水熱處理時(shí)間對(duì)氮磷鉀及重金屬的影響

　　水生生態(tài)系統(tǒng)中，溶解有機(jī)氮是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)[1, 2]，不僅可以與溶解無機(jī)氮之間相互轉(zhuǎn)化，而且是一類潛在的可被生物利用的重要營(yíng)養(yǎng)源. 其中,一些小分子量的DON如尿素、 溶解游離態(tài)氨基酸、 核酸等已被證明是可以被浮游植物直接吸收利用[3, 4, 5, 6]，對(duì)浮游植物生長(zhǎng)、 種群演替及初級(jí)生產(chǎn)力的影響不容忽視. 其中，總?cè)芙鈶B(tài)氨基酸是構(gòu)成溶解有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，其構(gòu)成和豐度可用來指示DOM生物可利用性的潛力[7, 8].

　　膠州灣位于黃海之濱，是中國(guó)北方海區(qū)典型的半封閉海灣. 自20世紀(jì)70年代末以來，隨著青島市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，陸源污染物排放總量不斷增加，富營(yíng)養(yǎng)化已成為膠州灣海域最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，氮污染是導(dǎo)致膠州灣海域富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[9]. 目前，關(guān)于膠州灣氮污染物的來源、 構(gòu)成和分布研究側(cè)重于溶解無機(jī)氮，而忽視了溶解有機(jī)氮對(duì)膠州灣氮污染的貢獻(xiàn).

　　為減少陸源排污，環(huán)膠州灣已經(jīng)建成和運(yùn)行多個(gè)公共污水處理廠，污水處理量達(dá)到114萬t·d-1，占入膠州灣污水總量的90%[10]. 在2008年后，為減少氮污染物的排放，環(huán)膠州灣各污水處理廠經(jīng)過升級(jí)改造，相繼增加了硝化/反硝化系統(tǒng); 盡管這些脫氮工藝可能對(duì)DIN特別是氨氮的去除十分有效，但對(duì)其他形態(tài)氮包括硝態(tài)氮和DON的去除率往往較低[11, 12]. 研究表明，經(jīng)污水處理廠處理后的廢水進(jìn)入近海水體后，一方面，其中DON可通過微生物降解作用和光化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為小分子量的DON和DIN; 另一方面，通過鹽度調(diào)節(jié)作用，將原吸附于腐殖質(zhì)上而難以被生物利用的氨氮以自由態(tài)釋放，這些過程都增大了氮的生物可利用性，從而加重近海氮污染負(fù)荷和富營(yíng)養(yǎng)化程度[13]. 然而，目前尚未對(duì)環(huán)膠州灣污水處理廠排污口污水中DON的構(gòu)成和生物可利用性進(jìn)行系統(tǒng)研究.

　　本研究通過在不同季節(jié)對(duì)直排入膠州灣的4個(gè)公共污水處理廠排放口不同形態(tài)氮的調(diào)查，比較分析排入膠州灣不同公共污水處理廠TDN的構(gòu)成，并以TDAA的構(gòu)成及其在DOM中的豐度作為指標(biāo)，評(píng)價(jià)所排放DON的生物可利用性.

　　1 材料與方法

　　1.1 膠州灣簡(jiǎn)介

　　膠州灣位于山東半島南岸，水域面積約320km2，灣口狹小，最窄處僅為3.1 km，水深較淺，平均水深僅8.8 m，最大水深為64 m. 青島市主城區(qū)環(huán)膠州灣而建，膠州灣不僅是青島市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要承載體，也是青島市農(nóng)業(yè)、 工業(yè)和生活污水的主要承納體，約占青島市面積的65%的陸域所產(chǎn)生的污染物通過河流和排污口進(jìn)入膠州灣[9]. 20世紀(jì)70年代末以來，伴隨著青島市經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，人口不斷增加，陸源污染物排放數(shù)量持續(xù)增多，導(dǎo)致膠州灣水質(zhì)不斷惡化，引發(fā)了赤潮(綠潮)災(zāi)害頻發(fā)等一系列生態(tài)環(huán)境問題[9, 14].

