮含量超出了我國(guó)景觀(guān)環(huán)境用水的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)過(guò)河道的自?xún)裟芰?，下游的總氮含量達(dá)標(biāo)?？偟c環(huán)境因子有一定的相關(guān)性，河道中TN含量與pH值呈現(xiàn)出了一定程度的負(fù)相關(guān)。本研究既可為再生水的研究留下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為制定更嚴(yán)格的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：再生水;總氮;空間變化

中圖分類(lèi)號(hào)：X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0017-03

再生水是有工業(yè)廢水或雨水在經(jīng)過(guò)處理后，達(dá)到一定指標(biāo)的水，總氮含量是衡量其水質(zhì)的重要指標(biāo)之一。隨著我國(guó)城市污水處理能力的提高，大量利用再生水補(bǔ)充我國(guó)北方地區(qū)的城市河道，用于河道景觀(guān)修復(fù)，已成為一種必然趨勢(shì)。然而，目前再生水的景觀(guān)及生態(tài)環(huán)境用水在我國(guó)剛剛起步，對(duì)污染物在水體中的變化趨勢(shì)缺乏足夠的研究。由于河道中土壤氮、農(nóng)業(yè)化肥、人畜糞便、生活污水等對(duì)水中氮元素影響，以及水中藻類(lèi)光合作用、水中反硝化作用，使河道上下游的氮含量發(fā)生變化。因此，本研究在潮白河再生水補(bǔ)給河道順義段上中下游多地取點(diǎn)采樣，分析水體中總氮含量，對(duì)再生水河道中總氮的空間變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，既可為再生水的研究留下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為制定更嚴(yán)格的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

潮白河是中國(guó)海河流域五大河流之一，貫穿北京，天津和河北三省。潮白河穿過(guò)密云水庫(kù)，懷柔水庫(kù)流入北京，是北京最重要的水源之一。順義區(qū)城北為減河，在潮白河向陽(yáng)閘下通過(guò)減河閘而進(jìn)入潮白河，由于多年的干旱，潮白河的向陽(yáng)閘至河南橡膠壩之間的河段在1999年一致處于斷流狀態(tài)，直到2007年10月“引溫濟(jì)潮”工程溫榆河的廢水經(jīng)過(guò)當(dāng)前世界最先進(jìn)的膜生物反應(yīng)器（MBR）處理后，達(dá)到再生水景觀(guān)用水標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)減河輸入再生水，排入到減河及潮白河的向陽(yáng)閘與河南橡膠壩之間的河段。減河為人工河道，兩側(cè)襯砌，自然底河道長(zhǎng)約4公里，寬約50～90米，平均流速0.015米每秒;向陽(yáng)閘至河南村橡膠壩河段長(zhǎng)約7.3km，蓄水河道主河槽平均水深2.5m，河道寬度大部分在200～400m之間，河道縱坡為1/3000，河南橡膠壩以上形成的河道景觀(guān)長(zhǎng)約3km，平均寬約200m，蓄水量約600×104m3。溫榆河魯疃閘上游1.4公里的取水口時(shí)經(jīng)過(guò)人工濕地的7級(jí)過(guò)濾，進(jìn)入潮白河的劣Ⅴ類(lèi)污水已成為符合Ⅳ類(lèi)以上地表水標(biāo)準(zhǔn)的景觀(guān)水。根據(jù)溫榆河水質(zhì)特性及出水水質(zhì)主要指標(biāo)，達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838——2002）Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，本工程選用“加藥絮凝+MBR工藝”，設(shè)計(jì)處理規(guī)模10萬(wàn)m3/d?！耙郎貪?jì)潮”工程設(shè)計(jì)流量2.5m3/s，年設(shè)計(jì)引水量3500～3800萬(wàn)m3，在潮白河7公里段和城北減河4公里河段形成了約300萬(wàn)平方米的水面。

