（环境工程专业论文）广州城市水体氮污染研究.pdf

摘要 广州城市水体氮污染研究 摘要 本文选取广州1 0 条城市河涌水体作为研究对象，分别研究河涌上覆水及底 泥间隙水的氮污染现状。并通过冬夏两季的模拟实验，探讨了水体中三氮的转化 去除，以及硝化一反硝化与同化作用两种去除途径的比较。同时还专门就光合细 菌对水体中氮污染转化去除的影响作了研究。结果发现： l 、广州1 0 条河涌的上覆水氨氮值为6 2 1 m g 1 - - 2 2 4m g 1 ，总氮值为8 1 8 m g 1 - - 2 5 6m g l 。为劣v 类水质( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 。问隙水氨氮值为1 9 9 m g 1 - - 1 5 2 m g 1 ， 总氮值含量在2 1 8 m g 1 1 5 4m g 1 之间。两者的氮污染中均以氨氮占绝对多数， 而硝酸盐氮及亚硝酸盐的含量都很低。河涌的氨氮和总氮污染之间表现出很强的 相关性，但是两种水的氨氮及总氮污染之间则不存在明显的相关性。 2 、模拟实验中发现，温度对于水体中三氮的去除转化速率具有明显的正相 关作用。在温度相似的坏境中，光照条件下水样的复氧及三氮去除转化速率要明 显高于黑暗条件下的。在光照条件下却没有亚硝酸盐氮和硝酸盐氮累积现象的产 生。而在黑暗条件下水体中三氮的变化规律与理论基本相符 3 、在夏季实验中发现：在黑暗条件下，添加光合细菌对水样的复氧并没有 帮助。在光照条件下，室内组添加了光合细菌的水样中溶解氧水平始终高于未添 加光合细菌的水样；而在室外组中，则没有明显的规律，两组水样中溶解氧浓度 相互交替。在室内和室外条件下，添加了光合细菌菌液的水样中氨氮转化速率要 高于未添加的水样，亚硝酸盐氮含量和硝酸盐含量处于很低水平，因此无法显示 出光合细菌与否对此有影响；而在培养箱环境中，光合细菌对三氮的转化起反作 用。 关键词：城市水体；氮；污染；转化 广州城市水体氮污染研究 r e s e a r c ho nt h en i t r o g e np o l l u t i o no f m u n i c i p a lw a t e r b o d yi ng u a n g z h o u b yy u y i n g d i r e c t e db yf a n z h o n gc h e n a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ep r e s e mn i t r o g e n p o l l u t i o ni no v e r l y i n gw a t e ra n d i n t e r s t i t i a lw a t e ro f10m u n i c i p a lw a t e rb o d yi n g u a n g z h o u w ed i s c u s s e dt h e t r a n s l a t i o no fn i t r o g e ni ns a m p l e so ft h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t si ns u m m e ra n di n w i n t e r , c o m p a r e dt h en i t r i f i c a t i o n - d e n i t r i f i e a t i o nw i t ha s s i m i l a t i o nt of i n dw h i c hw a s m o r ei m p o r t a n tf o rt h et r a n s l a t i o no f n i t r o g e n t h er e s u l t ss h o w ： 1 t h en h 4 + - na n dt no fo v e r l y i n gw a t e ri n10 m u n i c i p a lr i v e r s w e r e 6 2lm g l - 2 2 a m g 1a n d8 18 m g 1 - 2 5 6 m g 1r e s p e c t i v e l y t h eq u a l i t yo fw a t e ra l lb e l o n g t ou n d e r - va c c o r d i n gt os t a n d a r df o rs u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y t h e n h 4 + na n dt no fi n t e r s t i t i a lw a t e ri n10m u n i c i p a lr i v e r sw e r e19 9 m 酣- 15 2 m g 1a n d 2 1 8 m g l 一15 4 m g lr e s p e c t i v e l y n h 4 + - nw a st h em o s ts e r i o u ss o u r c e so fp o l l u t i o n ， h o w e v e r , t h e r ew a sa l m o s tn on 0 2 。