基于比值法解析老城区河段氮磷污染特征

傅 扬，谢 捷，陈璐艳，杨长明，杨书运，王凤文

1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036 2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092 3.农业部合肥农业环境科学观测实验站，安徽 合肥 230036

基于比值法解析老城区河段氮磷污染特征

傅 扬1,3，谢 捷1,3，陈璐艳1,3，杨长明2，杨书运1,3，王凤文1,3

1.安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036 2.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092 3.农业部合肥农业环境科学观测实验站，安徽 合肥 230036

2013年12月—2015年2月，对南淝河老城区约4 km河段水体和主要点源的氮、磷污染物进行测定，并利用碳氮比(CODCr/TN)、氮磷比(TN/TP)、氨氮百分含量(NH3-N/TN)等主要指标对所得数据进行分析研究。结果表明，南淝河老城区段水体的氮磷污染严重，氨氮百分含量接近甚至超过50%，具有一般城市生活污水的特征；氮磷比在春夏季处于藻类适宜的生长范围(9.0

比值法；南淝河；老城区；氮、磷

Abstract:In this study, nitrogen and phosphorus pollutants in approximate 4 km old town water body as well as the typical point pollution sources of the Nanfei River were determined from Dec. 2013 to Feb. 2015. And then the observation data were analyzed by using CODCr/ TN, TN/ TP and NH3-N/ TN. Results showed that there was heavy nitrogen and phosphorus pollution in the old town water body, NH3-N/ TN was close to or above 50%, mainly caused by the Wangtang sewage treatment plant, urban sewage and city runoff. Its TN/ TP ratio was 9.0< TN/ TP< 22.6, which is the optimal range of algae growth in spring and summer. In addition, the whole water body was in lower C/ N ratio condition (CODCr/ TN<2.5), which is unfavorable for purification. Furthermore, its tributary Sili River was also polluted by nitrogen and phosphorus contaminants, which has a similar input pathway.

Keywords:ratio method;the Nanfei River;old town;nitrogen and phosphorus

南淝河是典型的城市污染控制型河流[1]，历年对巢湖的磷污染贡献超过其他河流[2]。而在整个河段中，老城区段的排污量占较大比重[3]。有研究表明，老城区是城市内河污染的主要来源[4-5]。国内一些河流在整治后，水质未出现好转[6-7]，其中一个重要原因即老城区的持续排污。南淝河老城区段的城市生活污水和地表径流多数经管道被直接排入河流，造成了严重的污染[3]。

1 材料与方法

1.1区域概况及采样点布设

对合肥市南淝河老城区段的界定目前存在很大争议，通常认为是望塘污水处理厂至当涂路桥段，全长约20 km。老城区河段的来水主要为上游望塘污水处理厂尾水和董铺水库给水。该河段因周边建有大量居民小区、高校、商业中心等，排水管网相对落后，多数生活污水和雨水管道就近接入河流，造成严重污染，故历年来一直被视为清淤的重点。其中，合作化路桥至拱辰门桥长约4 km的河段水污染最为典型。该段河道平均宽度约40 m，平均水流流速小于0.5 m/s。其中，合作化路桥设有跌水，水流从合作化路桥开始进入主城区。另外，还包括一个重要支流四里河。这一河段已于2013年12月—2014年2月期间由绞吸式挖泥船施行了清淤，并随之进行了截污处理，但随后发现水质并未从根本上得到改善。

文章选取合作化路桥至拱辰门桥段进行研究，分别在合作化路桥(S1)、四里河入南淝河河口(St)、长丰路桥(S2)、亳州路桥(S3)、蒙城路桥(S4)和拱辰门桥(S5)6处河流断面布设采样点，选取1处典型的生活排污口(Ss)(现场用“容积法”测得流速，取平均值为29.38 m3/d)和1处雨水泵站排口(Sr)，同时不定期采集上游望塘污水处理厂尾水(Sp)，采样点具体位置见表1。

