污水汇入河流对水体N2O排放通量的影响

1、河南师范大学本科毕业论文河南师范大学本科毕业论文 学号： 1204114094 污水汇入对新乡市卫河N2O排放的影响研究 学院名称： 生命科学学院 专业名称： 生物科学 班级名称： 12级1班 姓 名： 杨力敢 指导老师： 侯翠翠 2016年5月15河南师范大学本科毕业论文污水汇入对新乡市卫河N2O排放的影响研究摘 要: 2016年3月采用漂浮静态箱法对卫河排污河段水体N2O排放空间变化进行监测，同时测定各环境指标并分析其与N2O排放的关系。结果显示排污水体pH值为7.73，呈弱碱性；且水体的DO含量较高，为8.99mg/L。河水的NO3-N的含量在各取样点的变化不大，变化范围在34mg/L之

2、间。而河水的NH4+-N含量在河水流向上具有明显的累积效应，N2O排放通量也具有随距离增加而增强，最大值出现在距排污口200m处，之后下降。分析表明河水的DO含量和水温呈负相关（p0.05, R2=0.83），N2O排放通量主要受水中DIC含量的限制，二者之间呈显著正相关关系（p0.05, R2=0.63）。关键词 漂浮静态箱法；N2O通量； DIC Study on the effect of sewage discharge on N2O emission of Wei River in Xinxiang CityAbstract：Floating static chamber metho

3、d was applied to study the effect of sewage discharge on N2O emissions of Wei river in Xinxiang city, in March 2016. Environment factors were monitored and their relationships with N2O flux were analyzed. the sewage outfall water had pH value of 7.73, and DO of the alkaline water was at a high conte

4、nt of 8.99mg/L. NO3-N content changed little at each sampling site with a range of 34mg/L. While the content of NH4+-N has a cumulative effect along the river after the sewage water input. N2O flux also increased with distance and the highest value appeared at the downstream 200m away from the outle

5、t. Correlation analysis showed that DO was negatively correlated with water temperature of river（p0.05, R2=0.828）. While N2O flux was restrained by DIC content as they were significantly positively correlated with each other (p0.95时视为有效。使用玻璃采水器采集每个采样点河道表层0.5 m处的河水，并同时监测水温、气温，静态箱内气温变化，取500mL水样带回实验室，水

6、样中氨态氮（NH4+-N）的测定采用纳氏试剂分光光度法测定，硝态氮（NO3-N）浓度的测定采用分光光度法测定。采样的同时利用便携式水质多参数测定仪分别测量每个采样点的水体的pH值和DO。2.4数据分析使用Microsoft Excel 2010 和IBN SPSS Statistics 22进行数据分析处理和作图。3实验结果和分析1 排污水体性质监测结果表明排污口水体pH为7.73（表1），水质为弱碱性。此外排污口的DO含量为8.99mg/L，说明污水经过较为充分的耗氧处理。DIC的含量都较高，活性氮的含量与一般自然水体相比也具有较高的浓度，说明污水处理过程中有明显的曝气过程，并且污水中无机碳

7、和无机氮含量较高。表1排污口污水理化性质Table 1 Physical characters of sewage from the outlet 测量点DO(mg/L）pH NH4+-N (mg/L)NO3-N (mg/L)DIC(mg/L）DOC (mg/L)气温（）水温（）排污口8.997.731.475.6235.7776.9018.712.252 不同监测点河流中营养物质含量变化 不同监测点河流中河水的NO3-N的含量差别不明显（图2），处于34 mg/L之间且变化幅度较小；-50 m监测点河流中河水的NO3-N的含量最低，其位于排污口上游50 m处，未受污水汇入的影响，说明污水汇入

