城污水、工業(yè)廢水對(duì)水體影響

1、GRN格林環(huán)保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)?！背鞘形鬯?、工業(yè)廢水對(duì)水體影響i引言氮(Ztrogen,N)和磷(Phosphorus,P)是重要的生源要素，但也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素，因此，它們是控制富營(yíng)養(yǎng)化的重要目標(biāo)元素.一般認(rèn)為控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵在于減少P元素的輸入.然而，試圖通過(guò)減少P元素輸入以達(dá)到控制湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的許多實(shí)驗(yàn)都未獲得成功，例如，美國(guó)Apopka湖、George湖和Okeechobee湖、中國(guó)東湖及日本霞浦湖.因此，N這一基本元素在湖泊富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中的作用引起了研究者們的廣泛關(guān)注.通過(guò)對(duì)太湖藻類(lèi)營(yíng)養(yǎng)鹽限制的研究發(fā)現(xiàn)，雖然P負(fù)荷的減少具有重要作用，但N負(fù)荷的減少卻可

2、能在本質(zhì)上控制太湖藍(lán)藻爆發(fā)的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間.沉積物作為水體中營(yíng)養(yǎng)鹽(如N、P)的主要存儲(chǔ)庫(kù)，其所含的營(yíng)養(yǎng)鹽元素在一定條件下可以通過(guò)擴(kuò)散、對(duì)流和沉積物再懸浮等過(guò)程向上覆水體釋放，與上覆水體發(fā)生交換而改變其含量，產(chǎn)生顯著的生態(tài)環(huán)境效應(yīng).太湖屬于淺水湖泊，強(qiáng)烈的風(fēng)浪擾動(dòng)等使得沉積物與水體營(yíng)養(yǎng)鹽交換頻繁，能夠快速滿(mǎn)足水華暴發(fā)時(shí)藻類(lèi)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的需求，我國(guó)學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究.目前，關(guān)于太湖沉積物營(yíng)養(yǎng)元素相關(guān)研究多集中于不同湖區(qū)的空間分布及水體-沉積物界面之間營(yíng)養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)過(guò)程，而針對(duì)太湖上游入湖河網(wǎng)中沉積物的相關(guān)研究較為欠缺.實(shí)際上，流域水系河流沉積物的理化性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽賦存形態(tài)對(duì)解析太湖

3、湖泊水體營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源、河流水系的營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)過(guò)程與能力具有重要的指示作用.由于太湖河網(wǎng)密布，流域土地利用類(lèi)型多樣、空間異質(zhì)性大，需要足夠數(shù)量的代表性樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)分析其污染特征.本研究依靠高密度布點(diǎn)，選取西苕溪水系和宜漂-洗涌水系作為對(duì)象，分別代表山區(qū)樹(shù)狀和平原網(wǎng)狀兩種典型的入湖河流水系，研究河流沉積物中N元素的形態(tài)、空間分布及其與上覆水體之間的關(guān)系，旨在揭示太湖西部河網(wǎng)的N元素分布規(guī)律，為N污染物源解析及輸運(yùn)過(guò)程分析提供基礎(chǔ)資料，研究結(jié)果對(duì)太湖流域的水環(huán)境管理也將具有參考價(jià)值.2材料與方法2.1研究區(qū)域概況此次研究主要集中在太湖流域的西苕溪水系和宜漂-洗涌水系(圖1).苕溪分東、西兩支，其中，西苕

4、溪為太湖的主要入湖河流，發(fā)源于浙江省安吉縣和安徽省寧國(guó)縣境內(nèi)天目山區(qū)，流經(jīng)安吉縣、湖州市，后與東苕溪匯合于小梅和大錢(qián)口最終匯入太湖.西苕溪水系年均注入太湖水量為1.89X109m3約占太湖年均入湖水量的18%.4"GREN格林環(huán)保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)保”32箋10MH，叩OO'N3l0'0"N3O03O,O',N119°0,OrT119。3To“E120VWE1NOFOU'E圖1太湖流域主要入湖水系河流沉積物及水樣采樣點(diǎn)位示意圖宜漂水系和洪涌水系分別發(fā)源于茅山與蘇浙皖三省交界處的界嶺山地和金壇境內(nèi)茅山東麓.宜漂水系經(jīng)宜興的