表1 采样点位置状况Table 1 Basic information of samples

1.2样品的采集与分析

1.2.1 样品采集

2013年12月—2015年2月，按每旬一次的频率采集S1、Ss、St、S2、S3、S4、S5水样，并于2014年7月12、24日两次明显降水过后分别采集Sr水样；Sp水样按每季一次的频率分别于2014年1月11日、4月13日、7月16日、10月10日采集。采集水样的同时，现场测定水温(Tw)和水样pH。将采集好的水样立即带回实验室，置于4 ℃保存，并于24 h内测定总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)和化学需氧量(CODCr)。

1.2.2 样品分析方法

TN采用《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定；TP采用《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893—89)测定；NH3-N采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测定。分光光度计为T6新世纪紫外-可见分光光度计。CODCr采用《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(GB 11914—89)测定。pH采用PHS系列便携式pH计现场测定。

水温采用SH114型管式玻璃温度计进行测量。

1.3数据处理

采用WPS电子表格进行数据处理，并用Origin 9.1软件进行Shapiro-Wilk正态测试、单因素方差分析(One-way ANOVA)、差异显著性检验(P<0.05)、相关性分析和绘图。

2 结果与分析

2.1不同类型样点水样氮、磷浓度的统计分析

2013年12月—2015年2月期间各样点水样氮、磷检测数据的统计结果如表2所示。其中，望塘污水处理厂尾水是南淝河的主要补给水之一，对南淝河水质本底的影响仅次于董铺水库，但通常董铺水库对下游不进行放水。

通过望塘污水处理厂尾水与河流氮、磷指标的对比发现，TN和CODCr的浓度均值相差并不大，分别相差1.25、3.46 mg/L，是望塘污水处理厂尾水的0.08倍、0.13倍；TP和NH3-N的浓度均值差别明显，分别相差1.56 、3.17 mg/L，是望塘污水处理厂尾水的0.72倍、1.20倍。可以得出，望塘污水处理厂尾水是南淝河的重要磷来源。另外，生活排污口和泵站排口的氮、磷浓度均远高于河流，污染特征明显。

表2 2013年12月—2015年2月期间各样点水样氮、磷检测数据的统计结果Table 2 Statistical results of nitrogen and phosphorus observation data from different sampling points from Dec.2013 to Feb. 2015 mg/L

注：“n”表示采样数；生活排污口的部分数据因河水完全淹没排口而舍弃。

参照国内《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，所研究河段水体的TN均值是Ⅴ类水限值的6.75倍，TP均值是Ⅴ类水限值的1.52倍，NH3-N均值是Ⅴ类水限值的2.90倍，而CODCr均值为Ⅳ类水平(≤30 mg/L)，总体氮磷处于劣Ⅴ类水平。因此，在整个监测期间所研究南淝河老城区段水体的氮磷污染依然十分严重，等同于一般污水。

水温和pH是表征排口污水性质的重要参数，同时也是衡量河流水质的重要指标。因此，了解并掌握河流和城市生活污水的水温和pH变化特征，对及时分辨生活排污口和整治河道具有重要意义。生活污水的温度和pH受居民生活方式、季节变化的影响较大。监测期间生活排污口与河流的水温和pH的变化见表3。

表3 监测期间生活排污口与河流的水温和pH变化Table 2 Variations of water temperature and pH from sewage outlet and observed river during monitoring

注：“—”表示缺测数据。

由表3可以看出，监测期间水温随时间呈先降后升再降低的变化特征。水温在11—2月表现为生活排污口明显高于河流，在3—6月、10月表现基本相同，7—9月则表现为生活排污口明显低于河流。从pH来看，河流的变化较小，基本处于微碱性，值在7.0～7.8范围变化，但明显低于生活排污口。生活污水的pH测定结果具有两个明显的变化阶段，即在2013年12月—2014年6月呈降低的趋势，从8.20降至7.21，而在2014年12月—2015年2月则表现为升高的趋势，从7.74升至8.47。这种现象产生的原因还有待于后期的研究。