- na n dn 0 3 - ni nt h eo v e r l y i n go ri n t e r s t i t i a l w a t e r t h er e l a t i v i t yb e t w e e nt h ev a l u eo fc o n c e n t r a t i o no fa m m o n i ca n dt o t a ln i t r o g e n w a sv e r yh a r d ，b u tt h e r ew a sn ov i s i b l er e l a t i v i t yb e t w e e nt w ok i n d so fw a t e rn om a t t e r w h a ta b o u ta m m o n i co rt o t a ln i t r o g e n 2 t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ec o u l da c c e l e r a t et h e t r a n s l a t i o no fn i t r o g e nv e r yv i s i b l e w h e ni nt h es a m et e m p e r a t u r e ，t h ev a l u eo fd o r e s u m e dm o r eq u i c k l yw i t ht h el i g h t ，a n dt h e r ew a sn on 0 2 一- na n dn 0 3 一- n c u m u l a t e di nw a t e rs a m p l e s h o w e v e r , t h et r a n s l a t i o no fn i t r o g e ni nw a t e rs a m p l e sw a s s i m i l a rw i t ht h et h e o r yi na n t i c i p a t i o nw h e nw i t h o m l i g h t 3 i ns u m m e re x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o w e d ：a d d i n gp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ( p s b ) c o u l dn o ta c c e l e r a t et h ed i s s o l v e do x y g e nr e s u m i n gw h e nw i t h o u tl i g h t i nt h eg r o u po f i n d o o rt h ed i s s o l v e do x y g e no fs a m p l ew h i c ha d d e dp s bw a sh i g h e rt h a nt h es a m p l e w i t hn o t h i n g ；h o w e v e r , i nt h eg r o u po fo u t s i d e ，t h e r ew a sn ov i s i b l er o l ew i t ht h e s a m p l e s a d d i n gp s bc o u l da l s oa c c e l e r a t et h et r a n s l a t i n gv e l o c i t yo fa m m o n i cw h e n 2 a b s t r a e t w i t h i nl i g h t ，b u tt h e r ew a sn ov i s i b l ei n d i c a t i o nt op r o v ei tc o u l da f f e c tt h et r a n s l a t i n g v e l o c i t yo fn 0 2 。- na n dn 0 3 - nf o rt h ec o n c e n t r a t i o n so ft h e mw e r et o ol o w b u ti n t h eg r o u po fi n c u b a t o r , a d d i n gp s bw o u l di n c u m b e rt h et r a n s l a t i o no fn i t r o g m k e yw o r d s ：m u n i c i p a lw a t e rb o d y ；n i t r o g e n ；p o l l u t i o n ；t r a n s l a t i o n 3 声明 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的硕士生学位论文广州城市水体氮污染研究，是本 人在导师陈繁忠的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经引用的 内容外，本文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本提交的研究 生论文不涉及国家秘密、不牵连单位专利权益、不牵涉同行专家著作权、不需要 行业技术保密，论文( 除以下附在部分) 可以通过书面或电子出版网络对外交流。 