城市污水氮环境负荷趋势分析及其来源探讨

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随着全球城市化的发展,城市是大量人口集聚的地方,城市生态系统所需要的物质和能力是其它生态系统的10-100倍,与此同时城市居民对于氮素的依赖程度增强,影响着全球氮循环,人为活化氮总量在大气、水体和陆地上大量增加。由此引发的环境问题已经对人们的身体健康和安全造成了威胁,越来越多的人认为它是继生物多样性减少和全球变暖之后的全球第三大环境问题。城市生态系统正常运转需要从外部获得大量的物质和能量,使得城市生态系统的成为高氮输入地区进而成为全球氮热点地区。污水是城市人类活动的产物,以污水形式的氮输出占很大比例。而污水处理系统作为城市氮移除系统,为应对水污染在水循环的人工控制阶段进行的削减技术,它有助于降低污染物浓度,是水污染防治的关键。但是污水处理厂的修建和运行过程中会消耗大量的物质和能量,同时向环境中排放气体、尾水和剩余污泥,其中排放的气体中N2O会导致全球变暖或诱发人体呼吸系统疾病。虽然处理后的水达到了相应的控制或者排放标准,但是高负荷的工作,使得一些处理不完全的化学成分,仍可能会超出容纳水体的自净能力,增加水环境氮污染负荷。剩余污泥中的氮,以填埋方式处理,在没有防渗工程的条件下,可能诱发二次污染,对周围的土壤环境造成一定的污染。尾水氮含量的增加,周围排污河流以及地下水体氮污染风险大大增加,这些氮输出产物在一定程度上削弱了水处理的环境效益。因此探索污水氮的可能来源,并在此基础上进行合理的调控将成为解决城市污水氮污染的关键所在。北京市是全国政治文化中心,近几年来城市化速度加快,经济发展迅速,城市不断扩张,每年新增大量新建居民住宅。人口迅速增长造成生活污水排放量的增加,污水处理厂经常处于超负荷工作状态。本文选择的研究区域海淀区是北京重要的科技文化中心,聚集了众多的高校和科研院所,近年来人口呈现出急剧增长趋势。本文选取海淀区具有代表性的现代化污水处理厂作为污水输出与输入的研究点。采用定点动态采样分析的方法,重点从污水氮输出机理上进行初步性探索。并运用稳定同位素的方法,追溯城市污水潜在氮来源,以期为其它城市污水氮输出研究提供参考。主要结论如下:(1)2014-2015年北京市海淀区城市污水和排河尾水氮污染物浓度具有较显著季节性的变化,未处理污水的TN浓度较高,其变化范围为34.97559.987mg.L-1,春夏季显著高于秋冬季。NH4+-N是污水氮主要的存在形式,其浓度一年内呈现出波动变化,最高值出现在秋季。处理尾水中NO3--N为主要的污染氮形式,尾水TN浓度在冬季出现峰值。(2)城市污水具有显著日变化特征,且四季特征存在着差异。整体而言,11:00-13:00和18:00-21:00两个作息时间段TN浓度较高,说明居民日常生活规律对城市污水氮输出具有一定的影响。(3)就城市污水氮环境负荷而言,排河尾水产生的氮环境负荷最多,周围水环境受其影响较大,海淀区人均污水氮环境负荷呈现秋冬季高、春夏季低的趋势。(4)城市污水氮环境负荷排放率具显著季节性变化特征,冬季的氮环境负荷排放率较高,说明冬季节污水氮污染物去除的环境代价较大。同时,更为先进的污水处理工艺有助于减少氮环境负荷。冬季是防氮污染重点,建议广泛更新处理工艺(5)根据稳定氮氧同位素示踪方法可知,城市污水δ15N和δ18O值存在显著季节差别,δ15N秋季平均值最高,冬季次之,春夏季值最低。秋季城市污水主要来源于人类活动产生的粪便;春夏冬季同时还受到降雨径流、工业污水的影响。δ18O值四季变化具有差异,冬季δ18O值的范围最广,其来源可能硝化作用和硝酸盐沉降,其它季节城市可能来源是硝化作用,这里的硝化作用主要是生物合成氮肥和粪肥。(6)基于Iso-Source软件双同位素计算城市污水硝酸盐氮来源贡献比可知粪便贡献比最多为61.46%,其次是大气降雨为35.54%,工业污水贡献比最少为3%。说明城市污水氮主要来自于居民日常生活的排泄物。(7)依据北京海淀区城市污水氮负荷情况,提出了减少城市氮污染的防治措施和建议。宏观法规、政策的引导作用;城市污水处理技术的改进和升级;城市水资源的回收再利用;政府、公司企业、居民共同协作,倡导低氮健康的生活方式。
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