　　1.2 直排膠州灣污水處理廠簡(jiǎn)介

　　目前，所調(diào)查區(qū)域的直排入膠州灣污水處理廠都位于膠州灣東部人口密集的建成區(qū)，各污水處理廠的集污范圍、 處理量和處理工藝等見圖 1和表 1.

　　圖 1 直排膠州灣污水處理廠集污范圍和采樣站位示意

 

　　表 1 直排膠州灣公共污水處理廠集污區(qū)范圍和處理工藝簡(jiǎn)介

　　1.3 樣品采集和處理方法

　　分別于2012年7月、 2012年11月、 2013年3月及2013年5月在直排膠州灣4個(gè)污水處理廠排放口進(jìn)行取樣分析，采樣站位如圖 1所示. 用有機(jī)玻璃采水器采集排放口水樣5 L，0~4℃冷藏保存并在4 h內(nèi)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室用全玻璃濾器過濾，濾膜孔徑為0.7 μm(GF/F玻璃纖維濾膜,英國(guó)Whatman公司)，并在使用前450℃下灼燒4 h; 將所得濾液轉(zhuǎn)入潔凈的玻璃瓶中，-20℃保存，用于總?cè)芙鈶B(tài)氮(TDN)、 硝態(tài)氮(NO3--N)、 亞硝態(tài)氮(NO2--N)、 銨態(tài)氮(NH4+-N)、 溶解有機(jī)碳(DOC)和總?cè)芙鈶B(tài)氨基酸(TDAA)的測(cè)定.

　　1.4 樣品分析方法

　　NO3--N、 NH4+-N及NO2--N分別通過鎘銅還原法[15]、 次溴酸鈉法[15]和重氮-偶氮法[16]測(cè)定; DOC、 TDN根據(jù)高溫催化氧化方法進(jìn)行測(cè)定[17]，所用儀器為TOC-VCPH分析儀，以鄰苯二甲酸氫鉀和硝酸鉀分別作為DOC和TDN測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)品. 每個(gè)樣品平行測(cè)定6次，相對(duì)偏差小于0.5%. 溶解有機(jī)氮為TDN與溶解無機(jī)氮的差值，其中DIN為NH4+-N、 NO2--N和NO3--N三者之和.

　　氨基酸通過柱前鄰苯二甲醛衍生后高效液相色譜法進(jìn)行分離測(cè)定[18]，所用儀器為e2695型高效液相色譜儀并配置以熒光檢測(cè)器和Agilent分離柱. 所用標(biāo)準(zhǔn)品為14種氨基酸混標(biāo)，共分離檢測(cè)14種氨基酸，包括天冬氨酸、 谷氨酸、 絲氨酸、 組氨酸、 甘氨酸、 蘇氨酸、 精氨酸、 丙氨酸、 酪氨酸、 纈氨酸、 甲硫氨酸、 苯丙氨酸、 異亮氨酸、 亮氨酸，相對(duì)偏差在3%～5%.

　　1.5 數(shù)據(jù)處理方法

　　利用Origin 8.0軟件繪制相關(guān)參數(shù)柱狀分布; 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析是應(yīng)用SPSS 16.0.軟件進(jìn)行，相關(guān)性分析是利用皮爾森相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析，若P<0.001(雙邊檢驗(yàn))，說明參量之間具有明顯相關(guān)性.