5、西沆、團(tuán)沆和東沆3個(gè)湖泊后于大浦、長(zhǎng)兜港等主要河道匯入太湖.洪涌水系通過(guò)漕橋河、太涌運(yùn)河、殷村港、燒香港等東西向的主干河道后匯入太湖竺山灣，同時(shí)通過(guò)丹金漂漕河、扁擔(dān)河-孟津河、武宜運(yùn)河、錫漂漕河等多條南北向河道與宜漂水系相貫通.因此，宜漂-洗涌水系共同構(gòu)成了太湖湖西區(qū)平原網(wǎng)狀水系，年均注入太湖水量為4.88X109m3,約占太湖年均入湖水量的50%也是入湖污染負(fù)荷通量最大的水系.2.2水樣、表層沉積物樣品采集與分析對(duì)兩個(gè)水系的主要支流及匯合區(qū)域進(jìn)行水質(zhì)和表層沉積物采樣點(diǎn)的布設(shè)，共設(shè)定采樣點(diǎn)位102個(gè)(圖1),并于2014年1月完成沉積物及水樣的采集工作.其中，西苕溪水系采樣點(diǎn)16個(gè)，宜漂-洗涌

6、水系采樣點(diǎn)86個(gè).在每個(gè)采樣點(diǎn)位使用2.5L采水器采集水面下0.5m處水樣1000mL,低溫下避光保存；用彼德森采泥器隨機(jī)采集2份表層(010cm)沉積物樣品，現(xiàn)場(chǎng)去除貝類(lèi)、枯枝等雜物后混合均勻并裝入聚乙烯袋密封.采樣結(jié)束后，立即將所有樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室分析.GREEN格林訐保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)保”原水樣用于測(cè)定總氮（TN）濃度，經(jīng)0.45仙m醋酸纖維濾膜過(guò)濾后的水樣用于測(cè)定氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3-N）和亞硝態(tài)氮（NO2-N）濃度.參照水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法，使用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN濃度，水楊酸-次氯酸鹽光度法測(cè)定NH4+-N濃度，酚二磺酸分光光度法測(cè)定N

7、O3-N濃度，N-（1-蔡基）-乙二胺光度法測(cè)定NO2-N濃度.沉積物樣品自然風(fēng)干后研磨過(guò)100目篩，用于測(cè)定TNNH4+-N和NO3-N含量，沉積物樣品各形態(tài)N含量的計(jì)算均以沉積物干重為基準(zhǔn).采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定TN含量，KCl提取-鈉氏比色法測(cè)定NH4+-N含量，飽和硫酸鈣提取-紫外分光光度法測(cè)定NO3-N的含量.有機(jī)氮（ON）含量為T(mén)N與NH4+-NNO3-N的含量之差.因?yàn)镹O2-N是硝化反硝化反應(yīng)中間體，極不穩(wěn)定，且含量通常很低可忽略，因此，表層沉積物中只分析TNNH4+-MNO3-N及ON的含量.采用SPSS19.0和R軟件等進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)水系表層沉積物各形態(tài)N含量設(shè)定p&l

8、t;0.05和p<0.01兩種置信度水平進(jìn)行差異的顯著性比較；利用ArcMap10軟件繪制沉積物各形態(tài)N含量空間分布圖.3結(jié)果與分析3.1 水體中N污染基本特征從TN指標(biāo)評(píng)價(jià)，西苕溪、宜漂-洪涌水系水質(zhì)全部不及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）V類(lèi)，研究區(qū)域水體中N污染程度嚴(yán)重.在上覆水體的各形態(tài)N中，雖然兩個(gè)水系中TNNH4+-N?口NO3-N濃度的最大值相差不大，但宜漂-洪涌水系這幾項(xiàng)指標(biāo)的平均值和最小值均高于西苕溪水系（表1）.針對(duì)各形態(tài)N而言，NO3-N濃度約占TN的40流右，在各形態(tài)N中所占比例較大；而NO2-N濃度占TN的比例不到1%.初邦惑水系最小值最大值平均值T

9、N西百漫0.86宜池桃漏2.5=13.3514.724.275.85NHf-N西苕溟0.022.120.62宜深耕涌0.172.03119西苕溪0.291372.07宜漂書(shū)牌S0.995.01281西苕溪O.QQQQ4直灤缺潟0010.290114GREENis林環(huán)保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)?！北韎上覆水體中不同形態(tài)氮的濃度3.2 沉積物中N形態(tài)與空間分布如表2所示，西苕溪水系表層沉積物中TN含量的均值（2164.9mgkg-1）顯著高于宜漂-洪涌水系（983.5mgkg-1）.從N的形態(tài)上看，沉積物中的ON和NH4+-N含量在西苕溪水系較宜漂-洪涌水系高.兩個(gè)水系沉積物中ON&