2.2各样点水体NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的统计分析和动态变化特征

NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的统计结果如图1所示。从图1(a)可以看出，Ss点(生活污水)氨氮百分含量超过50%，均值达到74.69%，这与许多专家的研究结果一致，如张翔凌等[18]研究的城市污水中氨氮百分含量达到了69.04%，JIN等[19]研究的城市下水道管网中生活污水的氨氮百分含量均值为76.92%，陈能汪等[20]在5月28日、8月10日研究了九龙江流域的农村生活污水后发现，氨氮百分含量均值分别达到了58.2%、59.4%。而张德刚等[21]研究发现，滇池典型城郊村镇的生活污水中氨氮百分含量为26.80%～31.32%，这可能与城市生活污水和村镇生活污水之间的差异有关。城市生活污水具有集中排放的特征，而村镇生活污水则部分(如，粪便等被存储于化粪池)属于“分离式”排放。生活污水中的氨氮大部分来自人体尿液和一些含氮物质的转化。因此，城市生活污水的一个重要特征即氨氮百分含量很高，一般超过50%[18-20]。图1(a)中河流各检测断面的氨氮百分含量之间的差异不显著(P< 0.05)，说明下游检测断面中氨氮百分含量主要

受上游S1点和支流St点水质的影响。上游S1点和支流St点氨氮百分含量均值均很高，分别达到40.00%、48.47%；且氨氮浓度均值分别为5.06、6.84 mg/L，该值分别是国内景观娱乐用水水质标准[22]的10.12倍、13.68倍。

从图1(b))可以看出，Ss点和St点的数据变化氮磷比均值分别为14.12、17.64。根据GUILDFORD[23]等提出的TN/TP(质量比)大于等于22.6为磷限制状态，TN/TP(质量比)小于等于9.0为氮限制状态作为参考。Ss点和St点的氮磷比均值处于中间水平，对河流贡献为磷限制或为氮限制。上游S1点的氮磷比均值为43.21，处于磷限制状态；而S2～S5点的氮磷比均值分别为28.13、32.40、26.64、25.64，也均处于磷限制状态。吴怡等[24]研究表明，较高的氮磷比有利于藻类的增殖，对河流富营养化现象的发生具有促进作用。另外，各组间差异显著性分析结果表明，S2～S5点的氮磷比同时与Ss点、St点和S1点的差异不显著(P< 0.05)，而Ss点或St点的氮磷比与S1点的差异显著(P<0.05)，说明下游S2～S5点的氮磷比同时受上游S1点和生活排污口Ss点、支流St点的影响。

各样点水体碳氮比的统计结果如图1(c)所示。上游S1点的碳氮比均值为2.37，Ss点和St点的碳氮比均值分别为3.19、2.68，下游S2～S5点的碳氮比均值分别为2.35、2.29、2.39、2.45。XU等[9]在利用小球藻处理合成的生活污水时发现，碳氮比低于3会降低污水中营养物的去除效率。YAN等[25]发现，污水中碳氮比为2.5时，最有利于TN的去除。另外，当碳氮比处于2.5～5范围时，可产生相对较低的温室气体。显然，所研究河段水体的碳氮比均低于这一水平。较低的碳氮比会影响生物的反硝化过程，导致大量氧化亚氮(N2O，目前最主要的温室气体之一)的产生[26]。

注：图中Box反映25%～75%的信息；各小图中不同小写字母表示各处理组间差异显著(P<0.05)。图1 各水体NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的统计结果Fig.1 Statistical results of different water body in NH3-N/TN, TN/TP and CODCr/TN

各水体NH3-N/TN、TN/TP和CODCr/TN的逐月变化如图2所示。由图2(a)可以看出，河流总体表现为先升高-后降低-再升高的变化趋势。氨氮百分含量超过50%的主要有5个月，即3—7月。此外，其他月份氨氮百分含量在25%～50%范围变化。由此得出，南淝河老城区段3—7月水体的污染特征与生活污水相似。从图2(a)还可以看出，St点水体在2013年12月、2014年2月的氨氮百分含量明显高于河流，达到60%以上，具有一般生活污水特征。