本人同意将自己的研究生博士硕士论文提交给中国国家图书馆、中国科学技 术信息研究所中国学位论文数据库、清华大学中国学术期刊电子图书馆、 中国科学院科学科技图书馆。 学位论文作者签名：俞盈 2 0 0 7 年4 月2 5 日 第一章绪论 第一章绪论 氮( n ) 是自然界广泛存在的基本元素之一，空气中氮气的比例大约为7 8 ， 这些气体本来只有在细菌和闪电的作用下才能参与自然界的循环转化。但是随着 化石燃料的大量燃烧及化肥的大量使用，大气圈、水圈、土壤圈中的含氮活性物 质含量急剧上升，进而开始对自然环境产生危害。 第一节、城市水环境中氮( n ) 污染及危害 河涌是指用于防洪、排涝、排水、航运的天然河道、人工水道、人工湖泊。 河涌中氮元素的主要存在形式有有机氮和无机氮两种，其中可溶性无机氮主要包 含氨氮( n h 4 + - n ) 、亚硝酸盐氮( n 0 2 一- n ) 和硝酸盐氮( n 0 3 - - n ) 三种，简称 “三氮”。水中无机氮的危害性主要表现在一下几个方面： ( 1 ) 高浓度的氨氮( 0 5 m 酊) 会抑制水生生物体内血液的携氧能力，严重 会引起窒息死亡。其中有毒害作用的主要是非离子氨氮，它在总氨氮中所占的比 例随p h 值和水温的升高而增长。因此在有碱性废水排入的水体中，氨氮的毒性 就更加严重。也有研究表示，外部基质中的氨浓度增加会使得水生生物的氨排泄 受阻( b e t h e s d em d ，1 9 8 1 ) ，导致生物亚急性氨中毒，使水生生物摄食减少，体重 减轻，生长缓慢( c o l tj e ，a r m s t r o n gd a ，19 8 1 ) 。而在集约化养殖业中，这一问 题则更加凸现，研究显示：所有通过饲料投递进入水域的含氮物质中，只有1 9 是被鱼类真正利用吸收的，另外有4 作为沉积物沉积下来，而剩下的6 1 的含 氮物质则作为溶解态成分滞留于水体中( s l e f e b v r e ，e ta l ，2 0 0 1 ) 。因此氮污染已 成为制约集约化水产养殖环境的主要胁迫因子( g h o l a m r e z ar a f i e e ，e ta l ，2 0 0 5 ； a n t o n i ot ，e ta l ，2 0 0 0 ) 。 1 广州城市水体氮污染研究 ( 2 ) 亚硝酸盐氮毒性因水体中p h 、n a + 、d o 等含量不同差异很大( r u s s o r c ， t h u r s t e nr ve ta 1 ，1 9 8 1 ；r o b o r tv t ，r u s s or c ，e ta 1 ，1 9 8 1 ) 。在高浓度状态下会影 响水生生物尤其是鱼类血液输送氧气的能力，继而引发褐血病、偷死病等鱼类疾 病( 陈红菊，2 0 0 3 ) 。有研究表示，水体中亚硝酸氮浓度过高( 0 2 m g 1 ) 是近年 来鱼病频繁发生的不可忽视的原因( 吴伟等，2 0 0 1 ：j a m e sb o ，c h e r y la g1 9 9 1 ) 。 但也有研究提出，由于非离子态更容易通过生物膜，很可能h n 0 2 是毒性形式， 而不是n 0 2 一- n ( w e d e m e y e rg a ，y a s u t a k ew t ，19 7 8 ) 。 ( 3 ) 饮用水中过量的硝酸盐氮能引起婴幼儿高铁血红蛋白症，使血液不能输 送氧气。此外，饮用水中的过量硝酸盐氮还会在胃中还原为亚硝酸盐氮，继而与 人胃中的物质作用形成亚硝胺，而亚硝胺现已被确认为致癌、致畸物质( 陈明， 2 0 0 0 ) 。因此我国及世界卫生组织、美国、日本、俄罗斯等许多国家的饮用水中 硝酸盐氮的最高含量为l o m g 1 ，欧盟提出的允许值为5 6 m g 1 ( 张胜等，2 0 0 5 ) 。 ( 4 ) 氮是植物主要营养元素之一，水体中过量的氮会造成水体富营养化( 陈 荷生，2 0 0 1 ) ，在淡水湖泊或河流会发生“水华现象，在海湾或近海产生“赤 潮”( n a s e l l if l ，e ta l ，1 9 9 8 ；w a t s o ns ，e ta l ，1 9 9 7 ) 。大量消耗水体中的溶解氧，危 害水生生物的生长。 第二节、国内外研究现状 随着全球清洁水资源的日渐紧缺，由氮污染引发的环境污染越来越受到人们 的关注。从上世纪7 0 年代起就开始成为研究的热点，研究主要集中在氮污染情 况、危害和治理技术两个方面。 2 第一章绪论 一、国内外关于氮污染的调查研究 国内外关于氮污染的的调查研究主要集中在两方面：一是关于河涌氮污染 的现状调查，二是关于氮污染的危害研究。 