污水匯入河流對水體N2O排放通量的影響

1、河南師范大學本科畢業(yè)論文河南師范大學本科畢業(yè)論文 學號： 1204114094 污水匯入對新鄉(xiāng)市衛(wèi)河N2O排放的影響研究 學院名稱： 生命科學學院 專業(yè)名稱： 生物科學 班級名稱： 12級1班 姓 名： 楊力敢 指導老師： 侯翠翠 2016年5月15河南師范大學本科畢業(yè)論文污水匯入對新鄉(xiāng)市衛(wèi)河N2O排放的影響研究摘 要: 2016年3月采用漂浮靜態(tài)箱法對衛(wèi)河排污河段水體N2O排放空間變化進行監(jiān)測，同時測定各環(huán)境指標并分析其與N2O排放的關系。結果顯示排污水體pH值為7.73，呈弱堿性；且水體的DO含量較高，為8.99mg/L。河水的NO3-N的含量在各取樣點的變化不大，變化范圍在34mg/L之

2、間。而河水的NH4+-N含量在河水流向上具有明顯的累積效應，N2O排放通量也具有隨距離增加而增強，最大值出現(xiàn)在距排污口200m處，之后下降。分析表明河水的DO含量和水溫呈負相關（p0.05, R2=0.83），N2O排放通量主要受水中DIC含量的限制，二者之間呈顯著正相關關系（p0.05, R2=0.63）。關鍵詞 漂浮靜態(tài)箱法；N2O通量； DIC Study on the effect of sewage discharge on N2O emission of Wei River in Xinxiang CityAbstract：Floating static chamber metho

3、d was applied to study the effect of sewage discharge on N2O emissions of Wei river in Xinxiang city, in March 2016. Environment factors were monitored and their relationships with N2O flux were analyzed. the sewage outfall water had pH value of 7.73, and DO of the alkaline water was at a high conte

4、nt of 8.99mg/L. NO3-N content changed little at each sampling site with a range of 34mg/L. While the content of NH4+-N has a cumulative effect along the river after the sewage water input. N2O flux also increased with distance and the highest value appeared at the downstream 200m away from the outle

5、t. Correlation analysis showed that DO was negatively correlated with water temperature of river（p0.05, R2=0.828）. While N2O flux was restrained by DIC content as they were significantly positively correlated with each other (p0.95時視為有效。使用玻璃采水器采集每個采樣點河道表層0.5 m處的河水，并同時監(jiān)測水溫、氣溫，靜態(tài)箱內氣溫變化，取500mL水樣帶回實驗室，水

6、樣中氨態(tài)氮（NH4+-N）的測定采用納氏試劑分光光度法測定，硝態(tài)氮（NO3-N）濃度的測定采用分光光度法測定。采樣的同時利用便攜式水質多參數(shù)測定儀分別測量每個采樣點的水體的pH值和DO。2.4數(shù)據(jù)分析使用Microsoft Excel 2010 和IBN SPSS Statistics 22進行數(shù)據(jù)分析處理和作圖。3實驗結果和分析1 排污水體性質監(jiān)測結果表明排污口水體pH為7.73（表1），水質為弱堿性。此外排污口的DO含量為8.99mg/L，說明污水經過較為充分的耗氧處理。DIC的含量都較高，活性氮的含量與一般自然水體相比也具有較高的濃度，說明污水處理過程中有明顯的曝氣過程，并且污水中無機碳

7、和無機氮含量較高。表1排污口污水理化性質Table 1 Physical characters of sewage from the outlet 測量點DO(mg/L）pH NH4+-N (mg/L)NO3-N (mg/L)DIC(mg/L）DOC (mg/L)氣溫（）水溫（）排污口8.997.731.475.6235.7776.9018.712.252 不同監(jiān)測點河流中營養(yǎng)物質含量變化 不同監(jiān)測點河流中河水的NO3-N的含量差別不明顯（圖2），處于34 mg/L之間且變化幅度較小；-50 m監(jiān)測點河流中河水的NO3-N的含量最低，其位于排污口上游50 m處，未受污水匯入的影響，說明污水匯入

8、前河流水體中NO3-N的含量在3.30mg/L左右；而其他5個監(jiān)測點水體中NO3-N的含量都高于-50 m監(jiān)測點，從表 1 可知污水水體NO3-N的含量較高為5.62 mg/L，說明污水匯入使得河流水體中NO3-N的含量增加。圖2 不同監(jiān)測點河流水體中NO3-N的含量變化與其他監(jiān)測點相比，-50 m監(jiān)測點河流水體中NH4+-N的含量最低（圖3），為0.41 mg/L，又因為其在排污口上游處，不受污水匯入的影響，說明污水匯入前河流中氨態(tài)氮含量較低。其他5個監(jiān)測點位于排污口的附近或者下游，受到污水匯入的影響，造成河流水體中NH4+-N的含量的增加；從0 m處監(jiān)測點到400 m處監(jiān)測點河流水體中NH

