污水厂尾水占主导溪流养分滞留潜力及影响因素

李如忠,吴正华,高苏蒂,罗月颖,韦 林 (.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 30009；.安徽新华学院土木与环境工程学院,安徽 合肥 30088)

随着城市化进程的不断推进,以城市生活污水、工业废水为主体的点源环境污染引起人们的高度关注[1-2].目前,我国绝大多数城市和大部分城镇都陆续建起了污水处理厂,对遏制全国水质恶化势头、缓解环境生态压力发挥了重要作用.城市污水厂尾水中不仅含有大量的氮、磷、碳等生源物质,也含有一定量的病原微生物、抗生素、重金属、塑料微粒等污染物[2-4],即便经过深度处理的尾水,排入缓流水域仍旧可能造成水体富营养化.我国城市污水厂尾水的再生利用率还较低,大部分都直接就近排入水体,从而带来新的生态环境问题.欧美发达国家对于污水厂尾水的环境影响较为关注,尤其是在河流氮磷浓度的动态变化性[3,5-6]、河流生态系统功能[5,7-8]、河流生物种群或群落结构[1,9-10],以及氮、磷养分滞留特征和滞留潜力评估[11-14]等方面.可以说,养分滞留是当前小河流水环境和水生态领域研究的热点[15-16].尽管国内针对尾水深度处理技术及其环境效应的研究已有较多[17-18],对于小河流养分滞留的研究也已开始[19-21],但就城市污水厂尾水排入可能给小河流养分滞留带来的影响则还鲜有关注.

巢湖是我国五大淡水湖泊之一.近年来,巢湖水体富营养化日趋加重,有效削减和调控入湖氮磷营养负荷,正成为巢湖流域水环境治理最为重要的工作任务.合肥市是巢湖流域最主要的污染负荷来源,大量氮磷养分通过南淝河进入巢湖.截至2015年末,合肥城区已建成城市污水处理厂10座,且基本都位于南淝河流域,日均污水处理能力达102.5万m3,大量尾水直接排入南淝河水系,并最终汇入巢湖西半湖,导致河湖水体氮、磷养分超标严重,水华发生频繁.目前,南淝河城区段的河流补给水中污水厂尾水占 90%以上.众所周知,源头溪流是陆域生态系统与下游湖、库或大型河流联系的纽带,具有很强的养分滞留和调控能力[22-23].可以肯定,对于溪流沟渠数量庞大且氮、磷养分削减任务艰巨的巢湖流域,源头溪流的环境生态功能潜力不容小觑.为弄清污水厂尾水排入可能给小河流养分滞留带来的影响,本研究拟以南淝河流域二十埠河支流上游的磨店小溪流为对象,就污水厂尾水占主导情形下溪流水体氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和溶解性磷酸盐(SRP)滞留潜力及其影响因素,开展定量化分析与评估,以期为合肥地区生态清洁小流域建设及巢湖入湖河流氮磷污染负荷削减和调控提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

表1 溪流及污水厂尾水主要理化性质比较Table 1 Comparison of water quality between stream and wastewater treatment plant outflow

二十埠河是巢湖西半湖入湖河流南淝河的一条重要支流,位于合肥市城区东北部.磨店小溪流为二十埠河主要源头之一,位于职教城园区附近,河道总体较为平直,呈东北往西南走向,支流全长约 4.0km.该溪流汇水区地处城乡交错带,园区内各高校生活污水由磨店污水厂负责处理,尾水排入磨店小溪流的下游河段,污水厂水量水质受高校寒暑假影响较大.该污水厂采用生物膜处理工艺,服务面积约 8.4km2,一期设计能力为5000t/d.污水厂尾水出口及其上方不远处溪流水质状况,见表1.实地调查还发现,在尾水排放口上游约 600m 的淮海大道桥涵内,有少量未经处理的高校生活污水经由雨水管排入溪流,致使溪流水质状况显著劣于桥涵上方水体[20,24].

本研究选定的溪流段位于尾水出口下方不远处,渠段长约 280m,两侧土地大多处于待开发状态,滨岸两侧杂草丛生,林木较为稀少.该段溪流80%以上的水面宽约3～4m,水深约0.60～0.80m,水流相对较为平缓,水中有多丛水花生存在;其余渠段水面宽度约 1.5～2.5m,水深约 0.70～0.85m,水力梯度相对较大,水流较为湍急,水中水生植物较为稀少.由于掺混条件好,污水厂出流尾水与溪水很快得以充分混合,研究期间混合水体NH4-N、NO3--N和 SRP平均浓度分别为 2.44,8.92,0.23mg/L.

