彭敏 范洪波 呂斯濠
(東莞理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,廣東東莞 523808)
在天然水體中,氮素污染研究所測定得到的結(jié)果是水質(zhì)優(yōu)劣的重要判定依據(jù)[2]?!叭痹陲嬘盟袑θ梭w健康的影響也越來越受到關(guān)注。有報(bào)道表明,飲用水中“三氮”濃度較高,為人體合成致癌物提供了有利條件。當(dāng)硝酸鹽與仲胺共存時(shí),經(jīng)過細(xì)菌與霉菌的作用可合成亞硝胺。飲用水中硝酸鹽、氨氮濃度與食管癌發(fā)病率呈正相關(guān),亞硝酸鹽與食管癌發(fā)病率無明顯相關(guān)性[3-4]。以往研究的重點(diǎn)都在三氮對水質(zhì)的影響以及如何去除[5-9],而對于含量相對較高的污水處理廠尾水中三氮在自然環(huán)境下的轉(zhuǎn)化和自凈過程關(guān)注的較少[10]。因此,研究較高含量三氮在自然條件下的轉(zhuǎn)化規(guī)律,把握它們自凈過程對污染的控制具有重要意義。
實(shí)驗(yàn)分冬、夏兩部分。污水處理廠采用二級(jí)處理——活性污泥+V型濾池深度處理工藝,除磷脫氮效果好,出廠水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn) (GB18918-2002)。每次實(shí)驗(yàn)采集6個(gè)水樣,從污水處理廠尾水排出口,到尾水受納水體——月塘湖入口處,平均間隔采集水樣 (每個(gè)取樣點(diǎn)間隔約為1 km)。
氨氮采用納氏試劑分光光度法;亞硝酸鹽氮采用重氮偶合分光光度法;硝酸鹽氮采用麝香草酚分光光度法;溶解氧采用電化學(xué)探頭法;余氯采用3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺比色法。UV-751GD型紫外分光光度計(jì) (上海自動(dòng)化儀表股份有限公司);便攜式Y(jié)SI ProODO光學(xué)溶解氧測量儀 (美國YSI)。
測定氨氮、硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的含量。在測定的線性范圍內(nèi),適當(dāng)加入氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)溶液,每種標(biāo)準(zhǔn)溶液加三份,計(jì)算該標(biāo)準(zhǔn)溶液在該水樣中的加標(biāo)回收率。
夏季污水處理廠出廠水三氮含量為氨氮0.88 mg/L,亞硝酸鹽氮0.092 mg/L,硝酸鹽氮0.8 mg/L。在第二個(gè)取水點(diǎn)明顯有排污口,水質(zhì)明顯變差,氨氮和亞硝酸鹽氮濃度明顯增高。在自然環(huán)境下,氨氮的轉(zhuǎn)化速度要比亞硝酸鹽氮快。水體流到第四個(gè)取水點(diǎn)時(shí),三氮含量基本趨于穩(wěn)定。氨氮為0.76 mg/L,亞硝酸鹽氮為0.260 mg/L,硝酸鹽氮0.3 mg/L。第五、第六個(gè)水樣,硝酸鹽氮最后穩(wěn)定在0.2 mg/L,第五個(gè)取水點(diǎn)的排污口未影響硝酸鹽氮的濃度。說明在夏季水系統(tǒng)內(nèi)的植物和周圍的植被在低濃度時(shí)能夠迅速吸收硝酸鹽氮。
冬季污水處理廠出廠水三氮的含量為氨氮0.57 mg/L,亞硝酸鹽氮0.132 mg/L,硝酸鹽氮2.0 mg/L。冬天植物吸收硝酸鹽氮較弱,水體中硝酸鹽氮含量略高于夏季,但由于是南方,冬天水體的水溫平均值也有18.1℃,故植物對硝酸鹽氮的吸收沒有受氣溫太大影響。流到第四個(gè)取水點(diǎn)時(shí),三氮均趨于穩(wěn)定。氨氮此時(shí)維持在0.21 mg/L,亞硝酸鹽氮維持在約0.159 mg/L,硝酸鹽氮維持在0.4 mg/L。第五個(gè)水樣三氮含量略有所升高 (第五個(gè)取水點(diǎn)前部有排污口),經(jīng)約1 km轉(zhuǎn)化,第六個(gè)水樣回歸穩(wěn)定值。(數(shù)據(jù)如表1所示)
表1 夏冬兩季三氮含量及各水樣的加標(biāo)回收率 (單位:mg/L和1)
夏季和冬季各測量值的加標(biāo)回收率及各季節(jié)的平均加標(biāo)回收率如表一所示。各數(shù)據(jù)的加標(biāo)回收率的情況良好,三氮季節(jié)平均加標(biāo)回收率落在[0.99 1.05],未出現(xiàn)異常的加標(biāo)回收率。三氮在自然環(huán)境下,大約經(jīng)過4 km自然轉(zhuǎn)化,含量明顯降低,穩(wěn)定在較低值,不隨水流繼續(xù)向前而發(fā)生較大變化。
2.2.1 溫度
冬季實(shí)驗(yàn)時(shí)待測水樣的平均溫度是18.1℃ (最高溫度19.1℃,最低溫度17.3℃),夏季實(shí)驗(yàn)時(shí)待測水樣的平均溫度是27.7℃ (最高溫度28.3℃,最低溫度26.6℃)。