　　2 結(jié)果與討論 2.1 直排膠州灣污水處理廠不同季節(jié)TDN含量和構(gòu)成特征

　　直排膠州灣的各污水處理廠排放口不同季節(jié)TDN含量變化如圖 2所示. 可以看出，各污水處理廠不同季節(jié)排放口TDN濃度和構(gòu)成有所不同，其中，李村河污水處理廠和海泊河污水處理廠季節(jié)差異顯著，而婁山河污水處理廠和團(tuán)島污水處理廠差異相對(duì)較小，但基本上呈現(xiàn)3月和11月高、 5月和7月低的變化特征. 對(duì)于海泊河污水處理廠，其排放口3月TDN最高，達(dá)3 580.65 μmol·L-1，其次為11月，達(dá)1 262.50 μmol·L-1; 而5月和7月相差不大，分別為526.73 μmol·L-1和624.45 μmol·L-1; 相應(yīng)地，TDN的構(gòu)成也有顯著差異，3月以DON為主，摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)88.75%，DIN摩爾分?jǐn)?shù)僅為12%，DIN中以還原態(tài)的NH4+-N和NO2--N為主，而其余3個(gè)季節(jié)TDN中以DIN為主，摩爾分?jǐn)?shù)在65.4%~97.9%，DIN中以NO3--N為主，占比都在69%以上. 3月海泊河污水處理廠TDN含量顯著高于其他季節(jié)且構(gòu)成以具有還原態(tài)氮(包括DON、 NH4+-N和NO2--N)為主，表明該污水處理廠的生化處理工藝對(duì)氮的生物氧化作用效果不佳. 同樣，李村河污水處理廠排放口TDN濃度和構(gòu)成也有較大差異. 實(shí)際上，調(diào)查期間這兩個(gè)污水處理廠正處于擴(kuò)容和改造階段，導(dǎo)致其污水負(fù)荷和處理工藝尚不穩(wěn)定. 而團(tuán)島污水處理廠和婁山河污水處理廠處理工藝較為穩(wěn)定，其排放口不同季節(jié)TDN差異不大.

　　圖 2 直排膠州灣各污水處理廠不同季節(jié)TDN的濃度和構(gòu)成

　　另外，調(diào)查結(jié)果表明，海泊河污水處理廠排放口不同季節(jié)氨氮含量明顯高于其他污水處理廠，這可能是由于該污水處理廠采用AB法即兩段活性污泥法工藝，對(duì)生活污水中氨氮處理排放執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級(jí)B指標(biāo)，即氨氮≤8mg·L-1的要求，而其它3個(gè)污水處理廠均采用改進(jìn)的A2/O工藝，可以滿足該標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)A指標(biāo)即氨氮≤5mg·L-1的要求[19, 20, 21, 22, 23].

　　2.2 直排膠州灣污水處理廠不同季節(jié)DON生物可利用性潛力評(píng)價(jià) 2.2.1 基于DOC/DON分析直排膠州灣污水處理廠排放口有機(jī)質(zhì)生物可利用性

　　DOC/DON可以作為指征DOM生物可利用性的一個(gè)重要參數(shù). DOC/DON 值低，表明有機(jī)質(zhì)礦化程度低，生物可利用高，反之則表明有機(jī)質(zhì)礦化程度高，生物可利用低[24, 25]. Pagilla等[26]研究結(jié)果表明，DOC/DON≤11時(shí)，DOM具有較高的生物可利用性潛力，對(duì)受納水體的氮污染具有顯著影響. 膠州灣各污水處理廠不同季節(jié)水體中DOC/DON變化差異較大，分布在0.2~26.2 mol·mol-1之間，年平均值為(5.05±6.39) mol·mol-1(圖 3)，不同季節(jié)DOC/DON的平均值分別為(9.78±11.92) mol·mol-1 (5月)、 (6.90±2.52) mol·mol-1(7月)、 (1.77±0.93) mol·mol-1(11月)和(1.76±2.32) mol·mol-1 (3月). 整體而言，11月和3月有機(jī)質(zhì)的生物可利用性較5月和7月高，可能是由于這兩個(gè)季節(jié)溫度較低，未達(dá)到污水處理池中硝化/反硝化過程的適宜溫度(30℃左右)[27].

　　圖 3 入膠州灣污水處理廠排放口不同季節(jié)DOC/DON值

　　對(duì)于環(huán)膠州灣各污水處理廠的DOC/DON，只有5月海泊河污水處理廠和團(tuán)島污水處理廠出口大于11 mol·mol-1，而其余季節(jié)各污水處理廠出口都小于11 mol·mol-1，表明有機(jī)質(zhì)具有一定的可礦化和生物可利用性潛力; 特別是各污水處理廠排放口在3月和11月時(shí)都低于5 mol·mol-1，與美國(guó)伊利諾斯州污水處理廠和波蘭北部污水處理廠(1.1~3.2 mol·mol-1)排污口中DOC/DON值接近[26, 28]，表明這些污水處理廠的有機(jī)質(zhì)具有較高的生物可利用性潛力.

