基于室內(nèi)模擬試驗的淮河支流河流污染物降解系數(shù)測算與對比研究

劉洋 史淑娟 李曉洋

摘要 以淮河支流洪河為例，選取駐馬店洪河西平五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段，開展河流污染物降解系數(shù)室內(nèi)測定試驗，并將室內(nèi)試驗結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段降解系數(shù)kCOD平均為0.139 6 d-1、kNH3-N平均為0.086 9 d-1、kTP平均為0.123 5 d-1;與國內(nèi)類似研究結(jié)果相比，淮河支流駐馬店洪河河段水體的COD和氨氮降解系數(shù)處在平均水平之下，應(yīng)嚴格控制整個流域的污染物入河量;實驗室模擬所得污染物降解系數(shù)均小于現(xiàn)場監(jiān)測值，偏差在15%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞 淮河支流;污染物;降解系數(shù);COD;氨氮;總磷

中圖分類號 X832 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2020）03-0076-03

Abstract Taking the Honghe River， a tributary of the Huaihe River， as an example， the river section of WugouyingTaqiao Township of Xiping of Zhumadian Honghe River was selected to carry out indoor measurement test of river pollutant degradation coefficient， and the indoor test results were compared with the field test results.The results showed that the average kCOD was 0.139 6 d-1， the average kNH3-N was 0.086 9 d-1， and the average kTP was 0.123 5 d-1 in WugouyingTaqiao Township.Compared with the similar research results of domestic， the COD and ammonia nitrogen degradation coefficients of the water body of the Honghe section of Zhumadian， a tributary of the Huaihe River， were below the average level， and the amount of pollutants entering the river should be strictly controlled.The degradation coefficients of the pollutants obtained from the laboratory simulation were all less than the onsite monitoring values， and the deviation was within 15%.

Key words Huaihe tributary;Pollutant;Degradation coefficient;COD;Ammonia nitrogen;Total phosphorus

污染物排放總量控制是水資源保護和管理的重要手段，也是保證水功能區(qū)功能正常發(fā)揮的必要條件，而實施污染物排放總量控制是以水體納污能力為基本依據(jù)。降解系數(shù)反映了污染物降解速率的快慢，是研究河流水質(zhì)變化、計算水環(huán)境容量以及納污能力的重要參數(shù)之一[1-2]。污染物降解系數(shù)的確定方法有多種，如經(jīng)驗公式估算法、類比法、現(xiàn)場模擬法和室內(nèi)模擬實驗法等[1-3]。相對于經(jīng)驗公式估算法和類比法，后2種方法經(jīng)過大量統(tǒng)計資料推算，求得的數(shù)值具有較好的歸納和概括性，能夠較好地揭示河流污染物的降解特性，因此在科學(xué)研究中被大量采用。其中，現(xiàn)場模擬法采用水質(zhì)監(jiān)測站一定時期的水質(zhì)監(jiān)測資料測算，能夠更好地研究河流水質(zhì)狀況和污染物稀釋降解情況，精度較高，但缺點是周期長且成本高。因此，利用實驗室室內(nèi)模擬測算污染物降解系數(shù)成為一種較為常見的方法[3]。

河南省從2000年開始開展了關(guān)于河流污染物降解系數(shù)的研究，僅限于對化學(xué)需氧量（COD）這種污染物因子的研究。隨著水環(huán)境管理要求的日益提高，深化水體污染基礎(chǔ)研究的需求日益強烈。因此，河南省從2013年開始進行河流污染物降解系數(shù)測算研究，包括現(xiàn)場模擬和室內(nèi)模擬2種途徑。筆者以淮河支流洪河為例，采用室內(nèi)試驗法，研究水體COD、氨氮和總磷的綜合降解系數(shù)，并與現(xiàn)場試驗?zāi)M結(jié)果進行對比，以期為深化降解系數(shù)測算研究、加強淮河水質(zhì)管理、水環(huán)境容量計算和污染物總量控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設(shè)的位置

為較合理地對淮河流域水體環(huán)境總量進行監(jiān)測以及較客觀地評價其水質(zhì)變化特征和規(guī)律，經(jīng)過實地調(diào)研及分析，以淮河流域的駐馬店洪河為研究區(qū)域，在中間無明顯排污口的五溝營斷面（33°26′41″N、114°9′29″E）和塔橋鄉(xiāng)斷面（33°16′51″N、114°26′51″E）采集水樣。分別采集左、中、右3 條垂線水樣，最后每個斷面各取一份綜合水樣并加保存劑。

1.2 試驗方法

采集調(diào)查斷面的水樣，在實驗室中溫度設(shè)置為20 ℃，轉(zhuǎn)速100 r/min條件下進行搖瓶培養(yǎng)。每個斷面設(shè)置4個平行試驗，每隔12 h采樣分析COD、氨氮和總磷的濃度[4]。COD用重鉻酸鹽法（GB 11914—89）測定，氨氮用納式試劑分光光度法（GB 7479—87）測定，總磷用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）測定。