1.2 樣品采集與處理

本研究于2017年9月在潮白河再生水補(bǔ)給河道順義段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采樣。在上、中、下游共設(shè)置了11個(gè)采樣點(diǎn)。S1位于再生水出水口，S2位于再生水河道上游，河流位于S3處分流呈南北支流，S11和S10位于土壩兩側(cè)，S9位于河道北支下游，S10位于本次研究河道北支末端，S4、S5、S6位于橡膠壩前側(cè)，S7位于河道南支下游，也是本次研究的末端。采集的水樣裝進(jìn)用蒸餾水清洗三次的聚乙烯瓶中，用硫酸酸化至pH<2，帶至實(shí)驗(yàn)室，-4℃保存于冰箱中，并在24h內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)水樣進(jìn)行分析[1]。

1.3 樣品分析方法

現(xiàn)場(chǎng)采用多功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀對(duì)河道水體中的pH值，溶氧量（DO），水溫（T），固體溶解量（TDS），電導(dǎo)率（EC）以及硫酸根（SO42-）、氯離子（Cl-）濃度進(jìn)行了測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用過(guò)硫酸鉀氧化、紫外分光光度法測(cè)定總氮含量（TN）[2]。測(cè)定方法如下：

1.3.1 繪制校準(zhǔn)曲線(xiàn)

取各濃度硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)液，用無(wú)氨水稀釋至10ml標(biāo)線(xiàn)。

用堿性過(guò)硫酸鉀進(jìn)行消解，將比色管置于壓力蒸汽消毒器中，加熱0.5小時(shí)，并放氣以使壓力指針?lè)祷氐搅?。然后升溫?20～124°C開(kāi)始計(jì)時(shí)，使比色管在過(guò)熱水蒸氣中加熱0.5小時(shí)。自然冷卻，無(wú)閥放氣，取出比色管并冷卻至室溫。

加入1毫升鹽酸，用無(wú)氨水稀釋至標(biāo)線(xiàn)，在紫外分光光度計(jì)上，用無(wú)氨水做參比，并用石英比色皿測(cè)量吸光度，然后用校正的吸光度繪制校準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.3.2 樣品測(cè)定

取適量水樣，按校準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制步驟進(jìn)行操作，然后校正其吸光度，在校準(zhǔn)曲線(xiàn)上查出對(duì)應(yīng)的總氮含量，并按以下公式計(jì)算總氮含量：

總氮（mg/L）=m/V

式中：m—從校準(zhǔn)曲線(xiàn)上查得的含氮量（μg）;

V—所取水樣體積（ml）;

數(shù)據(jù)分析及圖形制作采用Excel軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮的空間變化與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

潮白河再生水補(bǔ)給順義段的總氮空間變化分析結(jié)果。從上游到下游，樣點(diǎn)S7和S8對(duì)應(yīng)的總氮含量低于樣點(diǎn)S1，可見(jiàn)，總氮的整體變化趨勢(shì)是下降的，說(shuō)明再生水河道有其自身凈化能力。北部支流順序?yàn)镾1、S2、S3、S11、S10、S9和S8點(diǎn)，河流經(jīng)過(guò)土壩前，TN呈下降趨勢(shì)，但經(jīng)過(guò)土壩后，TN有所上升，最后在下游S9到S8點(diǎn)，TN下降，樣點(diǎn)S8總氮含量為9.595mg/L，與樣點(diǎn)S1位置的20.9mg/L相差11.305mg/L，有明顯下降，凈降低54.1%。河道南支為樣點(diǎn)S1至S7，TN呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)，可能由于樣點(diǎn)S6附近樣點(diǎn)S6處附近有外源輸入，如附近居民生活污水偷偷排放等，使得樣點(diǎn)S6的氮含量大幅度上升，上升了38.5%，水體中有大量藻類(lèi)，但在下游其含量逐漸下降。樣點(diǎn)S7總氮含量為8mg/L，與S1相差12.9mg/L，有大幅度下降，凈降低61.7%。兩個(gè)堤壩附近氮含量都較高，可能由于環(huán)境影響或是人類(lèi)活動(dòng)的影響。兩支流的TN最大值都出現(xiàn)在河流中下游部分，但也都在下游末端都降低至最小值。

