傅 揚，謝 捷，陳璐艷，楊長明，楊書運，王鳳文

1.安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，安徽 合肥 230036 2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092 3.農(nóng)業(yè)部合肥農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，安徽 合肥 230036

基于比值法解析老城區(qū)河段氮磷污染特征

傅 揚1,3，謝 捷1,3，陳璐艷1,3，楊長明2，楊書運1,3，王鳳文1,3

1.安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，安徽 合肥 230036 2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092 3.農(nóng)業(yè)部合肥農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，安徽 合肥 230036

2013年12月—2015年2月，對南淝河老城區(qū)約4 km河段水體和主要點源的氮、磷污染物進行測定，并利用碳氮比(CODCr/TN)、氮磷比(TN/TP)、氨氮百分含量(NH3-N/TN)等主要指標對所得數(shù)據(jù)進行分析研究。結(jié)果表明，南淝河老城區(qū)段水體的氮磷污染嚴重，氨氮百分含量接近甚至超過50%，具有一般城市生活污水的特征；氮磷比在春夏季處于藻類適宜的生長范圍(9.0

比值法；南淝河；老城區(qū)；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]，歷年對巢湖的磷污染貢獻超過其他河流[2]。而在整個河段中，老城區(qū)段的排污量占較大比重[3]。有研究表明，老城區(qū)是城市內(nèi)河污染的主要來源[4-5]。國內(nèi)一些河流在整治后，水質(zhì)未出現(xiàn)好轉(zhuǎn)[6-7]，其中一個重要原因即老城區(qū)的持續(xù)排污。南淝河老城區(qū)段的城市生活污水和地表徑流多數(shù)經(jīng)管道被直接排入河流，造成了嚴重的污染[3]。

1 材料與方法

1.1區(qū)域概況及采樣點布設

對合肥市南淝河老城區(qū)段的界定目前存在很大爭議，通常認為是望塘污水處理廠至當涂路橋段，全長約20 km。老城區(qū)河段的來水主要為上游望塘污水處理廠尾水和董鋪水庫給水。該河段因周邊建有大量居民小區(qū)、高校、商業(yè)中心等，排水管網(wǎng)相對落后，多數(shù)生活污水和雨水管道就近接入河流，造成嚴重污染，故歷年來一直被視為清淤的重點。其中，合作化路橋至拱辰門橋長約4 km的河段水污染最為典型。該段河道平均寬度約40 m，平均水流流速小于0.5 m/s。其中，合作化路橋設有跌水，水流從合作化路橋開始進入主城區(qū)。另外，還包括一個重要支流四里河。這一河段已于2013年12月—2014年2月期間由絞吸式挖泥船施行了清淤，并隨之進行了截污處理，但隨后發(fā)現(xiàn)水質(zhì)并未從根本上得到改善。

文章選取合作化路橋至拱辰門橋段進行研究，分別在合作化路橋(S1)、四里河入南淝河河口(St)、長豐路橋(S2)、亳州路橋(S3)、蒙城路橋(S4)和拱辰門橋(S5)6處河流斷面布設采樣點，選取1處典型的生活排污口(Ss)(現(xiàn)場用“容積法”測得流速，取平均值為29.38 m3/d)和1處雨水泵站排口(Sr)，同時不定期采集上游望塘污水處理廠尾水(Sp)，采樣點具體位置見表1。

表1 采樣點位置狀況Table 1 Basic information of samples

1.2樣品的采集與分析

1.2.1 樣品采集

2013年12月—2015年2月，按每旬一次的頻率采集S1、Ss、St、S2、S3、S4、S5水樣，并于2014年7月12、24日兩次明顯降水過后分別采集Sr水樣；Sp水樣按每季一次的頻率分別于2014年1月11日、4月13日、7月16日、10月10日采集。采集水樣的同時，現(xiàn)場測定水溫(Tw)和水樣pH。將采集好的水樣立即帶回實驗室，置于4 ℃保存，并于24 h內(nèi)測定總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)和化學需氧量(CODCr)。

