丹河流域（泽州段）不同水体水化学特征及水质评价

王勃兴; 冯民权

doi:10.7524/j.issn.0254-6108.2022083103

丹河流域（泽州段）不同水体水化学特征及水质评价

王勃兴,
冯民权^,

西安理工大学，西北旱区生态水利国家重点实验室，西安，710048

通讯作者: E-mail：mqfeng@xaut.edu.cn

基金项目:
国家自然科学基金（51679191）和晋城市水利科技项目（2022.12）资助.

Hydrochemical characteristics and water quality evaluation of different water bodies in Zezhou section of Danhe River Basin

WANG Boxing,
FENG Minquan^,

State Key Laboratory of Ecological Water Conservancy in Northwest Arid Area, Xi'an University of Technology, Xi’an, 710048, China

Corresponding author: FENG Minquan, mqfeng@xaut.edu.cn

Fund Project: the National Natural Science Foundation of China (51679191) and Hydraulic Science and Technology Program of Jincheng City (2022.12).

摘要: 为研究丹河流域不同水体水化学特征及水质现状，采用相关性分析、Piper三线图、氯碱指数及主要阴阳离子比值等多种水化学方法，对地表水、浅层水、深层水及泉水的水化学特征进行分析，并基于熵权-模糊综合评价法和Wilcox、USSL图解法进行水质评价，结果表明：（1）区内水体均呈弱碱性；TDS和F⁻浓度由上至下逐渐减小. （2）地表水和浅层水的水化学类型主要为HCO₃ SO₄-Ca·Na；深层水和泉水主要为HCO₃·SO₄-Ca；在地表水下渗过程中，阳离子倾向于由Ca-Na型向Ca型转变，阴离子倾向于由SO₄型向HCO₃型转变. （3）研究区水化学特征主要受岩石风化作用控制；水化学组分主要来源于硅酸盐岩溶解，且还存在蒸发盐岩溶解、碳酸盐岩溶解及阳离子交换作用. （4）水质评价结果显示，66.7%的浅层水、100%的深层水和泉水适合人体饮用；部分地表水的灌溉盐害风险较高. 该研究明确了区内不同水体水化学特征及水质现状，结果可为水资源开发及保护提供有效依据.
- 水化学特征 /
- 水质评价 /
- 熵权-模糊综合评价法 /
- 丹河.
Abstract: In order to study the hydrochemical characteristics and water quality status of different water bodies in Danhe River Basin, the hydrochemical characteristics of surface water, shallow groundwater, deep groundwater and spring water were analyzed by using various hydrochemical methods such as correlation analysis, Piter trilinear, chlor alkali index and the ratio of main cation and anion. The water quality was evaluated based on entropy weight fuzzy comprehensive evaluation method and Wilcox and USSL graphical methods. The results showed that: (1) The water bodies in the area were weakly alkaline; The concentrations of TDS and F⁻decreased gradually from top to bottom. (2) The hydrochemical types of surface water and shallow groundwater are mainly HCO₃·SO₄-Ca; The deep groundwater and spring water are mainly HCO₃·SO₄-Ca; In the process of surface water infiltration, cations tend to change from Ca-Na type to Ca type, and anions tend to change from SO₄ type to HCO₃ type. (3) The hydrochemical characteristics of the study area are mainly controlled by rock weathering; The hydrochemical components mainly come from the dissolution of silicate rocks, and there are also evaporation salt rock dissolution, carbonate rock dissolution and cation exchange. (4) The results of water quality evaluation show that 66.7% of shallow groundwater, 100% of deep groundwater and spring water are suitable for human consumption; Some surface water has high risk of salt damage. The study clarified the hydrochemical characteristics and water quality status of different water bodies in the area, and the results can provide an effective basis for water resources development and protection.
- hydrochemical characteristics /
- water quality evaluation /
- entropy weight fuzzy comprehensive evaluation method /
- Danhe River.

随着污水厂尾水排放标准的不断提高，化学辅助除磷、介质过滤、臭氧氧化等^[1-15]技术被用在深度处理中，以进一步削减污染物，降低出水水质指标。在城镇污水处理厂提标改造新标准要求下，氨氮和总氮的削减成为重点，强化脱氮技术也备受重视。目前普遍采取以下2种措施：一是改造生物反应池强化除氮，再增加深度处理工艺进一步降低氨氮、总氮等指标；二是依靠深度处理技术改造脱氮工艺^[14-20]。而针对生物反应池不同改造工艺运行情况开展现场对比实验的研究报道较少，以不同工艺并联运行，进行同时间、同规模现场生产实验的研究几乎未见报道。

本研究在西安市第五污水处理厂进行。在该厂未满负荷运行、先后具备多种工艺的有利条件下，分批次开展了同时间、同规模、不同工艺的现场生产性实验，对几种工艺的运行情况进行了对比研究。西安市第五污水处理厂总设计污水处理规模为40×10⁴ m³·d⁻¹，设计出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)^[21]中的一级A标准，采用“预处理+AAO(A系列生物池采用MBBR投加填料)+纤维转盘滤池+次氯酸钠消毒处理”工艺，现状处理水量约30×10⁴ m³·d⁻¹，全厂分为A、B、C、D四个系列生物反应池并联运行，单系列设计规模10×10⁴ m³·d⁻¹。2018年进行了B系列AAO工艺与A系列“AAO+MBBR”工艺的生产性对比实验，2019年A、B系列Ⅳ类提改造后进行了C、D系列AAO工艺与B系列五段式Bardenpho工艺的生产性对比实验。分析比选了不同工艺在强化除氮方面的优缺点，以期为国内城镇污水处理厂准Ⅳ类水质提标改造工程应用提供参考。