前者在国外方面： 在北美，m a r yr c a r m a n ，s c t b u l l a r d 等( 2 0 0 7 ) 研究了美国南马萨诸塞州沿 海水域中的水质状况、氮污染情况及海鞘类生物多样性情况，而k a r le h a v e n s ，r t h o m a sj a m e s 等( 2 0 0 3 ) 用2 8 年的时间跟踪调查了一个湖泊的氮磷比、光照限 制、蓝细菌的占优势情况，该湖泊位于亚热带，且不受点源氮污染。结果发现， 湖水中总的氮磷比从七十年代中期的3 0 ：l 下降到现在的1 5 - l ；而可溶性的氮 磷比则从当时的1 5 ：1 降至现在的6 ：1 。观测还证实了先前的预测，那就是：蓝 细菌成为浮游生物的优势种群，达到总生物量的5 0 一8 0 。此c b - 十几年问湖 水的能见度也从0 6 米下降到了o 3 ，从而导致了在最后十年中固氮细菌，如蓝细 菌不在具有种群优势。 在南美，p h i l i p p em a i l l a r d 等( 2 0 0 6 ) 用统计法研究了不同水质参数的非点 源污染源对巴西的v e l h a s 河的影响。结果发现在陆地使用或覆盖肥料与水体的浑 浊度、氮含量及大肠杆菌之间存在很强的相关性。且这些参数的变化随河流的延 伸表现出不同的变化特征，其中一些参数变化情况在雨季时能被更好的模拟出 来，但是另一些则在旱季符合的更好。 而在欧洲，j o s 6mg a r c i a - b a r c i n a 等( 2 0 0 6 ) 评估了控制污染物排放量与西 班牙的b i l b a o 河的水质改善程度之间的关系。他们在1 9 9 3 年到2 0 0 3 年之间对流 入b i l b a o 河的未经处理的污水进行了拦截，总拦截量大约为5 1 8 的c o d ，7 0 9 的氨氮以及8 1 9 的大肠杆菌。结果发现河道年复氧速度大约为2 0 4 一4 11 ， 氨氮年减少速度为4 1 5 1 7 5 7 5 u m ，而大肠杆背群落数则从每1 0 0 m l2 5 5 1 0 5 个下降至2 1 3 1 0 4 个。而德国的t g r i s c h e k ，k m h i s c o c k 等( 1 9 9 8 ) 则利用氮 同位素研究了河涌水下渗到沙地时的硝化和反硝化作用。结果发现地下水中需要 硝化反硝化作用的物质主要有两个来源：一是来自河涌的下渗水；二是来自含水 土层及河床沉积物。 3 广州城市水体氮污染研究 此外，l a j o r g e n s e n ( 1 9 9 9 ) 利用长期的统计数据研究了丹麦农业施氮量与 流失进入环境的氮物质之间的循环过程。 在非洲，e a g m s c h e r e n 等( 2 0 0 0 ) 研究了位于东非的v i c t o r i a 湖的污染源 来源情况。发现大部分的b o d 负载量来自家庭污水。而排入湖水中大约9 0 的 磷和9 4 的氮来自大气的沉积作用和土壤的淋溶作用。 国内方面：在珠江流域危俊婷、万军明等( 2 0 0 6 ) 以佛山市雅瑶涌为研究实 例，探讨了珠江三角洲河网地区围内河涌氨氮污染的特征，并对氨氮的来源进行 了研究。研究表明内河涌的氨氮污染逐年严重，并呈现季节性的变化，已成为最 主要的污染因子。畜牧水产业、未经处理的生活污水都是显著的污染源，且后者 是内河涌最重要的氨氮污染源。 徐宁、段舜山等( 2 0 0 4 ) 对广东大中型水库的氮污染和富营养化现状进行了 调查。结果表明，在调查的2 0 个大中型供水水库中，水质现状总体较好，7 0 的 水库处于中营养状态以下，3 0 的水库开始出现富营养化现象。而珠江三角洲地 区水库富营养化趋势已相当明显：除流溪河水库水质良好之外，5 0 的水库达到 富营养状态，其余水库也超过中营养水平。并认为水库的总氮浓度普遍偏高，氮 污染成为水库富营养化的重要原因。 而在长江流域，沈志良、刘群等( 2 0 0 3 ) 则对长江总氮和有机氮的分布变化 与迁移进行研究，结果表明：长江水中各种形态氮的浓度，枯水期明显高于丰水 期，支流明显高于干流；总无机氮是长江水中总氮的主要存在形式，而溶解态的 无机氮又是总无机氮的主要存在形式。并且认为长江水中氮主要来自与面源污 染。 邢光熹、曹亚澄等( 2 0 0 1 ) 对太湖地区水体氮的污染源和反硝化进行研究， 报告了地处太湖流域中心地带的苏州和无锡地区水体氮污染和农田氮向水体迁 4 第一章绪论 移特征。根据不同水体，不同形态无机氮的浓度及p 0 4 3 的浓度，河水和湖水水体 中6 1 5 n h 4 的数值对河水、湖水和井水中氮的来源进行了区分，比较了不同年份、 不同季节、不同水体氮污染的变化趋势及浓度增幅，根据不同水体中n 2 0 浓度的 增高和井水6 1 5 n 0 3 值的增高得到了河水、湖水和井水存在反硝化的证据，并讨论 了水体氮的反硝化作用对于减轻水体氮负荷的作用。 蒋秀华( 1 9 9 7 ) 研究了太湖水体溶解氧及三氮水质转化，并通过对湖区水体 中有机物对水体影响及相互作用产生变化特征进行分析，说明造成湖区富营养化 的总氮构成的来源。 此外刘宏斌、李志宏等( 2 0 0 6 ) 还研究了北京市平原农区4 种埋深地下水的 硝态氮污染状况及影响因素。