8、前河流水体中NO3-N的含量在3.30mg/L左右；而其他5个监测点水体中NO3-N的含量都高于-50 m监测点，从表 1 可知污水水体NO3-N的含量较高为5.62 mg/L，说明污水汇入使得河流水体中NO3-N的含量增加。图2 不同监测点河流水体中NO3-N的含量变化与其他监测点相比，-50 m监测点河流水体中NH4+-N的含量最低（图3），为0.41 mg/L，又因为其在排污口上游处，不受污水汇入的影响，说明污水汇入前河流中氨态氮含量较低。其他5个监测点位于排污口的附近或者下游，受到污水汇入的影响，造成河流水体中NH4+-N的含量的增加；从0 m处监测点到400 m处监测点河流水体中NH

9、4+-N的含量整体呈递增的趋势，即河流水体中NH4+-N的含量在河流的流向上有累积现象，但在200 m处监测点河流水体中NH4+-N含量表现出暂时下降。图3 不同监测点河流水体中NH4+-N的含量变化 距排污口-50m处监测点的河流水体的DIC含量最低（图4），为30.11 mg/L，低于污水中的DIC含量（35.77 mg/L）；监测点0 m处河流水体中DIC含量为35.96 mg/L，高于污水以及汇入前河流含量，其原因可能由于污水汇入造成的动力混合作用使得沉积物中无机碳进入水体，增加了DIC的量。随水流方向，河流中DIC由逐步降低，50 m处的监测点水体中DIC含量为30.71 mg/L，

10、随后又表现出先增加后降低的趋势，最大值出现在监测点200 m处，该处水体中DIC的含量达到最高值为36.66 mg/L，之后在400 m处的水体中DIC的含量有所下降，为33.44mg/L,所以说在距排污口200 m左右的距离，河水水体中DIC在这个距离发生了累积效应,但是这种累积效应不是很显著，其原因可能味河流与污水中DIC含量相差不大造成的。图4 不同监测点河流水体中DIC的含量变化图 污水汇入前河流即-50 m处监测点河流水体中DOC含量为44.04 mg/L（图5），而污水中DOC含量为该处含量的近2倍（表1），汇入河流中会使后者DOC含量大幅度增加。由结果可知0 m处监测点DOC含量

11、达到最高值为142.94 mg/L，远远高于污水以及汇入前河流，说明除污水的有机质输入外，水流的动力作用也促进了底泥及泥质护岸中有机质的释放。而伴随河水流动DOC被往下游运输的过程中，悬浮物质逐渐沉积，动力混合作用减弱，河流DOC含量逐渐降低。但在50-200m距离内，河流DOC含量呈现积累态势，在200 m处监测点河流水体中DOC含量达到峰值，含量为134.4823mg/L。200 m之后河流水体中DOC的含量就开始下降，初步说明在距排污口200 m处河流中DOC的含量发生了显著的累积效应，可以推断河流水体中DOC的含量的累积距离为200 m。图5 不同监测点河流水体中DOC的含量变化 由结

12、果可知，污水中DO含量（8.99mg/L）显著低于污水汇如前河流DO水平（-50m监测点），并且污水汇入并未对汇入点的河流DO含量造成影响，可见水流作用造成的湍流会增加水中氧气的溶解含量，0 m和-50 m处的监测点河流水体中DO含量在20.0 mg/L左右。而随着湍流作用减弱，沿水流方向，污水汇入降低了河流DO含量， 50 m和100 m处的监测点河流水体中DO含量相接近，在14.0mg/L左右，200 m处监测点河流水体中DO含量水平最低，为10.25mg/L；但400 m处监测点河流水体的DO含量又重新增加，达到12.09mg/L。说明污水对河流中DO的削弱效应在200m处达到最强。图6

13、 不同监测点河流水体中DO含量的变化3 不同监测点河流中N2O排放速率的变化研究结果表明N2O排放通量的最低值和最高值分别出现在监测点-50 m和200m处，其数值分别是0.55mol/（m2h）和27.29mol/（m2h）；0 m，50 m，100 m和400 m这四处监测点河流水体中的N2O排放通量无明显差别，这个范围为1114mol/（m2h）；-50 m处监测点的河水水体中的N2O排放通量为0.55mol/（m2h），显著低于污水汇入后河流排放通量。在0 m处取样点以后的河水的N2O排放通量都在10mol/（m2h）以上，说明了排污口排出的污水汇入到卫河中是河水的N2O排放通量的增加

