污染物衰減規(guī)律試驗研究及其在松源河的應(yīng)用

宋志遠，陸俊卿，任秀文，王志國

(1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056000； 2.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學(xué)研究所 國家環(huán)境保護水環(huán)境模擬與污染控制重點實驗室，廣州 510655； 3.廣東省水與大氣污染防治重點實驗室，廣州 510655)

隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題已經(jīng)成為世界各國普遍關(guān)注的重大問題，而與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的水環(huán)境問題更是環(huán)境問題的重中之重。松源河流域普遍存在溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮和總磷超標現(xiàn)象，雖然下游水質(zhì)有所改善，但仍處于超Ⅱ類標準狀態(tài)。污染物衰減系數(shù)反映了污染物在水體作用下衰減速度的快慢[1]，是研究河流水質(zhì)變化、計算水環(huán)境容量和建立水質(zhì)模型的重要參數(shù)[2-4]，其合理的確定與否直接關(guān)系到水質(zhì)預(yù)測結(jié)果的精度。因此，開展污染物衰減規(guī)律模擬實驗研究，核算不同情景下松源河流域水環(huán)境容量情況，具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對污染物衰減規(guī)律進行了大量研究，主要集中在BOD、COD和氨氮衰減規(guī)律方面。Fischer等[5]和Eden等[6]通過室內(nèi)模擬的方法，研究有機污染物的衰減規(guī)律，得到有機污染物衰減趨勢；Gabriel[7]、Gunnar[8]、Troev[9]等分別研究河流入海口處氮和磷的衰減規(guī)律，分析沉積物對氮、磷吸附作用和解析作用的影響；季民等[10]采用實驗室模擬的方法，研究不同水溫和污染物初始濃度條件下COD衰減規(guī)律，結(jié)果表明溫度為10℃～28℃時，衰減系數(shù)K值隨著溫度的升高而增大，初始濃度為4～9 mg/L時，衰減系數(shù)k值隨著初始濃度的增加有增大趨勢；郭棟鵬等[11]通過COD衰減模擬實驗，研究不同溫度、初始濃度、pH值和氯離子條件下COD衰減規(guī)律，結(jié)果表明COD衰減符合一級反應(yīng)動力學(xué)方程，溫度和初始濃度是影響COD衰減速率的主要因素，氯離子和pH值影響很??；吳建蘭等[12]通過實驗室模擬法，研究長江南通段氨氮衰減規(guī)律，定性分析溫度、底物濃度和可生化性等對氨氮衰減狀況的影響，結(jié)果表明氨氮衰減系數(shù)與水溫呈正相關(guān)，水溫越高，衰減系數(shù)越大；底物濃度和可生化性越大，衰減系數(shù)越大。目前，水動力條件對污染物衰減規(guī)律影響的研究還不多，為相關(guān)管理工作和政策制定帶來諸多困難。

由于天然河流是一個復(fù)雜難以控制的系統(tǒng)，污染物衰減過程受初始濃度、光照、溫度、pH、水力特性、懸浮固體和溶解氧等諸多因素的影響[13-14]，污染物濃度降低還涉及到水文因素導(dǎo)致的污染物遷移、稀釋和擴散[15]。因此，現(xiàn)場實測法測定污染物衰減系數(shù)是難以實現(xiàn)的。本文采用實驗室模擬法，以人工模擬污水作為試驗用水，測定不同來水流量條件下COD、氨氮衰減系數(shù)，分析來水流量強度對衰減規(guī)律的影響。最后，根據(jù)模擬試驗結(jié)果，核算不同情景下松源河流域水環(huán)境容量情況，確定松源河流域COD和氨氮允許排放量、削減量及削減率，以期為決策者采取有針對性的政策措施提供參考。

