人工景观河道沉积物中磷的释放规律

2018-07-18胡智弢闫玉春周志诚

安阳工学院学报 2018年4期

胡智弢，闫玉春，周志诚

（天津市宇相津准科技有限公司，天津300392）

在一般的静水水体中，沉积物接纳了大量的营养盐，是水体中营养盐重要的汇集体，而当沉积物中营养盐的量超过其自身最大净化容量时，沉积物逐渐转变为营养盐的源[1,2]，在水体入水营养盐得到控制后，如沉积物中磷的含量大于水体中磷的浓度，此时沉积物中的磷将会向水体中迁移。进入到沉积物中的磷可能以三种形式向水体释放，第一，通过风浪等水力作用引起表层沉积物的再悬浮[3]；第二，在微生物的作用下，有机质矿化分解，释放出溶解性的磷酸盐[4]；第三，铁铝氧化物解吸作用也是一个重要的释磷途径，在厌氧条件下，与铁氧化物结合的磷相较于其他形态的磷更容易被分解，变为可溶解磷，向水体释放。

鉴于此，本研究将磷的释放分为颗粒物再悬浮静态释放实验与表层沉积物磷动态释放实验两部分来进行考察。分别考察不同环境因子对这两种过程中磷释放的影响，研究现实河道中磷的释放规律，对景观河道的管理提出建议。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本实验所用材料取自天津经济技术开发区泰达人工景观河道表层沉积物。将采取的沉积物立即放入实验柱中用于表层沉积物磷动态释放实验，并将剩余部分放入冰箱冷藏。另取部分沉积物置于背光、通风处阴干，并研磨过100目筛，用于颗粒物再悬浮静态释放实验，并分别测定有机质含量、总磷、沉积物机械组成、pH等性质，结果如表1。

表1 TEDA河道沉积物物理化学性质

1.2 实验方法

1.2.1 解吸动力学实验方法

根据对实验河道—天津经济技术开发区泰达人工景观河道水质的三个月连续检测结果，水体盐度在4‰～8‰之间，据此在本实验中以连续检测结果的中位数选取5‰作为实验模拟盐度。

取22个250ml锥形瓶，于每个锥形瓶中加入100ml盐度为5‰的蒸馏水溶液。再加入沉积物2 g（过100目筛），置于恒温摇床上，每隔一定时间间隔取出，将悬浊液在3000 r∕min下离心15分钟，取上清液过0.45μm滤膜抽滤，测定滤液中磷的浓度。

1.2.2 解吸影响因素实验方法

实验准备同上，解吸12小时，离心，过滤步骤同上。测定水相中溶解态总磷的浓度。分别改变初始溶液的pH，盐度和水力扰动情况，研究以上影响因子对磷解吸的影响。

1.2.3 磷连续解吸实验方法

实验准备同上，解吸4小时，离心，过滤步骤同上。测定水相中溶解态总磷浓度。重复上述过程，直至溶液中检测不到磷为止。

1.2.4 磷动态释放柱实验

在实验中采用自制柱实验装置，实验柱内径100mm，高500mm，底面积为7.85×10-3m2，柱内有效容积为3.14×10-3m3。柱内底部填充沉积物厚度约40mm，入水口设置在距沉积物面约20mm处。根据实测河道水位与沉积物厚度，此比例约为10:1，据此出将水口设置为距沉积物面400mm，控制入水流速为260m l∕h连续进水，使柱内水体平均12小时更新一次。柱内设曝气装置，通过通入空气或是氮气来控制柱内的氧化还原状态。每隔12小时由出水口取水样，测定出水的pH、电导率和水温，同时测定柱底部水体的溶解氧。将所取水样过0.45μm滤膜抽滤，测定所得抽滤液中的溶解态总磷浓度。

通过在两个实验柱中分别通入氮气和空气的方法来控制上覆水的溶解氧含量，来研究上覆水的氧化还原状态对磷释放的影响。

1.3 分析方法

沉积物化学成分用X射线光电子能谱仪测定，有机质含量用经典的重铬酸钾法[5]，森林土壤pH值的测定采用国标方法（GB∕T 6920-1986）[6]，含盐量使用传统电导法测定[6]，水体中总磷的测定方法采用钼酸铵分光光度法(GB∕T 11893-89)[6]。