9、4+-N的含量整體呈遞增的趨勢，即河流水體中NH4+-N的含量在河流的流向上有累積現(xiàn)象，但在200 m處監(jiān)測點河流水體中NH4+-N含量表現(xiàn)出暫時下降。圖3 不同監(jiān)測點河流水體中NH4+-N的含量變化 距排污口-50m處監(jiān)測點的河流水體的DIC含量最低（圖4），為30.11 mg/L，低于污水中的DIC含量（35.77 mg/L）；監(jiān)測點0 m處河流水體中DIC含量為35.96 mg/L，高于污水以及匯入前河流含量，其原因可能由于污水匯入造成的動力混合作用使得沉積物中無機碳進入水體，增加了DIC的量。隨水流方向，河流中DIC由逐步降低，50 m處的監(jiān)測點水體中DIC含量為30.71 mg/L，

10、隨后又表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，最大值出現(xiàn)在監(jiān)測點200 m處，該處水體中DIC的含量達到最高值為36.66 mg/L，之后在400 m處的水體中DIC的含量有所下降，為33.44mg/L,所以說在距排污口200 m左右的距離，河水水體中DIC在這個距離發(fā)生了累積效應,但是這種累積效應不是很顯著，其原因可能味河流與污水中DIC含量相差不大造成的。圖4 不同監(jiān)測點河流水體中DIC的含量變化圖 污水匯入前河流即-50 m處監(jiān)測點河流水體中DOC含量為44.04 mg/L（圖5），而污水中DOC含量為該處含量的近2倍（表1），匯入河流中會使后者DOC含量大幅度增加。由結果可知0 m處監(jiān)測點DOC含量

11、達到最高值為142.94 mg/L，遠遠高于污水以及匯入前河流，說明除污水的有機質輸入外，水流的動力作用也促進了底泥及泥質護岸中有機質的釋放。而伴隨河水流動DOC被往下游運輸?shù)倪^程中，懸浮物質逐漸沉積，動力混合作用減弱，河流DOC含量逐漸降低。但在50-200m距離內，河流DOC含量呈現(xiàn)積累態(tài)勢，在200 m處監(jiān)測點河流水體中DOC含量達到峰值，含量為134.4823mg/L。200 m之后河流水體中DOC的含量就開始下降，初步說明在距排污口200 m處河流中DOC的含量發(fā)生了顯著的累積效應，可以推斷河流水體中DOC的含量的累積距離為200 m。圖5 不同監(jiān)測點河流水體中DOC的含量變化 由結

12、果可知，污水中DO含量（8.99mg/L）顯著低于污水匯如前河流DO水平（-50m監(jiān)測點），并且污水匯入并未對匯入點的河流DO含量造成影響，可見水流作用造成的湍流會增加水中氧氣的溶解含量，0 m和-50 m處的監(jiān)測點河流水體中DO含量在20.0 mg/L左右。而隨著湍流作用減弱，沿水流方向，污水匯入降低了河流DO含量， 50 m和100 m處的監(jiān)測點河流水體中DO含量相接近，在14.0mg/L左右，200 m處監(jiān)測點河流水體中DO含量水平最低，為10.25mg/L；但400 m處監(jiān)測點河流水體的DO含量又重新增加，達到12.09mg/L。說明污水對河流中DO的削弱效應在200m處達到最強。圖6

13、 不同監(jiān)測點河流水體中DO含量的變化3 不同監(jiān)測點河流中N2O排放速率的變化研究結果表明N2O排放通量的最低值和最高值分別出現(xiàn)在監(jiān)測點-50 m和200m處，其數(shù)值分別是0.55mol/（m2h）和27.29mol/（m2h）；0 m，50 m，100 m和400 m這四處監(jiān)測點河流水體中的N2O排放通量無明顯差別，這個范圍為1114mol/（m2h）；-50 m處監(jiān)測點的河水水體中的N2O排放通量為0.55mol/（m2h），顯著低于污水匯入后河流排放通量。在0 m處取樣點以后的河水的N2O排放通量都在10mol/（m2h）以上，說明了排污口排出的污水匯入到衛(wèi)河中是河水的N2O排放通量的增加

