再生水修复河道水体中总氮的空间变化趋势

李宇涵

摘 要：为研究再生水修复河道水体中总氮的空间变化趋势，本研究在潮白河再生水补给河道顺义段进行了现场采样。在上、中、下游共设置了11个采样点，分析其水体中总氮及物理化学指标。再生水出水口总氮含量超出了我国景观环境用水的再生水水质标准，但经过河道的自净能力，下游的总氮含量达标。总氮与环境因子有一定的相关性，河道中TN含量与pH值呈现出了一定程度的负相关。本研究既可为再生水的研究留下基础数据，也可为制定更严格的再生水水质标准提供科学依据。

关键词：再生水;总氮;空间变化

中图分类号：X171.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0017-03

再生水是有工业废水或雨水在经过处理后，达到一定指标的水，总氮含量是衡量其水质的重要指标之一。随着我国城市污水处理能力的提高，大量利用再生水补充我国北方地区的城市河道，用于河道景观修复，已成为一种必然趋势。然而，目前再生水的景观及生态环境用水在我国刚刚起步，对污染物在水体中的变化趋势缺乏足够的研究。由于河道中土壤氮、农业化肥、人畜粪便、生活污水等对水中氮元素影响，以及水中藻类光合作用、水中反硝化作用，使河道上下游的氮含量发生变化。因此，本研究在潮白河再生水补给河道顺义段上中下游多地取点采样，分析水体中总氮含量，对再生水河道中总氮的空间变化趋势进行研究，既可为再生水的研究留下基础数据，也可为制定更严格的再生水水质标准提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

潮白河是中国海河流域五大河流之一，贯穿北京，天津和河北三省。潮白河穿过密云水库，怀柔水库流入北京，是北京最重要的水源之一。顺义区城北为减河，在潮白河向阳闸下通过减河闸而进入潮白河，由于多年的干旱，潮白河的向阳闸至河南橡胶坝之间的河段在1999年一致处于断流状态，直到2007年10月“引温济潮”工程温榆河的废水经过当前世界最先进的膜生物反应器（MBR）处理后，达到再生水景观用水标准，通过减河输入再生水，排入到减河及潮白河的向阳闸与河南橡胶坝之间的河段。减河为人工河道，两侧衬砌，自然底河道长约4公里，宽约50～90米，平均流速0.015米每秒;向阳闸至河南村橡胶坝河段长约7.3km，蓄水河道主河槽平均水深2.5m，河道宽度大部分在200～400m之间，河道纵坡为1/3000，河南橡胶坝以上形成的河道景观长约3km，平均宽约200m，蓄水量约600×104m3。温榆河鲁疃闸上游1.4公里的取水口时经过人工湿地的7级过滤，进入潮白河的劣Ⅴ类污水已成为符合Ⅳ类以上地表水标准的景观水。根据温榆河水质特性及出水水质主要指标，达到了《地表水环境质量标准》（GB3838——2002）Ⅲ类水体标准，本工程选用“加药絮凝+MBR工艺”，设计处理规模10万m3/d。“引温济潮”工程设计流量2.5m3/s，年设计引水量3500～3800万m3，在潮白河7公里段和城北减河4公里河段形成了约300万平方米的水面。

1.2 样品采集与处理

本研究于2017年9月在潮白河再生水补给河道顺义段进行了现场采样。在上、中、下游共设置了11个采样点。S1位于再生水出水口，S2位于再生水河道上游，河流位于S3处分流呈南北支流，S11和S10位于土坝两侧，S9位于河道北支下游，S10位于本次研究河道北支末端，S4、S5、S6位于橡胶坝前侧，S7位于河道南支下游，也是本次研究的末端。采集的水样装进用蒸馏水清洗三次的聚乙烯瓶中，用硫酸酸化至pH<2，带至实验室，-4℃保存于冰箱中，并在24h内在实验室对水样进行分析[1]。

1.3 样品分析方法

现场采用多功能水质监测仪对河道水体中的pH值，溶氧量（DO），水温（T），固体溶解量（TDS），电导率（EC）以及硫酸根（SO42-）、氯离子（Cl-）浓度进行了测定。实验室内采用过硫酸钾氧化、紫外分光光度法测定总氮含量（TN）[2]。测定方法如下：

1.3.1 繪制校准曲线

取各浓度硝酸钾标准液，用无氨水稀释至10ml标线。

用碱性过硫酸钾进行消解，将比色管置于压力蒸汽消毒器中，加热0.5小时，并放气以使压力指针返回到零。然后升温至120～124°C开始计时，使比色管在过热水蒸气中加热0.5小时。自然冷却，无阀放气，取出比色管并冷却至室温。

