闽江流域水体氨氮降解系数实验模拟研究

游雪静，张玉珍，苏玉萍*

，陈 锦2，姜炳棋2，林燕秋1

(1．福建师范大学环境科学与工程学院，福州350007;2．福建省环境科学研究院，福州350003)

水环境质量下降的重要原因是水质污染及富营养化，对生态安全和社会的可持续发展水平有很大的影响［1-4］。闽江是福建省最大的河流，哺育着沿岸的福建人民，是沿岸居民生活、生产的重要水源，其水质的好坏在很大程度上与人们的生产、生活息息相关［5］。因此，学者们高度关注闽江水环境状况并对闽江水质恶化原因进行了研究。污染物降解系数是入河污染物在水体中变化的综合概化，反映了污染物在输移过程中受物理、化学、生物、地理及气候等因素综合作用下降解速率的快慢［6-7］，是研究水体水质污染变化、确定水环境容量及其纳污能力以及制定区域排污总量控制的重要参数［8］。

目前国内外环境科学家们进行了大量的野外和室内实验，对污染物反应动力学特征及模型参数求解方法等进行了深入研究，主要集中在对COD和BOD降解规律的研究，但是对氨氮降解规律的研究成果不多，特别是针对闽江流域的氨氮降解规律的研究未见报道。韩慧毅等利用2006—2009年38次东风水库入库、出库的水质、水量数据，采用常规监测资料估算法分析率定COD、氨氮衰减系数［7］;云飞、李燕通过对近10年来黄河宁夏段污染源的统计、分析，选择在最不利的水文条件下，利用一维和二维水质模型对COD及氨氮污染动态分布进行了模拟，结果发现，用一维水质模型模拟黄河宁夏段COD及氨氮的沿程浓度与实际监测值有较好的一致性［9］;陈月采用QUAL2K模型对西苕溪干流梅溪段的水质进行了模拟和预测，并用模型率定法并参考相关文献确定了COD降解系数、氨氮降解系数和总磷平衡系数等水质参数，并对模拟结果进行了验证，结果表明预测值和实测值的相关性较好［10］;罗固源等根据长江次级河流临江河心水段的实际情况，建立一维水质模型，模型中的各变化项采用有限差分法(FDM)进行离散，以凹水段水体中COD和NH3-N的实测资料为基础，利用自适应遗传算法 (AGA)对2种污染物的纵向离散系数及一级降解系数进行反演计算，得出同水段COD和NH3-N的计算值与实测值较为吻合，表明FDM-AGA方法能较好地运用于次级河流同水段水质模型的多参数识别［11］。

由于天然水环境是个难以控制的自然开放系统，污染物降解过程受光照、温度、酸碱度、藻类、微生物、化学物质等多种环境因素的影响。污染物浓度降低还涉及到水文因素导致的污染物迁移、稀释、扩散。因而，动水现场同步监测法测定水体污染物降解系数是难以实现的［12］。因此本研究以闽江水系为例，采用实验室动态模拟的方法，测定闽江不同河段 (富屯溪、沙溪口水库、水汾桥、干流南平段等)水体氨氮的降解系数，为确定闽江流域的水环境容量及其纳污能力以及制定污染物总量控制提供一些科学依据。

1 研究区域概况

作为福建省最大的河流［13］，闽江全长577 km，流域面积6.10×104km2(约占福建全省面积的一半)。发源于福建、江西交界的建宁县均口乡，南平以上有建溪、富屯溪和沙溪三大主要支流［14］，在南平市附近汇合后称闽江，自南平到闽江入海口，沿途有吉溪、尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪等支流汇入［15］。闽江下游在淮安分南北两港，在闽安镇被琅歧岛分为南北2支。闽江流域自然资源丰富，森林和毛竹蓄积量丰富。闽江下游沿岸风光秀丽，集自然景观和人文景观为一体。闽江是福建省人民生活、生产的主要水源［16］，对全省经济、社会和环境的可持续发展具有重要的推动作用［5］。全流域已设立水质监测站30处，开展常规、生化、毒物等30个项目监测，在局部河段时有检出超标的项目。

2 研究方法

2.1 采样点设定

实验于2012年3—4月确定了13个采样点，其中在沙溪口水库和水口水库分别设定2个点位，分别位于水库的库心区域和距离坝5 km以内区域;闽江干流设定1个点位，位于南平市污水处理厂下游;沙溪1个点位，位于水汾桥断面周边地区;建溪2个点位，选择方便布点并且接近省控监测断面的点位;富屯溪1个点位，位于金溪、小富屯交汇后和沙溪和西溪交汇点前的一点位;金溪2个点位;小富屯1个点位;三明市区下游河段的1个点位;尤溪1个点位 (图1)。

