污水匯入河流對(duì)水體N2O排放通量的影響

1、河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文 學(xué)號(hào)： 1204114094 污水匯入對(duì)新鄉(xiāng)市衛(wèi)河N2O排放的影響研究 學(xué)院名稱： 生命科學(xué)學(xué)院 專業(yè)名稱： 生物科學(xué) 班級(jí)名稱： 12級(jí)1班 姓 名： 楊力敢 指導(dǎo)老師： 侯翠翠 2016年5月15河南師范大學(xué)本科畢業(yè)論文污水匯入對(duì)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(duì)衛(wèi)河排污河段水體N2O排放空間變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)測(cè)定各環(huán)境指標(biāo)并分析其與N2O排放的關(guān)系。結(jié)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(diǎn)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(yīng)，N2O排放通量也具有隨距離增加而增強(qiáng)，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(fù)相關(guān)（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(guān)關(guān)系（p0.05, R2=0.63）。關(guān)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(shí)視為有效。使用玻璃采水器采集每個(gè)采樣點(diǎn)河道表層0.5 m處的河水，并同時(shí)監(jiān)測(cè)水溫、氣溫，靜態(tài)箱內(nèi)氣溫變化，取500mL水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，水

6、樣中氨態(tài)氮（NH4+-N）的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，硝態(tài)氮（NO3-N）濃度的測(cè)定采用分光光度法測(cè)定。采樣的同時(shí)利用便攜式水質(zhì)多參數(shù)測(cè)定儀分別測(cè)量每個(gè)采樣點(diǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理和作圖。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析1 排污水體性質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明排污口水體pH為7.73（表1），水質(zhì)為弱堿性。此外排污口的DO含量為8.99mg/L，說(shuō)明污水經(jīng)過(guò)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(shuō)明污水處理過(guò)程中有明顯的曝氣過(guò)程，并且污水中無(wú)機(jī)碳

7、和無(wú)機(jī)氮含量較高。表1排污口污水理化性質(zhì)Table 1 Physical characters of sewage from the outlet 測(cè)量點(diǎn)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(cè)點(diǎn)河流中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量變化 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)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?。?50 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shuō)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體中NO3-N的含量都高于-50 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從表 1 可知污水水體NO3-N的含量較高為5.62 mg/L，說(shuō)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(cè)點(diǎn)河流水體中NO3-N的含量變化與其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比，-50 m監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體中NH4+-N的含量最低（圖3），為0.41 mg/L，又因?yàn)槠湓谂盼劭谏嫌翁?，不受污水匯入的影響，說(shuō)明污水匯入前河流中氨態(tài)氮含量較低。其他5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)到400 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體中NH

9、4+-N的含量整體呈遞增的趨勢(shì)，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(cè)點(diǎn)河流水體中NH4+-N含量表現(xiàn)出暫時(shí)下降。圖3 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體中NH4+-N的含量變化 距排污口-50m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(dòng)力混合作用使得沉積物中無(wú)機(jī)碳進(jìn)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(cè)點(diǎn)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(shì)，最大值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)200 m處，該處水體中DIC的含量達(dá)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(shuō)在距排污口200 m左右的距離，河水水體中DIC在這個(gè)距離發(fā)生了累積效應(yīng),但是這種累積效應(yīng)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(huì)使后者DOC含量大幅度增加。由結(jié)果可知0 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)DOC含量

11、達(dá)到最高值為142.94 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于污水以及匯入前河流，說(shuō)明除污水的有機(jī)質(zhì)輸入外，水流的動(dòng)力作用也促進(jìn)了底泥及泥質(zhì)護(hù)岸中有機(jī)質(zhì)的釋放。而伴隨河水流動(dòng)DOC被往下游運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，懸浮物質(zhì)逐漸沉積，動(dòng)力混合作用減弱，河流DOC含量逐漸降低。但在50-200m距離內(nèi)，河流DOC含量呈現(xiàn)積累態(tài)勢(shì)，在200 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體中DOC含量達(dá)到峰值，含量為134.4823mg/L。200 m之后河流水體中DOC的含量就開(kāi)始下降，初步說(shuō)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(yīng)，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(cè)點(diǎn)河流水體中DOC的含量變化 由結(jié)

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(cè)點(diǎn)），并且污水匯入并未對(duì)匯入點(diǎn)的河流DO含量造成影響，可見(jiàn)水流作用造成的湍流會(huì)增加水中氧氣的溶解含量，0 m和-50 m處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)河流水體中DO含量相接近，在14.0mg/L左右，200 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體中DO含量水平最低，為10.25mg/L；但400 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體的DO含量又重新增加，達(dá)到12.09mg/L。說(shuō)明污水對(duì)河流中DO的削弱效應(yīng)在200m處達(dá)到最強(qiáng)。圖6

13、 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體中DO含量的變化3 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流中N2O排放速率的變化研究結(jié)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(cè)點(diǎn)-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(cè)點(diǎn)河流水體中的N2O排放通量無(wú)明顯差別，這個(gè)范圍為1114mol/（m2h）；-50 m處監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(diǎn)以后的河水的N2O排放通量都在10mol/（m2h）以上，說(shuō)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(cè)點(diǎn)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(diǎn)所取的河水中的N2O排放通量的大幅度增加，達(dá)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(cè)點(diǎn)河水水體中的N2O排放通量降為13.57mol/（m2h），說(shuō)明沿流向距排污口200 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體N2O排放通量的發(fā)生了累積效應(yīng)，且十分明顯。圖7 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jīng)濟(jì)，那就是利用微生物反硝化的作用，從而達(dá)到消除污水中硝酸鹽的目的

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

16、相關(guān)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了這種還原酶在有氧的狀況下還具有相應(yīng)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(nèi)，屬于高水平的含氧量，與此同時(shí)生活污水的匯入給河流水體帶來(lái)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(xì)菌提供了良好的生存環(huán)境，河流就會(huì)有大量異養(yǎng)好氧反硝細(xì)菌。所以，河流中反硝化過(guò)程會(huì)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(guò)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?yàn)?00m左右的河段，同時(shí)在采樣的過(guò)程之中天氣幾乎沒(méi)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(cè)點(diǎn)河流的河水溫度與DO含量相互關(guān)系通過(guò)Pearson相關(guān)分析可以看出可以看出不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)河流水體中N2O排放通量與DIC含量呈顯著正相關(guān)（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(guò)程引起的河流中DIC的變化造成的。而導(dǎo)致DIC變化的主要?jiǎng)恿Τ送庠摧斎胪?，?dòng)力過(guò)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(cè)點(diǎn)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(guān)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(guān)關(guān)系，但并不顯著，說(shuō)明氮源并非溫室氣體產(chǎn)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(zhì)相互關(guān)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(guān)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(jié)論結(jié)合野外監(jiān)測(cè)室室內(nèi)分析，本試驗(yàn)結(jié)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(dǎo)致有機(jī)質(zhì)DOC以及營(yíng)養(yǎng)元素NO3-N、NH4+-N呈現(xiàn)一定距離的累積效應(yīng)，并在200m處達(dá)到最大值，同時(shí)對(duì)pH以及DO的削弱效應(yīng)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(shì)類似。分析表明河水的DO含量和水溫呈負(fù)相關(guān)（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(guān)關(guān)系（p0.05, R2=0.63）。參考文獻(xiàn)1Solomon S, Qin D, Manning M, Alley RB, Berntsen T, Bindoff NL, Chen Z, Chidth

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