城市污水、工业废水对水体影响

2017-03-15 08:55:43 5

  1 引言

  氮(Nitrogen,N)和磷(Phosphorus,P)是重要的生源要素,但也是引起水体富营养化的重要因素,因此,它们是控制富营养化的重要目标元素.一般认为控制湖泊富营养化的关键在于减少P元素的输入.然而,试图通过减少P元素输入以达到控制湖泊富营养化的许多实验都未获得成功,例如,美国Apopka湖、George湖和Okeechobee湖、中国东湖及日本霞浦湖.因此,N这一基本元素在湖泊富营养化过程中的作用引起了研究者们的广泛关注.通过对太湖藻类营养盐限制的研究发现,虽然P负荷的减少具有重要作用,但N负荷的减少却可能在本质上控制太湖蓝藻爆发的强度和持续时间.

  沉积物作为水体中营养盐(如N、P)的主要存储库,其所含的营养盐元素在一定条件下可以通过扩散、对流和沉积物再悬浮等过程向上覆水体释放,与上覆水体发生交换而改变其含量,产生显著的生态环境效应.太湖属于浅水湖泊,强烈的风浪扰动等使得沉积物与水体营养盐交换频繁,能够快速满足水华暴发时藻类对营养盐的需求,我国学者在相关领域开展了大量的研究.

  目前,关于太湖沉积物营养元素相关研究多集中于不同湖区的空间分布及水体-沉积物界面之间营养元素的生物地球化学过程,而针对太湖上游入湖河网中沉积物的相关研究较为欠缺.实际上,流域水系河流沉积物的理化性质和营养盐赋存形态对解析太湖湖泊水体营养盐的来源、河流水系的营养盐输运过程与能力具有重要的指示作用.由于太湖河网密布,流域土地利用类型多样、空间异质性大,需要足够数量的代表性样点数据来分析其污染特征.本研究依靠高密度布点,选取西苕溪水系和宜溧-洮滆水系作为对象,分别代表山区树状和平原网状两种典型的入湖河流水系,研究河流沉积物中N元素的形态、空间分布及其与上覆水体之间的关系,旨在揭示太湖西部河网的N元素分布规律,为N污染物源解析及输运过程分析提供基础资料,研究结果对太湖流域的水环境管理也将具有参考价值.

  2 材料与方法

  2.1 研究区域概况

  此次研究主要集中在太湖流域的西苕溪水系和宜溧-洮滆水系(图 1).苕溪分东、西两支,其中,西苕溪为太湖的主要入湖河流,发源于浙江省安吉县和安徽省宁国县境内天目山区,流经安吉县、湖州市,后与东苕溪汇合于小梅口和大钱口最终汇入太湖.西苕溪水系年均注入太湖水量为1.89×109 m3,约占太湖年均入湖水量的18%.

 图1 太湖流域主要入湖水系河流沉积物及水样采样点位示意图

  宜溧水系和洮滆水系分别发源于茅山与苏浙皖三省交界处的界岭山地和金坛境内茅山东麓.宜溧水系经宜兴的西氿、团氿和东氿3个湖泊后于大浦、长兜港等主要河道汇入太湖.洮滆水系通过漕桥河、太滆运河、殷村港、烧香港等东西向的主干河道后汇入太湖竺山湾,同时通过丹金溧漕河、扁担河-孟津河、武宜运河、锡溧漕河等多条南北向河道与宜溧水系相贯通.因此,宜溧-洮滆水系共同构成了太湖湖西区平原网状水系,年均注入太湖水量为4.88×109 m3,约占太湖年均入湖水量的50%,也是入湖污染负荷通量最大的水系.

  2.2 水样、表层沉积物样品采集与分析

  对两个水系的主要支流及汇合区域进行水质和表层沉积物采样点的布设,共设定采样点位102个(图 1),并于2014年1月完成沉积物及水样的采集工作.其中,西苕溪水系采样点16个,宜溧-洮滆水系采样点86个.在每个采样点位使用2.5 L采水器采集水面下0.5 m处水样1000 mL,低温下避光保存;用彼德森采泥器随机采集2份表层(0~10 cm)沉积物样品,现场去除贝类、枯枝等杂物后混合均匀并装入聚乙烯袋密封.采样结束后,立即将所有样品运回实验室分析.

