梅州文化公园景观湖底泥释磷影响因素研究

王春英，赖梦琪

(嘉应学院化学与环境学院，广东梅州 514015)

近年来，湖泊富营养化现象呈多发状态，虽然投入大量资金进行治理，但收效并不理想，尤其是夏季水华和赤潮频发.磷是引起水体富营养化的限制因子，水体中的总磷浓度在0.015mg/L以上时，易引发富营养化现象［1］.水体中的磷来源分为外源性磷和内源性磷［2，3］，外源性磷包括降水、人为排放等磷的输入;内源性磷则是来自水体内部的磷，作为沉积物的底泥是湖泊中重要的内源污染物，其磷的释放对湖泊富营养化的影响不可忽视.因此，研究底泥中磷释放的影响因素具有重要意义.

目前已有学者对底泥释磷的机理进行了研究，也有学者考察了溶解氧、pH、水温等对某些水体底泥释磷的影响因素［4－8］，但鲜有报道上覆水磷浓度、铝盐浓度对底泥释磷的影响.本文选取梅州市文化公园景观湖的底泥为研究对象，考察了上覆水初始磷浓度、铝盐浓度、水温、pH、溶解氧浓度、水体扰动等因素对底泥磷释放的影响，对底泥释磷情况进行分析，旨在为控制水体中内源磷的释放提供理论依据，为水体富营养化的治理与控制提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 底泥来源

本研究所用底泥取自梅州文化公园景观湖，采集的底泥在室内自然风干，研磨成粉末后过60目筛，置于干燥器中待用.

1.2 实验方法

磷释放实验:将定量称取的底泥与一定体积的去离子水或其他水样在锥形瓶中混合，置于气浴恒温振荡器(国华，ZD－85)上振荡一定时间，经泥水分离后测定上清液中总磷浓度.除温度影响实验外，释磷实验均在室温25℃下进行.

1.3 取样分析

振荡吸附所得混合液，经离心机在4 000 r/min离心分离5 min，上层清液用钼酸铵分光光度法测定总磷浓度，考察释磷情况.

2 结果与讨论

2.1 水温对底泥磷释放的影响

水体温度会随着环境温度的变化发生改变，为了考察水温高低对磷释放的影响，进行如下实验:将等量称取的1.00 0 g底泥投入装有100 mL去离子水的碘量瓶，然后置于气浴恒温震荡器，分别于10℃、20℃、30℃、40℃、50℃恒温震荡1 h，泥水分离后测定上清液中总磷的浓度.实验结果如图1所示.

图1 温度对磷释放的影响

从图1来看，上清液中总磷浓度随着温度的升高逐渐升高，50℃时上清液总磷浓度较10℃时上清液总磷浓度升高了0.23 mg/L.出现这种现象的原因可能有:温度影响磷酸盐的溶解度，温度升高使磷酸盐的溶解度增大，破坏了磷在泥－水两相中的平衡，底泥中的磷向水中释放［6］;温度升高使微生物活性增强，加速了有机质的分解从而促进了有机磷的释放，同时有机质分解消耗氧气，导致氧化还原电位降低，促进了Fe/Al－P的释放［7］.这也可以解释水体在温度高的夏季容易出现富营养化现象.

2.2 pH对底泥磷释放的影响

pH直接影响氧化还原电位，影响铁盐和铝盐的存在形态，进行如下实验考察水样pH对底泥释磷的影响.将准确称取的底泥1.000g分别投入不同pH的100mL去离子水中(用NaOH和盐酸溶液调节去离子水不同pH)，25℃震荡1h，泥水分离后测定上清液中总磷的浓度.实验结果如图2所示.

图2 pH对磷释放的影响

从图2来看，水溶液pH低于11时，上清液中磷的浓度低于0.32 mg/L，磷释放的变化较小，并且水体在pH5～10范围内磷浓度低于0.22 mg/L;当pH大于11时，上清液中总磷浓度迅速增大，pH 12时上清液中磷浓度达到1.70mg/L.出现这种现象是因为:当pH值较低时，钙结合态磷在酸性水体中溶解而释放出部分磷;水的pH值较高时，OH－与可交换态磷的PO43－对底泥表面的吸附点位产生竞争，引起可交换态磷的是释放［9］;当上覆水在pH5～10范围内时，以正磷酸盐形式存在的磷易与金属阳离子结合而生成沉淀，向水中释放的磷较少.实验结果表明，降低或增高水体pH都有助于底泥磷的释放，为抑制底泥中磷释放到水体中，应维持湖泊水体pH在5～10范围内.

2.3 溶解氧对底泥磷释放的影响

为了考察溶解氧对底泥释磷的影响，进行以下实验:将准确称取的底泥1.00 0 g分别投入100 mL去离子水中，用空压机进行曝气，控制空气管路上阀门开启程度，调节曝气量大小，控制水样在不同的溶解氧水平，1 h后测定上清液中总磷的浓度.实验结果如图3所示.