1. 生产性实验方案

1.1 污水处理厂工艺概况

该厂一期工程(A、B系列)AAO工艺于2010年建成投产，于2013年进行了生物池一级A水质标准提标改造。改造后A系列生物反应池采用“AAO+MBBR工艺”，即在原AAO工艺的基础上，在好氧区中后段增加MBBR悬浮填料区，投加MBBR悬浮填料比例约17%，并增设填料专用推进器、拦网等辅助设施设备；B系列生物池沿用原有AAO工艺，并未进行改造。该厂二期工程(C、D系列)AAO工艺于2018年建成投产。A、B、C、D四个系列AAO工艺生物反应池的水力停留时间均为16.59 h。

2019年，该厂以准Ⅳ类水质标准提标改造为目的，改造为多模式五段式Bardenpho工艺。具体实施内容包括：对A、B系列生物反应池先后进行了工程改造，同时去除A系列MBBR填料；在生物池缺氧区中后段增加隔墙，在好氧区增加2道隔墙；将A、B系列生物反应池均改造为5个区域，即厌氧区、缺氧区、好氧区、第二缺氧区、第二好氧区；C、D系列未进行改造。

1.2 水样的采集

1)实验进水。即厂区进水原水。进水采样使用自动采样器(sigma900型，哈希公司)，每2 h进行自动取样。取样点位于第五污水处理厂进厂市政管网末端10^#井。

2)实验出水。即对应实验系列二沉池出水汇流井内或总出水口水样。采样使用取样桶(1 000 mL塑料桶)。取样点位于水下30 cm。每日上午10点取样。

3) MBBR工艺实验用水。该组实验的样品包括A、B系列生物池厌氧区进、出口处混合液，A、B系列生物池缺氧区进、出口处混合液，A、B系列生物池好氧区中段处混合液，以及A、B系列生物池好氧区出口处混合液。采样使用取样桶(1 000 mL塑料桶)，取样点位于液面下方1 m处，每日上午10点取样。所有过程样品均使用定量滤纸过滤后，取清液进行检测。

4) Bardenpho工艺实验用水。该组实验的样品包括B系列生物池厌氧区进、出口处混合液，B系列生物池缺氧区进、出口处混合液，B系列生物池好氧区出口处混合液，B系列生物池第二缺氧区出口处混合液，以及B系列生物池第二好氧区出口处混合液。采样使用取样桶(1 000 mL塑料桶)，取样点位于液面下方1 m处，每日上午10点取样。所有过程样品均使用定量滤纸过滤后，取清液进行检测。C、D系列未取过程样。

5)分析指标：COD(HJ 828-2017重铬酸钾法)、NH₃-N(HJ 535-2009纳氏试剂分光光度法)、 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^{ - }_3}$ -N (HJ/T 346-2007紫外分光光度法)、TN(HJ 636-2012碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法)、 ${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 -}_4}$ -P (钼锑抗分光光度法(A))^[22]、TP(GB 11893-89钼酸铵分光光度法)、MLSS(CJ/T221-2005重量法)、DO(HJ 506—2009电化学探头法)。

1.3 运行方案及参数

1.3.1 MBBR生产性实验运行方案及参数

MBBR生产性比选实验在A、B系列同等工况下进行。不投加碳源，在生物池混合液出水口投加除磷药剂。实验的检测日期安排在2018年6月至10月。在这段时间内，随机抽取连续稳定运行11 d的数据。B系列工艺流程图如图1和2所示。实验期间运行水量均为7.5×10⁴ m³·d⁻¹。A、B系列生物池的MLSS控制在5~6 g·L⁻¹；生物池末端DO远程控制在1.0 mg·L⁻¹；污泥回流比为80%；内回流比为200%；除磷药剂的投加量为100 mg·L⁻¹。

图 1 一期A系列平面示意图

Figure 1. Plan of A series in phase 1

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图 2 一期B系列平面示意图

Figure 2. Plan of B series in phase 1

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A系列生物反应池为“MBBR+AAO工艺”，总水力停留时间16.59 h。其中，厌氧区2.02 h，缺氧区5.53 h，好氧区9.04 h。好氧区MBBR填料区位于好氧段中后段，为循环跑道式填料。填料区的停留时间1.74 h，由4台潜水推流搅拌器进行搅拌及循环推流。B系列生物反应池为AAO工艺，总水力停留时间16.59 h，其中厌氧区2.02 h，缺氧区5.53 h，好氧区9.04 h。

1.3.2 Bardenpho生产性实验运行方案及参数

2019年，该厂进行准Ⅳ类提标改造，在A、B系列生物反应池中开展Bardenpho工艺的生产性实验，对比B系Bardenpho生物反应池与C、D系列生物反应池的污水处理情况。实验在同等工况下进行，不投加碳源，在生物池混合液出水口投加除磷药剂。实验的检测日期安排在2019年11月至12月。在这段时间内，随机抽取连续稳定运行9 d的数据进行分析。实验期间，B、C、D系列均保持连续稳定运行，工艺流程如图3所示。

图 3 一期B系列改造前后平面示意图

Figure 3. Diagrams of before and after the reconstruction at the plan of B series in phase 1

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本次改造后，B生物池系统总停留时间为16.59 h。其中，厌氧区2.02 h，缺氧区4.10 h，好氧区7.30 h(可调节区好氧运行)，第二缺氧区1.92 h，第二好氧区1.25 h。为增强搅拌效果，加强反硝化速率，基于原有搅拌器，在厌氧区、缺氧区、第二缺氧区增加双曲面搅拌器。另外，将生物池混合液回流泵由原好氧区末端移动至第二缺氧区前端，新增回流泵安装隔墙，走道板、回流管道等。