10、量的平均值分別為2034.41mg-kg-1和917.77mg-kg-1,ON占TN的百分比分別為93.90%92.99%（表2和圖3）;其次為NH4+-N兩個(gè)水系沉積物中的平均值分別為120.90mg-kg-1和49.85mg-kg-1.可見(jiàn)，ONBH流沉積物中N的主要存在形式，而NH4+-N為無(wú)機(jī)氮（IN）的主要存在形式.NO3-N在兩個(gè)水系沉積物中含量普遍較低，但其在宜漂-洪涌水系中的含量比西苕溪水系略高，平均值為13.95mgkg-1.黃邦在水系最小值是大值平均值TFJ苕演142.6012597.692161.91宜漂中睡244673D303-1963E2苕溪6.241317.0312

11、090豆塞書(shū)能321.134gg5NOf-N書(shū)法1.734S,039.&0宜深電E海2.1570.321395ON苕溪133.9611232.552034.41官課聞后鬲227.952730191777表2表層沉積物各形態(tài)氮含量各形態(tài)N含量在西苕溪和宜漂-洗涌水系空間上具有較大的變化（表2）,如TN的最小值僅為142.60mg-kg-1,最大值可達(dá)12597.68mg-kg-1,相差超過(guò)88倍;NH4+-N的最大值超過(guò)最小值600倍.由圖2可知，TN和NH4+-N的最大值均出現(xiàn)在西苕溪水系的高橋附近.沉積物NO3-N最大值和最小值分別位于宜煤-洪涌水系的新塘橋附近和西苕溪水系的紅山村附

12、近.ON空間分布特征與TN相似，其最小值位于西苕溪水系的東彭家村附近，最大值位于該水系的高橋附近.從兩個(gè)水系的上下游分析，發(fā)現(xiàn)在城市分布較為密集的區(qū)域，TN含量明顯增大；但在無(wú)城鎮(zhèn)聚集區(qū)域，兩條水系沉積物中TN含量變化規(guī)律不明顯.GREN格林環(huán)保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)?！眻D2層沉積物總氮、氨氮、硝態(tài)氮、有機(jī)氮含量及空間分布GREEN格林環(huán)保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)?！眻D3表層沉積物各形態(tài)氮所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)3.3 不同形態(tài)N之間及沉積物-水體之間的相關(guān)性分析沉積物樣品中TNNH4+-NNO3-N和ON含量的Spearman相關(guān)性分析表明（表3）,表層沉積物TN與NH4+-NON呈顯著

13、相關(guān)關(guān)系（p<0.01）,與ON的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.997;ON與NH4+-N?口NO3-N也呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（p<0.01）,且與NH4+-N的相關(guān)系數(shù)高于NO3-N.THNHJWrjofriorTN1rjHf-bi1rjOi-rj0.331-0.1171ori0.997,"0.603"0311-1注廠表示在口口三水平雙尾測(cè)驗(yàn):上顯著相關(guān)表示在。m水平雙尾測(cè)黔:上極顯著相關(guān)，桿:1on表3表層沉積物不同氮素相關(guān)系數(shù)從沉積物-上覆水體的相關(guān)關(guān)系看（表4）,沉積物中TN含量與上覆水體中的TN（p<0.05）和NH4+-N（p<0.01）濃度呈顯著相關(guān)，沉

14、積物中NH4+-N含量與上覆水體的TNNH4+-陰口NO3-N呈顯著相關(guān)（p<0.01）,同時(shí)沉積物的NO3-N含量與上覆水體的TN和NO3-N呈顯著相關(guān)關(guān)系（p<0.01），但所有的相關(guān)系數(shù)較小，均小于0.4.止匕外，宜漂-洗涌水系的上覆水體NO3-N濃度與水溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系（p<0.01）,相關(guān)系數(shù)為0.555,而與DC®顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p<0.01）,相關(guān)系數(shù)0.502（表5）.4"GREEN格林訐保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)?！盩N(ncp物冗和物:：門(mén)6.對(duì)（沉積物：h上覆水：0.200'0.27B'-0313-NHJ

