底泥氮磷釋放的影響因素及控制策略

黃 勇，嚴(yán)過(guò)房，董運(yùn)常，汪曉麗，王佳嵩，羅偉聰*

(1.廣州華苑園林股份有限公司，廣東 廣州 510600；2. 廣東省風(fēng)景園林設(shè)計(jì)與營(yíng)建工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510600)

底泥作為自然水域的重要組成部分，主要是通過(guò)自然的過(guò)程及人類的行為，在水體底部逐漸形成的沉積物。大量的氮磷營(yíng)養(yǎng)物通過(guò)膠體顆粒物的吸附、沉淀、匯集等方式，不斷在底泥中積累，同時(shí)在一定條件下，底泥中氮磷營(yíng)養(yǎng)物又會(huì)通過(guò)物理、生化的作用，重新釋放進(jìn)入水體。氮磷介于水體與底泥之間不斷的循環(huán)轉(zhuǎn)移，形成氮磷循環(huán)的動(dòng)態(tài)平衡。經(jīng)研究表明，底泥中氮磷營(yíng)養(yǎng)物的釋放是影響水體中浮游生物生長(zhǎng)和水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵過(guò)程之一[1-2]，往往底泥中氮磷的加速或過(guò)度釋放會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的加劇，造成水體的二次污染。因此，針對(duì)水體底泥的氮磷釋放規(guī)律及影響因素進(jìn)行歸納、總結(jié)，研究和探討水體底泥氮磷釋放的控制策略，對(duì)生態(tài)水景富營(yíng)養(yǎng)化及污染控制的實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 底泥中氮磷的釋放機(jī)理

底泥中氮的存在形式，可以分為有機(jī)態(tài)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮，有機(jī)態(tài)氮是指有機(jī)化合物中含有的氮元素，而無(wú)機(jī)態(tài)氮主要以NH4+-N、NO3--N為主。底泥中大部分的有機(jī)態(tài)氮，經(jīng)過(guò)微生物的作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)氮，并釋放至水體中。底泥中磷同樣可以分為有機(jī)態(tài)磷和無(wú)機(jī)態(tài)磷，其中有機(jī)態(tài)磷也會(huì)被轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)磷，而無(wú)機(jī)態(tài)磷以HPO42-、H2PO4-為主[3]。

底泥釋放氮磷是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，其釋放機(jī)制可以分為3類，即物理釋放、化學(xué)釋放和生物釋放。底泥釋放氮磷存在一個(gè)極為重要的客觀條件，是底泥和上覆水之間的濃度差。其釋放過(guò)程包含2個(gè)方面：一是解析擴(kuò)散，當(dāng)?shù)啄嘀泄桃合嘀g的有機(jī)物沒有達(dá)到平衡時(shí)，有機(jī)物通過(guò)毛細(xì)管重力作用，最終擴(kuò)散至上覆水體中；二是轉(zhuǎn)化降解，當(dāng)固液相中的有機(jī)物達(dá)到平衡時(shí)，底泥中的微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化溶解狀態(tài)，再進(jìn)一步分解無(wú)機(jī)物，釋放至水體中。

2 底泥中氮磷釋放的影響因素

底泥中氮磷釋放受到眾多因素的影響，大致包括3個(gè)方面：一是底泥的顆粒粒徑、化學(xué)組成、賦存形態(tài)等理化特性；二是上覆水的溶解氧、溫度、pH值、水體擾動(dòng)程度等環(huán)境因子；三是水體中水生植物、微生物等生物活動(dòng)。