结果发现硝态氮含量与地下水埋深成反比，其含量 超标率( n 0 3 一- n 1 0r a g 1 ) 和严重超标率( n 0 3 一- n 2 0r a g 1 ) 从最初的1 3 8 和6 9 ( 埋深1 2 0 2 0 0 米) 升高至8 0 5 矛n 6 6 2 ( 深度3 6 米) 。远郊地下水质 量明显优于近郊。地下水硝态氮污染在很大程度上受机井所处周边环境的影响， 菜区特别是老菜区的地下水污染程度远远重于其他地区。认为北京市平原农区地 下水中的硝态氮主要来源于地表淋溶，过量施用氮肥是地下水硝态氮污染的主要 原因。 王春光等( 2 0 0 5 ) 根据氮在土壤中的运移规律，运用建立的数学模型分析流 域降雨量和土壤氮含量与流域出口氮污染负荷之间的关系，揭示了氮污染的形成 机理。然后以管河流域为例，研究分析认为：在汛期随着流域土壤含氮量的增加， 流域出口氮污染负荷增加；随着降雨量增加，流域出口氮污染负荷也增加。 另一方面对与氮污染的危害研究： s b j u l i oa c a m a r g o 等( 2 0 0 6 ) 从生态学 和毒理学两方面研究了无机氮污染对水生生态系统的影响，并对此进行了全球性 的评估。结果发现无机氮污染主要会带来三个方面的问题：( 1 ) 会使淡水水生系 5 广州城市水体氮污染研究 统中的氢离子浓度增加，继而导致水体酸化：( 2 ) 会刺激初级生产者的生长繁殖， 使水体富营养化；( 3 ) 无机氮污染物浓度累积会产生毒害作用，不仅影响水生动 物的生存、生长、繁殖，还会影响人类的健康和社会体系。 而国内方面：谭烨辉、杨凤等( 2 0 0 3 ) 就总氨、亚硝酸氮及养鲍污水对皱纹 盘鲍生长的影响进行了研究，实验表明：当养鲍用水中非离子氨氮( n h 3 - n ) 为 0 0 3 5m g 1 以下或n 0 2 - - n 为0 8m g 1 以下时，对皱纹盘鲍( h a l i o t i sd i s c u sh a n n a i i n o ) 幼鲍的生长不产生明显影响。双因素试验结果表明，水中t n h 3 - n 、n 0 2 。- n 对幼鲍生长的影响没有交互作用，只是简单的相加作用。经回归表明，养鲍自污 染水中，n h 3 - n 是影响幼鲍生长的主要因子。 孙国铭、汤建华等( 2 0 0 2 ) 为了研究氨氮、亚硝酸盐氮对水生生物的毒害作 用，以南美白对虾为例进行了急性毒理实验。求得了两种物质对南美百对虾2 4 h 、 4 8 h 、7 2 h 、9 6 h 的半致死浓度。认为对于南美百对虾来说氨氮的毒性要强于亚硝 酸氮，并提出了水体降低氨氮和亚硝酸氮含量的措施。 将国内外一些河涌水体氮物质含量水平进行统计，结果见表卜l ( j o s em g a r c i a - b a r e i n a ，e ta l ，2 0 0 6 ；s s h r e s t h a , e ta l ，2 0 0 7 ；e r i es t r u y f , e ta l ，2 0 0 4 ；u n m e s h c h a n d r ap a n d a , e ta l ，2 0 0 6 ；t go h i g g i n s ，e ta l ，2 0 0 5 ；危俊婷等，2 0 0 6 ；谢迎新等， 2 0 0 6 ；张娜等，2 0 0 3 ；杨士建等，2 0 0 4 ；吴洁等，2 0 0 3 ) 6 第一章绪论 表卜l世界若干河涌水体氮污染情况 t a b 1 - 1n i t r o g e np o l l u t i o no fs o m em u n i c i p a lw a t e rb o d yo ft h ew o r l d ( 1 w a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so f d e n d e r m o n d er i v e ri ns u m m e r ；2 w a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so f m a h a n a d ir i v e ri n p r e ，m o n s o o n ；3 s u r f a c ew a t e rq u a l i t yp a r a m e t e r so f g r o u pio f l i 厨r i v e r ；：不同时期不同地点的饱和溶解氧 值都不一样。) 二、国内外对氮污染治理方面的研究 水体中氮污染治理方法一般包括废水处理法和水体生物修复两类。前者可分 为以下三种： 广州城市水体氮污染研究 1 、物理处理法 主要是指通过物理作用分离、回收废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物( 包 括油膜和油珠) 。通常采用沉淀、过滤、离心分离、气浮、蒸发结晶、反渗透等 方法，将废水中悬浮物、胶体物和油类等污染物分离出来，从而使废水得到初步 净化。 如m gh e a l y , m r o d g e r s 等( 2 0 0 7 ) 运用沙地渗滤法处理高浓度的养殖场废 水，结果发现最佳的水力停留时间为1 0 lm 之d - 1 ，当水力停留时间为1 3 4 lm 之d 1 时，将会导致积水产生。