1.2.2 樣品分析方法

TN采用《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定；TP采用《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—89)測定；NH3-N采用《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定。分光光度計為T6新世紀紫外-可見分光光度計。CODCr采用《水質(zhì) 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》(GB 11914—89)測定。pH采用PHS系列便攜式pH計現(xiàn)場測定。

水溫采用SH114型管式玻璃溫度計進行測量。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用WPS電子表格進行數(shù)據(jù)處理，并用Origin 9.1軟件進行Shapiro-Wilk正態(tài)測試、單因素方差分析(One-way ANOVA)、差異顯著性檢驗(P<0.05)、相關(guān)性分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1不同類型樣點水樣氮、磷濃度的統(tǒng)計分析

2013年12月—2015年2月期間各樣點水樣氮、磷檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。其中，望塘污水處理廠尾水是南淝河的主要補給水之一，對南淝河水質(zhì)本底的影響僅次于董鋪水庫，但通常董鋪水庫對下游不進行放水。

通過望塘污水處理廠尾水與河流氮、磷指標的對比發(fā)現(xiàn)，TN和CODCr的濃度均值相差并不大，分別相差1.25、3.46 mg/L，是望塘污水處理廠尾水的0.08倍、0.13倍；TP和NH3-N的濃度均值差別明顯，分別相差1.56 、3.17 mg/L，是望塘污水處理廠尾水的0.72倍、1.20倍?？梢缘贸觯廖鬯幚韽S尾水是南淝河的重要磷來源。另外，生活排污口和泵站排口的氮、磷濃度均遠高于河流，污染特征明顯。

表2 2013年12月—2015年2月期間各樣點水樣氮、磷檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)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”表示采樣數(shù)；生活排污口的部分數(shù)據(jù)因河水完全淹沒排口而舍棄。

參照國內(nèi)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，所研究河段水體的TN均值是Ⅴ類水限值的6.75倍，TP均值是Ⅴ類水限值的1.52倍，NH3-N均值是Ⅴ類水限值的2.90倍，而CODCr均值為Ⅳ類水平(≤30 mg/L)，總體氮磷處于劣Ⅴ類水平。因此，在整個監(jiān)測期間所研究南淝河老城區(qū)段水體的氮磷污染依然十分嚴重，等同于一般污水。

水溫和pH是表征排口污水性質(zhì)的重要參數(shù)，同時也是衡量河流水質(zhì)的重要指標。因此，了解并掌握河流和城市生活污水的水溫和pH變化特征，對及時分辨生活排污口和整治河道具有重要意義。生活污水的溫度和pH受居民生活方式、季節(jié)變化的影響較大。監(jiān)測期間生活排污口與河流的水溫和pH的變化見表3。

表3 監(jiān)測期間生活排污口與河流的水溫和pH變化Table 2 Variations of water temperature and pH from sewage outlet and observed river during monitoring

注：“—”表示缺測數(shù)據(jù)。

由表3可以看出，監(jiān)測期間水溫隨時間呈先降后升再降低的變化特征。水溫在11—2月表現(xiàn)為生活排污口明顯高于河流，在3—6月、10月表現(xiàn)基本相同，7—9月則表現(xiàn)為生活排污口明顯低于河流。從pH來看，河流的變化較小，基本處于微堿性，值在7.0～7.8范圍變化，但明顯低于生活排污口。生活污水的pH測定結(jié)果具有兩個明顯的變化階段，即在2013年12月—2014年6月呈降低的趨勢，從8.20降至7.21，而在2014年12月—2015年2月則表現(xiàn)為升高的趨勢，從7.74升至8.47。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因還有待于后期的研究。

2.2各樣點水體NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的統(tǒng)計分析和動態(tài)變化特征

NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。從圖1(a)可以看出，Ss點(生活污水)氨氮百分含量超過50%，均值達到74.69%，這與許多專家的研究結(jié)果一致，如張翔凌等[18]研究的城市污水中氨氮百分含量達到了69.04%，JIN等[19]研究的城市下水道管網(wǎng)中生活污水的氨氮百分含量均值為76.92%，陳能汪等[20]在5月28日、8月10日研究了九龍江流域的農(nóng)村生活污水后發(fā)現(xiàn)，氨氮百分含量均值分別達到了58.2%、59.4%。而張德剛等[21]研究發(fā)現(xiàn)，滇池典型城郊村鎮(zhèn)的生活污水中氨氮百分含量為26.80%～31.32%，這可能與城市生活污水和村鎮(zhèn)生活污水之間的差異有關(guān)。城市生活污水具有集中排放的特征，而村鎮(zhèn)生活污水則部分(如，糞便等被存儲于化糞池)屬于“分離式”排放。生活污水中的氨氮大部分來自人體尿液和一些含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。因此，城市生活污水的一個重要特征即氨氮百分含量很高，一般超過50%[18-20]。圖1(a)中河流各檢測斷面的氨氮百分含量之間的差異不顯著(P< 0.05)，說明下游檢測斷面中氨氮百分含量主要

受上游S1點和支流St點水質(zhì)的影響。上游S1點和支流St點氨氮百分含量均值均很高，分別達到40.00%、48.47%；且氨氮濃度均值分別為5.06、6.84 mg/L，該值分別是國內(nèi)景觀娛樂用水水質(zhì)標準[22]的10.12倍、13.68倍。

從圖1(b))可以看出，Ss點和St點的數(shù)據(jù)變化氮磷比均值分別為14.12、17.64。根據(jù)GUILDFORD[23]等提出的TN/TP(質(zhì)量比)大于等于22.6為磷限制狀態(tài)，TN/TP(質(zhì)量比)小于等于9.0為氮限制狀態(tài)作為參考。Ss點和St點的氮磷比均值處于中間水平，對河流貢獻為磷限制或為氮限制。上游S1點的氮磷比均值為43.21，處于磷限制狀態(tài)；而S2～S5點的氮磷比均值分別為28.13、32.40、26.64、25.64，也均處于磷限制狀態(tài)。吳怡等[24]研究表明，較高的氮磷比有利于藻類的增殖，對河流富營養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生具有促進作用。另外，各組間差異顯著性分析結(jié)果表明，S2～S5點的氮磷比同時與Ss點、St點和S1點的差異不顯著(P< 0.05)，而Ss點或St點的氮磷比與S1點的差異顯著(P<0.05)，說明下游S2～S5點的氮磷比同時受上游S1點和生活排污口Ss點、支流St點的影響。

各樣點水體碳氮比的統(tǒng)計結(jié)果如圖1(c)所示。上游S1點的碳氮比均值為2.37，Ss點和St點的碳氮比均值分別為3.19、2.68，下游S2～S5點的碳氮比均值分別為2.35、2.29、2.39、2.45。XU等[9]在利用小球藻處理合成的生活污水時發(fā)現(xiàn)，碳氮比低于3會降低污水中營養(yǎng)物的去除效率。YAN等[25]發(fā)現(xiàn)，污水中碳氮比為2.5時，最有利于TN的去除。另外，當碳氮比處于2.5～5范圍時，可產(chǎn)生相對較低的溫室氣體。顯然，所研究河段水體的碳氮比均低于這一水平。較低的碳氮比會影響生物的反硝化過程，導致大量氧化亞氮(N2O，目前最主要的溫室氣體之一)的產(chǎn)生[26]。

注：圖中Box反映25%～75%的信息；各小圖中不同小寫字母表示各處理組間差異顯著(P<0.05)。圖1 各水體NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的統(tǒng)計結(jié)果Fig.1 Statistical results of different water body in NH3-N/TN, TN/TP and CODCr/TN