2.1 底泥的理化特性

2.1.1 底泥顆粒特性 有研究表明，底泥的顆粒程度及大小與其吸附氮磷的能力有關(guān)，通常表現(xiàn)為顆粒物的粒徑越小，對(duì)底泥中氮磷的吸附性越強(qiáng)，越不利于氮磷的釋放。金相燦等對(duì)五里湖和貢湖的顆粒物進(jìn)行了吸附試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各粒徑顆粒物對(duì)磷的吸附量、吸附效率、吸附速率的變化順序?yàn)檎沉＜?jí)(粒徑<4 μm)>細(xì)砂粒徑(粒徑63～250 μm)>粗砂粒徑(粒徑250～1000 μm)>粉砂粒徑(粒徑4～63 μm)[4]。此外，隨著底泥顆粒物的粒徑由粗到細(xì)，其可轉(zhuǎn)化態(tài)的氮、磷含量越來(lái)越高。其中，細(xì)粒徑底泥中可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量占總可轉(zhuǎn)化態(tài)氮60%以上，各種形態(tài)磷85%以上分布在細(xì)顆粒中，形態(tài)磷含量與細(xì)粒徑存在顯著正相關(guān)，與粗顆粒存在顯著負(fù)相關(guān)。因此，細(xì)顆粒底泥的氮磷釋放是上覆水體氮磷的主要來(lái)源[5-6]。

2.1.2 底泥化學(xué)組成 底泥中含有有機(jī)質(zhì)、氧化物等組成成分，對(duì)氮、磷的吸收和釋放具有較大的影響。由于有機(jī)質(zhì)中的富里酸離子和磷酸鹽陰離子之間會(huì)產(chǎn)生吸附競(jìng)爭(zhēng)，而且有機(jī)聚陰離子能通過(guò)專性吸附進(jìn)入礦物，促進(jìn)磷的釋放。底泥中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物晶體，在底泥固液界面中能形成羥基化的表層，該表層具有吸附氫離子或解吸質(zhì)子的作用。在酸性條件下，因吸附H+而帶正電荷，能吸附磷酸根離子(PO43-、HPO42-、H2PO4-)；而在堿性條件下，因解吸質(zhì)子而帶負(fù)電，能將這些磷酸根離子解吸出來(lái)[7]。

2.1.3 氮磷賦存形態(tài) 底泥中氮磷的釋放受到氮磷的賦存形態(tài)及其含量的影響較大。魏嵐等研究發(fā)現(xiàn)，底泥中總氮的釋放量與離子交換態(tài)氮(IEF-N)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)氮(WAEF-N)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)氮(SAEF-N)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；總磷的釋放量與碳酸鹽結(jié)合態(tài)磷(WAEF-P)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)磷(SAEF-P)含量也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；同時(shí)，這些氮磷形態(tài)也是上覆水中氮磷的重要來(lái)源[8]。

2.2 環(huán)境因子

2.2.1 溶解氧 溶解氧是控制底泥釋放速率和影響氮磷釋放量的重要因素，主要是通過(guò)降低氮磷釋放速率，達(dá)到減少底泥氮磷釋放量的目的，而厭氧狀態(tài)會(huì)加速底泥氮磷的釋放，從而提高底泥氮磷的釋放量。林建偉等研究發(fā)現(xiàn)厭氧條件下上覆水的氨氮濃度為8 mg/L，而好氧條件下上覆水的氨氮濃度為0.1 mg/L；厭氧狀態(tài)下總磷會(huì)被很快釋放出來(lái)，平均釋放速率為7.35 mg/(m2·d)，而在好氧條件下，底泥總磷的平均釋放速率為0.535 mg/(m2·d)，僅為厭氧條件下的7.3%[9]。蔡景波等研究發(fā)現(xiàn)，控制在好氧狀態(tài)下水體的磷濃度下降至0.09 mg/L，而控制在厭氧狀態(tài)下，水體的磷濃度達(dá)到1.3 mg/L，是好氧狀態(tài)下的15倍左右[10]。

此外，不同供氧方式也會(huì)對(duì)控制底泥氮和磷的釋放產(chǎn)生不同的影響。袁文權(quán)等研究了3種供養(yǎng)方式，即曝氣、加投H2O2和加投CaO2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)底泥氨氮釋放的控制效率表現(xiàn)為曝氣>加投CaO2>加投H2O2，而對(duì)底泥磷釋放的控制效率表現(xiàn)為加投CaO2>曝氣>加投H2O2[11]。

