城市湖泊底泥营养盐释放特性研究

2013-12-28盛蒂朱兰保庞波

重庆科技学院学报（自然科学版） 2013年3期

盛蒂朱兰保庞波

(蚌埠学院化学与环境工程系，安徽蚌埠 233030)

城市湖泊指位于大中城市城区或近郊的中小型湖泊，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、济南大名湖等。由于其所处的地理位置和功能定位不同，使得城市型浅水湖泊水体的演变过程和污染现状同远离城市的湖泊有较大的差异［1］。城市湖泊具有水浅、流动性差、同时接纳工业废水、农业废水和生活污水等多种混杂污水的共同特点，导致了大多数城市湖泊受到不同程度的污染。由于城市湖泊水浅、底泥污染严重、氮磷含量高、易受环境因素(温度、pH值、风力、划船等)影响而导致底泥中各种污染物再次释放，污染湖泊水体［2］。因此，城市湖泊水质的优劣，不仅受入湖支流的直接污染影响，还会受到底泥氮、磷释放的影响。若要制定切实有效的富营养化治理措施，就必须掌握城市湖泊底泥在各种环境因素影响下的氮、磷释放规律［2］。本文通过实验室模拟试验，研究城市湖泊底泥在不同环境因素影响下底泥中氮、磷的释放特性，以期对水体富营养化有更为全面深入的认识。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

龙子湖位于安徽省蚌埠市东郊，是全国最大的城市内湖。龙子湖三面环山，山水相依，呈三山夹一湖的独特景观，为国家4A级旅游景区和国家级生态示范区的主体部分。龙子湖以景观旅游为主，兼具水产养殖、滞洪和调节气候等功能。龙子湖风景区总面积为36.9 km2，湖水面南北长约8 km，东西宽0.45～1.4 km不等，平均水深1.7 m，水面面积约7.8 km2。龙子湖湖水面积比杭州西湖(湖水面积5.593 km2)、南京玄武湖(湖水面积3.68 km2)的湖水面积都大。随着蚌埠市城市的不断发展，龙子湖周围人口增长和企业的增加，大量污染物进入水体，受氮、磷污染日益严重。

1.2 样品的采集与处理

2012年2月，在龙子湖4个典型部位采用抓斗式底泥采样器采集表层底泥样品4份，然后将4个采样点的样品等量混合均匀。将底泥样品置于阴凉通风处风干，剔除砾石、木屑及贝壳、杂草等动植物残体，用木棍将自然风干的土壤压碎，然后在研钵上研磨，过100目尼龙筛、装袋，备用。采样点的分布如图1所示。

1.3 试验方法

氮、磷释放试验按照《湖泊富营养化调查规范》［3］进行。称取100.0 g底泥置于1 000 mL烧杯底部并铺平，用虹吸管沿器壁向容器缓缓注入蒸馏水250 mL，整个注水过程底泥无扰动。分别改变水体的温度、pH值以及扰动强度等因素进行试验。分析时采用注射器抽取水样，每次取样25 mL，测定其TN、TP浓度。TN采用国家标准(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，GB11894-89)测定、TP采用国家标准(钼酸铵分光光度法，GB11893-89)测定。

图1 龙子湖采样点示意图

1.4 试验仪器与试剂

试验仪器:紫外可见分光光度计(北京普析通用，UV-1901型);灭菌器(YXQ-LS-50SII);pH计(上海雷磁，PHS-25型);恒速搅拌器(常仪，S321-40);水浴锅(北京时代北利，SYG)。

实验试剂:硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、高氯酸(HClO4)、盐酸(HCl)、过硫酸钾(K2S2O8)、抗坏血酸(C6H8O6)、酒石酸锑钾钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、硝酸钾(KNO3)、氢氧化钠(NaOH)，以上均为分析纯。

2 结果与讨论

2.1 温度对氮、磷释放的影响

按照城市湖泊水体四季温度的分布特点，设定温度为10℃，20℃和30℃，用恒温水浴锅保持水温恒定。温度对氮、磷释放量的影响分别见图2和图3。

在实验设定的温度范围内，温度对底泥中氮的释放有明显影响。在实验周期内，上覆水中TN含量随着时间推移呈上升趋势，温度越高上覆水中TN的含量越高。20℃、30℃时底泥中氮的释放量明显大于10℃时氮的释放量，且30℃时TN含量是10℃时的1.8倍。在实验进行到第9天时，30℃温度下氮的释放量达到了峰值，而10℃温度下在设定时间内上覆水中TN含量呈现持续升高的趋势。究其原因，在氮的释放过程中，微生物起重要作用，底泥中的氮以有机氮为主，温度会影响微生物活性，也促进了有机氮的分解，使氮向水体中释放［4］。反之，温度较低时微生物活性较低，一方面导致有机物的分解钙化作用减弱;另一方面使水中的氧气溶解度增大，发生硝化作用的界面层深度增加，底泥释放出的铵态氮中一部分被转化为硝态氮，减缓了铵态氮的释放速率［5］。