14、的主要原因。從0 m到100 m處監(jiān)測點的河水水體中的N2O排放通量有所下降，但下降的幅度不大；在200 m處取樣點所取的河水中的N2O排放通量的大幅度增加，達到最大值，通量大小為27.29mol/（m2h）。200 m之后河水水體中的N2O排放通量大幅下降，至400 m處的監(jiān)測點河水水體中的N2O排放通量降為13.57mol/（m2h），說明沿流向距排污口200 m的監(jiān)測點河流水體N2O排放通量的發(fā)生了累積效應，且十分明顯。圖7 不同監(jiān)測點河流水體中N2O排放通量變化 4討論 在處理各種污水中的硝酸鹽有一種方法特別環(huán)保，高效，經濟，那就是利用微生物反硝化的作用，從而達到消除污水中硝酸鹽的目的

15、。在此過程中反硝化細菌有著十分重要的功勞,它能夠使NO3-逐步轉變?yōu)镹O2-、NO、N2O和N2,從而達到脫氮的目的。在這之中反硝化細菌主要有三種：異養(yǎng)厭氧反硝化細菌，異養(yǎng)好氧反硝化細菌，自養(yǎng)反硝化細菌。近些年來有許多的學者在其大量的實驗過程中發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象,在相同種類細菌懸浮培養(yǎng)基中,溶解氧的濃度達到10%到20%的飽和,這說明好氧反硝化作用的確在發(fā)生1113。同時，由于現(xiàn)今科學技術的大幅度，飛躍性的突破，已經有科學家利用技術和理論相結合從污水中分離出一種異養(yǎng)好氧反硝化細菌Thisphaera pantotropha，并且還進一步發(fā)現(xiàn)它有一個最基本的硝酸鹽還原酶14,在這不久后也有相關學者通過

16、相關實驗的結果證明了這種還原酶在有氧的狀況下還具有相應的生物活性15。在圖7中可以看出河流水體中DO的含量在1020mg/L的范圍內，屬于高水平的含氧量，與此同時生活污水的匯入給河流水體帶來了大量的DIC等，且河水的水溫基本恒定，這樣給異養(yǎng)好氧反硝化細菌提供了良好的生存環(huán)境，河流就會有大量異養(yǎng)好氧反硝細菌。所以，河流中反硝化過程會加劇，就釋放出大量的N2O氣體，造成了河流水體中N2O排放通量的增加。 本研究中通過分析可以看出河水的溫度和河水水體中DO 的含量呈反比（R2 = 0.828），由于采樣區(qū)域為500m左右的河段，同時在采樣的過程之中天氣幾乎沒有變化，即大氣壓恒定，所以，我們可以得出在

17、大氣壓恒定不變的情況下，河水的溫度與河流水體中DO的含量呈反比，河流的水溫越高，河流水體中DO含量的水平越低。圖8各監(jiān)測點河流的河水溫度與DO含量相互關系通過Pearson相關分析可以看出可以看出不同監(jiān)測點河流水體中N2O排放通量與DIC含量呈顯著正相關（p0.05）（表2）。這就表明了河流水體中N2O排放通量的變化，主要由于污水匯入過程引起的河流中DIC的變化造成的。而導致DIC變化的主要動力除了外源輸入外，動力過程造成的底泥中DIC釋放也是主要原因之一。從表2中可以得出監(jiān)測點河流水體中N2O排放通量與河流水體除DIC含量外的其他數(shù)據(jù)呈一定的相關性，如硝態(tài)氮與氨態(tài)氮與N2O通量之間表現(xiàn)出正相

18、關關系，但并不顯著，說明氮源并非溫室氣體產生的主要控制因素。表2 河流水體中N2O排放通量與河流理化性質相互關系分析名稱DIC (mg/L)DOC (mg/L)DO (mg/L)pH水溫（）NO3-N (mg/L)NH4-N (mg/L)N2O fluxPearson相關性0.8460.7350.1150.508-0.0590.2370.188顯著性（雙尾）0.034*0.0960.8290.3230.9110.6510.721N6666666 5結論結合野外監(jiān)測室室內分析，本試驗結果顯示衛(wèi)河新區(qū)段主要生活污水排污水體pH值為7.73，呈弱堿性，且水體具有較高的DO含量（8.99mg/L）。污

19、水輸入導致有機質DOC以及營養(yǎng)元素NO3-N、NH4+-N呈現(xiàn)一定距離的累積效應，并在200m處達到最大值，同時對pH以及DO的削弱效應也存在相同的空間變化。污水匯入使得河流中N2O排放通量大幅度增加，并且最大值出現(xiàn)在距排污口200m處，與不同環(huán)境因素變化態(tài)勢類似。分析表明河水的DO含量和水溫呈負相關（p0.05, R2=0.83），N2O排放通量主要受水中DIC含量的限制，二者之間呈顯著正相關關系（p0.05, R2=0.63）。參考文獻1Solomon S, Qin D, Manning M, Alley RB, Berntsen T, Bindoff NL, Chen Z, Chidth

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