每个点位采集5 L的水样，避光保存，当天带回实验室，测定初始氨氮浓度。

图1 降解实验水样采集断面Figure1 Sampling sections of degradation experiment

2.2 实验方法

利用采集到的样品，进行实验室模拟现场环境培养。将取得的水样分别放入3 L玻璃杯中，进行机械搅拌，摇床参数设定如下:温度20℃，转速80～100 r/min，每隔24 h采集一个样本 (50 mL)。利用纳氏分光光度法进行氨氮的测定［17］，再利用一级反应动力学表达式计算出降解系数。

2.3 降解系数计算方法

对于水体中氨氮降解的过程，一般认为符合一级反应动力学模式，如公式 (1)所示。

式 (1)中，C0为氨氮初始浓度，mg/L;Ct为t时刻氨氮浓度，mg/L;K为氨氮降解系数，1/d;t为降解时间，d。

实验室模拟实验为每隔24 h取样分析，然后按公式 (1)计算出降解时间t和ln(C0/Ct)，按照斜率法要求绘制ln(C0/Ct)～t关系图求得氨氮降解系数［18-19］。

3 结果与讨论

3.1 氨氮浓度随时间变化拟合图

氨氮是最普遍及受影响最大的无机污染物指标，水中氨氮的主要来源为生活污水、工业废水以及农田排水中含氮有机物在微生物作用下的分解产物［20］。在有氧环境中，氨氮在亚硝化细菌的作用下转化成亚硝态氮，并在硝化细菌的作用下转化成硝态氮，当无氧时，硝态氮又在反硝化细菌的作用下还原成氨氮［21］，这是动态平衡的过程。

为了准确求出NH3-N的降解系数K，将各断面水样逐日NH3-N测定值随时间的变化表示如表1所示。从表1氨氮浓度随着时间变化情况可以直观地判断各断面水样氨氮降解规律。

从表1可以看出:各断面水样氨氮浓度变化总体上呈现下降趋势，其中水汾桥、南平干流、小富1、建溪1、古田溪、水口大坝上2 km、三明城区下游氨氮浓度逐步下降，没有出现“稳定”现象;金1号、金2号、大富1、沙溪口水库、建溪4、尤溪口在实验初期氨氮浓度快速下降，在一段时间后出现"稳定"现象，随后浓度略为下降 (除金1号和南平干流保持"稳定"和建溪4略为上升外)，不同情况的区别只是达到"稳定"的时间和"稳定"持续的时间及最终"稳定"的平衡浓度不同。

表1 各断面氨氮浓度变化Table1 Ammonia concentrations of sampling sections

3.2 不同断面氨氮降解系数的比较与分析

所有研究断面氨氮的ln(C0/Ct)～t关系图详见图2，氨氮降解系数计算结果汇总见表2。从图2可以发现，金2号、大富1在第6天就已经到达平衡点，沙溪口水库、建溪4在第7天到达平衡点，尤溪口在第8天到达平衡点，金1号、水汾桥、南平干流、小富1、建溪1、古田溪、尤溪口、水口大坝上2 km、三明城区下游至实验结束均未达到平衡。

图2 ln(C0/Ct) ～t关系图Figure2 Diagrams of ln(C0/Ct)～t

表2 氨氮降解系数计算结果/(1/d)Table2 Results of ammonia-nitrogen degradation coefficients

计算结果见表2，测出闽江上游流域氨氮的平均降解系数为0.140～0.260 d－1，水汾桥和建溪断面的氨氮降解能力较好，中下游流域氨氮的平均降解系数为0.099～0.203 d－1，尤其是古田溪断面的平均降解系数为0.099 d－1，可见闽江上游流域氨氮自净能力相对较好，中下游流域的氨氮降解速率较慢，我国河流氨氮的降解系数为0.105～0.350 d－1［22］，古田溪断面氨氮的平均降解系数比全国的平均低值低0.006 d－1，此断面氨氮自净能力相对较弱，因此该水域的环境承载力开始下降。

省内包括闽江在内河流的平均降解系数水平约为0.1 d－1［23］。本实验室模拟结果表明，研究断面的平均降解系数均高于省内河流的平均水平。工业发展和人们环保意识的淡薄导致生产污水和生活污水不断排入闽江;氮肥的过量使用致使排入闽江的氮营养盐超标［1］。

4 结语

本研究以闽江不同河段的水样进行氨氮降解规律实验室实验，测出闽江上游流域氨氮的平均降解系数为0.140～0.260 d－1，中下游流域氨氮的平均降解系数为0.099～0.203 d－1，可见闽江上游流域氨氮自净能力相对较好，中下游流域的氨氮降解速率较慢，说明中下游的环境承载力开始下降，应严格控制氨氮排入总量。

本实验采用动态实验室实验得出的数据比静态实验数据更加准确，因为静态实验的环境比实际环境相差较大。本研究模拟现场环境培养，用摇床进行机械搅拌，所得降解系数K可代表氨氮的基本降解状况，可用于闽江水环境容量计算。另外，室内模拟实验的水文、水质状况均与河流实际状况存在一定差别，在实际河流应用中，需要从河流的几何条件和水力条件等方面对室内降解系数进行修正，得到天然水体的自净规律。

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