再生水修復河道水體中總氮的空間變化趨勢

李宇涵

摘 要：為研究再生水修復河道水體中總氮的空間變化趨勢，本研究在潮白河再生水補給河道順義段進行了現場采樣。在上、中、下游共設置了11個采樣點，分析其水體中總氮及物理化學指標。再生水出水口總氮含量超出了我國景觀環境用水的再生水水質標準，但經過河道的自凈能力，下游的總氮含量達標。總氮與環境因子有一定的相關性，河道中TN含量與pH值呈現出了一定程度的負相關。本研究既可為再生水的研究留下基礎數據，也可為制定更嚴格的再生水水質標準提供科學依據。

關鍵詞：再生水;總氮;空間變化

中圖分類號：X171.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0017-03

再生水是有工業廢水或雨水在經過處理后，達到一定指標的水，總氮含量是衡量其水質的重要指標之一。隨著我國城市污水處理能力的提高，大量利用再生水補充我國北方地區的城市河道，用于河道景觀修復，已成為一種必然趨勢。然而，目前再生水的景觀及生態環境用水在我國剛剛起步，對污染物在水體中的變化趨勢缺乏足夠的研究。由于河道中土壤氮、農業化肥、人畜糞便、生活污水等對水中氮元素影響，以及水中藻類光合作用、水中反硝化作用，使河道上下游的氮含量發生變化。因此，本研究在潮白河再生水補給河道順義段上中下游多地取點采樣，分析水體中總氮含量，對再生水河道中總氮的空間變化趨勢進行研究，既可為再生水的研究留下基礎數據，也可為制定更嚴格的再生水水質標準提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

潮白河是中國海河流域五大河流之一，貫穿北京，天津和河北三省。潮白河穿過密云水庫，懷柔水庫流入北京，是北京最重要的水源之一。順義區城北為減河，在潮白河向陽閘下通過減河閘而進入潮白河，由于多年的干旱，潮白河的向陽閘至河南橡膠壩之間的河段在1999年一致處于斷流狀態，直到2007年10月“引溫濟潮”工程溫榆河的廢水經過當前世界最先進的膜生物反應器（MBR）處理后，達到再生水景觀用水標準，通過減河輸入再生水，排入到減河及潮白河的向陽閘與河南橡膠壩之間的河段。減河為人工河道，兩側襯砌，自然底河道長約4公里，寬約50～90米，平均流速0.015米每秒;向陽閘至河南村橡膠壩河段長約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長約3km，平均寬約200m，蓄水量約600×104m3。溫榆河魯疃閘上游1.4公里的取水口時經過人工濕地的7級過濾，進入潮白河的劣Ⅴ類污水已成為符合Ⅳ類以上地表水標準的景觀水。根據溫榆河水質特性及出水水質主要指標，達到了《地表水環境質量標準》（GB3838——2002）Ⅲ類水體標準，本工程選用“加藥絮凝+MBR工藝”，設計處理規模10萬m3/d。“引溫濟潮”工程設計流量2.5m3/s，年設計引水量3500～3800萬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給河道順義段進行了現場采樣。在上、中、下游共設置了11個采樣點。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，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，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，帶至實驗室，-4℃保存于冰箱中，并在24h內在實驗室對水樣進行分析[1]。

1.3 樣品分析方法

現場采用多功能水質監測儀對河道水體中的pH值，溶氧量（DO），水溫（T），固體溶解量（TDS），電導率（EC）以及硫酸根（SO42-）、氯離子（Cl-）濃度進行了測定。實驗室內采用過硫酸鉀氧化、紫外分光光度法測定總氮含量（TN）[2]。測定方法如下：

1.3.1 繪制校準曲線

取各濃度硝酸鉀標準液，用無氨水稀釋至10ml標線。

用堿性過硫酸鉀進行消解，將比色管置于壓力蒸汽消毒器中，加熱0.5小時，并放氣以使壓力指針返回到零。然后升溫至120～124°C開始計時，使比色管在過熱水蒸氣中加熱0.5小時。自然冷卻，無閥放氣，取出比色管并冷卻至室溫。

