太湖竺山湾污染底泥环保疏浚深度的推算

王雯雯,姜 霞,王书航,金相灿 (中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地,北京 100012)

太湖竺山湾污染底泥环保疏浚深度的推算

王雯雯,姜 霞*,王书航,金相灿 (中国环境科学研究院湖泊生态环境创新基地,北京 100012)

根据颜色、气味、粒径、黏稠度等理化指标,将太湖竺山湾柱状底泥样品由上至下依次分为氧化层(A)、污染层(B)、污染过渡上层(C1)、污染过渡下层(C2)和健康层(D).通过对底泥中氨氮、总磷、总氮和烧失量垂直分布规律的分析,结合柱状底泥各分层氮、磷吸附/解吸实验,推算出竺山湾污染底泥环保疏浚层及其深度.结果表明,底泥中氨氮、总磷、总氮和烧失量含量随深度的增加呈下降趋势.A层和B层中污染物含量明显高于其他层;无机磷吸附/解吸平衡浓度随深度的增加而下降,在C1层与C2层间出现拐点;而氨氮的吸附/解吸平衡浓度变化趋势较复杂.结合上覆水中无机磷与氨氮浓度,推算出竺山湾底泥环保疏浚层次为C1层,疏浚平均深度为0.40～0.70m.

垂直分布；吸附/解吸平衡浓度；环保疏浚深度

湖泊富营养化是目前世界范围内面临的主要水环境问题[1].底泥作为陆源性入湖污染物的主要蓄积场所,是湖泊水体内源污染的源头.研究表明[2-4],当外源污染物得到有效控制后,底泥成为影响上覆水体水质的重要因素.特别是在风浪作用下,底泥极易发生再悬浮,从而加速营养盐等污染物向上覆水体中的释放,导致湖体富营养化.因此,有效控制内源污染对湖泊富营养化治理意义重大.环保疏浚是通过去除富含污染物的表层底泥来控制污染物的释放或减少污染物生物有效性[3-5],已被广泛应用于水环境治理中.疏浚深度是环保疏浚的关键参数之一[6-8],疏浚深度过小,达不到有效去除污染物的目的;疏浚深度过大,则会对湖泊底部的生态及环境修复造成困难,且工程费用昂贵.目前国内外尚无确定环保疏浚深度的成熟技术和规范[1,6,9].以往研究对于湖泊底泥的分层大都是简单的等距离划分[10-14],但由于湖泊各区域受湖流、水土流失、污染负荷和地质条件的影响,污染底泥分布及污染厚度都极不均匀,常规等厚度采集的方法不能准确反映底泥的实际分层特征,在施工中存在一定的局限性.鉴于此,本研究根据太湖竺山湾底泥的颜色、气味、粒径、黏稠度等理化指标,对底泥柱样进行了科学分层,并将柱状底泥中污染物垂直分布规律与底泥氮、磷吸附/解吸实验相结合,推算出疏浚层次及疏浚深度,为太湖污染底泥治理提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域

竺山湾为太湖西北部的半封闭性富营养湖湾,北起百渎口,南至马山咀一线,面积57.2km2.该区域涉及无锡马山区、宜兴市和常州武进区,是太湖北部水质污染最严重且恶化速率最快的湖湾之一,常年水质劣于Ⅴ类[15].受太滆运河、殷村港等河道污水汇入影响,底泥污染严重,是太湖治理的重点湖区.本实验选取的8个采样点位于殷村港入竺山湾的湖口,底泥淤积厚度较大,营养盐污染较为严重.

1.2 样品的采集和处理

2010年4月,用柱状采泥器(BEEKER, Eijkel kamp, 直径12cm)在太湖竺山湾采集8个点位的柱状底泥样品,采样点位采用GPS进行定位导航,采样点分布如图1所示.

图1 竺山湾采样点分布示意Fig.1 Location of sampling sites of Zhushan Bay

根据底泥的颜色、气味、粒径和黏稠度等理化指标将底泥由上至下依次分为氧化层(A)、污染层(B)、污染过渡层(C)和正常湖泥层(D).将污染过渡层划分为污染过渡上层(C1)和污染过渡下层(C2),底泥分层特征见表1.

表1 柱状底泥的分层特征Table 1 Characteristics of columnar sediment layers

底泥样品现场分割,用聚乙烯封口袋密封后,冷冻保存.经冷冻干燥后,过 100目筛储存备用.

