感潮型重污染河道内源硫、铁与氮行为的耦合作用

关会敏 朱瑾 何岩 黄民生 周焜 朱林林

摘要：为研究感潮作用对重污染河道内源硫、铁与氮变化的影响及其耦合關系，本研究以上海重污染感潮型河道为对象，通过模拟感潮型河道以探究稳定水位期泥水界面不同形态硫、铁和氮的动态变化，并借助于黑色关联度分析来解析内源硫、铁与氮行为的耦合作用.结果显示感潮模拟组上覆水NH+4一N削减率高达（82.24-1.92）%且TN削减率高达（86.494-2.31）%，表明感潮作用会影响泥水界面形成的好氧一缺氧一厌氧动态分布并促进硝化一反硝化耦合过程，有利于泥水界面总氮与氨氮的削减.灰色关联度分析结果显示间隙水硝态氮与还原态硫和铁的关联度最高为0.910 5和0.858 7.表明硫化物与二价铁对硝态氮的影响最为显著，推测感潮型重污染河道内源硫、铁与氮存在硫自养反硝化和铁自养反硝化的耦合作用.该研究有望为重污染感潮型河道修复与治理提供理论参考.

关键词：感潮型重污染河道;氮;硫;铁;耦合作用

中图分类号：X522 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.011

0引言

上海城市内河多属于感潮型河道，目前由于受人为活动严重干扰，许多河道出现了季节性或常年性的黑臭问题，其中底泥内源污染已成为河道水质恶化和发生黑臭的主要原因，而且感潮特征往往加重内源污染的影响作用.这主要是因为涨落潮的水流扰动会使表层底泥反复扬起，导致底泥中铁、硫和氮污染物的悬浮释放;另外泥水界面好氧缺氧厌氧分布在潮汐作用下也不断变化，进而影响底泥中铁、硫和氮污染物的迁移转化过程.

硫和铁是河道致黑致臭的主要元素氮元素是重要的营养盐元素，硫、铁与氮元素在调节水生环境质量及生物生产力方面有重要的联系.因此研究感潮型重污染河道底泥中硫、铁元素的环境行为与氮行为的耦合作用对于感潮型河道底泥内源污染物的有效控释具有重要意义.然而目前相关研究主要针对海洋、河口海岸以及湖泊沉积物，且忽视了硫、铁与氮之间的耦合关系，对于污染严重的感潮型城市内河河道的相关研究尚未见诸报道.

本研究针对上海市的重污染感潮型河道，通过感潮模拟实验探究感潮过程中不同形态氮、硫和铁的动态变化以及内源硫、铁与氮行为的耦合作用，以期为重污染感潮型河道的治理和修复提供参考.

1材料与方法

1.1研究对象

本研究上覆水和底泥均采自与上海市普陀区桃浦镇境内的工业河.该河总长864m，上口宽度为10～15m，水深1-2 m，水流速度缓慢导致水动力条件较差，且底泥内源污染严重，是一条典型的感潮型重污染河道.工业河具体地理位置及采样地点如图1所示.

工业河上覆水基本理化指标如表1所示，其水质基本上低于地表水V类水标准.

1.2实验运行装置

本实验采用感潮河道模拟柱如图2所示，底部铺设5cm细沙，底泥厚度为30cm，并设置对照组（静置组）.本实验中感潮河道涨落潮模拟流速及涨落潮最低最高水位是根据前期现场调研情况进行确定，且因其流速度缓慢、水动力条件较差，涨落潮模拟装置设置流速较低，涨潮平均流速约为0.003cm/s，退潮平均流速约为0.001cm/s，每天模拟两次退潮和两次涨潮，其中退潮平均历时8h，涨潮历时4h.通过蠕动泵将模拟河道中水样抽入或抽出实验柱实现水位涨落变化.泵的开启采用PLC自动控制，并通过调节泵流量大小控制涨落潮流速.实验柱上覆水的最低高度为40cm，以此模拟退潮时最低水位;最高高度为60cm，以此来模拟涨潮时的最高水位.

3结论与展望

感潮型重污染河道长期的潮汐作用会引起的水体反复扰动并促进底泥污染物（如Fes和Fes2等）的释放，使河道上覆水致黑致臭物质增多，加重河道的黑臭.另外，退潮时水位较低，对河道有一定的复氧作用，促进硝化一反硝化耦合作用，有利于氨氮及总氮的削减.灰色关联度分析表明不同形态内源氮与硫铁存在耦合关系，推测主要通过硫自养反硝化或铁自养反硝化过程进行耦合.

硫自养反硝化与铁自养反硝化作可以在脱除内源氮的同时，将河道底泥致黑致臭物质（Fes2等）去除，但目前就感潮型重污染河道内硫（铁）自养反硝化过程关注较少.期望能借助于同位素示踪技术及分子生物学技术（如荧光定量、高通量及稳定同位素核酸探针技术）进一步解析该过程.另外，感潮型河道沉积物中氮的生物地球化学循环是一个涉及物理、化学、生物等诸多要素的复杂过程，诸多硫、铁与内源氮行为耦合的其他过程仍不清楚，如硫、铁与厌氧氨氧化和硝酸盐异化还原成铵过程有待于进一步探索.