在最佳水力停留时间条件下，以2 1g - nm 。2d 。1 的速率往 渗滤器中通凯氏氮，结果发现去除率为8 6 ( 以总氮计) 。并且同样面积的渗滤 沙地的处理能力较湿地法高，是一种比较现实可行的污水处理法。 钱勤等( 2 0 0 7 ) 研究超滤技术作为海水反渗透系统预处理的可行性，结果表 明，在直接以高浊度海水为进水的情况下s f p 超滤膜的出水水质符合海水反渗透 系统的进水要求，可以作为其预处理使用。 2 、化学处理法 是指通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染 物或将其转化为无害物质的废水处理法。通常采用方法有：中和、混凝、氧化还 原、萃取、汽提、吹脱、吸附、离子交换以及电渗透等方法。 t a t s u os u m i n o 等( 2 0 0 6 ) 利用厌氧氨氧化技术处理研究单一反应器中的氮去 除情况，结果发现当氮去除率到达3 0 的时候，反应器中固定于无纺布表面的污 泥开始增加，污水中的氨物质含量上升。氮去除率可以明显的升至8 0 9 4 。同 时还发现在该系统中，氮去除率与c n 比和t o c 含量有关，与污泥量无关。运 用1 5 n 同位素标记法确定产生的n 2 气体来自于厌氧氨氧化反应器。 李可彬、金士道( 1 9 9 6 ) 用乳状液膜法去除废水中的氨氮污染，结果表明， r 第一章绪论 由表面活性剂、民用煤油及膜增强剂组成的膜相，稀硫酸的质量分数1 0 的内相 组成的液膜体系，当乳水比为l ：1 0 ，接触时间为8 分钟时，可使氨氮浓度为 1 0 0 0 m g 1 以上的废水，一级去除率达9 7 以上，使其达到废水排放标准。 3 、生物处理法 是指通过微生物的代谢作用，使废水溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机物、 有毒物等污染物质，转化为稳定、无害的物质的废水处理方法。生物处理法又分 为需氧处理和厌氧处理两种方法。需氧处理法目前常用的有活性污泥法、生物滤 池和氧化塘等。厌氧处理法，又名生物还原处理法，主要用于处理高浓度有机废 水和污泥，使用处理设备，主要为消化池等。 如o f o n t e n o lc b o n v i l l a i n 等( 2 0 0 7 ) 采用串联式活性污泥法处理养虾池污 水，该污水的氮元素含量极高。并研究了温度、盐分、碳氮比对处理效果的影响。 结果发现，在盐度为2 8 - - 4 0 m g 1 、温度2 2 - - 3 7 。c ，碳氮比为1 0 ：1 时，该方法能 达到最佳处理状态。 而s t e p h a n i el l a n s i n g ，j a yem a r t i n 等( 2 0 0 6 ) 用生态处理系统处理位于美 国俄亥俄州的养牛场废水，该系统由一系列的好氧及厌氧反应器组成。经过处理 的废水氨氮值从5 2 1 m g 1 降至0 0 7 m g 1 ，氮氧化物的出水浓度平均为0 5 3 m g 1 。 并且在为期2 0 周的实验中，该套系统的除去氮污染物的能力十分稳定，没有发 生降低现象。 t e r a d a a ，h i b i y ak 等( 2 0 0 3 ) 用生物膜法处理高浓度含氮废水，结果发现总 碳和氮的去除率分别达9 6 t ( d8 3 ，去除速率分别为5 7 6g cm 乏d - 1 和4 4 8g n m 。2d 一。通过溶解氧微电极测量膜的厚度大约为1 6 0 0 m u m 。并且研究还发现，在 该方法中，亚硝酸盐氮才是氮去除的主要途径。 而水体生物修复法根据生物种类的不同可分为以下三种： q 广州城市水体氮污染研究 1 、微生物修复法 闫海、林毅雄等( 2 0 0 3 ) 在研究筛选的自养和异样微生物菌群的脱氮效果后 发现，异养微生物无论是生长还是对n h 4 + - n 及n 0 2 - - n 的去除都明显好于自养微 生物。并且培养出了具备很强脱氮能力包含自养和异养菌的混合微生物，在细胞 干重浓度为0 4 8g l 的情况下，在实验进行3 h 和5 h 后，可将初始浓度1 0 6 m g l 的n h 4 + - n 和初始浓度4 9 9 m g 1 的n 0 2 - n 全部去除。 吴伟、陈家长等( 2 0 0 0 ) 应用诺卡氏菌对影响氨氮降解的各种主要因素进行 了研究，发现降解菌在3 0 c ，p h = 7 2 及氨氮初始浓度为0 - - 3 0 m g 1 范围内保持高 活性，最大降解速率达3 5 m g 1 h 。当底物浓度大于5 0 m g 1 时，平均降解速率线性 下降。并且还发现当接种量( 菌悬液反应液) 为2 0 m l 1 0 0 m l 时氨氮的降解是高效 与经济的。 刘双江、孙燕等( 1 9 9 5 ) 研究了光合细菌对水体中亚硝酸盐氮的控制作用。 将分离到的菌株应用到实验中，发现当亚硝酸盐氮浓度在0 0 1 5 0 m m o l 1 时该菌 株在7 天内能去除8 0 以上的亚硝酸盐氮。并在养殖池塘中进行了中试，发现施 用该菌株制成的菌剂，池塘中亚硝酸盐氮浓度下降5 0 一8 0 。 2 、水生植物修复法 郑少奎、张燕燕等( 2 0 0 6 ) 以氨氮为主要氮组分的富营养化水体为研究对象， 采用批量培养方式对比研究了浮水植物系统、泡沫板系统、空白系统的脱氮效果。 