在采集底泥样品的同时,采集上覆水,水样运回实验室后立即用0.45µm的微孔滤膜过滤,每L过滤水中加入3mL氯仿,冷藏保存备用.

1.3 实验方法

1.3.1 磷的吸附热力学实验 参照文献[16],称取0.5g底泥干样置于用盐酸洗过的100mL离心管中,按水土比 100:1加入用磷酸二氢钾配制的磷的系列浓度为0,0.010,0.020,0.025,0.050,0.100, 0.200,0.400,0.800mg/L的含磷溶液,恒温振荡[(25±1)℃,220r/min]]48h至吸附平衡,离心(5000r/min)5min,上清液过0.45µm纤维滤膜后用钼锑抗分光光度法[17]测定可溶性无机磷(DIP)浓度.以上处理设3个平行,相对离均差＜5%.

1.3.2 氨氮的吸附热力学实验 参照文献[18],用氯化铵配制氮的系列浓度:0,0.15,0.20, 0.50, 1.00,1.50,2.00,4.00,8.00mg/L,按水土比 100:1加入底泥和不同浓度的含氮溶液,恒温振荡[(25±1)℃,220r/min]2h至吸附平衡,离心(5000r/min)5min,上清液过 0.45µm 纤维滤膜后用纳氏试剂法[17]测定NH4+-N浓度.以上处理设3个平行,相对离均差＜5%.

1.4 分析测定方法

单位质量底泥吸附量Q(g/kg)按式(1)计算:

式中:V为加入样品中的溶液体积L;W为底泥干样的重量g;C0为原溶液中氮(磷)浓度,mg/L;Ce为实验结束后溶液中氮(磷)浓度,mg/L.利用回归法即可计算出吸附/解吸平衡浓度(底泥对氮(磷)的吸附量为零时溶液中NH4+-N或DIP的浓度,用EC0表示).

上覆水中 DIP采用钼锑抗分光光度法[17]测定,NH4+-N采用纳氏试剂光度法[17]测定.

图2 竺山湾底泥中TP、TN、NH4+-N和LOI的垂直分布Fig.2 Vertival distributions of TP, TN, NH4+-N and LOI in the sediments of Zhushan Bay

底泥中NH4+-N的测定:称取2g冷冻干燥后底泥于 100mL聚乙烯离心管中,加入 50mL 2mol/L KCl管中,振荡(200r/min) 30min后离心(5000r/min)20min,上清液过0.45µm滤膜.提取液中NH4+-N的含量采用纳氏试剂光度法[17]测定;烧失量(LOI)代表有机质,采用灼烧法(550℃, 5h)[19]测定;总氮(TN)采用半微量法[17]测定;总磷(TP)采用高氯酸消解钼锑抗分光光度法[17]测定.

2 结果与讨论

2.1 TN、TP、NH4+-N、有机质的垂直分布特征

底泥营养盐的释放是维持湖泊富营养状态的重要因素,分析底泥中氮磷含量的变化,有助于了解底泥中营养盐的迁移转化过程[20-22].

由图2可见,竺山湾氧化层中TP的含量为984.19～1512.36mg/kg,平均1171.26mg/kg;污染层中 TP的含量为 514.79～1429.53mg/kg,平均804.78mg/kg;过渡上层和过渡下层中 TP的平均含量分别为672.37,466.72mg/kg;而健康层中TP平均含量仅为361.23mg/kg.各点位TP含量在底泥中随深度的变化趋势相似,即随着深度的增大,TP的含量呈下降趋势,在氧化层、污染层、过渡层 TP含量的下降速度较快,在健康层及下层TP的含量基本达到稳定,这与周小宁等[23]、范成新等

[24]的研究结果相似.

底泥氧化层中 TN 含量为 1268.58～2160.50mg/kg,平均 1736.13mg/kg;污染层中 TN含量为 1035.15～2061.28mg/kg,平均 1339.38mg/ kg;过渡上层、过渡下层、健康层中 TN平均含量分别为 1015.25,882.94,639.64mg/kg.各采样点TN垂直变化趋势与TP相似.

从图 2(c)可见,底泥中 NH4+-N含量随着深度的增大而呈下降趋势,但在氧化层中 NH4+-N含量小于污染层.主要是因为在富氧条件下,表层底泥中微生物活动频繁,氨化细菌的矿化作用可将大分子的有机含氮污染物转变为 NH4+-N[25].同时,由于氧化层与上覆水接触充分,底泥中NH4+-N在浓度差的影响下不断向上覆水扩散, NH4+-N的硝化作用导致氧化层中NH4+-N含量明显小于污染层.研究区域各采样点 NH4+-N含量在污染层平均值为 112.22mg/kg,而在健康层仅为67.21mg/kg.