14、的主要原因。从0 m到100 m处监测点的河水水体中的N2O排放通量有所下降，但下降的幅度不大；在200 m处取样点所取的河水中的N2O排放通量的大幅度增加，达到最大值，通量大小为27.29mol/（m2h）。200 m之后河水水体中的N2O排放通量大幅下降，至400 m处的监测点河水水体中的N2O排放通量降为13.57mol/（m2h），说明沿流向距排污口200 m的监测点河流水体N2O排放通量的发生了累积效应，且十分明显。图7 不同监测点河流水体中N2O排放通量变化 4讨论 在处理各种污水中的硝酸盐有一种方法特别环保，高效，经济，那就是利用微生物反硝化的作用，从而达到消除污水中硝酸盐的目的

15、。在此过程中反硝化细菌有着十分重要的功劳,它能够使NO3-逐步转变为NO2-、NO、N2O和N2,从而达到脱氮的目的。在这之中反硝化细菌主要有三种：异养厌氧反硝化细菌，异养好氧反硝化细菌，自养反硝化细菌。近些年来有许多的学者在其大量的实验过程中发现一种现象,在相同种类细菌悬浮培养基中,溶解氧的浓度达到10%到20%的饱和,这说明好氧反硝化作用的确在发生1113。同时，由于现今科学技术的大幅度，飞跃性的突破，已经有科学家利用技术和理论相结合从污水中分离出一种异养好氧反硝化细菌Thisphaera pantotropha，并且还进一步发现它有一个最基本的硝酸盐还原酶14,在这不久后也有相关学者通过

16、相关实验的结果证明了这种还原酶在有氧的状况下还具有相应的生物活性15。在图7中可以看出河流水体中DO的含量在1020mg/L的范围内，属于高水平的含氧量，与此同时生活污水的汇入给河流水体带来了大量的DIC等，且河水的水温基本恒定，这样给异养好氧反硝化细菌提供了良好的生存环境，河流就会有大量异养好氧反硝细菌。所以，河流中反硝化过程会加剧，就释放出大量的N2O气体，造成了河流水体中N2O排放通量的增加。 本研究中通过分析可以看出河水的温度和河水水体中DO 的含量呈反比（R2 = 0.828），由于采样区域为500m左右的河段，同时在采样的过程之中天气几乎没有变化，即大气压恒定，所以，我们可以得出在

17、大气压恒定不变的情况下，河水的温度与河流水体中DO的含量呈反比，河流的水温越高，河流水体中DO含量的水平越低。图8各监测点河流的河水温度与DO含量相互关系通过Pearson相关分析可以看出可以看出不同监测点河流水体中N2O排放通量与DIC含量呈显著正相关（p0.05）（表2）。这就表明了河流水体中N2O排放通量的变化，主要由于污水汇入过程引起的河流中DIC的变化造成的。而导致DIC变化的主要动力除了外源输入外，动力过程造成的底泥中DIC释放也是主要原因之一。从表2中可以得出监测点河流水体中N2O排放通量与河流水体除DIC含量外的其他数据呈一定的相关性，如硝态氮与氨态氮与N2O通量之间表现出正相

18、关关系，但并不显著，说明氮源并非温室气体产生的主要控制因素。表2 河流水体中N2O排放通量与河流理化性质相互关系分析名称DIC (mg/L)DOC (mg/L)DO (mg/L)pH水温（）NO3-N (mg/L)NH4-N (mg/L)N2O fluxPearson相关性0.8460.7350.1150.508-0.0590.2370.188显著性（双尾）0.034*0.0960.8290.3230.9110.6510.721N6666666 5结论结合野外监测室室内分析，本试验结果显示卫河新区段主要生活污水排污水体pH值为7.73，呈弱碱性，且水体具有较高的DO含量（8.99mg/L）。污