图2 不同温度条件下氮释放曲线

图3 不同温度条件下磷释放曲线

在实验设定的温度范围内，相同的释放时间条件下，温度越高，磷释放量越大。在持续时间范围内，上覆水中磷的含量呈先上升后下降的趋势，其含量在第5天达到最大值。其原因是温度升高，微生物活性增大，耗氧增多，上覆水中氧含量降低，从而使氧化还原电位降低，使铁磷得以释放。同时，微生物活性增大还可以使底泥中的有机磷转化成无机磷得以释放［6］。

2.2 上覆水pH对底泥氮和磷释放的影响

调节上覆水的pH值分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0，且在实验过程中每天都调节上覆水的pH值，以维持上覆水pH的稳定，探究上覆水pH对底泥营养盐释放的影响。pH对底泥氮、磷释放的影响分别见图4和图5。

图4 不同pH条件下氮释放曲线

图5 不同pH条件下磷释放曲线

在设定的pH范围内，上覆水pH值对底泥氮的释放影响较大。上覆水处于强酸性或强碱性条件下均有利于底泥中氮的释放，酸性或碱性越强影响越大，中性条件下氮的释放量最小。pH值为5时的氮释放量峰值是pH值为7时峰值的2倍;pH为9时是pH值为7时的近4倍。酸碱均有利于氮的释放，且碱性条件下的释放量大于酸性条件下的释放量。在设定的时间周期内，随时间的延长各pH条件下上覆水中氮的含量均呈上升趋势。

在设定的pH范围内，无论处在酸性条件下还是碱性条件下，磷的释放均呈先上升后下降的趋势，在第5天达到释放的最大值。pH为9时，磷的释放量最大，其机理是pH影响磷与底泥的吸附和离子交换。在碱性条件下，磷以离子交换为主，使磷酸盐解析过程增强，增加了磷向水体中释放［6］。而在酸性条件下，磷的释放量并没有明显的区别，甚至相当接近，这可能是因为在酸性条件下刺激微生物，使其活性增强。微生物在促使磷转换与有机磷分解的过程中产生的代谢产物影响了上覆水的pH，使上覆水的pH值接近至中性。而在中性范围内，水体中的正磷酸盐主要以和形态存在，容易与底泥中的金属元素结合而被底泥吸附［6］。

2.3 水体扰动对底泥氮、磷释放的影响

城市湖泊受人为扰动因素较多，为了研究水体扰动对底泥氮磷释放的影响，实验人员根据水体扰动强度，设定了搅拌器不同搅拌转速r=0、60、110、160 rad/min，每天扰动10 min，于实验设定的时间取样测量TN、TP含量。扰动对底泥氮、磷释放量影响分别见图6和图7。

图6 不同水动力条件下氮释放曲线

图7 不同水动力条件下磷释放曲线

在实验设定的时间范围内，上覆水中氮的含量随释放时间的延长均呈上升趋势。高速扰动条件下，氮的释放量是静置时氮的释放量的2.2倍。扰动强度越大，氮的释放量越大。这可能是因为经过了连续的搅拌，增加了泥 —水界面的氮交换，同时增加了底泥间隙水中氮的扩散，打破了有机氮与底泥中矿物质之间的稳定和水体中的氮平衡，从而增加了底泥向水体中的释氮量。

在实验设定的时间范围内，上覆水中磷的含量随释放时间的延长均呈下降趋势。底泥中磷向水体中的释放量随着扰动强度的增大而增大。高速搅拌下的磷释放量接近静置下磷释放量的2倍。实验第1天的扰动对水体中的TP含量影响很大，这可能是因为实验初期底泥中磷含量要远大于上覆水中的磷含量，加之扰动使底泥再悬浮，使大量磷向水体中释放，从而造成了初期TP的急速升高。随着上覆水中TP的升高与底泥中磷的大量减少，在后续的时间里TP含量渐渐趋于平稳。从不同程度扰动磷含量的变换趋势看，扰动对底泥中磷释放的影响是一个物理过程。扰动强度增大，使底泥中的含磷颗粒再悬浮，增加了泥—水界面的磷交换，同时也增加了底泥间隙水的扩散，从而增加了磷向水体中的释放量［7］。