2.2.2 溫度 一般情況下，化學(xué)物質(zhì)在水體中的溶解度及在膠體表面的吸附、解吸作用都與溫度變化有關(guān)。由于溫度的升高，使得水環(huán)境中各種物理、化學(xué)、生物反應(yīng)條件發(fā)生改變，對(duì)底泥中有機(jī)物的礦化有較大促進(jìn)作用，從而加快底泥中有機(jī)氮、磷的分解和釋放速度。

【普氏《核子周刊》2018年9月24日刊報(bào)道】 根據(jù)西屋公司(Westinghouse)官方公布的資料，西屋計(jì)劃在2022年將帶有碳化硅燃料包殼的耐事故燃料先導(dǎo)試驗(yàn)組件裝入反應(yīng)堆接受輻照，在2027年實(shí)現(xiàn)這種燃料的全面商用。

隨著溫度的變化，底泥中氮磷釋放量及釋放強(qiáng)度都發(fā)生了較大差異，而且在同等溫度變化的情況下，對(duì)底泥中磷釋放的影響要大于氮的釋放。史靜等研究發(fā)現(xiàn)，底泥氮磷的釋放量會(huì)隨著溫度升高而增加，其中溫度為20 ℃時(shí)底泥磷的釋放量為3.85 mg/L，明顯高于4 ℃和11 ℃時(shí)磷的釋放量；而相同條件下，溫度為20 ℃時(shí)底泥氮的釋放量，與4 ℃和11 ℃下的釋放量沒有顯著差異[12]。張茜等研究發(fā)現(xiàn)，底泥總氮、總磷的釋放強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加，但釋放強(qiáng)度的增加幅度卻不同，在30 ℃條件下底泥總氮和總氮的釋放強(qiáng)度分別是15 ℃條件下的1.65和3.4倍，兩者變化幅度相差2倍多[13]。

2.2.3 pH值 pH值是水質(zhì)檢測(cè)的重要指標(biāo)，它對(duì)水體中各種生化反應(yīng)有重要的影響作用。在中性條件下，總氮、總磷的釋放速率最小，而在酸性和堿性條件下，氮磷釋放速率均明顯增大。張茜等研究發(fā)現(xiàn)，在中性(pH=7)條件下不利于底泥中氮磷的釋放，而在堿性(pH=9、pH=10)和酸性(pH=5)條件下的底泥氮磷的釋放強(qiáng)度均高于中性(pH=7)條件；其中，在pH=10時(shí)底泥總氮釋放強(qiáng)度是pH=7時(shí)的1.34倍，pH值對(duì)底泥總磷釋放強(qiáng)度的影響大小具體表現(xiàn)為堿性(pH=10)>酸性(pH=4)>中性(pH=7)[13]。

此外，在不同pH值對(duì)底泥中氮與磷釋放變化的影響存在差異。梁淑軒等研究表明，在酸性下，氮磷釋放趨勢(shì)基本一致，隨著pH值的升高，釋放量逐漸減少；在堿性條件下，氮與磷的釋放趨勢(shì)相反，氮的釋放量在弱堿性條件下達(dá)到最大值后，隨著堿性的增強(qiáng)，釋放量迅速減少，而磷隨著堿性的增強(qiáng)，釋放量急劇增加[14]。

2.2.4 水體擾動(dòng) 水體擾動(dòng)是影響底泥與上覆水之間氮磷轉(zhuǎn)移的重要物理因素，特別是對(duì)淺水區(qū)域的氮磷釋放影響更大。水體在靜止?fàn)顟B(tài)下，底泥氮磷的釋放和吸附基本處于較低水平的動(dòng)態(tài)平衡，由于水體擾動(dòng)的產(chǎn)生，打破了此動(dòng)態(tài)平衡，促使底泥氮磷的釋放速率增大，特別是能加快底泥間隙中氮磷顆粒向上覆水中擴(kuò)散。同時(shí)，也加快了水-顆粒之間的氮磷交換。林建偉等研究發(fā)現(xiàn)，攪動(dòng)對(duì)底泥氮磷釋放速率的影響較大，其中氨氮在攪動(dòng)和靜置條件下的平均釋放速率分別達(dá)到95 mg/(m2·d)和56 mg/(m2·d)；攪動(dòng)對(duì)底泥總氮釋放的影響與氨氮類似；在攪動(dòng)條件下，上覆水溶解性總磷的平均濃度為0.137 mg/L，而靜置條件下為0.068 mg/L，僅為攪動(dòng)情況下的1/2[9]。