1.2 示踪试验

考虑到该污水厂尾水的 Cl-浓度较高,故选择NaBr作为保守示踪剂.2016年6月～2017年3月,在园区内高校寒暑假以外时段,选择NH4Cl和KH2PO4为添加营养盐,在选定渠段开展7次瞬时投加示踪试验.投加点O位于溪流中泓线,且在尾水与溪流充分掺混的渠段下方,考虑到支流交汇及便于采样等因素限制,在 O点下方的第 25,160,240,280m 处,分别设置采样点 A、B、C 和D,见图1.其中,AB、BC段水面宽度大致相当,水流速度平均约0.25m/s;CD段明显收窄,水流速度较快,平均约为0.42m/s.

根据溪流水量水质调查结果,结合拟达到的示踪剂浓度峰值,估算添加营养盐NH4+-N、SPR及 NaBr的投加量,并在试验现场将示踪剂与河水充分混合,混合液NH4+-N、SPR、Br-浓度分别为 13.5,7.0,19.4g/L.考虑到水流速度较快,采样点A按 30s间隔采样,其它采样点采样时间间隔均设定为 1min.采用 100mL聚乙烯瓶采集水样,并以手持式电导率计现场测定水样电导率值.当电导率稳定回到背景水平后停止采样,得到完整的示踪剂浓度穿透曲线(BTCs),该过程大约持续45min.示踪试验开始前,采集各点位水样用于确定氮磷养分背景浓度;试验结束后,在每个子渠段测定流速(v)、水深(h)、水面宽度(w)等水力参数,进而计算断面流量.在实验室,利用离子计(上海雷磁PXSJ-226型离子计)测定Br-浓度,采用可见分光光度计测定NH4-N、SPR浓度.

图1 研究区采样点示意Fig.1 Sketch map of studied area with the sampling sites

污水厂尾水水量较大且 NO3--N 浓度较高,采用示踪试验势必大量添加硝酸盐,从而加大溪水水质污染.为此,对于硝态氮的滞留潜力评估,拟直接在渠段AD上等间距的布置5个采样断面,并在中泓线的水面下20cm深度,同时采集水样(每个点位取3个平行),测定NO3--N及相应的Cl-浓度(上海雷磁PXSJ-226型离子计).2016年12月～2017年4月,共开展8次类似采样和分析测试工作.

1.3 OTIS模型

示踪试验中营养盐NH4-N、SPR浓度穿透曲线,可以利用OTIS模型模拟,数学模型为[25]：

式中：C为主流区营养盐(NH4+-N或SRP,下同)浓度,mg/L;Q为溪流过流流量,m3/s;A为过流断面面积,m2;D为纵向扩散系数,m2/s;qL为侧向补给强度,m3/(s·m);CL为侧向补给营养盐浓度,mg/L;α为交换系数,s-1;Cs为暂态存储区营养盐浓度,mg/L;As为暂态存储断面面积,m2;λ 为主流区营养盐一阶吸收系数, s-1;λs为暂态存储区营养盐一阶吸收系数, s-1;t为时间,s;x为长度,m.

对于保守性示踪剂 Br-,同样可以利用 OTIS模型进行模拟,此时λ=λs=0.根据美国地质调查局Runkel[25]开发的 OTIS模型应用程序包和OTIS-P参数自动优化包,采用两步骤法分别估算模型水文参数(即A、As、α、D和qL)与营养盐一阶吸收系数(即λ、λs).

1.4 养分螺旋指标

一般地,溪流营养盐滞留能力可以借助养分螺旋指标来定量刻画,相应指标为[26]：

式中：Sw表示营养盐吸收长度,m;Vf表示吸收速度,m/s;U 表示吸收速率,mg/(m2⋅s);v表示溪水平均流速,m/s;h表示平均水深,m;k表示营养盐综合衰减系数,s-1;c表示营养盐背景浓度,mg/L;1000表示量纲换算值.

1.5 综合衰减系数

综合衰减系数是对营养盐滞留与吸收评估的关键参数.针对NH4-N和SRP,本研究采用式(6)计算综合衰减系数[27]：

式中：k表示营养盐综合衰减系数,s-1;其它各参数含义同式(1)、式(2).