19、水输入导致有机质DOC以及营养元素NO3-N、NH4+-N呈现一定距离的累积效应，并在200m处达到最大值，同时对pH以及DO的削弱效应也存在相同的空间变化。污水汇入使得河流中N2O排放通量大幅度增加，并且最大值出现在距排污口200m处，与不同环境因素变化态势类似。分析表明河水的DO含量和水温呈负相关（p0.05, R2=0.83），N2O排放通量主要受水中DIC含量的限制，二者之间呈显著正相关关系（p0.05, R2=0.63）。参考文献1Solomon S, Qin D, Manning M, Alley RB, Berntsen T, Bindoff NL, Chen Z, Chidth

20、aisong A, Gregory JM, Hegerl GC, Heimann M, Hewitson B, Hoskins BJ, Joos F, Jouzel J, Kattsov V, Lohmann U, Matsuno T, Molina M, Nicholls N, Overpeck J, Raga G, Ramas-wamy V, Ren J, Rusticucci M, Somerville R, Stocker TF, Whetton P, Wood RA, Wratt D. Technical Summary. In: Solomon S, Qin D, Manning

21、M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL. eds. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, United Kingdom and New York: Cambridge University Press, 2007, 1991

22、.2Wang DQ, Chen ZL, Sun WW, Hu BB, Xu SY. Methane and nitrous oxide concentration and emission flux of Yangtze Delta plain river net. Sci China Ser B: Chem, 2009, 52(5): 652661.3Silvennoinen H, Liikanen A, Rintala J, Martikainen PJ. Greenhouse gas fluxes from the eutrophic Temmesjoki River and its e

23、stuary in the Liminganlahti Bay (the Baltic Sea). Biogeochemistry, 2008, 90: 193208.4Wilcock RJ, Sorrell BK. Emissions of greenhouse gases CH4 and N2O from low-gradient streams in agriculturally developed catchments. Water, Air, & Soil Pollution, 2008, 188: 155170.5Yan W, Laursen AE, Wang F, Sun P,

24、Seitzinger SP. Measurement of denitrification in the Changjiang River. Environ Chem, 2004, 1: 9598.6Baulch HM, Schiff SL, Maranger R, Dillon PJ. Nitrogen enrichment and the emission of nitrous oxide from streams. Global Biogeochem Cycles, 2011, 25: GB4013.7李锋. 南九水河和李村河河口水-大气界面 N2O 通量的研究. 山东: 中国海洋大学,

25、 2007.8Dong LF, Nedwell DB, Stott A. Sources of nitrogen used for denitrification and nitrous oxide formation in sediments of the hypernutrified Colne, the nutrified Humber, and the oligotrophic Conwy estuaries, United Kingdom. Limnol and Oceanogr, 2006, 51(1-2): 545 557.9Seitzinger SP, Kroeze C. Gl

26、obal distribution of nitrous oxide production and N inputs in freshwater and coastal marine ecosystems.Global Biogeochem Cycles, 1998, 12: 93113.10Trimmer M, Risgaard-Petersen N, Nicholls JC, Engstrm P. Direct measurement of anaerobic ammonium oxidation (anammox) and denitrification in intact sedime

27、nt cores. Marine Ecology Progress Series, 2006, 326: 3747.11 Meiberg JBM,Bruinenberg PM,Harder W. Effect of dissolved oxygen tension on the metabolism of methylated amines in Hy-phomicrobium X in the absence and presence of nitrate: evi-dence for aerobic denitrificationJ.J.Gen.Microbiol.,1980,120:453 -463.12 Rorbertson LA and Kuenen JG. Aerobic denitrification-old wine in new bottles? J.Antonic van Leeu wenhoek,1984,50:525 -544.13 Rorbertson LA and Kuenen JG. Aerobic denitrification:a con-troversy revivedJ.Arch.Microbiol,1984,139:351 -354.14 Rorbertson