污染物衰减规律试验研究及其在松源河的应用

2019-01-07宋志远陆俊卿任秀文王志国

水利科技与经济 2018年12期

宋志远，陆俊卿，任秀文，王志国

(1.河北工程大学水利水电学院，河北邯郸 056000； 2.环境保护部华南环境科学研究所国家环境保护水环境模拟与污染控制重点实验室，广州 510655； 3.广东省水与大气污染防治重点实验室，广州 510655)

随着全球经济的快速发展，环境问题已经成为世界各国普遍关注的重大问题，而与人类生产生活息息相关的水环境问题更是环境问题的重中之重。松源河流域普遍存在溶解氧、化学需氧量、氨氮和总磷超标现象，虽然下游水质有所改善，但仍处于超Ⅱ类标准状态。污染物衰减系数反映了污染物在水体作用下衰减速度的快慢[1]，是研究河流水质变化、计算水环境容量和建立水质模型的重要参数[2-4]，其合理的确定与否直接关系到水质预测结果的精度。因此，开展污染物衰减规律模拟实验研究，核算不同情景下松源河流域水环境容量情况，具有重要的现实意义和实用价值。

目前，国内外学者对污染物衰减规律进行了大量研究，主要集中在BOD、COD和氨氮衰减规律方面。Fischer等[5]和Eden等[6]通过室内模拟的方法，研究有机污染物的衰减规律，得到有机污染物衰减趋势；Gabriel[7]、Gunnar[8]、Troev[9]等分别研究河流入海口处氮和磷的衰减规律，分析沉积物对氮、磷吸附作用和解析作用的影响；季民等[10]采用实验室模拟的方法，研究不同水温和污染物初始浓度条件下COD衰减规律，结果表明温度为10℃～28℃时，衰减系数K值随着温度的升高而增大，初始浓度为4～9 mg/L时，衰减系数k值随着初始浓度的增加有增大趋势；郭栋鹏等[11]通过COD衰减模拟实验，研究不同温度、初始浓度、pH值和氯离子条件下COD衰减规律，结果表明COD衰减符合一级反应动力学方程，温度和初始浓度是影响COD衰减速率的主要因素，氯离子和pH值影响很小；吴建兰等[12]通过实验室模拟法，研究长江南通段氨氮衰减规律，定性分析温度、底物浓度和可生化性等对氨氮衰减状况的影响，结果表明氨氮衰减系数与水温呈正相关，水温越高，衰减系数越大；底物浓度和可生化性越大，衰减系数越大。目前，水动力条件对污染物衰减规律影响的研究还不多，为相关管理工作和政策制定带来诸多困难。

由于天然河流是一个复杂难以控制的系统，污染物衰减过程受初始浓度、光照、温度、pH、水力特性、悬浮固体和溶解氧等诸多因素的影响[13-14]，污染物浓度降低还涉及到水文因素导致的污染物迁移、稀释和扩散[15]。因此，现场实测法测定污染物衰减系数是难以实现的。本文采用实验室模拟法，以人工模拟污水作为试验用水，测定不同来水流量条件下COD、氨氮衰减系数，分析来水流量强度对衰减规律的影响。最后，根据模拟试验结果，核算不同情景下松源河流域水环境容量情况，确定松源河流域COD和氨氮允许排放量、削减量及削减率，以期为决策者采取有针对性的政策措施提供参考。

1 研究区域概况

松源河流域主要涉及福建省部分区域和梅州市蕉岭县与梅县区，本次水环境容量核算主要研究广东省境内梅州市的蕉岭县和梅县区。松源河流域土地总面积511.38 km2，其中农用地484.76 km2，占比94.80%；林地占地面积最多，占比达72.85%；建设用地15.54 km2，占比3.04%；水域面积9.33 km2，占比1.82%。蕉岭县主要河流石窟河，在县境内长61.4 km，集水面积728.2 km2；梅县区主要河流有梅江河、石窟河、程江河和松源河，梅江为主干流，流经该区境内约75 km，年平均径流总量90×108m3以上。梅州市梅县区环境保护监测站2017年10-12月期间对松源河流域连续监测，监测结果显示，松源河流域监测断面普遍存在溶解氧、化学需氧量、氨氮和总磷超标现象。

2 研究方法

2.1 试验用水

试验采用人工模拟污水，由自来水、葡萄糖、氯化铵配制而成，COD由葡萄糖提供，氨氮由氯化铵提供。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)劣Ⅴ类水标准设计，模拟目标水质COD浓度为80 mg/L、氨氮浓度为4 mg/L。实验用水总量5 958 L，其中水槽用水量5 950 L，水箱污水量8 L。根据葡萄糖氧化反应方程和氯化铵中氮的质量分数，试验所需葡萄糖、氯化铵质量分别为446.850 0 g和91.157 4 g。

