城市湖泊底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放特性研究

盛蒂 朱蘭保 龐波

(蚌埠學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系，安徽蚌埠 233030)

城市湖泊指位于大中城市城區(qū)或近郊的中小型湖泊，如杭州西湖、武漢東湖、南京玄武湖、濟(jì)南大名湖等。由于其所處的地理位置和功能定位不同，使得城市型淺水湖泊水體的演變過(guò)程和污染現(xiàn)狀同遠(yuǎn)離城市的湖泊有較大的差異［1］。城市湖泊具有水淺、流動(dòng)性差、同時(shí)接納工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水等多種混雜污水的共同特點(diǎn)，導(dǎo)致了大多數(shù)城市湖泊受到不同程度的污染。由于城市湖泊水淺、底泥污染嚴(yán)重、氮磷含量高、易受環(huán)境因素(溫度、pH值、風(fēng)力、劃船等)影響而導(dǎo)致底泥中各種污染物再次釋放，污染湖泊水體［2］。因此，城市湖泊水質(zhì)的優(yōu)劣，不僅受入湖支流的直接污染影響，還會(huì)受到底泥氮、磷釋放的影響。若要制定切實(shí)有效的富營(yíng)養(yǎng)化治理措施，就必須掌握城市湖泊底泥在各種環(huán)境因素影響下的氮、磷釋放規(guī)律［2］。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，研究城市湖泊底泥在不同環(huán)境因素影響下底泥中氮、磷的釋放特性，以期對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化有更為全面深入的認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

龍子湖位于安徽省蚌埠市東郊，是全國(guó)最大的城市內(nèi)湖。龍子湖三面環(huán)山，山水相依，呈三山夾一湖的獨(dú)特景觀(guān)，為國(guó)家4A級(jí)旅游景區(qū)和國(guó)家級(jí)生態(tài)示范區(qū)的主體部分。龍子湖以景觀(guān)旅游為主，兼具水產(chǎn)養(yǎng)殖、滯洪和調(diào)節(jié)氣候等功能。龍子湖風(fēng)景區(qū)總面積為36.9 km2，湖水面南北長(zhǎng)約8 km，東西寬0.45～1.4 km不等，平均水深1.7 m，水面面積約7.8 km2。龍子湖湖水面積比杭州西湖(湖水面積5.593 km2)、南京玄武湖(湖水面積3.68 km2)的湖水面積都大。隨著蚌埠市城市的不斷發(fā)展，龍子湖周?chē)丝谠鲩L(zhǎng)和企業(yè)的增加，大量污染物進(jìn)入水體，受氮、磷污染日益嚴(yán)重。

1.2 樣品的采集與處理

2012年2月，在龍子湖4個(gè)典型部位采用抓斗式底泥采樣器采集表層底泥樣品4份，然后將4個(gè)采樣點(diǎn)的樣品等量混合均勻。將底泥樣品置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，剔除礫石、木屑及貝殼、雜草等動(dòng)植物殘?bào)w，用木棍將自然風(fēng)干的土壤壓碎，然后在研缽上研磨，過(guò)100目尼龍篩、裝袋，備用。采樣點(diǎn)的分布如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

氮、磷釋放試驗(yàn)按照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》［3］進(jìn)行。稱(chēng)取100.0 g底泥置于1 000 mL燒杯底部并鋪平，用虹吸管沿器壁向容器緩緩注入蒸餾水250 mL，整個(gè)注水過(guò)程底泥無(wú)擾動(dòng)。分別改變水體的溫度、pH值以及擾動(dòng)強(qiáng)度等因素進(jìn)行試驗(yàn)。分析時(shí)采用注射器抽取水樣，每次取樣25 mL，測(cè)定其TN、TP濃度。TN采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，GB11894-89)測(cè)定、TP采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(鉬酸銨分光光度法，GB11893-89)測(cè)定。

圖1 龍子湖采樣點(diǎn)示意圖

1.4 試驗(yàn)儀器與試劑

試驗(yàn)儀器:紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用，UV-1901型);滅菌器(YXQ-LS-50SII);pH計(jì)(上海雷磁，PHS-25型);恒速攪拌器(常儀，S321-40);水浴鍋(北京時(shí)代北利，SYG)。