加入1毫升盐酸，用无氨水稀释至标线，在紫外分光光度计上，用无氨水做参比，并用石英比色皿测量吸光度，然后用校正的吸光度绘制校准曲线。

1.3.2 样品测定

取适量水样，按校准曲线绘制步骤进行操作，然后校正其吸光度，在校准曲线上查出对应的总氮含量，并按以下公式计算总氮含量：

总氮（mg/L）=m/V

式中：m—从校准曲线上查得的含氮量（μg）;

V—所取水样体积（ml）;

数据分析及图形制作采用Excel软件。

2 结果与讨论

2.1 氮的空间变化与国家标准对比

潮白河再生水补给顺义段的总氮空间变化分析结果。从上游到下游，样点S7和S8对应的总氮含量低于样点S1，可见，总氮的整体变化趋势是下降的，说明再生水河道有其自身净化能力。北部支流顺序为S1、S2、S3、S11、S10、S9和S8点，河流经过土坝前，TN呈下降趋势，但经过土坝后，TN有所上升，最后在下游S9到S8点，TN下降，样点S8总氮含量为9.595mg/L，与样点S1位置的20.9mg/L相差11.305mg/L，有明显下降，净降低54.1%。河道南支为样点S1至S7，TN呈波动性下降趋势，可能由于样点S6附近样点S6处附近有外源输入，如附近居民生活污水偷偷排放等，使得样点S6的氮含量大幅度上升，上升了38.5%，水体中有大量藻类，但在下游其含量逐渐下降。样点S7总氮含量为8mg/L，与S1相差12.9mg/L，有大幅度下降，净降低61.7%。两个堤坝附近氮含量都较高，可能由于环境影响或是人类活动的影响。两支流的TN最大值都出现在河流中下游部分，但也都在下游末端都降低至最小值。

根據我国景观环境用水的再生水水质标准（GB/T18921 —2002），再生水总氮含量需低于15mg/L，潮白河再生水补给顺义段的起始段TN高于15mg/L，但经波动性下降后，于下游达到了景观用水标准。

2.2 水体中总氮与环境因子之间的关系

总溶解固体（TDS）与电导率（EC）的变化趋势基本吻合。其变化在样点S1至S6下降，S6至S7有所回升。样点S1至S4，TDS含量下降，同样阴离子硫酸根、氯离子浓度大幅度下降，TN也有所下降。样点S4至S6，氯离子与硫酸根大幅上升，总氮也大幅上升，可见此区域离子浓度较大，无机盐含量高，也是此区域藻类大量生长的原因。

pH变化范围在7.47～10.49，总体呈弱碱性。河道南支（S1～S7）pH总体呈上升趋势，S1到S3的PH在7.47～8.32，而生物硝化、固氮作用以PH在7.5到8.5左右为宜，S1到S3硝化固氮作用强，TN下降。随后样点S4到S6，pH值升至10.19，不利于生物固氮硝化作用，使得TN上升，最后S7的pH又有所下降，使得TN下降。河道北支PH基本稳定，维持在7.5～8.5之间，只有样点S9的PH值较高，使得样点S9的TN含量较高。可见，PH与TN基本呈正相关。

温度的波动性较大，但整体的趋势是上升的，可能是由于下游人类活动更频繁。河道南支从样点S1到S7，温度共上升了1.8度。河道北支从S1到S8，共上升0.7度。温度对硝化作用的影响具有两重性，随着温度升高硝化细菌的生物活性增强，但温度也对溶解氧影响较大，温度升高会使溶解氧含量下降，不利于微生物的生命活动[3]。另外，水中藻类也可能会有一定的影响，所以温度与总氮并没有呈现出明显的相关性。

3 结语

（1）潮白河再生水补给河道顺义段的总氮含量总体呈下降趋势，且上游至下游下降幅度比较明显，并在下游河段满足了我国景观环境用水的再生水水质标准，可见再生水河道有其一定的自身净化能力，制定再生水出水标准时应加以考虑。

（2）再生水河道中总氮含量也与环境因子有相关性。在本实验条件下，河道中TN含量与pH值呈现出了一定程度的负相关，这和水质一直保持在弱碱性是有关系的。中下游由于微生物和人类活动影响，使得无机盐含量上升，氮含量也有一定程度的上升，导致藻类繁殖，我们也应注意中下游水体维护，保持生态平衡。

参考文献

[1] Bu HM，Tan X，Li SY，Zhang QF.Temporal and spatial variations of water quality in the Jinshui River，China[M].Ecotoxicology and Environmental Safety，2010（73）：907-913.

[2] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会编（4版）.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2002：12.

[3] 徐继荣，王友绍，孙松.海岸带地区的固氮、氨化、硝化与反硝化特征[J].生态学报，2004（12）：2907-2914.