根據(jù)我國(guó)景觀(guān)環(huán)境用水的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18921 —2002），再生水總氮含量需低于15mg/L，潮白河再生水補(bǔ)給順義段的起始段TN高于15mg/L，但經(jīng)波動(dòng)性下降后，于下游達(dá)到了景觀(guān)用水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 水體中總氮與環(huán)境因子之間的關(guān)系

總?cè)芙夤腆w（TDS）與電導(dǎo)率（EC）的變化趨勢(shì)基本吻合。其變化在樣點(diǎn)S1至S6下降，S6至S7有所回升。樣點(diǎn)S1至S4，TDS含量下降，同樣陰離子硫酸根、氯離子濃度大幅度下降，TN也有所下降。樣點(diǎn)S4至S6，氯離子與硫酸根大幅上升，總氮也大幅上升，可見(jiàn)此區(qū)域離子濃度較大，無(wú)機(jī)鹽含量高，也是此區(qū)域藻類(lèi)大量生長(zhǎng)的原因。

pH變化范圍在7.47～10.49，總體呈弱堿性。河道南支（S1～S7）pH總體呈上升趨勢(shì)，S1到S3的PH在7.47～8.32，而生物硝化、固氮作用以PH在7.5到8.5左右為宜，S1到S3硝化固氮作用強(qiáng)，TN下降。隨后樣點(diǎn)S4到S6，pH值升至10.19，不利于生物固氮硝化作用，使得TN上升，最后S7的pH又有所下降，使得TN下降。河道北支PH基本穩(wěn)定，維持在7.5～8.5之間，只有樣點(diǎn)S9的PH值較高，使得樣點(diǎn)S9的TN含量較高。可見(jiàn)，PH與TN基本呈正相關(guān)。

溫度的波動(dòng)性較大，但整體的趨勢(shì)是上升的，可能是由于下游人類(lèi)活動(dòng)更頻繁。河道南支從樣點(diǎn)S1到S7，溫度共上升了1.8度。河道北支從S1到S8，共上升0.7度。溫度對(duì)硝化作用的影響具有兩重性，隨著溫度升高硝化細(xì)菌的生物活性增強(qiáng)，但溫度也對(duì)溶解氧影響較大，溫度升高會(huì)使溶解氧含量下降，不利于微生物的生命活動(dòng)[3]。另外，水中藻類(lèi)也可能會(huì)有一定的影響，所以溫度與總氮并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）潮白河再生水補(bǔ)給河道順義段的總氮含量總體呈下降趨勢(shì)，且上游至下游下降幅度比較明顯，并在下游河段滿(mǎn)足了我國(guó)景觀(guān)環(huán)境用水的再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可見(jiàn)再生水河道有其一定的自身凈化能力，制定再生水出水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)加以考慮。

（2）再生水河道中總氮含量也與環(huán)境因子有相關(guān)性。在本實(shí)驗(yàn)條件下，河道中TN含量與pH值呈現(xiàn)出了一定程度的負(fù)相關(guān)，這和水質(zhì)一直保持在弱堿性是有關(guān)系的。中下游由于微生物和人類(lèi)活動(dòng)影響，使得無(wú)機(jī)鹽含量上升，氮含量也有一定程度的上升，導(dǎo)致藻類(lèi)繁殖，我們也應(yīng)注意中下游水體維護(hù)，保持生態(tài)平衡。

參考文獻(xiàn)

[1] Bu HM，Tan X，Li SY，Zhang QF.Temporal and spatial variations of water quality in the Jinshui River，China[M].Ecotoxicology and Environmental Safety，2010（73）：907-913.

[2] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì)編（4版）.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002：12.

[3] 徐繼榮，王友紹，孫松.海岸帶地區(qū)的固氮、氨化、硝化與反硝化特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2004（12）：2907-2914.