以一维水质模型N x =N0exp(-kx/v)模拟NO3--N迁移转化规律,即假设溪流中NO3--N服从一阶衰减变化特征.根据水流前行方向多个空间点位同步采集水样获得的 NO3--N浓度数据,利用线性回归分析技术,可以计算得到 NO3--N综合衰减系数[11].为消除稀释作用的影响,需要以同一水样中Cl-浓度对NO3--N浓度进行校正,则有[11]：

式中：k表示NO3--N综合衰减系数,s-1;D表示稀释百分比,%;N0、Cl0分别为起始断面 NO3--N、Cl-浓度,mg/L;Nx、Clx分别表示位置x的NO3--N、Cl-浓度,mg/L;x为溪流渠段长度,m;v表示平均流速,m/s.

1.6 数据分析

采用 Excel软件,针对养分螺旋指标与暂态存储、水力参数、养分背景浓度等因素开展回归分析,识别养分滞留的主要影响或控制因素.

2 结果与讨论

2.1 模型水文参数估值

根据示踪试验获得的各采样点位Br-浓度穿透曲线信息,以及实测获得的v、h、w等水力参数,利用OTIS 模型及相应的模拟计算软件,计算模型水文参数A、As、α、D和qL值,结果见表2.具体模拟计算过程和求解方法,参见文献[25].其中,2016-09-20和2016-11-02试验的前1d,合肥地区有明显降水,其他 5次试验均对应于连续多日无降水情形.

表2 OTIS模型水文参数及其它指标值Table 2 Estimates of hydrological parameters in OTIS model and other metrics

续表2

OTIS模型对暂态存储的灵敏性以及由OTIS-P优化得到的模型参数可靠性,可以利用Damköhler number (DaI)评估[28].实际上,DaI还常用于判定示踪试验渠段长度划分合适与否.一般地,当DaI值介于0.1～10范围时,认为参数值可以接受,相应的渠段长度较为合适,并当DaI值逼近1.0时,参数不确定性最低[29].表 2中,几乎所有DaI值都处于0.1～10之间,说明OTIS模型各参数模拟值是可靠的,渠段AB、BC和CD长度划分也是可以接受的.表示渠段内溶质在暂态存储区行进时间占总运移时间的比率,常用于反映暂态存储对溶质运移过程的影响或对溶质滞留的相对贡献[30].各子渠段值存在明显的动态变化性,其中子渠段 AB的暂态存储贡献相对较大,子渠段CD相对较弱.

2.2 NH4+-N和SRP吸收系数估算

在模型水文参数估值基础上,根据示踪试验NH4-N、SRP浓度穿透曲线信息,再由OTIS模拟软件,计算主流区和暂态存储区NH4+-N、SRP一阶吸收系数[25].表3为7次示踪试验中各子渠段的一阶吸收系数(n=3).可以看出,无论是NH4+- N还是 SRP,主流区流动水体的一阶吸收系数都较暂态存储区高1个数量级.而且,两者的λ或λs数值大小颇为接近.虽然示踪试验分布于春(2017-03-27)、夏(2016-06-15和 2016-09-20)、秋(2016-11-02和2016-11-15)、冬(2016-12-07和2017-02-28)等不同季节,但 NH4+-N、SRP一阶吸收系数值总体保持稳定,即并未因季节不同而出现较大的波动,这与人为外源影响强度相对较小的一些溪流或溪流渠段有很大的不同[31].考虑可能与尾水水质性质、水温等较为稳定,且尾水在溪流中占绝对主导地位有关.

表3 示踪试验中NH4-N、SRP一阶吸收系数平均值Table 3 Mean values of first-order uptake rate coefficient for NH4-N and SRP

2.3 养分滞留潜力分析

根据表2和表3的相关数据信息,利用式(6)计算综合衰减系数 k,再由式(3)～式(5)进一步计算出养分螺旋指标值.表 4为每场示踪试验得到的3个子渠段NH4+-N、SRP吸收指标的平均值±标准差(n=3).可以看出,Sw-NH4均值较 Sw-SRP略低一些,且两者变化范围均较大,分别为 7.97～20.44km 和 8.17～31.16km,远高于该源头溪流总长度(即4km).而且,NH4+-N、SRP的吸收长度最大值分别高达24.08,38.09km,最小值也分别达到3.04,3.16km.总的来看,在 3个子渠段所有 Sw-NH4、Sw-SRP计算结果中(n=21),超过4km的情形分别占85.71%、95.24%.由于尾水出口下方的溪流实际长度不足 1.5km,因此可以认为该溪流已不具备NH4+-N、SRP的滞留或去除能力.换言之,NH4+-N、SRP负荷将会随着水流通过下游二十埠河支流和南淝河干流的逐级传输,而最终进入巢湖水体.

