城市污水氮污染排放特征及来源探讨

城市污水氮污染排放特征及来源探讨

1 引言

随着全球城市化的发展，城市生态系统对外来营养氮素的依赖度增大，驱动着人为活化氮大量生产，影响着全球氮循环，由此导致的环境问题已威胁到人类健康与生命安全，越来越多的人认为其是继生物多样性减少和全球变暖之后的第三大环境问题.城市生态系统代谢严重依赖外部物质和能量，其所需要的物质能量为其他自然生态系统的10~100倍，故其高氮输入导致城市成为全球氮研究的热点.城市生态系统氮污染物排放主要有废物、废气、废水3种主要形式.其中，城市污水排放量随着城市化呈逐年递增趋势，污水处理过程导致的氮污染物排放成为城市生态系统氮污染的主要来源，污水处理过程中还会向环境中输出含氮污染物，包括温室气体、处理尾水及剩余污泥，这些输出产物在一定程度上削弱了污水处理的环境效益.

目前，国内外有关氮污染输出的研究大都集中在流域、大气沉降及沟渠的污染性氮元素输出方面，在涉及城市污水处理过程中导致的氮污染输出的生态环境效应方面上的研究很少，以往有关污水氮污染防治的研究主要集中在工程方面.从代谢系统层面上分析城市污水氮污染输出的动态变化并探讨此氮污染物的可能来源，有助于理解城市化过程中污染性氮素的循环过程，可为城市低氮管理提供理论支撑.本研究以污水流为主线，以污水处理厂的地理范围为边界，忽略其内部复杂的氮去除工艺，将其视为灰箱.输入项为城市雨污合流管输送到处理厂的污水中夹带的氮素，输出项主要包括污水处理过程中排放到大气、水和土壤等环境介质的含氮污染物质.在污水处理过程中，这类污染性氮素的输入、处理与输出过程可视为城市区域小尺度氮代谢过程，此过程所造成的环境影响可视为其产生的废物、废水及废气等含氮污染物直接排向环境的活化氮量总和，本文将污水氮污染排放简化为污水处理过程中排向环境的污染性氮量的总和.在处理过程中原污水内的氮素主要有以下几个去向：反硝化为氮气(N2)和氧化亚氮(N2O)、流失到地表水、渗透到地下水及中水回用，往往其输出氮总通量略低于输入通量，部分氮沉积到系统的活性淤泥中.其中，N2O作为全球主要温室气体，Khalil教授曾对全球N2O产生源进行了汇总计算，估算出污水处理过程中N2O排放量占全球总释放量的2.5%~25%.此外，北京市污泥处理方式主要为堆置，残留在污泥中的氮素大部分将渗透到土壤和地下水中，易造成二次污染，本文统视污泥中的氮素全部排向环境.同时，探讨污水中的氮素来源可以为从源头上减少氮污染物提供参考，从而减少污水处理过程中的氮污染排放.目前，研究较多的是利用稳定性同位素示踪技术来示踪污染源.目前，国内较多利用自然水体NO3--N 的δ15N值和悬浮有机质的δ15N值来示踪氮的来源，而城市污水氮来源溯踪方面的研究缺乏.相比之下，国内关于水体NH4+-N的δ15N值的研究较少，而涉及多种氮污染源的NO3--N 的δ15N值范围的研究较多.鉴于此，本研究利用城市污水中硝酸盐的δ15N值，来探讨城市污水氮的潜在可能来源.

北京市海淀区是全国著名的科技文化区域，涵盖密集的居民区和科教文卫区，也覆盖风景区和少量工业区，是个典型的现代城市区域，但由于近几年的过度城市化，人口的迅速增长导致城市污水产量急剧增加，故污水处理过程中衍生的氮污染效应愈发突出.本研究选取北京海淀区某现代化污水处理厂为研究点，其服务范围基本覆盖海淀区，结合探访调查与长时间定点采样，分析城市污水氮污染排放的动态变化，以期为减少污水处理过程造成的环境负效应提供参考.

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

海淀区位于北京城区的西北部，地跨北纬39°53′~40°09′，东经116°03′~116°23′，属暖温带半湿润季风气候，年均气温11.5 ℃，年平均降雨量568.19 mm，雨热同季，但季节分配不均，76.12%的雨水集中在夏季.海淀区地处近郊，管辖内有7个建制镇和22

个街道办事处，是首都著名的科研、文化、旅游区，并且是重要的副食品生产基地.全区面积426 km2，人口城市化率接近97%.2014年海淀区城镇居民家庭人均可支配收入45952.7元，家庭人均消费性支出29429.5元.目前，海淀区日均污水排放量高达25651万m3，并通过雨污合流管道进入污水处理厂.采样点选取在服务此区域的某大型污水处理厂，该污水处理厂服务人数约为81.4万人，同时具有两种污水处理工艺，一种是厌氧-缺氧-好氧(A2/O)处理工艺，另一种是基于前者的联合生物膜反应器的处理工艺(A2/O-MBR).

2.2 样品采集与处理

水样采集时间为2014年10月至2015年9月，每个月采样1次，并在每个季度中旬选取1天进行全日取样，时间从早上9点到晚上9点，取样频率在2015年1和4月为每3 h 采样1次，之后为增加趋势明显程度，在7和9月改为每2 h采样 1次.采样点分别布置于A2/O处理工艺及A2/O-MBR处理工艺的进水、出水口及尾水排河口.样品保存在采样瓶中，水样当天被带回实验室进行水化学分析.污泥样品来自各工艺产生的脱水干污泥.处理水量与污泥拉运量等变化数据来自于厂内运行统计数据.

2.3 样品分析方法

水质各项指标依照国家标准中的水样化学分析方法分析，包括总氮(TN)、硝态氮

(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N).TN测定采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法，NO3--N测定采用紫外分光光度法，NH4+-N测定采用纳氏试剂比色法;具体使用的是德国进口Smartchem140全自动化学分析仪进行测量.使用德国Elementar公司的Vario EL III元素分析仪进行污泥氮含量测定.

稳定性氮同位素分析采用阴离子交换树脂法进行前处理，利用美国Thermo公司的DELTA V ADVANTAGE 稳定同位素质谱仪通过样品在线燃烧系统，将AgNO3粉末样品中的氮转化成氮气，得出δ15N值，样品测试在中国科学院生态环境研究中心实验室进行.该方法采用的N 参考标准为国际上通用的同位素参考标准USGS32(硝酸钾)，测定δ15N的标准偏差为±

0.4‰.一般采用千分偏差δsample值来描述稳定同位素比率，δsample值指样品中氮稳定同位素的比值相对于标准样品氮同位素比值的千分偏差，其定义如下：

(1)