田庄水库沉积物与水体之间氮素交换过程研究

2010-07-19刘庆福公伟花

山东水利 2010年1期

宋辉，刘庆福，公伟花

（沂源县水资源管理办公室，山东沂源 256100）

水库沉积物是水库生态系统的重要组成部分，是入库物质（如有机质和无机质污染物、营养盐）的主要蓄积场所。在水库环境演变过程中，进入库的大部分无机和有机物的污染物、水库内水生生物的死亡残体和排泄物等，经过絮凝、沉降等各种物理、化学和生物过程，不断地沉积到水库底部，形成新的沉积物。同时，在适当条件下，沉积物可以向上覆水体释放营养物，为上覆水体的生态系统提供养分，形成水库的内源。田庄水库由于多年接受山东联合化工有限公司高含氨氮污水以及高含硝氮河水，其沉积物中沉积了大量氮素，因此有必要调查沉积物-水界面的氮素交换规律，并确定交换通量。因此，查明水体沉积物-水界面的物质交换量，对定量研究该水库水质变化趋势具有重要意义。

1 试验装置与方法

试验所用的底泥为采用箱式沉积物取样器取得的长约20cm的原状样。并分别采自田庄水库中放水洞、北放水洞、联合化工排污口南、水库中心及联碱车间以西5个点。释放模拟部分底泥的上覆水体为水库水。

1.1 底泥及其孔隙水硝氮和氨氮垂向分布特征分析

1.1.1 底泥分析

将新鲜底泥柱状样在自制厌氧（通氮气）切泥装置中按2～4cm进行分层切割。将切割后的底泥高速离心（3800r/min）20min，取上清液待测；离心后底泥样经自然风干并筛分后测定氨氮、硝氮和总氮的含有量。氨氮（NH3-N）测定方法采用 2mol·L-1KCl浸提－靛酚蓝比色法，硝酸盐氮（NO3--N）采用酚二磺酸比色法；总氮采用元素分析仪进行检测。

1.1.2 底泥孔隙水分析

将分层切割的新鲜底泥样品经高速离心（3800r/min，20min）得到不同层位的底泥孔隙水，经过滤后测定氨氮、硝氮和总氮的含量。

1.2 底泥与上覆水之间氮素交换的试验装置与方法

1.2.1 试验装置

本项试验的装置为自制有机玻璃柱（Φ=10cm，H＝50cm）。柱中底泥厚20cm，上覆水层厚度为25cm（见图1）。反应器顶部设有一个可开启的盖，在顶盖和反应器之间涂上玻璃胶，以防止外部空气的渗入，试验过程中可以分别将顶盖打开或者封闭，使反应器分别处于开盖好氧或封闭厌氧状态。另外，顶盖上设两个小孔，取样孔和通气孔，取样孔处粘有有机玻璃管，长至距反应器底部25cm处；通气孔处粘有细橡胶管，分别与氮气装置和充氧装置相连。

图1 底泥氮释放试验装置示意

1.2.2 试验方法

释放试验前，用虹吸法注入水库水，使沉积物之上的水位为25cm，加水样时尽量避免扰动底泥，反应器中水样总体积约为2L。试验主要包括两个处理方式：（1）反应器开盖，使水面与大气连通，并对其充氧，每天充氧5h，进行好氧释放试验；（2）反应器顶部密封并通入氮气（每天5h），进行厌氧释放试验，整个试验过程中用黑布遮住，避免光合作用的影响。

释放试验过程中，每隔一天用注射器由取样口采集50ml水样，测定水样中硝氮和氨氮的浓度，试验共进行16d。每次取样后立即补充相同体积的试验用水，加水样时注意避免剧烈扰动。

2 试验结果与分析

2.1 氮素垂向分布特征分析

田庄水库北放水洞处（2006年4月）底泥中硝氮、氨氮和总氮浓度的垂向分布 (见图2)。由图2可以看出，底泥中的氨氮含量自表层向下具有先升后降的趋势；并且含量较高。表层氨氮含量较低（556mg/kg），在约5cm处达到最大为725mg/kg，底层为412mg/kg。底泥中硝氮的含量很低，在1.5～4.0mg/kg之间。总氮含量也是先升后降的趋势，含量在860～1010 mg/kg之间。可以看出，在底泥中氨氮在总氮中的比例最大。

图2 水库中洞底泥中氨氮、硝氮和总氮浓度随深度变化曲线

图3 中洞底泥孔隙水中氨氮、硝氮和总氮浓度随深度变化曲线

由图3可以看出，中洞底泥孔隙水中的氨氮浓度表层4cm内变化较为剧烈，4cm以下趋于稳定，氨氮含量在25～30mg/L之间；硝氮浓度则在表层10cm范围内由0.80mg/L快速降低至检测限以下；总氮浓度由表层向下有降低趋势。在底泥孔隙水中，氨氮在总氮中所占的比例最大。

在静水环境中，通常可以采用Fick第一定律，粗略估算沉积物与上覆水体之间物质交换量，并且可以通过交换通量的正负判断溶质在沉积物与上覆水之间运移的方向，即可以判断沉积物是该溶质的源还是汇。Fick第一定律的表达式如下：

其中，Flux为通过沉积物-水界面的扩散通量；Φ为表层沉积物的孔隙度；为沉积物-水界面的浓度梯度；Ds为分子扩散系数。如果通量为正，则表明溶质从沉积物扩散至上覆水体，即沉积物为该溶质的源；如果为负，表明溶质从上覆水体进入沉积物，即沉积物为该溶质的汇。

表1是田庄水库中洞位置沉积物-水界面氨氮与硝氮对比表。可以看出，氨氮在沉积物孔隙水与上覆水体之间存在显著的浓度梯度，且通量为正，表明有大量的氨氮自沉积物释放进入上覆水体，沉积物是水库水体氨氮的源。同样可以看出，沉积物是水库水体硝氮的汇，但孔隙水与上覆水之间的浓度梯度明显小于氨氮的浓度梯度。

表1 表层沉积物孔隙水与上覆水体氨氮与硝氮含量对比表

另外，经测定田庄水库底泥中硝氮含量的平均值为 2.16mg/kg，氨氮平均含量则高达 587.29mg/kg，总氮含量为843.85mg/kg。氨氮含量在底泥氮中的比例为最高，占总氮含量的69.6﹪，其次为有机氮。

由以上分析可以看出，田庄水库底泥是氨氮的蓄积库，底泥中大量的氨氮会通过沉积物-水界面向上覆水体扩散。而底泥是上覆水体中硝氮的汇，由上覆水体进入沉积物的硝氮在沉积物表层发生反硝化作用，生成气体，最终进入大气，沉积物表层发生的反硝化作用是水库水体氮素的一个重要的去除途径。

2.2 底泥与上覆水之间氮素交换的试验结果分析

图4 上覆水为水库水时氨氮和硝氮浓度随时间的变化曲线

2.3 底泥与上覆水间氨氮和硝氮交换量的计算

根据费克定律，计算得出的放水洞、联合化工排污口南、水库中心以及联碱车间以西区域底泥-上覆水之间氨氮与硝氮的交换通量，结果见表2。

表2 底泥-水界面物质交换通量单位：mg/(m2.d)

对水库底泥进行分区。其中联合化工排污口、水库中心、中放水洞和南放水洞所占面积分别为223680m2、533200m2、374000m2、267834m2，联碱车间以西的水库面积为2027486m2。根据不同区域的交换通量以及各区域的面积可计算得出田庄水库年释放量，其中氨氮的释放量为135.02t/a，硝氮的释放量为-49.65t/a。