隨著水體擾動(dòng)的強(qiáng)度增加，底泥氮磷釋放量增大。朱健等研究發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)條件下底泥氮磷釋放量明顯高于無(wú)擾動(dòng)條件下，且總氮、總磷的釋放量隨著擾動(dòng)程度的加強(qiáng)而增大[15]。潘成榮等研究發(fā)現(xiàn)，在高速擾動(dòng)(160 r/min)下底泥磷的最大釋放量約為低速(60 r/min)靜置條件下的2倍[16]。

2.3 生物活動(dòng)

2.3.1 水生植物 水生植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，根系能吸收大量的營(yíng)養(yǎng)并轉(zhuǎn)化為自身的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)水體和底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收能力。由于植物根系的輸氧作用，根系周圍底泥的氧化還原電位得到提高，促進(jìn)底泥中各類金屬離子由還原態(tài)轉(zhuǎn)換為氧化態(tài)，增強(qiáng)了底泥對(duì)磷的吸附能力，抑制營(yíng)養(yǎng)鹽從底泥中釋放進(jìn)行入水體中。劉彤研究發(fā)現(xiàn)，沉水植物(枯草、黑藻)不僅能有效消減底泥中的氮磷釋放，而且還能有效抑制底泥再懸浮，從而達(dá)到控制底泥氮磷釋放的作用[17]。

不同類型的水生植物，以及同種水生植物的不同生長(zhǎng)階段，對(duì)底泥氮及磷釋放的影響卻存在顯著差異，沉水植物、挺水植物比浮水植物更具有抑制底泥氮磷釋放的作用。童昌華等研究了狐尾藻和鳳眼蓮控制底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的影響，結(jié)果表明：2種水生植物都能有效抑制底泥中總氮、總磷的釋放，沉水植物狐尾藻比浮水植物鳳眼蓮的控制效果更好[18]。吳強(qiáng)亮等研究表明：枯草在快速生長(zhǎng)階段會(huì)吸收大量的活性磷，加快底泥中磷的釋放，而在緩慢生長(zhǎng)階段則促進(jìn)活性磷轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定形態(tài)的磷并沉淀到底泥中，減緩底泥中磷的釋放[19]。

此外，不同種類的微生物，對(duì)底泥氮磷代謝的作用效果也不同。李程亮研究發(fā)現(xiàn)，投加蠟狀芽孢桿菌會(huì)提高底泥磷的釋放速率，使上覆水中速效磷增加數(shù)倍，從而導(dǎo)致總磷隨之增大，而投加乳酸菌時(shí)也表現(xiàn)出解磷作用，但解磷能力不強(qiáng)，弱于蠟狀芽孢桿菌[23]。

3 底泥中氮磷釋放的控制策略

底泥是水環(huán)境中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的主要存儲(chǔ)庫(kù)，當(dāng)?shù)啄嗟念w粒粒徑、化學(xué)組成、賦存形態(tài)，上覆水的溶解氧、溫度、pH值、水體擾動(dòng)程度，以及水生植物、微生物的活動(dòng)等環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，都有可能促使底泥中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽重新釋放進(jìn)入水體，導(dǎo)致水體中氮、磷含量的增加，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的升高，從而極大地提高了水體的污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，控制底泥氮磷的釋放對(duì)降低水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度、減少水體的污染風(fēng)險(xiǎn)具有重要促進(jìn)作用。底泥氮磷釋放控制技術(shù)主要分為異位處理技術(shù)和原位處理技術(shù)。