各水體NH3-N/TN、TN/TP和CODCr/TN的逐月變化如圖2所示。由圖2(a)可以看出，河流總體表現(xiàn)為先升高-后降低-再升高的變化趨勢。氨氮百分含量超過50%的主要有5個月，即3—7月。此外，其他月份氨氮百分含量在25%～50%范圍變化。由此得出，南淝河老城區(qū)段3—7月水體的污染特征與生活污水相似。從圖2(a)還可以看出，St點水體在2013年12月、2014年2月的氨氮百分含量明顯高于河流，達到60%以上，具有一般生活污水特征。

注：圖中各月的值為該月3次的平均值。圖2 各水體NH3-N/TN、TN/TP、CODCr/TN的逐月變化情況Fig.2 Monthly variation of different water body in NH3-N/TN, TN/TP and CODCr/TN

從圖2(b)可以看出，兩個明顯的“陡峰”分別出現(xiàn)在2014年的2、12月，氮磷比月平均值達到35以上，為整個監(jiān)測期間最大，處于磷限制狀態(tài)[23]。按季節(jié)分析，秋冬季(9月—翌年2月)的氮磷比明顯高于春夏季(3—8月)。而春夏季監(jiān)測段河流的氮磷比范圍在9～22.6，是藻類生長的合適范圍[27]，加上春夏季適宜的溫度和光照條件，極易造成水華的爆發(fā)[28]。因此，應重點在春夏季加強對南淝河老城區(qū)段水體營養(yǎng)鹽輸入的控制。

從圖2(c)可以看出，所研究河段水體的碳氮比變化曲線由2個“陡升段”、1個“陡降段”和2個“緩升段”組成。其中，2個“陡升段”分別出現(xiàn)在2013年12月—2014年1月、2015年1—2月，1個“陡降段”出現(xiàn)在2014年7—8月，2個“緩升段”分別為2014年1—7月、2014年8月—2015年1月。碳氮比基本處于1.5～3.0范圍變化，屬于低碳氮比水平。

2.3四里河水體氮、磷污染物的相關(guān)性分析

考慮到四里河為南淝河的重要支流，前期的一些研究[29]表明，四里河上游工業(yè)相對發(fā)達，有大量工業(yè)廢水、居民生活污水排入河流，從而造成河流污染。因此，為判斷四里河水體氮、磷污染物的輸入途徑時，對St點水體的氮、磷污染物數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，TP分別與NH3-N、TN呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.870、0.749；且NH3-N與TN呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.903。這說明四里河入南淝河河口水體TP、NH3-N、TN的輸入途徑基本一致[27]。結(jié)合St點水體高氨氮百分含量(均值為48.47%)特征，可初步判定為城市生活污水或某些含氨類廢水的排放所致。相關(guān)部門仍應加強對支流四里河的整治，以減少今后對南淝河生態(tài)修復的不利影響。

3 結(jié)論

1) 南淝河老城區(qū)段水體氮磷污染仍十分嚴重，主要受上游望塘污水處理廠尾水、城市生活污水以及城市地表徑流的影響。

2) 南淝河老城區(qū)段水體氨氮百分含量接近甚至超過50%，具有一般城市生活污水的特征；氮磷比在春夏季處于藻類生長的適宜范圍(9.0< TN/TP< 22.6)，有關(guān)部門應加強春夏季氮、磷營養(yǎng)鹽輸入的控制；另外，整個水體處于低碳氮比水平(CODCr/TN均值小于2.5)，不利于水體的生物凈化。

3) 四里河入南淝河河口氮磷污染亦十分嚴重，且氮、磷輸入途徑基本一致。

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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

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2011ZX07303-002)；中國清潔發(fā)展機制贈款項目“安徽省農(nóng)業(yè)、生態(tài)領(lǐng)域適應氣候變化對策分析”；合肥市大氣能見度與相對濕度、PM10及PM2.5的關(guān)系(2015-2)；安徽農(nóng)業(yè)大學穩(wěn)定人才項目(wd2016-1)

傅 揚(1991-)，男，安徽宣城人，碩士。

王鳳文