加入1毫升鹽酸，用無氨水稀釋至標線，在紫外分光光度計上，用無氨水做參比，并用石英比色皿測量吸光度，然后用校正的吸光度繪制校準曲線。

1.3.2 樣品測定

取適量水樣，按校準曲線繪制步驟進行操作，然后校正其吸光度，在校準曲線上查出對應的總氮含量，并按以下公式計算總氮含量：

總氮（mg/L）=m/V

式中：m—從校準曲線上查得的含氮量（μg）;

V—所取水樣體積（ml）;

數據分析及圖形制作采用Excel軟件。

2 結果與討論

2.1 氮的空間變化與國家標準對比

潮白河再生水補給順義段的總氮空間變化分析結果。從上游到下游，樣點S7和S8對應的總氮含量低于樣點S1，可見，總氮的整體變化趨勢是下降的，說明再生水河道有其自身凈化能力。北部支流順序為S1、S2、S3、S11、S10、S9和S8點，河流經過土壩前，TN呈下降趨勢，但經過土壩后，TN有所上升，最后在下游S9到S8點，TN下降，樣點S8總氮含量為9.595mg/L，與樣點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S1至S7，TN呈波動性下降趨勢，可能由于樣點S6附近樣點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S6的氮含量大幅度上升，上升了38.5%，水體中有大量藻類，但在下游其含量逐漸下降。樣點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%。兩個堤壩附近氮含量都較高，可能由于環境影響或是人類活動的影響。兩支流的TN最大值都出現在河流中下游部分，但也都在下游末端都降低至最小值。

根據我國景觀環境用水的再生水水質標準（GB/T18921 —2002），再生水總氮含量需低于15mg/L，潮白河再生水補給順義段的起始段TN高于15mg/L，但經波動性下降后，于下游達到了景觀用水標準。

2.2 水體中總氮與環境因子之間的關系

總溶解固體（TDS）與電導率（EC）的變化趨勢基本吻合。其變化在樣點S1至S6下降，S6至S7有所回升。樣點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S4至S6，氯離子與硫酸根大幅上升，總氮也大幅上升，可見此區域離子濃度較大，無機鹽含量高，也是此區域藻類大量生長的原因。

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，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，TN下降。隨后樣點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基本穩定，維持在7.5～8.5之間，只有樣點S9的PH值較高，使得樣點S9的TN含量較高。可見，PH與TN基本呈正相關。

溫度的波動性較大，但整體的趨勢是上升的，可能是由于下游人類活動更頻繁。河道南支從樣點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。溫度對硝化作用的影響具有兩重性，隨著溫度升高硝化細菌的生物活性增強，但溫度也對溶解氧影響較大，溫度升高會使溶解氧含量下降，不利于微生物的生命活動[3]。另外，水中藻類也可能會有一定的影響，所以溫度與總氮并沒有呈現出明顯的相關性。

3 結語

（1）潮白河再生水補給河道順義段的總氮含量總體呈下降趨勢，且上游至下游下降幅度比較明顯，并在下游河段滿足了我國景觀環境用水的再生水水質標準，可見再生水河道有其一定的自身凈化能力，制定再生水出水標準時應加以考慮。

（2）再生水河道中總氮含量也與環境因子有相關性。在本實驗條件下，河道中TN含量與pH值呈現出了一定程度的負相關，這和水質一直保持在弱堿性是有關系的。中下游由于微生物和人類活動影響，使得無機鹽含量上升，氮含量也有一定程度的上升，導致藻類繁殖，我們也應注意中下游水體維護，保持生態平衡。

參考文獻

[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] 國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會編（4版）.水和廢水監測分析方法[M].北京：中國環境科學出版社，2002：12.

[3] 徐繼榮，王友紹，孫松.海岸帶地區的固氮、氨化、硝化與反硝化特征[J].生態學報，2004（12）：2907-2914.