Bardenpho生产性比选实验在B、C、D系列同等工况下运行，不投加碳源，期间一期A系列全部停运。B系列按照Bardenpho模式运行，以区别于C、D系列原有AAO工艺的出水水质。实验期间，B系列与C、D系列均满负荷运行，即B系列运行水量为10×10⁴ m³·d⁻¹，C、D系列运行水量为20×10⁴ m³·d⁻¹。B系列及C、D系列生物池的污泥浓度均控制在5~6 g·L⁻¹；生物池末端的DO远程控制在1.0 mg·L⁻¹；外回流比为70%；内回流比为200%；使用厂家专利除磷药剂，投加量稳定为100 mg·L⁻¹。同时，加强对好氧段末端DO的控制，确保第二缺氧段缺氧状态。

2. 结果与讨论

2.1 MBBR工艺生产实验结果

实验中进出水水质见表1和2。A系列的出水平均COD较B系列略低，平均值相差不大。计算COD数据的方差，得到A系列方差为6.611，B系列方差为14.049，说明A系列出水的COD指标更稳定。A系列出水平均NH₃-N较B系列略高。除10月19日，由于当天控制DO偏低，导致NH₃-N升高，其余样品的出水NH₃-N均稳定在1.5 mg·L⁻¹以下。计算NH₃-N数据的方差，得到A系列方差为0.252，B系列方差为0.772，说明A系列出水的NH₃-N指标更稳定。A系列的出水平均TN较B系列低，A系列的TN去除率略高于B系列，去除效果较好。计算TN数据的方差，得到A系列方差为5.796，B系列方差为6.651，说明A系列出水的TN指标更稳定。在除磷药剂投加量相同的情况下，A系列的出水平均 ${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}$ -P值较B系列高0.814 mg·L⁻¹，但A系列的去除率明显低于B系列，除磷效果无明显优势。通过计算方差，发现A系列方差为1.554，B系列方差为0.453，说明B系列出水的 ${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}$ P指标更稳定。

表 1 MBBR实验进水水质指标

Table 1. Influent quality of the MBBR experiment mg·L⁻¹

采样日期	COD	NH₃-N	TN	${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}\text{-P}$
2018-06-24	370	36.35	54.8	4.66
2018-06-25	609	39.55	60.8	3.42
2018-06-26	555	42.88	55.6	4.34
2018-06-27	455	31.22	55.5	4.76
2018-07-19	369	32.76	42.5	4.30
2018-07-24	551	40.06	54.1	7.87
2018-08-26	250	33.27	43.9	4.38
2018-09-23	438	37.49	47.9	5.06
2018-10-17	562	35.01	41.9	4.20
2018-10-18	757	27.72	72.7	7.80
2018-10-19	761	29.88	54.5	6.50
平均值	516.09	35.11	53.11	5.21

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表 2 MBBR实验出水水质指标

Table 2. Comparison of effluent quality of the MBBR experiment of A and B series mg·L⁻¹

取样日期	A系列				B系列
取样日期	COD	NH₃-N	TN	${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}\text{-P}$	COD	NH₃-N	TN	${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}\text{-P}$
2018-06-24	18	0.847	7.505	1.75	19	0.708	3.450	0.600
2018-06-25	16	1.35	2.758	1.10	17	0.431	4.711	0.430
2018-06-26	21	0.458	5.991	1.25	22	0.347	5.380	0.890
2018-06-27	20	0.347	5.964	3.03	21	0.722	9.172	2.02
2018-07-19	21	0.236	3.394	1.65	19	0.458	5.616	1.71
2018-07-24	18	0.747	8.447	2.48	17	0.347	7.047	0.090
2018-08-26	18	0.458	10.958	4.08	18	0.458	4.825	1.13
2018-09-23	21	0.553	2.973	0.219	27	0.220	8.070	0.108
2018-10-17	15	0.980	6.988	0.044	15	0.520	7.916	0.137
2018-10-18	24	0.270	6.727	0.209	27	0.270	5.788	0.034
2018-10-19	22	1.97	8.06	0.310	22	3.46	13.18	0.024
平均值	19.45	0.747	6.342	1.466	20.36	0.722	6.832	0.652

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2.2 MBBR生产实验中 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N的过程样分析

由于A、B系列工艺的除氮效果存在差异，因此，通过A、B系列 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N过程样数据(见图4和5)来分析存在差异的原因。A、B系列的缺氧段均发生了反硝化过程，使得 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N的质量浓度降低。其中，A系列缺氧段 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N平均质量浓度降低了2.020 mg·L⁻¹，B系列缺氧段 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N平均质量浓度降低了1.136 mg·L⁻¹。A系列好氧段中段到末段，部分 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ - _3}$ -N的质量浓度有所下降，这可能是好氧区中后段MBBR填料中同步脱氮反硝化反应的体现^[23]。并且，A系列缺氧段反硝化效果更佳，可能是由于MBBR工艺悬浮填料中脱落的反硝化细菌等长泥龄微生物部分附着在活性污泥中，经混合液回流至缺氧区，提高了反硝化速率，致使A系列出水硝氮更低。

图 4 A系列生产性实验

${\bf{N}}{{\bf{O}}^ -_3}$

-N过程样

Figure 4.

${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$

N Process samples of A series MBBR in-process experiments

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图 5 B系列生产性实验

${\bf{N}}{{\bf{O}}^ -_3}$

N过程样

Figure 5.