實(shí)驗(yàn)試劑:硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、鹽酸(HCl)、過(guò)硫酸鉀(K2S2O8)、抗壞血酸(C6H8O6)、酒石酸銻鉀鉬酸銨((NH4)6Mo7O24·4H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、硝酸鉀(KNO3)、氫氧化鈉(NaOH)，以上均為分析純。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)氮、磷釋放的影響

按照城市湖泊水體四季溫度的分布特點(diǎn)，設(shè)定溫度為10℃，20℃和30℃，用恒溫水浴鍋保持水溫恒定。溫度對(duì)氮、磷釋放量的影響分別見(jiàn)圖2和圖3。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，溫度對(duì)底泥中氮的釋放有明顯影響。在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，上覆水中TN含量隨著時(shí)間推移呈上升趨勢(shì)，溫度越高上覆水中TN的含量越高。20℃、30℃時(shí)底泥中氮的釋放量明顯大于10℃時(shí)氮的釋放量，且30℃時(shí)TN含量是10℃時(shí)的1.8倍。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第9天時(shí)，30℃溫度下氮的釋放量達(dá)到了峰值，而10℃溫度下在設(shè)定時(shí)間內(nèi)上覆水中TN含量呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢(shì)。究其原因，在氮的釋放過(guò)程中，微生物起重要作用，底泥中的氮以有機(jī)氮為主，溫度會(huì)影響微生物活性，也促進(jìn)了有機(jī)氮的分解，使氮向水體中釋放［4］。反之，溫度較低時(shí)微生物活性較低，一方面導(dǎo)致有機(jī)物的分解鈣化作用減弱;另一方面使水中的氧氣溶解度增大，發(fā)生硝化作用的界面層深度增加，底泥釋放出的銨態(tài)氮中一部分被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，減緩了銨態(tài)氮的釋放速率［5］。

圖2 不同溫度條件下氮釋放曲線(xiàn)

圖3 不同溫度條件下磷釋放曲線(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，相同的釋放時(shí)間條件下，溫度越高，磷釋放量越大。在持續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)，上覆水中磷的含量呈先上升后下降的趨勢(shì)，其含量在第5天達(dá)到最大值。其原因是溫度升高，微生物活性增大，耗氧增多，上覆水中氧含量降低，從而使氧化還原電位降低，使鐵磷得以釋放。同時(shí)，微生物活性增大還可以使底泥中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)磷得以釋放［6］。

2.2 上覆水pH對(duì)底泥氮和磷釋放的影響

調(diào)節(jié)上覆水的pH值分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每天都調(diào)節(jié)上覆水的pH值，以維持上覆水pH的穩(wěn)定，探究上覆水pH對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的影響。pH對(duì)底泥氮、磷釋放的影響分別見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 不同pH條件下氮釋放曲線(xiàn)

圖5 不同pH條件下磷釋放曲線(xiàn)

在設(shè)定的pH范圍內(nèi)，上覆水pH值對(duì)底泥氮的釋放影響較大。上覆水處于強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性條件下均有利于底泥中氮的釋放，酸性或堿性越強(qiáng)影響越大，中性條件下氮的釋放量最小。pH值為5時(shí)的氮釋放量峰值是pH值為7時(shí)峰值的2倍;pH為9時(shí)是pH值為7時(shí)的近4倍。酸堿均有利于氮的釋放，且堿性條件下的釋放量大于酸性條件下的釋放量。在設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)各pH條件下上覆水中氮的含量均呈上升趨勢(shì)。

