底泥泥质与污染物释放量的关系

罗玉红 苏青青 高 婷 赵小蓉

（三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

沉积物是湖泊水体的营养主要储存库，在一定条件下，底泥中营养盐（如N、P等）通过扩散、对流、沉积物再悬浮等过程向上覆水体释放.研究表明，在外源输入逐步得到控制的情况下，沉积物对上覆水释放的氮、磷将成为湖泊水质恶化和富营养化的重要原因［1]，因此水体富营养化程度往往与底泥营养盐释放有较为密切的联系［2].对底泥的内源污染物释放规律进行深入研究在控制湖泊富营养化方面的重要性不言而喻.

目前国内外对底泥污染物释放的研究多着眼于某些大型湖泊不同的底泥环境对于释放的影响分析［3]，或者进行实验室模拟，研究环境因子变化对底泥释放的影响［4－5]，但很少有研究底泥的有机质浓度对于污染物释放量的影响.

文思湖地理位置较其上段莲心湖、求索溪更为复杂：一部分岸边为三峡大学校区，另一部分则为校外周边居民区.根据前期的研究结果表明这段景观水体已经受到严重污染，富营养化严重［6]，急需合适的方法来恢复水体功能.校内部分的外源污染经过治理将逐步消失，而校外部分的控制则显得复杂.因此项目研究将重点放在内源污染控制.

1 材料与方法

为找出文思湖水体底泥的释放规律，采集了该水体底泥，对沙河水体内源污染物的释放规律做了一系列研究，同时为沙河水内源污染物的控制提供相应的理论依据.人工进行模拟静水和动水状态下底泥中污染物释放过程，本文重点讨论了底泥泥质与污染物释放量的关系，为提供合适的底泥生态修复措施提供依据.

1.1 样品采集与准备

底泥样品取自文思湖底泥，采用QNC6型系列采泥器对表层泥土采样.底泥采样器使用前先用洗涤剂除去防锈油脂，采样时将采样器先放在采样点位置的水里冲刷3～5min，然后采样.配比泥样取自翠亭山附近施工场地.泥样取出后，清除其中杂草及固体废弃物，保证泥质均匀，置于室内，自然风干一段时间，直到泥土干裂不粘和在一起.取少量测量其含水率.

1.2 实验设置

按照水土（去除含水率后）比50∶1的关系称取泥样（160g）置于桶内，加自来水（8kg）即可开始释放试验，加水时要注意用细橡皮管从底部缓慢加入，尽量避免由于水流冲刷作用，使底泥扬起.同时每种泥样取出少量用作泥质监测.底泥及上覆水配比好后，以后每天上午测上覆水中TP、TN、DO、pH、电导率的值，直到释放达到平衡停止实验.

底泥及上覆水配置情况见表1.

表1 实验用底泥配比

1.3 检测方法

各成分分析用泥样经风干、磨细、过筛后保存、检测.主要检测项目及方法为：TN（半微量凯氏法）［7]、TP（酸溶光度法）、总有机质（重铬酸钾氧化稀释法）［8]、pH值（土壤水浸提液pH 法）和含水率（重量法）.水样分析采用标准方法［9]，检测项目有水温、pH值、电导率、DO、浊度、CODMn、TN、NH3－N、TP等.

2 结果和讨论

2.1 释放前底泥基本性状的分析

其结果如图1所示.

图1 泥质状况（浓度单位：mg／g）

Y1，Y2，Y3，Y4，Y5五种泥样中，所含的 TP，TN，TOC是依次减少的.且含氮量一般都比含磷量高.其中Y1为文思湖所取底泥，属污染最严重的泥样，氮，磷，有机质的含量均较高.而Y5为地面所取较洁净的泥土，污染较轻，氮，磷含量基本很少，有机质的含量可视为零.