1.3 降解系數(shù)計算方法

研究表明，COD、氨氮和總磷的降解基本符合一級降解反應(yīng)動力學(xué)方程[4-6]，即式中，t為反應(yīng)時間（d），k為降解系數(shù)，Ct為t時刻污染物濃度（mg/L），C0為污染物初始濃度（mg/L）。

則降解系數(shù)計算公式為：

因此，污染物降解系數(shù)可以按照斜率法要求作ln（Co/Ct）～t圖求得。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物降解系數(shù)室內(nèi)模擬測算結(jié)果

每隔12 h進行采樣分析，分別計算出t和ln（C0/Ct），以時間t為橫坐標、ln（C0/Ct）為縱坐標，繪制ln（C0/Ct）～t關(guān)系圖，其斜率即為相應(yīng)污染物的降解系數(shù)，斷面測算結(jié)果以4次試驗結(jié)果的平均值來表示，河段測算結(jié)果以五溝營斷面—塔橋2個斷面的平均值來表示。根據(jù)表1～3，各擬合方程的決定系數(shù)R2都在0.9以上，說明模型對于數(shù)據(jù)的線性擬合效果較好，擬合精度較高，因此可以直接采用其斜率作為污染物降解系數(shù)的測算結(jié)果。

由表1可知，駐馬店洪河各斷面降解系數(shù)kCOD為0128 2～0.152 4 d-1，五溝營kCOD小于塔橋鄉(xiāng)kCOD，且2個斷面降解系數(shù)均值相差不大，差值為0.008 4 d-1，五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段實驗室測算kCOD為0.139 6 d-1。由表2可知，各斷面kNH3-N為0.081 0～0.095 8 d-1，五溝營kNH3-N實驗室測算值大于塔橋鄉(xiāng)kNH3-N，且2個斷面的降解系數(shù)相差較小，差值僅為0000 4 d-1，五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段實驗室測算kNH3-N為0.086 9 d-1。由表3可知，各斷面kTP為0.120 4～0.127 3 d-1，塔橋鄉(xiāng)kTP略小于五溝營kTP，2個斷面的降解系數(shù)相差較小，為0.000 7 d-1，洪河五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段實驗室測算kTP為0.123 5 d-1。

根據(jù)有關(guān)文獻，我國河流COD降解系數(shù)為0.009～0.470 d-1，我國河流氨氮降解系數(shù)為0.105～0.350 d-1[7-8]，室內(nèi)測定結(jié)果表明，駐馬店洪河各取樣斷面的COD和氨氮降解系數(shù)均處在較低水平，可見河流水體污染降解能力較差，應(yīng)嚴格控制整個流域的污染物入河量，降低污染風險。

2.2 室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗?zāi)M結(jié)果對比

現(xiàn)場監(jiān)測試驗的污染物降解系數(shù)是根據(jù)公式3[1，2，9]計算而得：

k=86.4（lnC1-lnC2）U/L（3）

式中，C1、C2分別為河段上下斷面的污染物濃度（mg/L）;U為河段平均流速;L為河段上下斷面間距（m）。

河流監(jiān)測河段降解系數(shù)現(xiàn)場模擬與實驗室模擬的結(jié)果對比如表4所示。COD、氨氮和總磷降解系數(shù)的實驗室模擬結(jié)果都小于現(xiàn)場實測值，且相對偏差均在15%以內(nèi)，說明室內(nèi)模擬試驗測算得到的降解系數(shù)是可靠的。相關(guān)研究表明，實驗室模擬所得污染物降解系數(shù)的值一般小于現(xiàn)場監(jiān)測的值[3，5，7，10]。這主要是由于實驗室的環(huán)境與天然水環(huán)境存在較大差距。天然水環(huán)境是一個自然的開放系統(tǒng)，污染物的降解系數(shù)除了受水的流速、流量、pH和水溫等自身因素影響外，還因光照、酸堿度、藻類、微生物、化學(xué)物質(zhì)等因素的影響而改變，更利于污染物的降解。

3 結(jié)論與討論

（1）該研究通過開展降解系數(shù)室內(nèi)測定試驗，通過室內(nèi)試驗，利用一維水質(zhì)模型測算得到淮河支流駐馬店洪河五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段降解系數(shù)的實驗室結(jié)果：五溝營—塔橋鄉(xiāng)河段的kCOD為0.139 6 d-1、kNH3-N為0.086 9 d-1、kTP為0.123 5 d-1。

（2）與國內(nèi)類似研究結(jié)果相比，淮河支流駐馬店洪河河段水體的COD和氨氮降解系數(shù)處在平均水平之下，可見此流域水體對COD和氨氮的降解能力相對較弱，表現(xiàn)為環(huán)境承載力下降的趨勢，因此應(yīng)嚴格控制整個流域的COD和氨氮的排放總量。

（3）將現(xiàn)場模擬法測算得到的污染物降解系數(shù)與該研究中實驗室測算結(jié)果進行對比可知，COD、氨氮和總磷降解系數(shù)的相對偏差分別為12.75%、13.10%和11.79%，均較為接近;現(xiàn)場模擬值均高于室內(nèi)測算值，說明自然環(huán)境更有利于污染物的降解。

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