河流中氨氮、总氮和总磷污染情况及相关性分析

2022-09-28黄丽霞郭效瑛

安徽化工 2022年5期

黄丽霞，李伟，郭效瑛，马理

（1.桂西区域生态环境分析和污染控制广西高校重点实验室（百色学院），广西百色 533000；2.百色学院化学与环境工程学院，广西百色 533000）

地表水资源是社会和经济发展不可缺少的资源，随着社会的发展和水资源的开发利用，水资源污染日趋恶化，水资源供需矛盾日益加剧，严重影响人类的生产生活，威胁人类的生存发展[1-2]。水体富营养化是由于水体中氮、磷等营养物质含量较高所致的一种常见的水体污染现象[3-4]，是当今全球性的水环境问题[5-6]，水体富营养化的成因和治理技术研究也成为环境领域研究的重点[7-9]。氮、磷污染不仅与全球气候变化有关，而且还与人类活动密切相关。人类活动加速了氮、磷等营养物质流向江河湖泊，例如，工业和农业生产的废水中含有大量的氮、磷等物质，未经处理而排入河流，会使水中氮、磷含量增加，导致水体富营养化，浮游生物得以迅速繁衍，破坏水环境的生态平衡系统并使水质恶化，导致鱼类及其他生物大量死亡。

氨氮、总氮和总磷污染既是反映地表水质量的重要指标，也是评价水质的重要标准[10-11]。监测地表水中氨氮、总氮和总磷浓度，分析其相互关系，找出潜在规律，对评估水质污染以及如何控制污染至关重要[12-17]。本文分析了某一河流的上中下游的3个断面（河段1～河段3）的21个水样的氨氮、总氮和总磷的监测结果，对水质状况进行了评价，探讨了氨氮、总氮和总磷的相关性和其对水质的影响，能为预防和治理地表水中氮、磷污染提供一定的技术支持。

1 样品的采集与分析

地表水采样时间为2020年7～10月。采样的河流的上、中、下游的3个监测断面分别命名为河段1、河段2和河段3，河段1与河段2间距为815 m，河段2与河段3间距为990 m。河段1周边居住着大量居民，河段2周边有大面积蔬菜种植、鱼类养殖，河段3周边有大面积蔬菜种植。

依据《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91-2002）的相关规定[18]，对河段1～河段3进行采样，共获得21个水样。水样用硫酸酸化至pH≤1，酸化后的水样可在常温下保存24 h，在20℃下保存1周。使用全自动流动注射分析仪（BDFIA-8000，北京宝德仪器有限公司），依据《水质氨氮的测定流动注射-水杨酸分光光度法》（HJ 666-2013）[19]，《水质总氮的测定流动注射-盐酸萘乙二胺分光光度法》（HJ 668-2013）[20]，《水质总磷的测定流动注射-钼酸铵分光光度法》（HJ 671-2013）[21]对水样进行分析。

2 结果与讨论

2.1 氨氮、总氮和总磷的监测

图1～图3为2020年7～10月间监测的河段1～河段3断面水样的氨氮、总氮和总磷浓度时间变化趋势图。河段1～河段3的氨氮、总氮和总磷浓度随时间变化明显，分别为1.48～18.81 mg/L，3.21～25.00 mg/L和0.09～2.77 mg/L。河段2仅在7月14日氨氮浓度小于2.0 mg/L，其余的氨氮和总氮浓度大于2.0 mg/L。河段1～河段3共有4个水样的总磷浓度小于0.4 mg/L。对照地表水水环境质量标准[11]，Ⅴ类水氨氮、总氮和总磷的标准分别不大于2.0 mg/L，2.0 mg/L，0.4 mg/L，因此，测得的河段1-河段3的氨氮、总氮和总磷含量超过地表水Ⅴ类水标准，水质状况极差，氮磷污染严重，而且水体中的氨氮、总氮和总磷含量远大于水体富营养化对应的临界浓度0.2 mg/L，0.2 mg/L，0.02 mg/L[14]，水体富营养化严重。