15、-N!上覆水：C.359"0.328''0220WrNLL透水）0.0520.2E3"0.31'注：表示砂泥水平楸尾惻驗(yàn)上顯著相關(guān)表示在工01水平/雙尾惻騏上顯酊映，-川膜表4上覆水體與表層沉積物氮素相關(guān)性系數(shù)水泵水溫器減值RH溶解氫DQ苕溪0330-0.249宜潭電E漏0655-0502注：表示荏d比水平:雙尾測(cè)駿:上顯著相關(guān)，一表示在0.01水平:雙尾畫(huà)驍:上極顯著相關(guān).表5上覆水體硝態(tài)氮與水溫、pH、溶解氧的相關(guān)性系數(shù)4討論4.1 表層沉積物N素的關(guān)系根據(jù)美國(guó)EPA中沉積物TN污染評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，西苕溪水系河流表層沉積物TN平均含量超過(guò)1000mgk

16、g-1,已達(dá)中度污染水平，而宜漂-洗涌水系表層沉積物TN含量均值為983.52mgkg-1,接近中度污染水平.兩個(gè)水系的表層沉積物中TN含量的空間分布呈現(xiàn)一定的相似性（圖2）,即TN含量在城市下游呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，尤其是在城鎮(zhèn)化程度較為發(fā)達(dá)的無(wú)錫、常州武進(jìn)區(qū)等地區(qū)，可能是受上游城市生活污水排放、工業(yè)廢水排放的影響，如在西苕溪水系的高橋采樣點(diǎn)，TN的最大值可達(dá)12598mgkg-1,而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該站點(diǎn)上游附近確有工業(yè)廢水及生活污水直接排入河道，導(dǎo)致河水變黑并伴隨惡臭味.從空間上看，兩個(gè)水系沉積N的分布上有所差異.西苕溪水系上游的土地利用類(lèi)型主要以林地為主，所占比例約87%中下游耕地面積的

17、比例不斷增大，所占比例由4%f斷增大到30%.已有研究表明，N的輸出會(huì)隨著耕地比例的增加而增加.理論上西苕溪流域沉積物TN含量應(yīng)該出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但由于西苕溪水系利用水利設(shè)施進(jìn)行閘壩調(diào)控，沉積物TN分布受水文、水動(dòng)力條件影響較大，其含量會(huì)突然在某處出現(xiàn)高值，如西苕溪水系的馬嶺村采樣點(diǎn)，高值點(diǎn)為8283.89mgkg-1.而對(duì)于宜漂-洪涌水系的沉積物而言，其不斷受到航運(yùn)擾動(dòng)GRN格林環(huán)保及河流輸運(yùn)的影響,不大.環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)?！盩N含量在主要河道內(nèi)（丹金漂漕河、武宜運(yùn)河等）沿程變化從形態(tài)上看，沉積物中TN主要以O(shè)N形式存在（占90%Z上），IN主要以NH4+-N形式存在，特別

18、對(duì)于西苕溪水系而言，其表層沉積物O明口NH4+-N含量很高.曾經(jīng)對(duì)7條環(huán)太湖河流和太浦南運(yùn)河入湖口沉積物中IN的形態(tài)進(jìn)行了分析,研究結(jié)果均表明，NH4+-N為沉積物中IN的主要存在形態(tài)，其他河流相關(guān)研究也顯示這一特征.此外，沉積物中NH4+-N的含量與有機(jī)質(zhì)含量、沉積環(huán)境及水動(dòng)力情況等有關(guān).沉積物表層幾個(gè)毫米以下屬于缺氧或厭氧狀態(tài)，ONft該環(huán)境條件下降解產(chǎn)生NH4+-N并不斷累積于沉積物中，因此，兩個(gè)水系的NH4+-N是各自IN的主要存在形式.止匕外，西苕溪水系養(yǎng)殖業(yè)（禽畜養(yǎng)殖、淡水養(yǎng)殖）較為密集，有機(jī)物濃度較高，又因閘壩調(diào)控影響，水體流通不暢，船運(yùn)擾動(dòng)小，水體中的NH4+-N逐步沉積在沉積

19、物表層，使得該水系沉積物中NH4+-N含量較高；而宜漂-洪涌水系在沉積物中累積的NH4+-N在船舶擾動(dòng)和水流輸運(yùn)作用下易于向水體釋放，導(dǎo)致其含量低于西苕溪水系.4.2 上覆水體與表層沉積物N素的關(guān)系沉積物-水界面的物質(zhì)交換可對(duì)上覆水體的營(yíng)養(yǎng)水平和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生不可忽視的影響.當(dāng)上覆水體濃度較高時(shí)，其所含營(yíng)養(yǎng)鹽不斷向表層沉積物富集，使沉積物中相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)鹽含量增加.當(dāng)沉積物中各形態(tài)N的濃度高于上覆水體中相應(yīng)的N形態(tài)的濃度時(shí)，在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，沉積物中的IN具有上覆水體釋放的潛能，進(jìn)而影響上覆水體中相關(guān)營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度.宜煤-洪涌水系沉積物中TNNH4+-NO的量均遠(yuǎn)低于苕溪水系，但上覆水體中這些形態(tài)N的