注：图中各月的值为该月3次的平均值。图2 各水体NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的逐月变化情况Fig.2 Monthly variation of different water body in NH3-N/TN, TN/TP and CODCr/TN

从图2(b)可以看出，两个明显的“陡峰”分别出现在2014年的2、12月，氮磷比月平均值达到35以上，为整个监测期间最大，处于磷限制状态[23]。按季节分析，秋冬季(9月—翌年2月)的氮磷比明显高于春夏季(3—8月)。而春夏季监测段河流的氮磷比范围在9～22.6，是藻类生长的合适范围[27]，加上春夏季适宜的温度和光照条件，极易造成水华的爆发[28]。因此，应重点在春夏季加强对南淝河老城区段水体营养盐输入的控制。

从图2(c)可以看出，所研究河段水体的碳氮比变化曲线由2个“陡升段”、1个“陡降段”和2个“缓升段”组成。其中，2个“陡升段”分别出现在2013年12月—2014年1月、2015年1—2月，1个“陡降段”出现在2014年7—8月，2个“缓升段”分别为2014年1—7月、2014年8月—2015年1月。碳氮比基本处于1.5～3.0范围变化，属于低碳氮比水平。

2.3四里河水体氮、磷污染物的相关性分析

考虑到四里河为南淝河的重要支流，前期的一些研究[29]表明，四里河上游工业相对发达，有大量工业废水、居民生活污水排入河流，从而造成河流污染。因此，为判断四里河水体氮、磷污染物的输入途径时，对St点水体的氮、磷污染物数据进行相关性分析。结果表明，TP分别与NH3-N、TN呈显著正相关(P<0.01)，相关系数分别为0.870、0.749；且NH3-N与TN呈显著正相关(P<0.01)，相关系数为0.903。这说明四里河入南淝河河口水体TP、NH3-N、TN的输入途径基本一致[27]。结合St点水体高氨氮百分含量(均值为48.47%)特征，可初步判定为城市生活污水或某些含氨类废水的排放所致。相关部门仍应加强对支流四里河的整治，以减少今后对南淝河生态修复的不利影响。

3 结论

1) 南淝河老城区段水体氮磷污染仍十分严重，主要受上游望塘污水处理厂尾水、城市生活污水以及城市地表径流的影响。

2) 南淝河老城区段水体氨氮百分含量接近甚至超过50%，具有一般城市生活污水的特征；氮磷比在春夏季处于藻类生长的适宜范围(9.0< TN/TP< 22.6)，有关部门应加强春夏季氮、磷营养盐输入的控制；另外，整个水体处于低碳氮比水平(CODCr/TN均值小于2.5)，不利于水体的生物净化。

3) 四里河入南淝河河口氮磷污染亦十分严重，且氮、磷输入途径基本一致。

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AnalysisontheCharacteristicsofNitrogenandPhosphorusPollutioninOldTownSectionoftheNanfeiRiverBasedontheRatioMethod

FU Yang1,3, XIE Jie1,3, CHEN Luyan1,3, YANG Changming2, YANG Shuyun1,3, WANG Fengwen1,3

1.School of Resources and Environment, Anhui Agriculture University, Hefei 230036, China 2.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China 3.Hefei Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture, Hefei 230036, China

X832

A

1002-6002(2017)03- 0165- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.25

2016-04-01;

2016-06-17

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2011ZX07303-002)；中国清洁发展机制赠款项目“安徽省农业、生态领域适应气候变化对策分析”；合肥市大气能见度与相对湿度、PM10及PM2.5的关系(2015-2)；安徽农业大学稳定人才项目(wd2016-1)

傅 扬(1991-)，男，安徽宣城人，硕士。

王凤文