${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$

N Process samples of B seriesMBBR in-process experiments

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2.3 Bardenpho生产实验的结果

Bardenpho生产实验的进出水水质见表3和4。B系列的出水平均COD较C、D系列略低，去除率相近。计算COD数据的方差，得到B系列方差为8.599，C、D系列方差为22.122，说明Bardenpho工艺中B系列出水的COD指标更稳定。B系列的出水平均NH₃-N较C、D系列略高，但B系列NH₃-N去除率较低。计算NH₃-N数据的方差，得到B系列方差为0.1647，C、D系列方差为0.043 7。就去除效果而言，C、D系列具有微弱优势，且出水NH₃-N指标更稳定，但B系列出水NH₃-N稳定低于1.5 mg·L⁻¹。B系列的出水平均TN与C、D系列相比略低，且B系列TN去除率较高。计算TN数据的方差，得到B系列方差为1.369，C、D系列方差为0.599。就去除效果而言，B系列具有一定优势，但C、D系列出水的TN指标更稳定。在除磷药剂投加量相同的情况下，B系列出水的平均 ${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}$ -P较C、D系列略高，去除率接近。计算 ${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}$ -P数据的方差，得到发现B系列方差为0.006 2，C、D系列方差为0.000 4，说明B系列与C、D系列出水水质指标 ${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}$ -P的稳定性接近。

表 3 Bardenpho实验进水水质

Table 3. Influent quality of the Bardenpho experimental mg·L⁻¹

取样日期	COD	NH₃-N	TN	${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}\text{-P}$
2019-11-19	387	40.42	48.0	6.37
2019-11-20	372	42.00	47.1	8.52
2019-11-21	399	57.79	67.9	10.9
2019-11-26	466	43.58	56.3	5.38
2019-11-27	477	42.79	54.2	9.99
2019-11-28	823	33.97	48.4	7.53
2019-12-05	259	40.55	50.9	5.61
2019-12-17	323	40.82	49.2	6.77
2019-12-20	253	45.55	55.3	5.21
平均值	417.7	43.05	53.03	7.36

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2.4 Bardenpho生产实验中脱氮过程分析

由于Bardenpho工艺第二缺氧区停留时间较短，B系列好氧区与第二好氧区的曝气会影响第二缺氧区的缺氧状态，进而影响第二缺氧区的反硝化效果。为确保实验效果，Bardenpho生产性实验中加强了DO控制，以确保第二缺氧段处于缺氧状态。结果亦表明污水处理过程中TN明显降低。在前文关于MBBR实验部分，已对原有AAO工艺中NH₃-N、 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N的过程样数据进行分析，且Bardenpho工艺比AAO工艺分段多(AAO为3段，Bardenpho为5段)，不具备全流程横向比较条件，因此，后面重点分析B系列的NH₃-N、 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N、DO过程样。B系列Bardenpho实验期间NH₃-N、 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N、DO过程样如图6~8所示。

图 6 B系列Bardenpho生产性实验过程样NH₃-N的质量浓度

Figure 6. NH₃-N Process samples of B seriesBardenpho production experiments

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图 7 B系列Bardenpho生产性实验过程样

${\bf{N}}{{\bf{O}}^ -_3}$

-N的质量浓度

Figure 7.

${\rm{N}}{{\rm{O}}^ - _3}$

N Process samples of B series Bardenpho production experiments

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图 8 B系列Bardenpho生产性实验过程样取样点DO测量值

Figure 8. measurement value of dissolved oxygenat sampling points of series BBardenpho production experiments

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分析Bardenpho生产性实验期间B系列生物池过程样的检测结果，发现厌氧区进口至厌氧区出口水样指标NH₃-N的平均值下降了2.078 mg·L⁻¹；缺氧区进口至缺氧区出口(剔除11月19日的异常数据)NH₃-N的平均值下降了0.327 mg·L⁻¹；缺氧区进口至缺氧区出口 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ - _3}$ -N平均值下降了2.274 mg·L⁻¹，但缺氧区进口水样指标 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N的平均值仅为3.295 mg·L⁻¹。这说明，系统通过反硝化过程转化了69.01%的 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N，效果良好，在部分缺氧区出口的样品中已检测不到 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N。由此可判断，厌氧区和缺氧区的厌氧、缺氧状态良好，处理效果明显。

好氧区出口至第二缺氧区出口平均 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N下降了2.882 mg·L⁻¹，说明第二缺氧段存在明显的反硝化过程；第一段好氧区出口水样NH₃-N指标的平均值为2.106 mg·L⁻¹，而第二缺氧区出口水样比第二好氧区出口水样的 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N指标有所上升，这可能是由于采集个别样品时第二缺氧区出口水样中DO高于0.5 mg·L⁻¹，此时部分NH₃-N在第二好氧区发生了硝化反应。然而，即使考虑该原因的影响，好氧区出口水样比第二好氧区出口水样中平均 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ N仍下降了0.836 mg·L⁻¹，故可确定在未投加碳源的情况下，第二缺氧区仍存在一定的反硝化反应。

2.5 Bardenpho生产实验运行参数分析

与原有C、D系列AAO工艺相比，B系列Bardenpho工艺的NH₃-N去除效果略差，去除率略降低。进一步分析设计参数后发现，B系列Bardenpho工艺好氧区总水力停留时间较C、D系列AAO工艺减少了0.49 h；同时，由于B系列一段、二段好氧区末端的DO明显低于C、D系列AAO工艺好氧区末端的DO，因此，DO可能对出水的NH₃-N指标产生较大影响，具体数据如表4所示。