2.2 底泥释放氮、磷、有机物的规律及影响因素

2.2.1 不同底泥向上覆水释放氮素情况

由TN变化趋势图3可看到，样品Y1，Y2向上覆水释放氮素总体上是随时间呈波浪式增长的，前期增长较快，随后有较缓慢的增长，最后基本趋近平衡稳定.而Y3，Y4，Y5在释放前期呈波浪式变化，后期趋于平稳.其中平衡浓度由多到少依次为Y1，Y2，Y3，Y4，Y5.Y1，Y2的平衡浓度明显大于起始浓度（各个样品的起始TN、TP浓度均为所加上覆水的起始浓度，即Y0的起始浓度），说明这两种底泥样品向水体释放了一定量的氮素.Y3的平衡浓度接近于起始浓度，说明这种底泥与上覆水之间的氮素迁移转化趋近于平衡.而Y4，Y5的平衡浓度小于起始浓度，说明这两种底泥对水体中的氮素有吸附作用.

在本次实验的条件下，从底泥状况和水体TN变化图来看，氮、磷、有机物含量高的底泥容易向水体释放氮素.氮、磷、有机物含量底的底泥会吸附水体中的氮素.

样品Y1、Y2经过释放后，使水体TN含量升高，可能是由于Y1、Y2底泥中氮、磷、有机物含量高，底泥中复杂含氮有机物质在微生物的作用下，转换为简单氮化物释放到水体.从溶解氧变化趋势图2看，在开始几天里，Y1，Y2样品的溶解氧有明显的减少，说明底泥微生物较活跃，将大量的有机氮向无机氮转化并释放到上覆水体中.使得水体TN含量明显上升.在随后几天里，溶解氧逐渐回升，水体TN含量增长也较缓慢.

样品Y3经过释放后，水体TN浓度基本没有变化.可能由于上覆水中本身就含有一定量的氮，底泥中含氮量较少，有机质含量也较少，底泥中的氮量与水体含氮量相当，已经接近动态平衡，所以不会使水体氮量增加.

样品Y4，Y5经过释放后，水体TN浓度减少.Y4底泥样品中含氮更少，可能已经低于水体含氮量，释放初期溶解氧仍有下降，说明释放过程中存在微生物作用使水体氮量会发生变化，但是最终要达到动态平衡必然使水体中的氮素向底泥中迁移.而Y5底泥较洁净，有机质含量基本为零，释放过程中溶解氧含量也基本没有变化，可见没有微生物作用，水体中的氮素迁移到底泥中以达到平衡.从而使水中氮含量减少.

2.2.2 不同底泥向上覆水释放磷素情况

从TP变化趋势图4可看到，样品Y1、Y2、Y3、Y4在释放前期使水体TP含量迅速增长，随后几天有较小的波动，最后趋于平衡.平衡浓度均明显高于起始浓度，且平衡浓度相差不大.说明他们均向水体释放了磷元素.样品Y5的释放情况与前几种样品相差较大，释放初期水体TP浓度有一定波动，随后有缓慢下降趋势，最后达到平衡，平衡浓度小于起始浓度.说明样品Y5经释放后，吸附了水体的磷，使水体磷含量减少.

图4 上覆水体TP含量变化

从底泥泥质状况来看，样品Y1、Y2、Y3、Y4、Y5底泥中有机质含量依次减少，丰富的有机质有利于提高底泥微生物的活性，从而加快有机物的矿化速率，促进底泥中磷的释放.样品Y1、Y2、Y3、Y4中均含有一定量的有机质，有利于底泥磷释放，但有机质含量差别较大的底泥释放到水体中的TP量相差却不大，且到释放后期差距渐减小，接近同一水平.可见本实验条件下底泥释放磷受有机质影响较小.样品Y5由于底泥较洁净，氮、磷含量较少，有机质含量可视为零.底泥基本不释放磷，但在一定条件下底泥对水体中的磷酸盐有吸附作用，底泥和水相互相交换磷酸盐，最终达到一个动力平衡，就使水体中的磷含量下降.