  原水样用于测定总氮(TN)浓度,经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后的水样用于测定氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和亚硝态氮(NO2--N)浓度.参照《水和废水监测分析方法》,使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN浓度,水杨酸-次氯酸盐光度法测定NH4+-N浓度,酚二磺酸分光光度法测定NO3--N浓度,N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定NO2--N浓度.

  沉积物样品自然风干后研磨过100目筛,用于测定TN、NH4+-N和NO3--N含量,沉积物样品各形态N含量的计算均以沉积物干重为基准.采用半微量开氏法测定TN含量,KCl提取-钠氏比色法测定NH4+-N含量,饱和硫酸钙提取-紫外分光光度法测定NO3--N的含量.有机氮(ON)含量为TN与NH4+-N、NO3--N的含量之差.因为NO2--N是硝化反硝化反应中间体,极不稳定,且含量通常很低可忽略,因此,表层沉积物中只分析TN、NH4+-N、NO3--N及ON的含量.

  采用SPSS 19.0和R软件等进行数据统计分析,对水系表层沉积物各形态N含量设定p<0.05和p<0.01两种置信度水平进行差异的显著性比较;利用ArcMap 10软件绘制沉积物各形态N含量空间分布图.

  3 结果与分析

  3.1 水体中N污染基本特征

  从TN指标评价,西苕溪、宜溧-洮滆水系水质全部不及地表水环境质量标准(GB3838—2002)V类,研究区域水体中N污染程度严重.在上覆水体的各形态N中,虽然两个水系中TN、NH4+-N和NO3--N浓度的最大值相差不大,但宜溧-洮滆水系这几项指标的平均值和最小值均高于西苕溪水系(表 1).针对各形态N而言,NO3--N浓度约占TN的40%左右,在各形态N中所占比例较大;而NO2--N浓度占TN的比例不到1%.

 表1 上覆水体中不同形态氮的浓度

  3.2 沉积物中N形态与空间分布

  如表 2所示,西苕溪水系表层沉积物中TN含量的均值(2164.9 mg · kg-1)显著高于宜溧-洮滆水系(983.5 mg · kg-1).从N的形态上看,沉积物中的ON和NH4+-N含量在西苕溪水系较宜溧-洮滆水系高.两个水系沉积物中ON含量的平均值分别为2034.41 mg · kg-1和917.77 mg · kg-1,ON占TN的百分比分别为93.90%和92.99%(表 2和图 3);其次为NH4+-N,两个水系沉积物中的平均值分别为120.90 mg · kg-1和49.85 mg · kg-1.可见,ON是河流沉积物中N的主要存在形式,而NH4+-N为无机氮(IN)的主要存在形式.NO3--N在两个水系沉积物中含量普遍较低,但其在宜溧-洮滆水系中的含量比西苕溪水系略高,平均值为13.95 mg · kg-1.

 表2 表层沉积物各形态氮含量

  各形态N含量在西苕溪和宜溧-洮滆水系空间上具有较大的变化(表 2),如TN的最小值仅为142.60 mg · kg-1,最大值可达12597.68 mg · kg-1,相差超过88倍;NH4+-N的最大值超过最小值600倍.由图 2可知,TN和NH4+-N的最大值均出现在西苕溪水系的高桥附近.沉积物NO3--N最大值和最小值分别位于宜溧-洮滆水系的新塘桥附近和西苕溪水系的红山村附近.ON空间分布特征与TN相似,其最小值位于西苕溪水系的东彭家村附近,最大值位于该水系的高桥附近.从两个水系的上下游分析,发现在城市分布较为密集的区域,TN含量明显增大;但在无城镇聚集区域,两条水系沉积物中TN含量变化规律不明显.

 图2 层沉积物总氮、氨氮、硝态氮、有机氮含量及空间分布

 图3 表层沉积物各形态氮所占质量百分数

  3.3 不同形态N之间及沉积物-水体之间的相关性分析

  沉积物样品中TN、NH4+-N、NO3--N和ON含量的Spearman相关性分析表明(表 3),表层沉积物TN与NH4+-N、ON呈显著相关关系(p<0.01),与ON的相关系数达0.997;ON与NH4+-N和NO3--N也呈显著的正相关关系(p<0.01),且与NH4+-N的相关系数高于NO3--N.