对比原有AAO工艺与Bardenpho工艺，结合实验数据和过程分析，采用硝化、反硝化动力学计算缺氧区容积计算公式(1)进行计算，以核算AAO工艺与Bardenpho工艺的反硝化速率是否符合设计要求。

$V_{\mathrm{n}}=\frac{0.001Q\Delta {N}-0.12\Delta {{X}}_{\mathrm{v}}}{{{K}}_{\mathrm{d}\mathrm{e}}{X}}$

$(1)$

式中：V_n为缺氧区(池)容积，m³；Q为生物反应池设计流量，m³·d⁻¹；X为生物反应池内混合液悬浮固体平均浓度，g·L⁻¹；△X_v为排除生物反应池系统的微生物量，kg·d⁻¹；K_de为脱氮速率，kg· (kg·d) ⁻¹，根据实验资料确定。无实验资料时，一般20 ℃时K_de经验值为0.03~0.06 kg· (kg·d) ⁻¹，并按相关公式进行温度修正，若温差不大可忽略。

Bardenpho生产性实验中C、D系列具体相关数据及计算结果见表5和6。

表 5 Bardenpho生产性实验中各好氧区末端的DO

Table 5. Measured values of dissolved oxygen at the end of aerobic zone of the Bardenpho production experiment mg·L⁻¹

采样日期	B系列一段好氧区	B系列二段好氧区	C好氧区	D好氧区
2019-11-19	0.900	0.370	3.615	2.315
2019-11-20	0.710	2.020	3.595	2.985
2019-11-21	3.240	1.930	4.275	2.895
2019-11-26	1.180	1.100	3.725	1.560
2019-11-27	0.720	0.280	3.935	4.360
2019-11-28	1.200	0.420	4.390	2.720
2019-12-05	2.190	0.180	3.255	1.420
2019-12-17	—	—	4.190	1.940
2019-12-20	1.960	0.130	3.770	2.275

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表 6 Bardenpho生产性实验C、D系列相关参数

Table 6. Experimental parameters of C and D series Bardenpho in-process experiments

采样日期	进水温度/℃	V_N/m³	进水TN/(mg·L⁻¹)	出水TN/(mg·L⁻¹)	△X_v/(kg·d⁻¹)	VSS比例	X/(g·L⁻¹)	K_de/(kg·(kg·d)⁻¹)
2019-11-19	19.9	23 041	48	7.00	2 413	0.5	5 458	0.021
2019-11-20	19.9	23 041	47.1	6.85	2 445	0.5	5 885	0.019
2019-11-21	19.5	23 041	67.9	7.45	2 493	0.5	6 090	0.032
2019-11-26	18.9	23 041	56.3	6.27	1 972	0.5	6 445	0.026
2019-11-27	18.8	23 041	54.2	7.69	2 774	0.5	6 465	0.020
2019-11-28	18.8	23 041	48.4	6.61	3 593	0.5	6 380	0.014
2019-12-05	18.4	23 041	50.9	5.28	3 748	0.5	6 190	0.016
2019-12-17	18.1	23 041	49.2	5.19	1 963	0.5	6 140	0.023
2019-12-20	18.0	23 041	55.3	7.21	1 990	0.5	5 920	0.027

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在计算中，C、D系列AAO工艺的反硝化速率以全段水力停留时间计算，B系列五段式Bardenpho工艺的反硝化速率以前3段AAO水力停留时间计算。由于Bardenpho工艺第一缺氧区水力停留时间小于原有AAO工艺缺氧区停留时间，表现为计算中V_N不同。另外，Bardenpho工艺的TN取样点在一段好氧区出口，AAO工艺在好氧区出口。根据表6和7，Bardenpho工艺有2 d高于设计下限，AAO工艺有1 d高于设计下限，2种工艺反硝化速率平均值的区别较小，且均低于理论设计负荷0.03~0.06 kg· (kg·d)⁻¹。分析2种工艺的结构，由于Bardenpho工艺有第二缺氧区和第二好氧区进行二次反硝化，且该区域无混合液回流影响，故若进一步增加实际反硝化水力停留时间，可进一步降低出水水样中的TN、NH₃-N。

表 4 Bardenpho实验出水水质情况对比表

Table 4. Comparison of effluent quality of Bardenpho experiment mg·L⁻¹

取样日期	B系列				C、D系列
取样日期	COD	NH₃-N	TN	${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}\text{-P}$	COD	NH₃-N	TN	${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}\text{-P}$
2019-11-19	14	0.137	3.56	0.084	16	0.111	7.00	0.132
2019-11-20	21	0.768	4.55	0.044	33	0.400	6.85	0.132
2019-11-21	16	0.347	4.47	0.264	17	0.268	7.45	0.100
2019-11-26	22	1.321	5.75	0.070	19	0.821	6.27	0.132
2019-11-27	21	0.584	5.49	0.120	20	0.295	7.69	0.153
2019-11-28	25	1.421	7.34	0.264	15	0.216	6.61	0.111
2019-12-05	19	0.611	3.90	0.224	21	0.716	5.28	0.163
2019-12-17	19	0.216	6.93	0.064	20	0.295	5.19	0.163
2019-12-20	15	1.350	7.30	0.244	22	0.189	7.21	0.163
平均值	19.11	0.751	5.477	0.153	20.33	0.368	6.617	0.139
最大值	25	1.421	7.340	0.264	33	0.821	7.690	0.163
最小值	15	0.216	3.900	0.044	15	0.189	5.190	0.100