并探讨了6 4 1 1 2 c 水温下不同起始c o d 浓度( 2 7 1 0 5m g 1 ) 对各污染物去除 的影响结果表明，溶解氧( d o ) 是影响n h 4 + - n 去除的关键因子之一。三种系统 中植物的n h 4 + - n 的去除率( 4 5o 6 0 5 6 ) 普遍高于泡沫板系统( 3 8 ) 与空白系统 ( 3 8 ) 。随着水体中起始c o d 浓度的升高，系统中d o 逐渐由好氧状态降至o ， 该结果对n 0 3 - n 去除率影响最大( 去除率由6 7 上升至9 5 ) ，而对其它水质指 f 0 第一章绪论 标( c o d ，t n ，n h 4 + n ) 的影响相对较小 d o m e n i c ov o l t o l i n a 等( 2 0 0 5 ) 利用斜生栅藻对人工废水进行处理，结果发现， 其他条件相同的情况下，斜生栅藻对高浓度废水中的氮物质去除率叫低浓度情况 下高，但是较低浓度的废水更有利于斜生栅藻的生长。 许航、陈焕壮等( 1 9 9 9 ) 通过对校园水生植物塘处理生活污水和食堂废水的 全年观测和研究证明：水生植物塘对污染物c o d 、b o d 5 、t p 、t n 、n h 4 + n 等 具有显著的净化效果，特别是对氮、磷等营养物质具有极强的氧化、分解、吸收 的能力。同时还通过静态对比实验和水生植物根际生物种属的分离鉴定，对水花 生、水葫芦塘的净化机理进行了研究。 3 、水生动物修复法 水生动物修复污染水体主要指的是螺、蚌、虾及底栖鱼类等水生动物。它 们可过滤悬移质，摄食生物碎屑，其分泌物有絮凝作用。这些动物在水体得到一 定的净化后，作为健康水环境的组成，对水环境的生态恢复也有重要作用。 如a b j o n e s ( 2 0 0 1 ) 等通过实验室模拟实验研究悉尼礁石牡蛎( s a c c o s t r e a c o m m e r c i f l i s ) 和巨藻对养虾池废水的净化能力，结果发现各目标污染物的去除率 分别为：t s s ( 8 8 ) ；t n ( 7 2 ) ；t p ( 8 6 ) ；n h 4 + i n ( 2 4 ) ；n 0 3 - n ( 7 0 ) 等。虽然这些 数值与在现场中试的有一定差距，但还是具有重要意义的。 第三节、广州市河涌水环境现状及存在问题 一、广州市河涌水质现状 广州地处珠江三角洲，此处水系发达，遍布全市的河涌赋予广州独特的岭 广州城市水体氮污染研究 南水乡风韵。全市各类河涌共2 3 1 条( 1 9 条位于市中心) ，宽度5 - - 1 2 0 米不等， 总长度达9 1 3 千米。其中珠江以北的河涌大多与广州北部山区和丘陵地区的水库、 河道相连，一般为单向流动；而珠江以南地区的河涌则多与珠江和河口相连，水 流随河流呈相向流动。 然而随着工业的发展及城市人口的急剧膨胀，大量未经有效处理的工业废水、 生活污水直接排入河涌，使得流经城市的河涌成了“排污沟，继而在涨退潮时 直接进入珠江干流，成为珠江水质最大的威胁。根据监测资料，市域内2 3 1 条河 涌多为劣v 类水体，不仅严重影响居民的生活品质，也对城市的形象产生了负面 影响。 据政府统计资料显示，2 0 0 4 年市区1 9 条河涌水质都劣于v 类，超过类指 标5 1 0 项，超过v 类指标3 - 9 项( 广州市环境保护局，2 0 0 5 ) 。表1 - 2 中列出了2 0 0 4 年市区内7 条河涌的主要污染指标，其中5 条河涌的水质为劣v 类，1 条为v 类。 说明广州市内河涌污染问题已经十分严重。 1 2 第一章绪论 表1 22 0 0 4 年市内七条河涌的主要污染指标 t a b 1 2p o l l u t i o np a r a m e t e r so f 7u r b a nr i v e r si n2 0 0 4 1 3 广州城市水体氮污染研究 比对表l 一3 珠江广州河段2 0 0 2 年- - 2 0 0 4 年水质状况数据可知( 广州年鉴， 2 0 0 5 ) ，除了个别指标( 石油类、总磷) 略有恢复之外，其他指标如溶解氧、氨 氮、高锰酸钾指数、生化需氧量等还在进一步下降。因此实行切实有效的治理迫 在眉睫。 1 4 第一章绪论 二、广州市河涌水环境存在的主要问题 目前广州市河涌水环境存在的问题主要有两方面： 1 、水质方面突出问题 广州河涌污染情况严重。目前广州市内河涌大部分水质指标普遍劣于v 类， 黑臭、有机污染严重。市区1 9 条河涌基本上变成了城市污水的纳污通道，沿岸 居民的生活污水直接排入河涌，许多宾馆、酒楼饮食服务业的污水也仅作简单的 初级处理后，为河涌所接纳。 2 、治理工作涉及的问题 其中治理中存在的问题主要又可分为以下几点： 2 1 污染源众多 污染源众多这就意味着在实行截污及雨污分流工程时，工程量巨大。因此想 要恢复河涌的自然生态平衡，将是一项长期的工程。 2 2 截污后水量保持问题 河涌截污不是单纯的一截了事，事实上在截污后还必须进行相应的补水措施 以保持景观水位。否则容易引起河床裸露，造成更大的环境问题。 2 3 底泥所带来的内源性污染 广州市内河涌的底泥污染比较严重，部分河道中底泥厚度超过1 米。