图3 溶解氧对磷释放的影响

从图3的实验结果来看，上清液中总磷浓度随着水中溶解氧浓度的升高而降低.水中溶解氧浓度为0.87 mg/L时，上清液总磷为0.34 mg/L;当水中溶解氧浓度升高到4.57 mg/L时，上清液总磷降至0.15 mg/L，降低了56%;而溶解氧浓度升到7.78 mg/L时，上清液总磷仅为0.08 mg/L.可见水中溶解氧浓度对磷释放的的影响很大，较高的溶解氧浓度可以抑制底泥中磷的释放，较低的溶解氧则有利于底泥中磷的释放.这可能是由于水中的溶解氧影响水－沉积物体系的氧化－还原状态，进而影响到铁盐的存在形态:溶解氧浓度较高时铁盐以三价铁离子形式存在，可以与磷生成磷酸铁沉积下来，或者生成氢氧化铁将水中的可溶性磷吸附而产生沉降［10］.通过向水中充氧曝气，提高水体的溶解氧，抑制底泥中磷的释放，预防或减少水体富营养化现象的发生.

2.4 水体扰动对底泥磷释放的影响

风浪或人工活动会引起水体扰动，影响到底泥磷的释放.为了考察水体扰动对磷释放的影响，将准确称取的底泥3.00 0 g投入300 mL去离子水中，搅拌并于不同时间取样测定上覆水中的总磷浓度.实验结果如图4所示.

图4 搅拌时间对磷释放的影响

从图4来看，随着搅拌时间的增加，上覆水中总磷浓度增加，并逐渐趋于平衡.当搅拌10 min时，上覆水中总磷仅为0.14 mg/L;搅拌30 min时，上覆水中总磷浓度增加了50%，达到0.21 mg/L;当搅拌时间延长至40、50 min时，上覆水中总磷浓度升高趋势趋于平缓，磷释放逐渐达到平衡.水体扰动可以使底泥和上覆水充分接触，促进了泥水之间的界面交换［11］，加速了二者间磷浓度的平衡，影响底泥中磷的释放.

2.5 水中初始磷浓度对底泥磷释放的影响

向含有不同磷浓度的100mL水样中分别投加1g底泥，25℃震荡1h，泥水分离后测定上清液中总磷的浓度.实验结果如图5所示，图中C0为水样初始磷浓度，△C为震荡后水样上清液中磷浓度较C0的增加值.

图5 水样初始磷浓度对磷释放的影响

从图5来看，上清液中磷浓度的增量随其初始磷浓度的增加逐渐减少，当水样初始磷浓度为0.55 mg/L时，水样的磷浓度增量为零，此时底泥未发生释磷现象;水样初始磷浓度高于0.55 mg/L时，水样中磷浓度增量为负，水中的磷向底泥中转移，出现底泥的吸磷现象.可见上覆水体中磷浓度的大小直接影响底泥中磷的释放，并且上覆水存在一个临界磷浓度:当上覆水磷浓度高于临界值时，水体中的磷向底泥中转移，底泥吸附磷;当上覆水体中的磷低于临界浓度时，底泥中的磷则释放到水中.

2.6 铝盐对底泥磷释放的影响

铁盐或铝盐可以与磷酸盐生成不溶性磷酸盐沉淀，改变磷在水或底泥中的存在形态，进而影响到底泥磷的释放.本文以AlCl3为例考察铝盐对底泥释磷的影响:将准确称量的1.00 0 g底泥分别加入含有不同氯化铝浓度的上覆水中，25℃震荡1 h，泥水分离后测定上清液中总磷的浓度.实验结果如图6所示.

图6 氯化铝对磷释放的影响

由图6可以看出，水中铝盐浓度低于1.00 mg/L时，对底泥磷的释放量没有影响;水中铝盐浓度大于1.00 mg/L时，随着铝盐浓度的升高，水中总磷浓度呈线性下降.可见铝盐能够抑制底泥磷的释放.这可能是因为铝盐与水中的磷形成AlPO4沉积到底泥中;也可能因为铝盐在水中生成Al(OH)3絮体吸附了水中的磷［12］，从而降低了水中磷的浓度.

2.7 实际水样中底泥磷释放情况

将雨水、沙井水、学生宿舍生活污水、周溪河水，各取100 mL投加1.00 0 g底泥，25℃震荡1 h，泥水分离后测定上清液中总磷的浓度，计算投加底泥前后的磷浓度增量.实验结果如图7所示.

图7 实际水样中底泥磷释放情况

从图7来看雨水、沙井水、周溪河水投加底泥后水样中的总磷浓度增量为正值，表明了底泥中的磷向上覆水中转移.其中自来水磷增量最大，底泥的释磷量也最多;其次是雨水，释磷量最小的是周溪河水;而宿舍生活污水的总磷浓度增量为负值，水样中的磷向底泥中转移，表现为底泥对磷的吸附.这种现象是由4种水样的初始磷浓度值不同引起的，水样初始磷浓度越低，释磷量越大，与本文2.5节的实验结果一致.可见对富营养化水体单独进行换水或稀释而不进行底泥处理，对控制水体的富营养化现象作用很小甚至无任何作用.

5 结语

(1)水体扰动、水温升高会增加底泥中磷的释放量.

(2)水中溶解氧浓度影响底泥中磷的释放，较高的溶解氧浓度可以抑制磷的释放，较低的溶解氧则有利于底泥中磷释放;水中铝盐浓度大于1.00 mg/L时能够抑制底泥中磷的释放.

(3)底泥释磷存在一个临界浓度，当上覆水中磷浓度高于临界值时，底泥从水中吸附磷;当水中的磷低于临界浓度时，底泥向水中释放磷.

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