1 研究區(qū)域概況

松源河流域主要涉及福建省部分區(qū)域和梅州市蕉嶺縣與梅縣區(qū)，本次水環(huán)境容量核算主要研究廣東省境內(nèi)梅州市的蕉嶺縣和梅縣區(qū)。松源河流域土地總面積511.38 km2，其中農(nóng)用地484.76 km2，占比94.80%；林地占地面積最多，占比達72.85%；建設(shè)用地15.54 km2，占比3.04%；水域面積9.33 km2，占比1.82%。蕉嶺縣主要河流石窟河，在縣境內(nèi)長61.4 km，集水面積728.2 km2；梅縣區(qū)主要河流有梅江河、石窟河、程江河和松源河，梅江為主干流，流經(jīng)該區(qū)境內(nèi)約75 km，年平均徑流總量90×108m3以上。梅州市梅縣區(qū)環(huán)境保護監(jiān)測站2017年10-12月期間對松源河流域連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，松源河流域監(jiān)測斷面普遍存在溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮和總磷超標現(xiàn)象。

2 研究方法

2.1 試驗用水

試驗采用人工模擬污水，由自來水、葡萄糖、氯化銨配制而成，COD由葡萄糖提供，氨氮由氯化銨提供。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)劣Ⅴ類水標準設(shè)計，模擬目標水質(zhì)COD濃度為80 mg/L、氨氮濃度為4 mg/L。實驗用水總量5 958 L，其中水槽用水量5 950 L，水箱污水量8 L。根據(jù)葡萄糖氧化反應(yīng)方程和氯化銨中氮的質(zhì)量分數(shù)，試驗所需葡萄糖、氯化銨質(zhì)量分別為446.850 0 g和91.157 4 g。

2.2 試驗工況

本文通過水生態(tài)環(huán)境模擬水槽研究污染物衰減規(guī)律，水槽規(guī)格為長×寬×高=30 m×0.6 m×0.6 m，底板和邊壁采用鋼化玻璃制作。水槽通過地下水庫蓄水，由電機驅(qū)動水泵實現(xiàn)水體的循環(huán)流動，通過流量控制系統(tǒng)、尾門控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)來水流量強度和水位。

實驗過程中，模擬污水通過BT-600型蠕動泵排放至水槽，使水槽水體達到模擬目標水質(zhì)要求。水槽水深控制在30 cm，來水流量強度分別為小流量(40 L/s)、中流量(60 L/s)和大流量(80 L/s)，試驗工況和相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 試驗工況和相關(guān)參數(shù)

2.3 采樣點位與采樣時間

考慮到水體污染物濃度分布的不均勻性，在水槽沿縱向位置設(shè)置2個水質(zhì)監(jiān)測斷面，分別位于水槽沿程5和25 m處，即進水口斷面和出水口斷面，每個斷面設(shè)置1個采樣點，位于斷面中心。污水排放完畢且污染物混合均勻后開始采集水樣，每隔8 h采集一次水樣，實驗周期為7 d，每個斷面總計采集22個水樣。

2.4 監(jiān)測項目和分析方法

2.5 衰減系數(shù)計算方法

對于水體中COD、氨氮的衰減規(guī)律，一般采用一級反應(yīng)動力學(xué)模式進行描述，數(shù)學(xué)表達式如下：

Ct=C0e-kt

(1)

式中：C0為污染物初始濃度，mg/L；Ct為t時刻污染物濃度，mg/L；k為污染物衰減系數(shù)，1/d；t為衰減時間，d。

2.6 水環(huán)境容量核算方法

本研究河流水環(huán)境容量核定采用一維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，水環(huán)境容量計算公式為：

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

(2)

式中：x為沿程距離，km；u為河流平均流速，m/s；QR為上游來水流量，m3/s；CR為上游來水水質(zhì)目標，mg/L；QE為入河排放口污水量，m3/s；CS為水質(zhì)保護目標，mg/L；W為計算單元污染物排放量，g/s。