 表3 表层沉积物不同氮素相关系数

  从沉积物-上覆水体的相关关系看(表 4),沉积物中TN含量与上覆水体中的TN(p<0.05)和NH4+-N(p<0.01)浓度呈显著相关,沉积物中NH4+-N含量与上覆水体的TN、NH4+-N和NO3--N呈显著相关(p<0.01),同时沉积物的NO3--N含量与上覆水体的TN和NO3--N呈显著相关关系(p<0.01),但所有的相关系数较小,均小于0.4.此外,宜溧-洮滆水系的上覆水体NO3--N浓度与水温呈显著正相关关系(p<0.01),相关系数为0.555,而与DO呈显著负相关关系(p<0.01),相关系数0.502(表 5).

 表4 上覆水体与表层沉积物氮素相关性系数

 
表5 上覆水体硝态氮与水温、pH、溶解氧的相关性系数

  4 讨论

  4.1 表层沉积物N素的关系

  根据美国EPA中沉积物TN污染评价标准,西苕溪水系河流表层沉积物TN平均含量超过1000 mg · kg-1,已达中度污染水平,而宜溧-洮滆水系表层沉积物TN含量均值为983.52 mg · kg-1,接近中度污染水平.两个水系的表层沉积物中TN含量的空间分布呈现一定的相似性(图 2),即TN含量在城市下游呈现明显增加的趋势,尤其是在城镇化程度较为发达的无锡、常州武进区等地区,可能是受上游城市生活污水排放、工业废水排放的影响,如在西苕溪水系的高桥采样点,TN的最大值可达12598 mg · kg-1,而通过现场调研发现该站点上游附近确有工业废水及生活污水直接排入河道,导致河水变黑并伴随恶臭味.

  从空间上看,两个水系沉积N的分布上有所差异.西苕溪水系上游的土地利用类型主要以林地为主,所占比例约87%,中下游耕地面积的比例不断增大,所占比例由4%不断增大到30%.已有研究表明,N的输出会随着耕地比例的增加而增加.理论上西苕溪流域沉积物TN含量应该出现逐渐增大的趋势,但由于西苕溪水系利用水利设施进行闸坝调控,沉积物TN分布受水文、水动力条件影响较大,其含量会突然在某处出现高值,如西苕溪水系的马岭村采样点,高值点为8283.89 mg · kg-1.而对于宜溧-洮滆水系的沉积物而言,其不断受到航运扰动及河流输运的影响,TN含量在主要河道内(丹金溧漕河、武宜运河等)沿程变化不大.

  从形态上看,沉积物中TN主要以ON形式存在(占90%以上),IN主要以NH4+-N形式存在,特别对于西苕溪水系而言,其表层沉积物ON和NH4+-N含量很高.曾经对7条环太湖河流和太滆南运河入湖口沉积物中IN的形态进行了分析,研究结果均表明,NH4+-N为沉积物中IN的主要存在形态,其他河流相关研究也显示这一特征.此外,沉积物中NH4+-N的含量与有机质含量、沉积环境及水动力情况等有关.沉积物表层几个毫米以下属于缺氧或厌氧状态,ON在该环境条件下降解产生NH4+-N并不断累积于沉积物中,因此,两个水系的NH4+-N是各自IN的主要存在形式.此外,西苕溪水系养殖业(禽畜养殖、淡水养殖)较为密集,有机物浓度较高,又因闸坝调控影响,水体流通不畅,船运扰动小,水体中的NH4+-N逐步沉积在沉积物表层,使得该水系沉积物中NH4+-N含量较高;而宜溧-洮滆水系在沉积物中累积的NH4+-N在船舶扰动和水流输运作用下易于向水体释放,导致其含量低于西苕溪水系.

  4.2 上覆水体与表层沉积物N素的关系

  沉积物-水界面的物质交换可对上覆水体的营养水平和环境质量产生不可忽视的影响.当上覆水体浓度较高时,其所含营养盐不断向表层沉积物富集,使沉积物中相应营养盐含量增加.当沉积物中各形态N的浓度高于上覆水体中相应的N形态的浓度时,在浓度梯度的驱动下,沉积物中的IN具有上覆水体释放的潜能,进而影响上覆水体中相关营养盐的浓度.