吸收速度 Vf表示营养盐向水底沉积物方向沉降的速度大小,数值越大意味着营养盐滞留能力越强.7次试验Vf-NH4、Vf-SRP平均值非常接近,分别为 1.82×10-5,1.81×10-5m/s,表明该溪流段NH4+-N、SRP滞留能力相当.总体上,Vf-NH4最大值、最小值分别为 4.66×10-5,0.59×10-5m/s,其中数值介于 (1.02～1.98)×10-5m/s范围内的数据占了76.19%;Vf-SRP最大值、最小值分别为4.49×10-5,0.50×10-5m/s,其中位于(1.00～1.96)×10-5m/s范围的数据约有47.62%.

吸收速率是一个与溪流营养盐背景浓度有关的量,数值越大表示河床表面营养盐吸收能力越强.由表4,U-NH4较U-SRP高出一个数量级,这与两者近一个数量级的背景浓度差异有很大关系.由于NH4+-N、SRP对应的养分吸收长度和吸收速度都十分接近,因此可以判定该溪流NH4+-N和SRP滞留水平大体相当.总的来看,NH4+-N、SRP养分螺旋指标并未表现出显著的季节性变化特征,这可能与溪流中尾水流量占据主导,而不同季节尾水水温又相对较为平稳有一定的关系.

表4 溪流NH4-N与SRP吸收参数值Table 4 NH4-N and SRP uptake values in the six field tracer experiments

表 5为与本研究空间几何尺度较为接近的几条国外溪流在接纳城市污水厂尾水情形下,氮磷吸收参数情况.可以看出,溪流 Sw-NH4、Sw-SRP动辄数km或更高,Vf-NH4和Vf-SRP也呈现出很大的差异性,有些与本研究接近,有些差距较大.

李如忠等[20]在本研究所在溪流上游水质状况较好且芦苇占优势渠段(图1的淮海大道上方1000m处),以NH4Cl 和 KH2PO4为添加营养盐、NaCl为保守示踪剂,开展了7次示踪试验,最后得到 Sw-NH4变化范围为 0.21～1.09km(平均值为0.63km)、Sw-SRP 为 0.63～4.09km(平均值为2.18km),两者均显著低于本研究尾水汇入渠段,且其吸收速度Vf也更高一些,但仍与本研究处同一数量级(表5).李如忠等[19,32]还在本溪流中游水质较好渠段(图1的淮海大道上方400m处),分别就深潭地貌格局和平直渠段,开展了氮磷养分滞留分析,结果见表5.可以看出,深潭地貌格局占主导渠段Sw-NH4、Sw-SRP也均显著低于下游污水厂尾水排入段,意味着深潭地貌格局具有很好的氮磷滞留能力.但紧随深潭地貌格局的平直渠段,相应的Sw-NH4、Sw-SRP数值大小与下游尾水排入段相近(有的甚至更高),而且平直渠段 Vf-NH4、Vf-SRP也都较下游尾水排入段低一个数量级,说明溪流自身的养分滞留能力总体上已很弱,污水厂尾水的排入并没有给溪流营养盐滞留带来明显的不良影响.对于贫营养的清洁小河流,外界输入的 NH4+-N往往可以在数十米至数百米内去除或转化[22].相比而言,整个磨店小溪流水体Sw-NH4远超过该水平.

表5 其它具有代表性的溪流养分吸收参数值Table 5 Comparison of nutrient uptake values against published studies

表6 溪流NO3--N吸收参数值Table 6 NO3--N uptake values in the eight field tracer experiments

污水厂尾水排入段 NO3--N吸收指标情况,见表 6.可以看出,该渠段 NO3--N吸收长度达到数千米,尽管总体上低于NH4+-N和SRP,但仍明显超出溪流的总长度(4km),意味着在溪流内无法实现NO3--N滞留或去除.整个试验中Vf-NO3稍高于 Vf-NH4、Vf-SRP,且数值变化较为平稳.与表5的国外溪流水体相比,磨店小溪流NO3--N吸收指标的数值大小并不突出.由表6可见,该溪流段水流稀释百分比不大,除了2016-12-22试验平均达到1.80%外,其它7次均不超过0.70%,意味着溪流侧向补给水量带来的稀释作用影响不大.