2.2.3 不同底泥向上覆水释放有机物的规律

底泥释放有机物的情况一般用CODMn的变化来衡量，从CODMn变化趋势图5看，不同泥质底泥释放都是呈缓慢增长趋势（样品Y5除外），最后达到平衡.且各个样品曲线释放量之间的纵向距离变化不大（少数几天有波动），不随时间而变化.从泥质状况看，有机质含量高的底泥，CODMn释放量也相应较大.

图5 上覆水体CODMn含量变化

2.3 相关关系分析

分别由实验所得数据做底泥TOC含量与上覆水中COD、TP、TN相关性分析，结果如图6～8所示.

图8 TN与TOC相关性

由图6中TOC含量与CODMn关系式可知，底泥释放耗氧有机物的量与底泥中有机质的含量有非常显著的线性相关关系，呈正相关性（相关系数R2＝0.991 2），可见有机质含量越高，释放耗氧有机物的量也就越大.

由图7中TOC的含量与TP释放量关系可见，TOC与TP具有一般的线性相关关系（相关系数R2＝0.647 7），呈正相关关系.远不如 TOC 与CODMn的线性相关性好.可见实验中TOC的含量对TP的释放影响不大.

图8中TOC与TN具有显著的线性相关性，呈正相关关系（相关系数R2＝0.946 4）.可见底泥有机质含量越高，释放TN的量也就越大.

3 结 论

本实验通过控制底泥泥质不同的情况下研究底泥释放污染物的规律及影响因素，实验结果和分析表明：

1）当底泥中氮、磷、有机质含量均较少时，底泥会吸附水体中的氮、磷.

2）底泥释放CODMn与底泥中TOC含量存在非常显著的正线性相关关系（ρCOD＝3.290 1WTOC＋1.806 4，R2＝0.991 2），说明本实验中有机质对底泥CODMn的释放有非常大影响.

3）底泥释放TN与TOC具有显著的正线性相关关系（ρTN＝2.665 2WTOC＋0.660 9，R2＝0.946 4），但它们的相关性不如底泥释放CODMn与TOC的相关关系好，说明TOC对释放TN有较大的影响，但其影响要小于TOC对CODMn释放的影响.

4）底泥释放TP与TOC具有一般的正线性相关关系（ρTP＝0.0278WTOC＋0.044，R2＝0.647 7），说明本实验条件下TOC对底泥释放TP影响不大.

因此，可以通过调节底泥泥质来抑制湖泊底泥污染物的释放，以降低内源污染，减轻湖泊的富营养化.

［1]范成新，张 路，王建军，等.湖泊底泥疏浚对内源释放影响的过程与机理［J].科学通报，2004，49（15）：1523－1528.

［2]Borgnino L，AvenaM，De Pauli C.Surface Properties of Sediments from Two Argentinean Reservoirs and the Rate of Phosphate Release［J].WaterRes，2006，40（14）：2659－2666.

［3]龚春生，姚 琪，范成新，等.城市浅水型湖泊底泥释磷的通量估算——以南京玄武湖为例［J].湖泊科学，2006，18（2）：179－183.

［4]曹海艳，冯启言.环境因子对南四湖底泥磷释放的影响实验研究［J].水科学与工程技术，2006（6）：36－38.

［5]朱 健，李捍东，王 平.环境因子对底泥释放COD、TN和 TP的影响研究［J].水处理技术，2009，35（8）：44－49.

［6]罗玉红，潘 圣.三峡大学文思湖水污染评价［J].安全与环境工程，2009，16（6）：45－47.

［7]北京农业大学.GB7173－87.土壤全氮测定法（半微量凯氏法）［S].北京：国家标准局，1987.

［8]中华人民共和国农业部.GB8834－88.土壤有机质的测定法［S].北京：中国标准出版社，1989.

［9]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会 M水和废水监测分析方法［M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002：12.