20、濃度均高于苕溪水系，尤其是NO3-N濃度，在宜漂-洪浦水系的水體和沉積物中均高于苕溪水系.水體中NO3-N濃度較高的原因可能在于以下兩點(diǎn)：宜漂-洪涌水系所在流域?yàn)樘K南地區(qū)城鎮(zhèn)、人口和工業(yè)最為密集的區(qū)域，污染負(fù)荷以城市生活污水及工業(yè)廢水為主，河流中N的污染較為嚴(yán)重，NO3-N濃度相應(yīng)較高；宜漂-洪涌水系主要河道不斷受到航運(yùn)的擾動(dòng)，水體中NH4+-N不能有效地沉降，而且波浪導(dǎo)致的沉積物懸浮促使所含營(yíng)養(yǎng)鹽產(chǎn)生釋放，從而造成水體中溶解性或無(wú)機(jī)態(tài)的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加.同時(shí)，水體在劇烈擾動(dòng)下復(fù)氧能力增強(qiáng)，硝化作用也所有加強(qiáng)，從而導(dǎo)致上覆水體中較高的NO3-N濃度，表5顯示水體中NO3-N的濃度與水體溫度、DO

21、和pH值等環(huán)境因子均具有顯著相關(guān)性也證明了這一點(diǎn)，即硝化反應(yīng)速率在水溫高的條件下較快，在消耗水體溶解氧的同時(shí)降低其pH值.沉積物中NO3-N濃度略高的原因可能在于波浪擾動(dòng)增加了DO在沉積物中的侵蝕深度，從而改變沉積物-水界面的氧化還原環(huán)境，使表層沉積物處于弱氧化狀態(tài)，在該條件下硝化作用增強(qiáng)，導(dǎo)致部分NH4+-N逐步向NO3-N轉(zhuǎn)化.4.3 西部河網(wǎng)N的遷移轉(zhuǎn)化與輸運(yùn)過(guò)程分析GRN格林環(huán)保環(huán)保水處理工程就找“武漢格林環(huán)?！钡廴驹诹饔蚩臻g上產(chǎn)生和排入河道后，在向河口輸運(yùn)的過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷一系列的物理化學(xué)和生物學(xué)反應(yīng)，例如，氨化、硝化和反硝化、吸附解析及沉淀與再懸浮過(guò)程.其中，硝化與反硝化、沉淀與冉懸

22、浮是影響其輸運(yùn)通量的主要過(guò)程.除水溫、DOWpH等環(huán)境因素外，N在輸運(yùn)過(guò)程中的停留時(shí)間是影響其生物學(xué)過(guò)程損失的最重要因素.西苕溪水系因閘壩調(diào)控影響，水體流通不暢，船運(yùn)擾動(dòng)小，沉積物中氮易于蓄積，N在輸運(yùn)的過(guò)程中停留時(shí)間較長(zhǎng)，在沉積物表層好氧和亞表層缺氧狀態(tài)條件下，具有足夠的時(shí)間進(jìn)行硝化和反硝化作用，較高的反硝化速率將導(dǎo)致水體中NO3-N的濃度較低，沿程損失較大.而對(duì)于宜漂-洗涌水系來(lái)說(shuō)，其主要特點(diǎn)在于頻繁的船運(yùn)擾動(dòng)，沉積物不斷發(fā)生沉淀與再懸浮，使得水體及沉積物中主要發(fā)生的是硝化作用，相關(guān)研究亦證實(shí)西部河網(wǎng)沉積物中反硝化潛能較弱，因此，該水系水體和沉積物中均含有較高的NO3-N.此外，該水系流量大，占太湖入湖水量的50流右，流域上的氮在輸運(yùn)過(guò)程中由于缺乏有效停留時(shí)間，削減量有限，從而對(duì)入湖通量貢獻(xiàn)較大.值得指出的是，本研究主要結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)分析了研究區(qū)沉積物和上覆水體N的空間分布，今后需進(jìn)一步定量研究沉積物-水