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表 7 Bardenpho实验B系列相关参数

Table 7. Experimental parameters of B series Bardenpho in-process experiments

采样日期	进水温度/℃	V_N/m³	进水TN/(mg·L⁻¹)	出水TN/(mg·L⁻¹)	△X_v/(kg·d⁻¹)	VSS比例	X/(g·L⁻¹)	K_de/(kg·(kg·d)⁻¹)
2019-11-19	19.9	17 083	48	5.530	2 268	0.5	5 995	0.028
2019-11-20	19.9	17 083	47.1	4.870	4 460	0.5	6 160	0.015
2019-11-21	19.5	17 083	67.9	7.840	4 463	0.5	5 695	0.034
2019-11-26	18.9	17 083	56.3	11.010	2 163	0.5	5 995	0.032
2019-11-27	18.8	17 083	54.2	15.160	2 879	0.5	6 135	0.021
2019-11-28	18.8	17 083	48.4	8.820	3 363	0.5	6 355	0.018
2019-12-05	18.4	17 083	50.9	2.560	3 906	0.5	6 490	0.022
2019-12-17	18.1	17 083	49.2	14.750	4 260	0.5	6 740	0.008
2019-12-20	18.0	17 083	55.3	7.690	3 657	0.5	6 875	0.022

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3. 结论与建议

1)在同工况、不投加碳源情况下，“AAO+MBBR”工艺相较原有AAO工艺对系统NH₃-N的去除效果无明显提升，但对TN、 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ - _3}$ -N有一定的降低效果，且“AAO+MBBR”工艺出水水样中TN更稳定性，对 ${\rm{P}}{{\rm{O}}^{3 - }_4}$ -P的去除效果弱于原有AAO工艺。

2)在同工况、不投加碳源情况下，五段式Bardenpho工艺较原有AAO工艺对TN、 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N的去除效果有明显提升，出水水样的平均TN降低1.14 mg·L⁻¹，就去除效果而言，B系列去除效果更优。此外，同样条件下五段式Bardenpho工艺对NH₃-N的去除效果较差，但指标能稳定低于1.5 mg·L⁻¹，达到准Ⅳ类水质对出水NH₃-N、TN的要求。

3)在Bardenpho工艺生产实验期间，DO数据不稳定，多次出现第二缺氧段无法稳定处于缺氧状态的情况，在一定程度上影响了出水水质指标。建议使用精确曝气系统代替人工远程调控以加强生物池中DO的控制，以进一步确保NH₃-N、TN的出水稳定性。五段式Bardenpho工艺可加强除氮效果，保障出水水质指标NH₃-N、TN的稳定达标，在第二缺氧段投加碳源还可加强反硝化效果。

图 1 研究区采样点分布图

Figure 1. Distribution of sampling sites in the study area

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图 2 研究区水化学Piper三线图

Figure 2. Piper trilinear of water chemistry in the study area

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图 3 研究区水体Gibbs图

Figure 3. Gibbs diagram of water body in the study area

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图 4 研究区水体Scholler图

Figure 4. Scholler diagram of water body in the study area

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图 5 研究区水体离子比值端元图

Figure 5. End element diagram of water ion ratio in the study area

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图 6 水体中主要阴阳离子比值关系图(a) Na⁺, (b) Ca²⁺+Mg²⁺, (c)SO₄²⁻+Cl⁻ , (d) Ca²⁺

Figure 6. Ratio relationship of main cation and anion in water

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图 7 饮用水源水质分布图

Figure 7. Water quality distribution map of drinking water source

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图 8 灌溉水质分类USSL图（a）和Wilcox图（b）

Figure 8. USSL diagram（a）and Wilcox diagram（b）of irrigation water quality classification

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表 1 水化学特征参数统计

Table 1. Statistics of hydrochemical characteristic parameters

水体类型Water type	统计量Wtatistics	pH	TDS	Ca²⁺	Mg²⁺	Na⁺	K⁺	Cl⁻	SO₄²⁻	HCO₃⁻	F⁻
地表水Surface water（n=12）	Max	8.69	1051.00	155.80	56.60	205.21	9.90	224.60	667.74	270.44	2.66
	Me	8.23	709.50	94.29	40.47	102.71	7.33	116.24	369.21	215.36	0.40
	Min	7.81	193.00	53.47	28.34	50.99	3.59	58.73	211.02	178.80	0.21
	Mean	8.25	645.83	98.64	40.33	119.13	6.91	129.45	378.42	216.26	0.70
	SD	0.20	234.42	23.69	9.60	46.21	1.74	58.70	124.83	23.98	0.67
	CV	0.02	0.36	0.24	0.24	0.39	0.25	0.45	0.33	0.11	0.96
浅层地下水Shallow groundwater（n=6）	Max	7.88	780.00	231.52	32.70	99.56	5.04	89.23	570.97	375.49	0.90
	Me	7.54	601.50	180.17	31.92	84.18	3.43	59.16	292.09	306.05	0.32
	Min	7.32	512.00	130.27	21.12	19.41	1.24	31.56	215.04	250.33	0.15
	Mean	7.58	621.17	180.56	29.64	69.66	3.33	61.50	338.50	310.11	0.44
	SD	0.21	87.55	34.54	4.11	30.50	1.44	20.12	118.22	46.77	0.27
	CV	0.03	0.14	0.19	0.14	0.44	0.43	0.33	0.35	0.15	0.62
深层地下水Deep groundwater（n=10）	Max	8.34	677.00	158.74	42.82	55.40	1.74	141.54	266.20	330.79	0.57
	Me	7.81	435.00	99.50	28.49	29.79	1.07	50.37	140.42	297.26	0.33
	Min	7.67	252.00	77.80	19.13	1.32	0.75	14.43	51.40	248.09	0.21
	Mean	7.86	435.00	110.49	28.98	28.18	1.17	63.12	155.17	291.01	0.33
	SD	0.19	133.01	24.73	6.44	20.83	0.30	37.17	68.09	21.21	0.11
	CV	0.02	0.31	0.22	0.22	0.74	0.25	0.59	0.44	0.07	0.32