  宜溧-洮滆水系沉积物中TN、NH4+-N、ON含量均远低于苕溪水系,但上覆水体中这些形态N的浓度均高于苕溪水系,尤其是NO3--N浓度,在宜溧-洮滆水系的水体和沉积物中均高于苕溪水系.水体中NO3--N浓度较高的原因可能在于以下两点:①宜溧-洮滆水系所在流域为苏南地区城镇、人口和工业最为密集的区域,污染负荷以城市生活污水及工业废水为主,河流中N的污染较为严重,NO3--N浓度相应较高;②宜溧-洮滆水系主要河道不断受到航运的扰动,水体中NH4+-N不能有效地沉降,而且波浪导致的沉积物悬浮促使所含营养盐产生释放,从而造成水体中溶解性或无机态的营养盐浓度增加.同时,水体在剧烈扰动下复氧能力增强,硝化作用也所有加强,从而导致上覆水体中较高的NO3--N浓度,表 5显示水体中NO3--N的浓度与水体温度、DO和pH值等环境因子均具有显著相关性也证明了这一点,即硝化反应速率在水温高的条件下较快,在消耗水体溶解氧的同时降低其pH值.沉积物中NO3--N浓度略高的原因可能在于波浪扰动增加了DO在沉积物中的侵蚀深度,从而改变沉积物-水界面的氧化还原环境,使表层沉积物处于弱氧化状态,在该条件下硝化作用增强,导致部分NH4+-N逐步向NO3--N转化.

  4.3 西部河网N的迁移转化与输运过程分析

  氮污染在流域空间上产生和排入河道后,在向河口输运的过程中会经历一系列的物理化学和生物学反应,例如,氨化、硝化和反硝化、吸附解析及沉淀与再悬浮过程.其中,硝化与反硝化、沉淀与再悬浮是影响其输运通量的主要过程.除水温、DO和pH等环境因素外,N在输运过程中的停留时间是影响其生物学过程损失的最重要因素.

  西苕溪水系因闸坝调控影响,水体流通不畅,船运扰动小,沉积物中氮易于蓄积,N在输运的过程中停留时间较长,在沉积物表层好氧和亚表层缺氧状态条件下,其有足够的时间进行硝化和反硝化作用,较高的反硝化速率将导致水体中NO3--N的浓度较低,沿程损失较大.而对于宜溧-洮滆水系来说,其主要特点在于频繁的船运扰动,沉积物不断发生沉淀与再悬浮,使得水体及沉积物中主要发生的是硝化作用,相关研究亦证实西部河网沉积物中反硝化潜能较弱,因此,该水系水体和沉积物中均含有较高的NO3--N.此外,该水系流量大,占太湖入湖水量的50%左右,流域上的氮在输运过程中由于缺乏有效停留时间,削减量有限,从而对入湖通量贡献较大.

  值得指出的是,本研究主要结合野外调查数据分析了研究区沉积物和上覆水体N的空间分布,今后需进一步定量研究沉积物-水界面之间N的迁移转化、N的释放潜能及其在河网内的输运过程,为入湖污染物的控制提供更加可靠有效的依据.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  5 结论

  1)宜溧-洮滆水系和西苕溪水系表层沉积物TN分布各异,变化范围在142.60~12597.68 mg · kg-1间.西苕溪水系的表层沉积物中TN含量高于宜溧-洮滆水系,已达中度污染水平.TN含量在流经城市分布密集区域之后呈现出明显增加的趋势,表明沉积物TN分布与城市污水、工业废水等排放有一定的关系.

  2)宜溧-洮滆水系和西苕溪水系的表层沉积物中NH4+-N含量远高于NO3--N含量,介于2.54~1317.03 mg · kg-1之间.ON分布与TN相似,变化范围为133.86~11232.55 mg · kg-1,占TN百分比的90%以上.由此可见,NH4+-N为IN的主要形式,ON为沉积物中TN的主要存在形式.

  3)宜溧-洮滆水系城镇密布、工业发达,加上航运对沉积物的剧烈扰动,水体中各形态N浓度相对苕溪水系较高,同时,水体复氧能力增强使其NO3--N浓度略高于苕溪水系.相反,苕溪水系沉积物受扰动较小,沉积物中TN和NH4+-N易于累积,其含量远高于宜溧-洮滆水系沉积物.

  4)沉积物中各形态N的浓度均高于上覆水体中相应形态N的浓度,并且研究的沉积物中各形态N(表 3)与上覆水体中N浓度(表 4)之间均表现出一定的相关性.在浓度梯度和航运扰动等因素的驱动下,沉积物中的N营养盐具有向上覆水体释放的潜能.

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