3.1 異位控制處理

底泥異位控制處理技術(shù)主要利用機(jī)械挖掘、設(shè)備抽取等物理手段，將底泥從水體中移除后進(jìn)行其他處理，防止底泥再次污染水體。異位控制處理技術(shù)包含了疏浚、沖刷、異位林洗、異位固化等技術(shù)，但異位控制技術(shù)通常操作較復(fù)雜、處理費(fèi)用較高，且對(duì)環(huán)境破壞的風(fēng)險(xiǎn)較大。如底泥疏浚是通過(guò)挖除表層的污染底泥，從而減少底泥污染物的釋放，適合于疏浚污染程度較高的懸浮層淤泥，具有較強(qiáng)的針對(duì)性。對(duì)于疏浚底泥能否消除內(nèi)源污染還存在很大爭(zhēng)議，人們普遍認(rèn)為底泥疏浚具有見效快、增加水體容量、提高過(guò)水能力等優(yōu)點(diǎn)，但疏浚工程也存在一定問(wèn)題或不足，從而限制了其大規(guī)模的應(yīng)用，如治理費(fèi)用高、破壞水生植物、打破原有生態(tài)系統(tǒng)、底泥的后期處理等[24-25]，這在一定程度上未能從根本上解決底泥氮磷釋放的問(wèn)題。因此，針對(duì)底泥異位控制處理技術(shù)的應(yīng)用，需要深入考慮技術(shù)的投入使用與其達(dá)到的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)相適應(yīng)，以及與底泥原位控制處理技術(shù)的綜合應(yīng)用。

3.2 原位控制處理

底泥原位控制處理技術(shù)是在原地采用物理、化學(xué)、生物的方法對(duì)底泥進(jìn)行處理，減少底泥中氮磷污染物含量，或降低其溶解度、減弱其毒害性和遷移性，并通過(guò)一系列方法阻止污染物向上覆水釋放[26]。目前，底泥原位控制處理技術(shù)包括曝氣復(fù)氧、飲水沖刷、物理覆蓋等原位物理控制技術(shù)，藥劑鈍化、化學(xué)覆蓋等原位化學(xué)控制技術(shù)以及植物修復(fù)、微生物修復(fù)等原位生物控制技術(shù)(表1)。

表1 底泥原位控制處理技術(shù)的研究進(jìn)展

相比底泥異位控制處理技術(shù)，底泥原位控制處理技術(shù)具有以下顯著特點(diǎn)：(1)對(duì)底泥擾動(dòng)小，可避免底泥再次懸浮而引起大量氮磷向水體釋放，同時(shí)也減少受污染的底泥向周圍環(huán)境遷移；(2)無(wú)需使用處理設(shè)備或處置實(shí)施，也無(wú)需占用額外用地；(3)經(jīng)濟(jì)成本低、工藝操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣；(4)有利于提高底泥中可溶性態(tài)、活性的氮磷物質(zhì)向難溶態(tài)、穩(wěn)定態(tài)的氮磷物質(zhì)轉(zhuǎn)化，加速沉降并吸附在底泥中，更加顯著地控制底泥中氮磷的釋放[36]。因此，加強(qiáng)研究和利用原位控制處理技術(shù)對(duì)控制底泥氮磷釋放、防止水體富營(yíng)養(yǎng)化，以及降低水體污染風(fēng)險(xiǎn)都具有更加現(xiàn)實(shí)的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

底泥氮磷的釋放是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，包括一系列的生物化學(xué)和物理變化，而影響底泥氮磷釋放的因素眾多，且錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，只有深入開展各因素之間的相關(guān)性分析，并確定各因素對(duì)底泥氮磷釋放的影響程度及大小，才能為開展底泥氮磷釋放的有效控制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

目前，雖然底泥氮磷釋放控制處理技術(shù)大部分還處于研究階段，但隨著研究的深入和技術(shù)的不斷完善，充分利用各項(xiàng)控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)研究聯(lián)合技術(shù)，形成集成技術(shù)體系，產(chǎn)生綜合控制效應(yīng)，最大程度地發(fā)揮底泥的修復(fù)治理功效，這將對(duì)加快和促進(jìn)底泥氮磷釋放控制處理技術(shù)的實(shí)踐和運(yùn)用，達(dá)到更高的社會(huì)與環(huán)境效益目標(biāo)起到重要的推動(dòng)作用。