2 结果分析

2.1 颗粒物再悬浮静态释放实验

2.1.1 沉积物磷静态解吸动力学实验

在静态振荡条件下，沉积物中磷酸盐的解吸动力学曲线见图1，0～4小时内磷的解吸速度较快，沉积物中的磷快速向水体中迁移，最终沉积物中磷的释放量稳定在0.030mg∕g。

图1 沉积物磷酸盐静态解吸动力学曲线

4～24小时，此阶段水体中溶解态总磷的含量趋于稳定，是磷在水体和沉积物中相互迁移并逐渐达到平衡的时期。最终磷的解吸量稳定在0.026mg∕g。

在24～48小时，此阶段磷的释放量又有上升，主要是因为随着连续振荡时间的增长，瓶内的氧气已经逐渐被消耗殆尽，水体环境由好氧转变为厌氧。而在厌氧状态下，沉积物上的Fe∕Al磷更容易释放出来[7]，导致了磷解吸量的二次增高，这一结论在后续实验2.2.2中得到了证实。

2.1.2 沉积物的磷连续解吸能力

实验发现，沉积物所吸附的磷极易解吸，而且释放量大，通过连续12次解吸实验，我们可以看到虽然解吸量在逐渐降低，如图2，但总解吸量累计达到0.054mg∕g。此实验表明，泰达景观河道沉积物保持磷的能力较弱，所吸附的磷很容易在再悬浮过程中释放出来，对水体的健康威胁很大。

图2 沉积物中磷连续解吸量变化

2.1.3 水力扰动对浮沉积物磷解吸的影响

水力扰动是引起沉积物再悬浮的主要原因，本研究通过调节恒温摇床的振速来考察不同搅动条件对沉积物磷解吸的影响，实验结果如表2所列。分别设置摇床转速为90 r∕min，115 r∕min，135 r∕min 和 150 r∕min，磷的解吸量均有提高，从0.015mg∕g升高到0.018mg∕g。可见，对于泰达河道沉积物，水力扰动对磷的解吸成正相关。平均提高20r∕min的转速，磷释放量增加0.001mg∕g，说明泰达河道沉积物对磷的束缚力较弱，在较小扰动的情况下就可以大量析出，在此情况下加大扰动力度对磷的解吸不会产生太大影响。

2.2 磷动态释放柱实验

2.2.1 沉积物磷动态释放动力学实验

以自来水为水源，调节源水盐度为5‰，以柱装置首次出水为零时刻，连续进水120小时，测定其出水溶解态总磷（TDP）的浓度变化，实验结果如图3。

表2 环境因素对再悬浮沉积物磷解吸的影响

图3 沉积物磷动态释放动力学曲线

出水TDP浓度在零时刻最高，达到0.087mg∕l。此后出水中TDP浓度逐渐下降，至48小时趋于稳定，直至120小时试验结束，出水TDP浓度保持在0.054～0.064mg∕l的范围内，超过 GB∕T 12941-91景观娱乐用水水质标准中规定的C类水体的总磷浓度标准（0.050mg∕l）。也就是说，泰达河道沉积物已经转变为磷的源，沉积物所释放出的磷已经开始威胁到水体的健康。

2.2.2 上覆水环境对表层沉积物磷解吸的影响

上覆水的氧化还原电位的高低是由水体中溶解氧的含量决定的，因此，本实验通过在两个实验柱中分别通入氮气和空气的方法来控制上覆水的溶解氧含量，从而控制水体的氧化还原状态。柱内水温保持在20℃，厌氧柱中溶解氧在实验时间内始终为零，水体处于厌氧状态。好氧柱中溶解氧含量在7.00mg∕l上下小幅波动，水体溶氧达到饱和。实验中如图4所示，好氧柱中磷的释放量明显低于厌氧柱，在厌氧条件下，Fe3+向Fe2+转化[10]，磷酸铁溶解，同时被吸附的磷酸盐转变成溶解态而析出，沉积物表层的氢氧化铁层溶解，导致沉积物磷释放量增加。