从图1～图3看出，同一取样点不同时间下，氨氮、总氮和总磷的浓度差异较大，河段1氨氮、总氮和总磷浓度明显高于河段2和河段3，污染最为严重，水质最差，严重影响了中下游的水质。根据气象资料，8月14日有大雨，25日小雨，9月12日和19日分别为阵雨和中雨，其余监测日期无降雨，通常降雨会降低污染物的浓度。7月14日所测到的河段1的氨氮、总氮和总磷浓度远远大于同天所测的其他河段的浓度，说明河段1有更严重的氮、磷污染。9月19日所测值相对较小，推测受到降雨的影响。此外，水体富营养化严重应与周边居民活动密切相关，人为源的影响能直接影响水质，所监测的河段周边居住着许多居民，同时有鱼类养殖场和农业种植，且该区域的污水集中处理设施不完善，居民生活污水、鱼类养殖等的污水大多直接排入河道中，还有长期的农业面源污染[17]。总之，该河流水质差，急需加强综合治理，严格排查，管控污染源头，解决水体富营养化问题，避免藻华爆发[7-8]。

图1 河段1氨氮、总氮和总磷浓度时间变化趋势Fig.1 Temporal trend of concentrations of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in reach 1

图2 河段2氨氮、总氮和总磷浓度时间变化趋势Fig.2 Temporal trend of concentrations of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in reach 2

图3 河段3氨氮、总氮和总磷浓度时间变化趋势Fig.3 Temporal trend of concentrations of ammonia nitrogen,total nitrogen and total phosphorus in reach 3

2.2 氨氮、总氮和总磷浓度比值

根据所测河段中的氨氮、总氮和总磷浓度，计算氨氮/总氮和总磷/总氮的比值。由表1可知，不同时间采集的河段1～河段3水样的氨氮/总氮浓度比值多数为0.8～0.9，表明水体氮污染主要以氨氮污染为主[22]，这个结果与天津中心城区河网研究的氮污染情况一致[23]。有研究表明，通常新近被污染的水体氨氮含量较高[16]。个别水样的氨氮/总氮浓度比值大于1，可能是所测的样品比较浑浊，处理不当导致的测试值不准确。河段1～河段3水样的总磷/总氮浓度比值多为0.1，总磷和总氮的污染程度相对稳定。有研究结果表明，当总磷/总氮为0.04～0.1时，藻类生长速率和氮磷浓度呈线性关系[24-25]，可以通过改变总磷/总氮比值，调控浮游植物生长[26]。

表1 各河段中氨氮、总氮和总磷的浓度比值Tab.1 The concentration ratios of ammonia nitrogen，total nitrogen and total phosphorus in each river section

2.3 氨氮、总氮和总磷相关性

表2列出了氨氮、总氮和总磷的线性回归方程及相关性系数，相关系数γ范围为0.223 8≤γ≤0.986 9。查相关系数的临界值表[10]，样本容量n=7时，自由度f=n-2=5，选定置信度为95%，即γ=0.05时，γ0.05=0.754 5；选定置信度为99%时，即γ=0.01时，γ0.01=0.874 5。河段1的氨氮与总氮、氨氮与总磷的相关系数r范围为：γ0.05＜γ＜γ0.01，表明水样间在γ0.05存在显著相关性。河段1和河段2氨氮与总氮、氨氮与总磷在置信度为95%时，γ＞γ0.05，存在显著相关性，河段2的氨氮与总磷则在置信度为99%时，γ＞γ0.01，存在显著相关性。河段3在置信度为95%时，γ＜γ0.05，无显著相关性。相关性分析表明，河段1和河段2在不同的时间里，水质含氮磷的差异较小，氮磷污染有类似的或相同的输入污染源。河段3的氨氮、总氮和总磷均无相关性，说明在不同时间的水质中氮、磷含量有巨大差异，可能是受来自不同的氮磷污染源的影响[19]。