2.2 试验工况

本文通过水生态环境模拟水槽研究污染物衰减规律，水槽规格为长×宽×高=30 m×0.6 m×0.6 m，底板和边壁采用钢化玻璃制作。水槽通过地下水库蓄水，由电机驱动水泵实现水体的循环流动，通过流量控制系统、尾门控制系统调节来水流量强度和水位。

实验过程中，模拟污水通过BT-600型蠕动泵排放至水槽，使水槽水体达到模拟目标水质要求。水槽水深控制在30 cm，来水流量强度分别为小流量(40 L/s)、中流量(60 L/s)和大流量(80 L/s)，试验工况和相关参数见表1。

表1 试验工况和相关参数

2.3 采样点位与采样时间

考虑到水体污染物浓度分布的不均匀性，在水槽沿纵向位置设置2个水质监测断面，分别位于水槽沿程5和25 m处，即进水口断面和出水口断面，每个断面设置1个采样点，位于断面中心。污水排放完毕且污染物混合均匀后开始采集水样，每隔8 h采集一次水样，实验周期为7 d，每个断面总计采集22个水样。

2.4 监测项目和分析方法

2.5 衰减系数计算方法

对于水体中COD、氨氮的衰减规律，一般采用一级反应动力学模式进行描述，数学表达式如下：

Ct=C0e-kt

(1)

式中：C0为污染物初始浓度，mg/L；Ct为t时刻污染物浓度，mg/L；k为污染物衰减系数，1/d；t为衰减时间，d。

2.6 水环境容量核算方法

本研究河流水环境容量核定采用一维稳态数学模型，水环境容量计算公式为：

W=Csekx/u(QR+QE)-QRCR

(2)

式中：x为沿程距离，km；u为河流平均流速，m/s；QR为上游来水流量，m3/s；CR为上游来水水质目标，mg/L；QE为入河排放口污水量，m3/s；CS为水质保护目标，mg/L；W为计算单元污染物排放量，g/s。

3 实验结果

3.1 实验室监测结果

各工况水质监测断面COD、氨氮实测结果见表2和表3。

表2 各工况监测断面COD浓度实测结果

续表2

表3 各工况监测断面氨氮浓度实测结果

由表2、表3可以看出，两水质监测断面COD、氨氮浓度随时间整体呈下降趋势。经计算，小流量条件下，进水口、出水口COD降解率分别为35.0%、35.4.%，氨氮降解率为24.7%、24.1%；中流量条件下，进水口、出水口COD降解率分别为52.8%、50.0%，氨氮降解率为53.6%、53.0%；大流量条件下，进水口、出水口COD降解率分别为62.4%、 60.7%，氨氮降解率均为61.5%。分析结果表明，来水流量强度对污染物衰减过程具有显著影响，来水流量强度越大，COD、氨氮降解率越大。

3.2 衰减系数计算结果

整理实验数据，根据一级反应动力学方程，计算各个时间点下污染物衰减系数，最后计算污染物平均衰减系数，计算结果见表4。由表4可以看出，COD的衰减系数在0.064～0.131 d-1之间，平均衰减系数为0.10 d-1；氨氮的衰减系数在0.046～0.119 d-1之间，平均衰减系数为0.09 d-1。来水流量强度对污染物衰减系数有显著影响，来水流量强度越大，污染衰减系数越大。

表4 污染物衰减系数计算结果

4 松源河流域水环境容量核算

水环境容量核算采用实验室模拟结果，衰减系数取COD为0.10 d-1，氨氮为0.09 d-1。根据水质目标、水文条件不同设置4种不同情景方案，各方案具体设计条件和内容见表5，计算结果见表6。

表5 总量控制方案情景设定表

表6 总量控制方案计算结果表

由表6可以看出，方案一情景下，梅县区的水环境容量明显高于蕉岭县的水环境容量；方案二情景下，蕉岭县允许排放量有所增加，梅县允许排放量有所下降，但整体允许排放量较方案一增加；方案三情景下，蕉岭县允许排放量进一步增加，梅县允许排放量下降，总体允许排放量较方案二增加；方案四情景下，全流域COD、氨氮允许排放量最大。

将各方案计算得到的允许排放量与2020年规划年入河量进行对比，计算结果见表7。由表7可以看出，蕉岭县方案一COD、氨氮的削减率较高，达到88%和100%，其余方案削减率较低；梅县区各方案下COD和氨氮的削减率均较高，方案四情景下，若蕉岭县-梅县区交界断面水质为V类，下游铜盘桥考核断面要达到II类，氨氮削减率100%，可见该种方案无法实现下游铜盘桥断面达到II类。结合园潭村委上游电站断面历史监测水质数据，水质多为劣V类，断面水质较差，从劣V类提升到III类有一定难度，因此建议园潭村委上游断面2020年前水质目标定位IV类。