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗室監(jiān)測結(jié)果

各工況水質(zhì)監(jiān)測斷面COD、氨氮實測結(jié)果見表2和表3。

表2 各工況監(jiān)測斷面COD濃度實測結(jié)果

續(xù)表2

表3 各工況監(jiān)測斷面氨氮濃度實測結(jié)果

由表2、表3可以看出，兩水質(zhì)監(jiān)測斷面COD、氨氮濃度隨時間整體呈下降趨勢。經(jīng)計算，小流量條件下，進水口、出水口COD降解率分別為35.0%、35.4.%，氨氮降解率為24.7%、24.1%；中流量條件下，進水口、出水口COD降解率分別為52.8%、50.0%，氨氮降解率為53.6%、53.0%；大流量條件下，進水口、出水口COD降解率分別為62.4%、 60.7%，氨氮降解率均為61.5%。分析結(jié)果表明，來水流量強度對污染物衰減過程具有顯著影響，來水流量強度越大，COD、氨氮降解率越大。

3.2 衰減系數(shù)計算結(jié)果

整理實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)一級反應(yīng)動力學(xué)方程，計算各個時間點下污染物衰減系數(shù)，最后計算污染物平均衰減系數(shù)，計算結(jié)果見表4。由表4可以看出，COD的衰減系數(shù)在0.064～0.131 d-1之間，平均衰減系數(shù)為0.10 d-1；氨氮的衰減系數(shù)在0.046～0.119 d-1之間，平均衰減系數(shù)為0.09 d-1。來水流量強度對污染物衰減系數(shù)有顯著影響，來水流量強度越大，污染衰減系數(shù)越大。

表4 污染物衰減系數(shù)計算結(jié)果

4 松源河流域水環(huán)境容量核算

水環(huán)境容量核算采用實驗室模擬結(jié)果，衰減系數(shù)取COD為0.10 d-1，氨氮為0.09 d-1。根據(jù)水質(zhì)目標、水文條件不同設(shè)置4種不同情景方案，各方案具體設(shè)計條件和內(nèi)容見表5，計算結(jié)果見表6。

表5 總量控制方案情景設(shè)定表

表6 總量控制方案計算結(jié)果表

由表6可以看出，方案一情景下，梅縣區(qū)的水環(huán)境容量明顯高于蕉嶺縣的水環(huán)境容量；方案二情景下，蕉嶺縣允許排放量有所增加，梅縣允許排放量有所下降，但整體允許排放量較方案一增加；方案三情景下，蕉嶺縣允許排放量進一步增加，梅縣允許排放量下降，總體允許排放量較方案二增加；方案四情景下，全流域COD、氨氮允許排放量最大。

將各方案計算得到的允許排放量與2020年規(guī)劃年入河量進行對比，計算結(jié)果見表7。由表7可以看出，蕉嶺縣方案一COD、氨氮的削減率較高，達到88%和100%，其余方案削減率較低；梅縣區(qū)各方案下COD和氨氮的削減率均較高，方案四情景下，若蕉嶺縣-梅縣區(qū)交界斷面水質(zhì)為V類，下游銅盤橋考核斷面要達到II類，氨氮削減率100%，可見該種方案無法實現(xiàn)下游銅盤橋斷面達到II類。結(jié)合園潭村委上游電站斷面歷史監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)，水質(zhì)多為劣V類，斷面水質(zhì)較差，從劣V類提升到III類有一定難度，因此建議園潭村委上游斷面2020年前水質(zhì)目標定位IV類。

表7 蕉嶺縣、梅縣污染削減情況計算結(jié)果表

5 結(jié) 論

1) 來水流量強度為40～80 L/s條件下，COD衰減系數(shù)介于0.064～0.131 d-1之間，平均衰減系數(shù)為0.10 d-1；氨氮的衰減系數(shù)介于0.046～0.119 d-1之間，平均衰減系數(shù)為0.09 d-1。來水流量強度對污染物衰減系數(shù)有顯著影響，來水流量強度越大，污染衰減系數(shù)越大。

2) 90%最枯月流量保證率條件下，方案一至方案四，蕉嶺縣COD、氨氮允許排放量逐漸增加，梅縣COD、氨氮允許排放量逐漸降低，全流域COD、氨氮允許排放量逐漸增加。

3) 蕉嶺縣方案一COD、氨氮的削減率較高，達到88%和100%，其余方案削減率較低；梅縣區(qū)各方案下COD和氨氮的削減率均較高，方案四情景下，氨氮削減率達到100%，因此建議園潭村委上游斷面2020年前水質(zhì)目標定位IV類。