其中的 有机污染物和重金属，不仅对水生物有毒有害，还会渗入土壤污染地下水( p o k r a j a c ， 1 9 9 9 ) 。在这种情况下，即使在截污后进行大规模换水，也不能长久的保持水体清 洁。而底泥的清除不仅花费巨大，并且需要对清除的底泥进行妥善处理，以免引 起二次污染。 广州城市水体氮污染研究 第四节、课题的提出 目前广州市多数河涌水体发黑发臭，大部分水质指标为劣v 类，这不仅影响 了居民的生活品质，城市形象及城市投资环境，也成为珠江水质的最大威胁。2 0 0 4 年珠江广州河段污染仍然严重，其中全河段粪大肠菌群、氨氮两项指标劣于v 类 标准，粪大肠菌群污染范围已扩大到全河段，全河段溶解氧低至i v 类标准，其 中猎德段劣于v 类标准，全市饮用水源地水质达标率仅为8 8 9 7 。而氨氮所代表 的无机氮类污染物质的超标，不仅是造成水体富营养化的直接原因之一，也会对 水生生物造成严重的毒害作用，甚至导致死亡。此外还有研究显示，氨氮在转化 过程中所消耗的溶解氧约为含碳有机物的4 4 倍，是水体中溶解氧降低的主要原 因( 罗家海，2 0 0 2 ) 。而溶解氧低所带来的直接后果便是鱼类等水生生物的死亡； 形成厌氧环境，进而导致水质恶化，水体发黑发臭。 目前水体中的氮污染研究一直受到关注，但以往研究主要集中在三氮( 氨氮、 亚硝酸盐氮、硝酸盐氮) 对水质的影响( x i eb i a o ，e ta l ，2 0 0 4 ；p c d a s ，e ta l ，2 0 0 4 ) 及废水中氨氮的治理技术方面( t a t s u os u m i n o ，e ta l ，2 0 0 6 ；a b j o n e s ，e ta l ，2 0 0 1 ) ， 而对去除过程中各因素的影响、三氮转化的规律等方面的研究却不多见。另外亚 硝酸盐氮和硝酸氮的这两种污染物累积规律也很少报道。本文通过采样分析了广 州1 0 条河涌氮污染情况，模拟研究了河涌水在冬、夏两种自然环境条件下三氮 的转化去除规律，研究了三氮转化的主要途径与影响因素。此外还研究了投加光 合细菌对水体三氮转化的影响 1 6 第二章广州市河涌氮污染现状研究 第二章广州市河涌氮污染现状研究 第一节、前言 氮是一种价态多变( 从正五价到负三价) 的环境元素，既可作为电子供体， 也可以作为电子受体，从而形成一系列的形态多样的有机物和无机化合物。水体 中的含氮物质主要有以下三类：离子态的氨氮( n h 4 + - n ) 、亚硝酸盐氮( n 0 2 - - n ) 和硝酸盐氮( n 0 3 - - n ) ，气态的n h 3 、n 2 、n 2 0 以及有机质中的有机态氮。含氮 化合物在水体中转化可分为两个阶段：第一阶段为含氮有机物如蛋白质、多肽、 氨基酸和尿素转化为无机氨氮，称为氨化过程。第二阶段氨氮在亚硝化细菌的作 用氧化成亚硝氮，称为硝化过程( 郝晓地等，1 9 9 0 ) 。 好氧 2 n h 3 + 3 0 2 呻2 h n 0 2 + 2 h 2 0 + 6 1 9 6 1 0 8 j 亚硝化菌 继而在硝化细菌的作用下氧化成硝酸氮。 好氧 2 h n 0 2 + 0 2 2 h n 0 3 + 2 0 0 9 7 10 3 j 硝化菌 而在缺氧体系中，硝酸氮可以在反硝化菌的作用下进行反硝化作用形成 n 2 ，最终离开水体。 6 n 0 3 一+ 5 c h 3 0 h - 5 c 0 2 q - 3 n 2f + 7 h 2 0 + 6 0 h 一 水环境中氮污染来源主要是城镇生活污水，含氮的工业废水和农田氮肥。城 镇生活污水中的氮主要来源于人类日常生活中产生的一些含氮的溶解或非溶解 1 7 广州城市水体氮污染研究 性物质，如厨房垃圾、排泄物等。工业废水中的含氮物质与生产类型有很大关系， 如皮革厂废水中含氮物质多为有机氮，而化肥厂产生的废水中则多为氨氮、硝酸 氮等无机氮，且所含氮量也有很大区别。由农田氮肥所带来的水体氮污染较易被 人们所忽视。事实上施入农f f l 的氮肥只有3 0 4 0 能被作物吸收，大部分的氮肥 则因为径流和淋溶损失于环境中( 乔光建等，2 0 0 4 ) 。面对当今日益增长的氮肥 施用量，由农田氮素造成的非点源污染将成为世界水质恶化的最大威胁。 低价态的氮化物本身具有毒性，且常有病原菌相伴。高价态的氮化物中除亚 硝酸盐氮的低毒性外，伴随的病原菌基本消失。但是高浓度的氨氮、硝酸盐氮还 是会对水生生物的生长产生影响，甚至造成死亡( s a b e ra e 1 s h a f a i ，e ta l ，2 0 0 4 ) 。 六十年代末七十年代初曾引起广泛关注的由氮污染引起的婴幼儿死亡事件，就是 因为由于不少婴幼儿饮用了富含硝酸盐的水后得高铁血红蛋白症造成的( 冯绍元 等，1 9 9 7 ) 。氮污染所带来的另一后果便是水体的富营养化。首先表现为水生植 物的迅速生长，以至于覆盖水面或造成水体变绿使水体的透明度下降，使得阳光 无法透入至水体深处；这就导致水体深处的藻类植物无法得到足够的光照而死 亡，不仅不能通过光合作用释放氧气，而且植物的死亡分解还会进一步消耗水体 的溶解氧；最后的结果是溶解氧急剧下降，鱼类等水生动物死亡，在尸体的分解 过程中继续消耗仅存的溶解氧，最终水体发黑发臭。严重的还