冬季氨氮和硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化要比夏季好。這與夏季氣溫高,各種生物的活性較強(qiáng),硝化作用較強(qiáng)相違背??赡苁悄戏剑词故嵌?,氣溫也不是很低,氣溫對水體中各種生物的活性并沒有太大影響。相反,冬季水體中的溶解氧比較多 (如表2),更有利于硝化作用。故而能夠轉(zhuǎn)化冬季里水體中濃度較高的氨氮和亞硝酸氮,并利用植物吸收作用,吸收水體中硝酸鹽氮,經(jīng)過一定距離的轉(zhuǎn)化后,水體中三氮含量顯著降低 (如圖1所示)。
表2 夏冬兩季溶解氧隨水流方向變化表 (單位:mg/L)
氨氮的轉(zhuǎn)化受溫度的影響較大,夏季溫度比較高隨著水流方向,氨氮穩(wěn)定在0.76 mg/L,冬季溫度較低隨著水流方向,氨氮穩(wěn)定在0.24 mg/L。硝酸鹽氮夏季和冬季濃度差別不大,轉(zhuǎn)化速度也差別不大。濃度較高時(shí)轉(zhuǎn)化速度比較快。亞硝酸鹽氮濃度較高時(shí) (>1.0 mg/L),轉(zhuǎn)化速度較慢,濃度在1.0~0.2 mg/L時(shí)轉(zhuǎn)化速度比較快。小于0.2 mg/L時(shí),轉(zhuǎn)化放緩。溫度對亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化情況影響不大,冬夏季的轉(zhuǎn)化情況差不多。氨氮冬季高濃度剛開始轉(zhuǎn)化時(shí),轉(zhuǎn)化速度較慢;后期速度加快;夏季時(shí)高濃度和低濃度的轉(zhuǎn)化速度差不多。溫度對氨氮轉(zhuǎn)化穩(wěn)定值的影響較大。
圖1 夏 (左)冬 (右)兩季三氮隨水流方向濃度變化圖
2.2.2 溶解氧
氣溫越低,水中的溶解氧越高。冬季的DO值要比夏季高,六個(gè)取樣點(diǎn)處的含量變化不大,冬季DO值在8.00 mg/L上下波動(dòng),而夏季DO值在6.50 mg/L上下波動(dòng) (如表2所示)。冬季溶解氧較高有利于氨氮和亞硝酸鹽氮的硝化作用,冬季氨氮和亞硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化比夏季好。
2.2.3 CODMn
圖2 CODMn隨水流方向變化圖
CODMn值的大小可用于表示水體里所含有機(jī)物的多少,指示出水體受到的有機(jī)污染程度。由圖2可以看出除了第三取樣點(diǎn)之外,夏季水中的COD值都比冬季要高,說明夏季水體受到的污染要比冬季嚴(yán)重。其中第二取樣點(diǎn)因?yàn)橛信盼劭冢艿絿?yán)重的污染,所以COD值明顯增大,第三取樣點(diǎn)則是因?yàn)槭艿降诙狱c(diǎn)的影響,COD值偏高。第五個(gè)取樣點(diǎn)也有排污口,水體受到了污染,COD值增加。在夏季的數(shù)據(jù)中,第四、六取樣點(diǎn)處的COD值相對偏高,這是由于夏季附近許多居民在水邊游玩和釣魚,魚餌及垃圾使COD值變大。整體來看,夏季水體污染明顯比冬季嚴(yán)重。
COD值越大,水體污染就越重,水體自凈過程就需消耗更多的氧氣去降解水中的有機(jī)物,氧氣的消耗必然影響到三氮轉(zhuǎn)化[11]。因此,冬季三氮轉(zhuǎn)化情況好于夏季。
1)污水處理廠尾水排入自然水體中,在冬季水中的溶解氧含量較高、CODMn比較低,營造了一個(gè)富氧的水體環(huán)境,硝化能力較強(qiáng),三氮轉(zhuǎn)化快。冬季三氮轉(zhuǎn)化情況好于夏季。硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮夏冬季轉(zhuǎn)化速度差別不大。濃度較高時(shí)硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化速度比較快。亞硝酸鹽氮濃度較高時(shí) (>1.0 mg/L),轉(zhuǎn)化速度較慢;濃度在1.0~0.2 mg/L時(shí)轉(zhuǎn)化速度比較快;小于0.2 mg/L時(shí),轉(zhuǎn)化放緩。氨氮冬季高濃度時(shí)剛開始轉(zhuǎn)化時(shí),轉(zhuǎn)化速度較慢;后期速度加快;夏季的高濃度和低濃度的轉(zhuǎn)化速度差不多。
2)尾水三氮隨著水流方向含量不斷減少,經(jīng)過約4 km轉(zhuǎn)化,穩(wěn)定在較低值,氨氮夏季穩(wěn)定在0.78 mg/L,冬季穩(wěn)定在0.27 mg/L。亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮冬季和夏季,均約穩(wěn)定在0.2 mg/L。水廠常規(guī)處理工藝完全能轉(zhuǎn)化這種低含量的三氮。因此,針對達(dá)標(biāo)排放的尾水,只要將自來水廠取水點(diǎn)建在4 km外,有效的減少了水廠處理三氮的壓力,三氮對飲用水安全。
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