　　2.2.2 直排膠州灣污水處理廠排放口中氨基酸豐度和構(gòu)成對(duì)DON生物可利用性指示

　　(1) 基于氨基酸在有機(jī)質(zhì)中豐度指示DON生物可利用性潛力

　　作為溶解有機(jī)質(zhì)(DOM)中易于生物降解的組分，TDAA在DOM中的占比可作為DOM生物可利用性潛力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越高，表明DOM的生物可利用性潛力越大[7, 8]. 由于DOC的測(cè)定誤差小于DON,本研究以TDAA中所含碳在DOC中的摩爾分?jǐn)?shù)即x(TDAA/DOC)來評(píng)價(jià)入膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)DOM的生物可利用性. 結(jié)果表明(圖 4)，直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)TDAA/DOC值差異較大，分布在0.33%~3.02%之間，平均值為1.54%±0.78%，這與長(zhǎng)江水體(1.79%~2.60%)[29]和美國(guó)Atchafalaya河水(0.94%~2.95%)相近，而高于Mississippi河(0.85%~1.40%)[30].

　　TDAA/DOC表示TDAA中所含碳在DOC中的摩爾分?jǐn)?shù)圖 4 直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)氨基酸中所含碳在DOC中占比

　　Davis等[31]通過生物降解現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，分析了DOM降解前后TDAA的豐度，提出TDAA/DOC值為1.60%和1.10%時(shí)可分別作為有機(jī)質(zhì)易降解DOM 和半易降解DOM(Semi-labile DOM,S-DOM)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以水體中TDAA/DOC值與標(biāo)準(zhǔn)值相減，二者差值再除以TDAA/DOC的占比可以大體估算S-DOM和L-DOM的比例[30, 31]. 據(jù)此方法估算出直排入膠州灣各污水處理廠排污口水體不同季節(jié)L-DOM有較大差異，其中，3月海泊河污水處理廠、 5月團(tuán)島污水處理廠以及7月婁山河污水處理廠排放口L-DOM較高，摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到46.95%、 46.71%和32.85%; 5月李村河污水處理廠和海泊河污水處理廠、 11月婁山河污水處理廠L-DOM較低，摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到21.91%、 16.55%和12.60%，其余季節(jié)各污水處理廠排放口水體無L-DOM. 而以S-DOM標(biāo)準(zhǔn)衡量，則直排入膠州灣各污水處理廠排污口水體在不同季節(jié)具有S-DOM，3月、 5月、 7月和11月的平均摩爾分?jǐn)?shù)分別達(dá)到31.11%、 46.97%、 20.50%和0.44%. 這與應(yīng)用DOC/DON指示入膠州灣各污水處理廠排放口DOM具有一定生物可利用性的結(jié)果基本一致. 需要指出的是，DOM生物可利用性與DOM的來源和受納水體密切相關(guān). 由于入膠州灣各污水處理廠DOM來源與河流有較大差異，且膠州灣海域微生物構(gòu)成等與密西西比河流入的墨西哥灣有所不同，具有高生物可利用性的TDAA/DOC標(biāo)準(zhǔn)值的確定最好通過在膠州灣現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的生物降解實(shí)驗(yàn)來確定.

　　(2) 氨基酸構(gòu)成

　　盡管直排膠州灣各污水處理廠排放口污水中氨基酸酸絕對(duì)豐度有所差異，但所檢測(cè)出的12種氨基酸在TDAA中摩爾分?jǐn)?shù)排序基本一致，其中，Gly的含量最高，達(dá)到27.76%以上; 其次為L(zhǎng)eu，占比在14.61%左右，再次為Asp、 Ala、 Glu、 Thr、 Ser和Val，摩爾分?jǐn)?shù)在5.25%~10.86%之間，而His、 Arg、 Ile和Tyr含量較低，摩爾分?jǐn)?shù)在3.50%以下(圖 5)，這與黃滿紅等[32]應(yīng)用氨基酸分析儀所測(cè)定的生活污水中的氨基酸組成由所不同，該研究表明生活污水中Glu、 Asp、 Ala、 Val和Leu含量較高. 污水中氨基酸構(gòu)成不同，這一方面可能與污水的來源不同有關(guān)，另一方面，也與污水處理廠排放口污水經(jīng)生化降解過程有關(guān)，在此過程中，一些易降解的氨基酸組分相對(duì)含量降低，而相對(duì)難降解的氨基酸組分則被富集，導(dǎo)致氨基酸相對(duì)豐度發(fā)生變化.