竺山湾底泥氧化层中 LOI平均含量为5.96%,污染层、过渡层上部和下部平均含量分别为4.99%、4.32%和3.71%,而健康层中LOI平均含量仅为3.27%.各点位底泥的LOI的垂直变化趋势大致相同,即随深度的增大呈下降趋势,在健康层及下层达到稳定,见图2(d).

2.2 底泥吸附磷热力学

在浅水湖泊中,泥-水界面一直在不断进行着物质交换[26].而磷在天然土壤或底泥上的吸附等温线是穿过浓度坐标而不是通过原点的“交叉式”[27],当溶液中磷浓度为某一适当值时,底泥对磷既不发生吸附也不发生解吸,称此时溶液中磷的质量浓度为吸附-解吸平衡质量浓度(EPC0). EPC0可以反映底泥对内源磷固定能力的强弱,当上覆水中磷的浓度大于 EPC0时,底泥会吸附上覆水体中的磷,充当“汇”;反之,底泥表现出释放磷的特征[18,28].因此应用沉积物吸附磷热力学实验确定底泥的EPC0对于确定合理的底泥环保疏浚深度具有指导意义.

竺山湾地区氧化层EPC0为0.052～ 0.197mg/ L,平均 0.120mg/L;污染层 EPC0为 0.012～0.123mg/L,平均0.065mg/L;过渡上层、过渡下层、健康层 EPC0平均值分别为 0.046,0.049, 0.064mg/L.各点位 EPC0随深度的垂向变化趋势基本相似,即在氧化层、污染层和过渡上层随深度的增大而迅速变小,而在过渡下层及下层EPC0随深度的增大而趋于平衡,整体呈下降趋势.

研究表明[29],底泥对磷酸盐的吸附-解吸平衡浓度与其总磷含量显著正相关.本研究中,底泥中总磷垂直变化趋势与EPC0的垂直变化趋势相似.因此,底泥磷含量增大,其EPC0也相应增大.

图3 底泥无机磷吸附-解吸平衡浓度随深度的变化Fig.3 EPC0 Changes of inorganic phosphorus in sediments with depths

磷释放机制与其化学沉淀形态有关[19].研究表明[30-31],铁结合态磷与磷潜在释放间具有较好的相关系数.分析图3曲线变化的原因可能是在氧化层及污染层中氧气浓度较高,尤其是氧化层处于富氧状态,因此Fe2+被氧化为Fe3+,上覆水及间隙水中的磷极易与Fe3+反应生成FePO4沉淀,从而在底泥层中累积,导致其中磷的浓度较高,进而达到吸附/解吸平衡时的浓度也较深层高.在深部厌氧状态,氧化还原电位高,Fe3+被还原并溶解,磷被释放出来,通过间隙水向上扩散,向上迁移的DIP被表层、氧化层中的铁氧化物强烈吸附,表现为可还原态磷(BD-P)在表层的富集[20],这也可能导致表层及氧化层EPC0较高.

2.3 底泥吸附NH4+-N热力学

氮素在底泥-水界面上的转化和交换是一个复杂的生物学过程,且在整个交换过程中,氮素主要以NH4+-N形式存在[32].NH4+-N在泥-水界面的吸附/解吸作用对底泥中氮素的循环会产生重要的作用.

图4 底泥NH4+-N吸附-解吸平衡浓度随深度的变化Fig.4 ENC0 Changes of ammonia nitrogen in sediments with depths

竺山湾氧化层ENC0为0.03～2.44mg/L,平均1.40mg/L;污染层 ENC0为 1.33～2.09mg/L,平均1.71mg/L;过渡上层和过渡下层 ENC0平均值分别为 1.49,1.42mg/L;而健康层 ENC0平均值为1.72mg/L.各点位ENC0在氧化层、污染层和过渡层中变化差异较大,但在健康层以下 ENC0变化不大且基本达到平衡.

2.4 讨论

湖泊中污染底泥的分布极不均匀,主要聚集在入湖河口或滞水区,因此采用等尺度分层采样来确定疏浚深度的方法繁琐、工作量大,难以科学快速确定环保疏浚深度.同时含量拐点法没有考虑疏浚后新生底泥层对上覆水体的影响.本研究分析了柱状底泥中 TP、TN、NH4+-N和LOI的垂直分布规律,模拟了疏浚后新生表层底泥对磷和 NH4+-N的吸附/解吸,考察了各底泥层释放氮、磷的风险大小,一定程度弥补了先有方法的不足.