2.4 养分滞留影响因素分析

采用回归分析技术模拟 NH4+-N、NO3--N和SRP的养分螺旋指标(Sw、Vf、U)与暂态存储()、水力参数(Q、v)及背景浓度(c)等因素的相关关系(n=21).其中,NH4+-N回归分析结果见图2,NO3--N和SRP模拟分析结果见表7.

由图2可见,Sw-NH4与Q、v均呈极显著正相关性,这与其他一些研究所得结论一致[22,33],表明Q、v可能降低NH4+-N滞留能力,这与流量增大将会降低表面积与体积的比值、流速增大将会降低水力停留时间,从而减少 NH4+-N与溪流底质接触机会有很大的关系.其中,Sw-NH4与 Q存在对数函数关系(R2=0.389,P=0.003),与 v表现为线性关系(R2=0.645,P=0.000);Vf-NH4仅与v存在对数函数关系(R2=0.258,P=0.000),且为极显著的负相关关系;U-NH4与NH4+-N背景浓度c存在极显著线性关系(R2=0.401,P=0.003).除此之外,未发现 NH4+-N吸收指标与其它指标存在显著的相关性.尤其是,Sw-NH4、Vf-NH4、U-NH4与均未表现出明显的相关性,意味着该渠段中暂态存储对于 NH4+-N滞留贡献并不大.而NH4-N与相应背景浓度没有明显的相关性,可能与溪流水体 NH4+-N浓度已超过饱和浓度,致使Sw-NH4对背景浓度的变化失去了敏感性有关.鉴于Sw-NH4与Q、v,以及Vf-NH4与v的显著相关性,可以判定水文条件是影响溪流 NH4+-N滞留的重要因素.

图2 NH4+-N指标回归分析结果Fig.2 Relationship between NH4+-N spiraling metrics and other parameters

表7 SRP和NO3--N回归分析结果Table 7 Regression models of SRP and NO3--N spiraling metrics

如表7所示,Sw-SRP、Sw-NO3均与Q、v呈 极显著的正相关性(P＜0.01),且表现为线性或对数函数关系;U-SRP和U-NO3也都与Q、v呈显著或极显著的负相关性,且大多数表现为指数函数关系.此外,Vf-SRP还与v存在极显著的负相关关系(R2=0.337, P=0.006).不难看出,水文条件也是影响NO3--N、SRP滞留的重要因素.这里,与 Vf-SRP、U-SRP均存在显著的正相关性(P＜0.05),且都表现为线性函数关系,但与Sw-SRP的相关性不显著,因此可以认为对于SRP滞留影响较为有限.由于与 Sw-NO3、Vf-NO3和U-NO3均不存在显著相关性,意味着暂态存储对NO3--N滞留影响不大.此外,Sw-NO3、U-NO3均与NO3--N背景浓度c表现出了极显著相关性,而SRP吸收指标与其背景浓度则均不显著相关.

总之,水文因素是影响该溪流 NH4+-N、NO3--N和 SRP滞留的主要因素,而暂态存储影响却十分有限,特别是对NH4+-N、NO3--N滞留.至于背景浓度,主要体现在吸收速率影响方面.

3 结论

3.1 NH4+-N和SRP无论是吸收长度还是吸收速度都十分接近,表明溪流中两者的滞留水平大体相当;由于NH4+-N和SRP吸收长度较NO3--N高,且其吸收速度低于NO3--N,意味着NO3--N滞留水平相对更高.

3.2 NH4+-N、NO3--N和SRP的吸收长度均远大于溪流总长度,表明该溪流已不具备氮磷养分滞留或去除能力;通过与溪流中上游水质良好渠段已有研究的比较,未发现污水厂尾水排入对溪流养分滞留带来明显不利影响的证据.

3.3 水文条件是影响溪流氮磷滞留的重要因素;暂态存储对 SRP滞留存在一定影响,但对NH4+-N、NO3--N 滞留影响不显著;背景浓度主要影响NH4+-N和NO3--N吸收速率,对SRP影响不明显.

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