　　AAi/TDAA表示每種氨基酸(Asp、 Gly、 Ser、 His等12種)在TDAA中的摩爾百分比; Asp：天冬氨酸; Gly：谷氨酸; Ser：絲氨酸; His：組氨酸; Arg：精氨酸; Gly：甘氨酸; Thr：蘇氨酸; Ala：丙氨酸; Tyr：酪氨酸; Val：纈氨酸; Ile：異亮氨酸; Leu：亮氨酸圖 5 直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)氨基酸的構(gòu)成

　　水體中氨基酸的構(gòu)成和相對(duì)豐度與不同種類氨基酸的生物可利用性有關(guān)，因此，氨基酸的組成可以粗略指示有機(jī)質(zhì)的降解程度[33, 34]. 環(huán)膠州灣各污水處理廠排放口中Gly含量最高，這可能是由于微生物細(xì)胞壁中富含Gly[35]，相對(duì)于細(xì)胞質(zhì)中的氨基酸，Gly較難被生物降解，因此，隨著DOM生物降解程度的加重，Gly相對(duì)豐度會(huì)進(jìn)一步增大[34, 36, 37]. 比如，海泊河污水處理廠3月TDN較高(圖 2)，DOC/DON值較低(圖 3)，Gly含量較低，表明其DOM未經(jīng)過深度生物降解; 而7月該污水處理廠TDN含量較3月顯著降低，DOC/DON值和Gly含量則較3月顯著増高，表明7月該排放口污水中DOM發(fā)生明顯的生物降解. 另外，作為TDAA的重要組成部分，組氨酸(His)富含于微生物細(xì)胞質(zhì)中[35]，較其他種類氨基酸易于降解，因而His含量隨DOM生物降解加劇和生物可利用性減小而減小. 進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)表明His/TDAA與TDAA/DOC呈正相關(guān)(n=16，R2=0.586 1，P<0.01,圖 6)，表明His/TDAA與TDAA/DOC一樣，可作為DOM生物可利用性潛力的指標(biāo). 這與Zhang等[38]應(yīng)用氨基酸構(gòu)成和豐度對(duì)長(zhǎng)江口及其鄰近海域DOM生物可利用性的研究結(jié)果基本一致.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 6 直排膠州灣各污水處理廠排放口TDAA/DOC與His/TDAA的相關(guān)性

　　3 結(jié)論

　　(1)直排膠州灣污水處理廠排放口水體中TDN濃度及其構(gòu)成因季節(jié)和污水處理廠工藝不同而具有顯著差異，TDN的變化范圍為413.10~3 580.65 μmol·L-1，并基本呈現(xiàn)3月和11月月高、 5月和7月低的季節(jié)變化特征，其中，DON占比的變化范圍在2.14%~88.75%之間.

　　(2)直排膠州灣污水處理廠排放口5月、 7月、 11月和3月的DOC/DON的平均值分別為(9.78±11.92)、 (6.90±2.52)、 (1.77±0.93)和(1.76±2.32) mol·mol-1，DOC/DON值較低，表明DOM具有較高的生物可利用性，可能會(huì)加重膠州灣海域氮污染.

　　(3)直排膠州灣各污水處理廠排放口不同季節(jié)TDAA/DOC值差異較大，分布在0.33%~3.02%之間，具有生物可利用DOM的摩爾分?jǐn)?shù)則在0.44%~46.97%之間; 其中，TDAA中His/TDAA可作為評(píng)價(jià)DOM生物可利用性潛力的指標(biāo).（來源及作者：中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 孔秀君   張鵬 楊南南 梁生康）