竺山湖底泥中DP、DN、NH4+-N和LOI的含量均随深度的增大而下降,且在氧化层和污染层含量较高,变化速度较快,在过渡层和健康层含量较小,且变化较为平缓.从环保疏浚的目的考虑,应该将污染物含量较高的氧化层和污染层疏浚掉,但对过渡层是否疏浚还有待进一步分析.

表2 上覆水中NH4+-N、DIP含量及底泥中EPC0、ENC0含量(mg/L)Table 2 Concentrations of NH4+-N and DIP in the overlying water, and their equilibrium concentrations in sediments (mg/L)

由表2可见,底泥EPC0随深度的增大呈下降趋势,氧化层和污染层 EPC0均大于上覆水体中磷的平均浓度(0.06mg/L),即存在较高的释放风险,必须予以疏浚.过渡上层 EPC0平均值小于上覆水体中磷的平均浓度,但随深度的变化仍有部分底泥 EPC0大于上覆水体中磷的平均浓度,存在一定的释磷风险,建议疏浚;过渡下层 EPC0均小于上覆水体中磷的平均浓度,即不存在释磷风险,可能成为磷的汇.对于氨氮,过渡上层和过渡下层ENC0分别为1.49～1.70,1.42～1.49mg/L,过渡下层中 ENC0小于上覆水中氨氮的平均浓度(1.58mg/L),氨氮的释放风险较小,且有吸附上覆水中的氨氮的能力.因此,从环保疏浚效果和工程经济学角度综合考虑,推测竺山湾地区底泥环保疏浚层次为过渡上层,疏浚深度为0.40～0.70m.

3 结论

3.1 竺山湾地区底泥由上至下依次分为氧化层、污染层、过渡上层、过渡下层、健康层.各层的平均厚度为0.06,0.33,0.27,0.34,0.50m.

3.2 底泥中TP、TN、NH4+-N、LOI随深度增大呈下降趋势,且在氧化层及污染层中含量较下层高.EPC0在氧化层、污染层和过渡上层随深度的增大呈下降趋势,且下降速度较快,在过渡下层以下基本达到平衡.

3.3 根据竺山湾底泥中 TP、TN、NH4+-N及LOI随深度的垂直分布规律,结合不同底泥层磷及氨氮吸附/解吸浓度与上覆水中磷与氨氮的平均浓度的对比分析,推算出竺山湾底泥环保疏浚层为过渡上层,疏浚平均深度为0.40～ 0.70m.

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Calculation of environmental dredging depth of contaminated sediments in Zhushan Bay of Taihu Lake.

WANG Wen-wen, JIANG Xia*,WANG Shu-hang, JIN Xiang-can(Research Center of Lake Eco-environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：1013～1018

According to physical and chemical indexes of sediment, such as color, odor, particle size and viscosity, column sediments of Zhushan Bay were divided into oxide layer(A), polluted layer(B), upper polluted transition layer(C1), lower polluted transition layer(C2)and healthy mud layer(D) from top to bottom. To calculate the environmental dredging layer and depth of Zhushan Bay, vertical distributions of ammonia nitrogen(NH4+-N), total phosphorus(TP), total nitrogen(TN) and loss of ignition(LOI) were analyzed.Nitrogen and phosphorus adsorption/desorption experiments about every layer were also conducted. Concentrations of NH4+-N, TP, TN and LOI decreased with depths, and concentrations of contaminants in layer A and layer B were significantly higher than those in other layers. Adsorption/desorption equilibrium concentrations of inorganic phosphorus(IP) in sediment decreased with depths, and there was an inflection point between C1 layer and C2 layer. Changes of adsorption/desorption equilibrium concentrations of NH4+-N with depths were complex. Combined with concentrations of IP and NH4+-N in overlying water, environmental dredging (env-dredging) layer of Zhushan Bay was layer C1 and environmental dredging depth range from 0.4 to 0.7m.

vertical distribution；adsorption/desorption equilibrium concentration；environmental dredging depth

X524

A

1000-6923(2011)06-1013-06

2010-10-19

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07101-010)

* 责任作者, 研究员, jiangxia@ craes. org. cn

王雯雯(1987-),女,黑龙江哈尔滨人,中国环境科学研究院硕士研究生,研究方向为湖泊水环境.