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表 2 水体主要水化学组分相关性

Table 2. Correlation of main hydrochemical components of water body

水体类型Water type		Ca²⁺	Mg²⁺	Na⁺	K⁺	Cl⁻	SO₄²⁻	HCO₃⁻	TDS	F⁻	pH	水体类型Water type
地表水Surface water	Ca²⁺	1	−0.04	−0.42	−0.62	0.03	0.68	0.11	0.72	−0.77	0.12	浅层地下水Shallow groundwater
	Mg²⁺	0.55	1	−0.57	0.47	−0.61	0.39	−0.49	0.23	0.22	0.35
	Na⁺	0.73	0.58	1	0.91	0.81	−0.94	0.79	0.72	0.33	−0.31
	K⁺	0.74	0.71	0.94	1	−0.76	0.14	−0.80	0.53	0.49	0.38
地表水Surface water	Cl⁻	0.71	0.81	0.92	0.88	1	−0.69	0.98	0.88	−0.23	−0.52	浅层地下水Shallow groundwater
	SO₄²⁻	0.86	0.67	0.95	0.90	0.85	1	−0.64	0.71	−0.48	0.34
	HCO₃⁻	0.14	−0.50	−0.14	−0.11	−0.33	0.04	1	0.62	−0.24	−0.38
	TDS	0.63	0.09	0.73	0.59	0.64	0.76	0.16	1	−0.74	−0.58
	F⁻	0.72	0.57	0.67	0.60	0.65	0.79	−0.01	0.64	1	0.09
	pH	−0.59	−0.13	−0.37	−0.32	−0.37	−0.42	−0.02	−0.48	−0.29	1
深层地下水Deep groundwater	Ca²⁺	1
	Mg²⁺	0.80	1
	Na⁺	0.24	0.21	1
	K⁺	0.19	−0.05	0.73	1
	Cl⁻	0.76	0.59	0.68	0.56	1
	SO₄²⁻	0.88	0.75	0.66	0.45	0.67	1
	HCO₃⁻	0.48	0.25	−0.59	−0.54	0.11	0.09	1
	TDS	0.67	0.42	0.68	0.60	0.84	0.69	0.12	1
	F⁻	−0.15	0.24	−0.18	−0.29	−0.34	0.02	−0.19	−0.28	1
	pH	0.12	0.11	0.42	0.50	0.09	0.41	−0.55	−0.04	0.14	1

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表 3 水质综合评价结果表

Table 3. Comprehensive evaluation results of water quality

水体类型Water type	取样点Water sample	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	水质Water quality
浅层地下水Shallow ground water	B1	0.032	0.138	0.277	0.37	0.183	Ⅳ
	B2	0.047	0.105	0.253	0.406	0.189	Ⅳ
	B3	0.257	0.389	0.337	0.017	0	Ⅱ
	B4	0.437	0.262	0.294	0.007	0	Ⅰ
	B5	0.208	0.394	0.283	0.105	0.009	Ⅱ
	B6	0.252	0.285	0.321	0.125	0.017	Ⅰ
深层地下水Deep ground water	C1	0.497	0.323	0.179	0	0	Ⅰ
	C2	0.638	0.253	0.109	0	0	Ⅰ
	C3	0.246	0.536	0.218	0	0	Ⅱ
	C4	0.528	0.347	0.126	0	0	Ⅰ
	C5	0.269	0.423	0.309	0	0	Ⅱ
	C6	0.351	0.38	0.243	0.027	0	Ⅱ
	C7	0.343	0.491	0.166	0	0	Ⅱ
	C8	0.793	0.138	0.069	0	0	Ⅰ
	C9	0.275	0.352	0.372	0	0	Ⅲ
	C10	0.449	0.432	0.119	0	0	Ⅰ
泉水Spring water	S	0.47	0.32	0.178	0.032	0	Ⅰ

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期刊类型引用(1)

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1. 生产性实验方案
1.1 污水处理厂工艺概况
1.2 水样的采集
1.3 运行方案及参数
2. 结果与讨论
2.1 MBBR工艺生产实验结果
2.2 MBBR生产实验中 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N的过程样分析
2.3 Bardenpho生产实验的结果
2.4 Bardenpho生产实验中脱氮过程分析
2.5 Bardenpho生产实验运行参数分析
3. 结论与建议

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我国北方大部分区域属于干旱半干旱区，地表水较少，而地下水由于分布广泛、变化稳定、水质优良的特点，已成为当地工、农业生活生产的主要用水^[1]. 但随着农药、化肥的广泛使用、污水的大量排放，地表水与地下水水质不断恶化，城市经济发展和生态良性循环受到严重制约^[2-3]. 开展流域水化学特征及水质评价研究，对明确水质现状、揭示水循演化规律、健全水污染防治与水资源管理制度具有重要意义^[4-5].

针对流域水化学特征及水质评价，国内外学者已开展了大量研究工作. 丁启振等^[6]通过对新疆博尔塔拉河上游河谷地区不同水体进行取样分析，揭示了该区水化学的控制作用，明确了水化学组分的主要来源及水质现状. 夏璐等^[7]运用多种水化学方法，对胶东半岛沿海地区的地下水进行分析，明确了区域水化学特征，并揭示了地下水污染主要是由人类活动引起的. Srilert等^[8]通过对泰国碧差汶府与披集府交界处的地下水进行取样分析，明确了研究区不同时期的水化学类型，并基于主成分分析揭示了自然因素和人类活动对水化学的影响. Bouselsal等^[9]基于多种水化学分析方法，揭示了阿尔及利亚地区地下水的水化学成因规律及主要离子反应，并使用电导率（EC）、钠吸附比（SAR）等不同参数，对饮用水源和灌溉水源分别进行了水质评价.