在設(shè)定的pH范圍內(nèi)，無(wú)論處在酸性條件下還是堿性條件下，磷的釋放均呈先上升后下降的趨勢(shì)，在第5天達(dá)到釋放的最大值。pH為9時(shí)，磷的釋放量最大，其機(jī)理是pH影響磷與底泥的吸附和離子交換。在堿性條件下，磷以離子交換為主，使磷酸鹽解析過(guò)程增強(qiáng)，增加了磷向水體中釋放［6］。而在酸性條件下，磷的釋放量并沒(méi)有明顯的區(qū)別，甚至相當(dāng)接近，這可能是因?yàn)樵谒嵝詶l件下刺激微生物，使其活性增強(qiáng)。微生物在促使磷轉(zhuǎn)換與有機(jī)磷分解的過(guò)程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物影響了上覆水的pH，使上覆水的pH值接近至中性。而在中性范圍內(nèi)，水體中的正磷酸鹽主要以和形態(tài)存在，容易與底泥中的金屬元素結(jié)合而被底泥吸附［6］。

2.3 水體擾動(dòng)對(duì)底泥氮、磷釋放的影響

城市湖泊受人為擾動(dòng)因素較多，為了研究水體擾動(dòng)對(duì)底泥氮磷釋放的影響，實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)水體擾動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)定了攪拌器不同攪拌轉(zhuǎn)速r=0、60、110、160 rad/min，每天擾動(dòng)10 min，于實(shí)驗(yàn)設(shè)定的時(shí)間取樣測(cè)量TN、TP含量。擾動(dòng)對(duì)底泥氮、磷釋放量影響分別見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 不同水動(dòng)力條件下氮釋放曲線(xiàn)

圖7 不同水動(dòng)力條件下磷釋放曲線(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)，上覆水中氮的含量隨釋放時(shí)間的延長(zhǎng)均呈上升趨勢(shì)。高速擾動(dòng)條件下，氮的釋放量是靜置時(shí)氮的釋放量的2.2倍。擾動(dòng)強(qiáng)度越大，氮的釋放量越大。這可能是因?yàn)榻?jīng)過(guò)了連續(xù)的攪拌，增加了泥 —水界面的氮交換，同時(shí)增加了底泥間隙水中氮的擴(kuò)散，打破了有機(jī)氮與底泥中礦物質(zhì)之間的穩(wěn)定和水體中的氮平衡，從而增加了底泥向水體中的釋氮量。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)，上覆水中磷的含量隨釋放時(shí)間的延長(zhǎng)均呈下降趨勢(shì)。底泥中磷向水體中的釋放量隨著擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大。高速攪拌下的磷釋放量接近靜置下磷釋放量的2倍。實(shí)驗(yàn)第1天的擾動(dòng)對(duì)水體中的TP含量影響很大，這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初期底泥中磷含量要遠(yuǎn)大于上覆水中的磷含量，加之?dāng)_動(dòng)使底泥再懸浮，使大量磷向水體中釋放，從而造成了初期TP的急速升高。隨著上覆水中TP的升高與底泥中磷的大量減少，在后續(xù)的時(shí)間里TP含量漸漸趨于平穩(wěn)。從不同程度擾動(dòng)磷含量的變換趨勢(shì)看，擾動(dòng)對(duì)底泥中磷釋放的影響是一個(gè)物理過(guò)程。擾動(dòng)強(qiáng)度增大，使底泥中的含磷顆粒再懸浮，增加了泥—水界面的磷交換，同時(shí)也增加了底泥間隙水的擴(kuò)散，從而增加了磷向水體中的釋放量［7］。

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，通過(guò)不同環(huán)境因素對(duì)龍子湖底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放模擬研究，得出以下結(jié)論:

(1)在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的條件下，溫度越高，上覆水中氮、磷的含量就越大。這表明，溫度升高會(huì)加重水體的富營(yíng)養(yǎng)化，這也是為什么夏季水體污染程度比冬季嚴(yán)重的重要原因之一。

(2)上覆水處于酸性或堿性條件均有利于底泥中氮的釋放，酸性或堿性越強(qiáng)影響越大，且堿性條件下氮的釋放量大于酸性條件下的釋放量，中性條件下氮的釋放量最小。堿性有利于磷的釋放。在酸性條件下，磷的釋放量想當(dāng)，沒(méi)有明顯區(qū)別;在中性條件下，磷的釋放量最低。

(3)不同的擾動(dòng)條件下，TN和TP的釋放量均隨著擾動(dòng)強(qiáng)度增大而增加。

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