在以往的研究中，众学者主要集中于泉域地下水水化学特征沿流向的演化规律研究，或不同水体的水化学特征及成因机制研究，很少涉及对流域水化学在垂向的分布特征及成因规律研究. 而在该地区，也主要集中于对三姑泉域岩溶地下水的水化学特征研究，缺乏对丹河流域水化学特征及其成因规律的针对性探究. 因此，本文以丹河流域泽州段的地表水、浅层地下水、深层地下水及泉水等4种水体类型为研究对象，基于采样实测数据，结合流域水文地质条件，旨在查明流域水化学的垂向分布特征及成因规律，明确不同水体的水质现状，为丹河流域的水源保护及生态管理提供科学依据.

3. 结论（Conclusion）

通过对丹河流域泽州段地表水、地下水及泉水的水化学特征及水质研究，得出以下结论：

（1）研究区不同水体pH均呈弱碱性，且大小关系为地表水>深层水>浅层水. 水体TDS介于192—1051 mg·L⁻¹之间，绝大多数属于淡水，但地表水仍存在少量微咸水. TDS和F⁻浓度在垂向上呈现由上至下逐渐减小的趋势.

（2）地表水主要阳离子含量关系为Na⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺；浅层水和深层水为Ca²⁺>Na⁺>Mg²⁺>K⁺. 地表水与浅层水阴离子含量关系为SO₄²⁻>HCO₃⁻>Cl⁻；深层水为HCO₃⁻>SO₄²⁻>Cl⁻. 地表水和浅层水的水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Na；深层水和泉水主要为HCO₃·SO₄-Ca；整体而言，在地表水下渗的过程中，阳离子倾向于由Ca-Na型向Ca型转变，阴离子倾向于由SO₄型向HCO₃型转变.

（3）研究区水化学特征的主控作用为岩石风化，且地表水还受到蒸发浓缩作用的影响. 水化学组分主要来源于硅酸盐岩溶解；且还存在蒸发盐岩溶解、碳酸盐岩溶解及阳离子交换作用.

（4）研究区水质主要受到氨氮和硫酸盐超标的影响，饮用水水质评价结果显示，66.7%的浅层水、100%的深层水和泉水符合Ⅲ类水标准，适合人体饮用. 灌溉水水质评价结果显示，研究区内绝大多数地表水的水质较好，可直接用于灌溉；少量地表水的盐害风险较高，可适当施加有机肥和生物肥.

参考文献 (35)

丹河流域（泽州段）不同水体水化学特征及水质评价

通讯作者: E-mail：mqfeng@xaut.edu.cn

Hydrochemical characteristics and water quality evaluation of different water bodies in Zezhou section of Danhe River Basin

Corresponding author: FENG Minquan, mqfeng@xaut.edu.cn

1. 生产性实验方案

1.1 污水处理厂工艺概况

1.2 水样的采集

1.3 运行方案及参数

1.3.1 MBBR生产性实验运行方案及参数

1.3.2 Bardenpho生产性实验运行方案及参数

2. 结果与讨论

2.1 MBBR工艺生产实验结果

2.2 MBBR生产实验中NO−3 {\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3} -N的过程样分析

2.3 Bardenpho生产实验的结果

2.4 Bardenpho生产实验中脱氮过程分析

2.5 Bardenpho生产实验运行参数分析

3. 结论与建议

期刊类型引用(1)

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出版历程

丹河流域（泽州段）不同水体水化学特征及水质评价

通讯作者: E-mail：mqfeng@xaut.edu.cn

English Abstract

Hydrochemical characteristics and water quality evaluation of different water bodies in Zezhou section of Danhe River Basin

Corresponding author: FENG Minquan, mqfeng@xaut.edu.cn

全文HTML

1.1. 研究区概况

1.2. 水样采集及测试

1.3. 研究方法

1.3.1. 数据分析

1.3.2. 基于熵权法的模糊水质评价法

1.3.3. 基于SAR-SSP的灌溉水质评价法

2.1. 水化学特征分析

2.1.1. 水化学特征参数统计特征

2.1.2. 水化学类型

2.2. 水化学成因分析

2.2.1. 相关性分析

2.2.2. 水化学控制作用分析

2.2.3. 阳离子交换作用分析

2.2.4. 水化学组分来源分析

2.3. 水质评价

2.3.1. 饮用水源水质评价

2.3.2. 灌溉水源水质评价

目录

全文HTML

1.1. 研究区概况

1.2. 水样采集及测试

1.3. 研究方法

1.3.1. 数据分析

1.3.2. 基于熵权法的模糊水质评价法

1.3.3. 基于SAR-SSP的灌溉水质评价法

2.1. 水化学特征分析

2.1.1. 水化学特征参数统计特征

2.1.2. 水化学类型

2.2. 水化学成因分析

2.2.1. 相关性分析

2.2.2. 水化学控制作用分析

2.2.3. 阳离子交换作用分析

2.2.4. 水化学组分来源分析

2.3. 水质评价

2.3.1. 饮用水源水质评价

2.3.2. 灌溉水源水质评价

2.2 MBBR生产实验中 ${\rm{N}}{{\rm{O}}^ -_3}$ -N的过程样分析