氮、磷吸附/解吸法确定环保疏浚深度方法探讨——以太原汾河示范段为例

马永刚，程瑾，励彦德，葛高岭，苏召斌

1.中交(天津)生态环保设计研究院有限公司 .天津市疏浚工程技术企业重点实验室

河湖底泥既是营养盐的重要储存库，又是水体内源污染的源头[1]。水体和底泥存在吸附释放动态平衡，当水体污染较严重时，一部分污染物可通过沉淀或吸附作用进入底泥中；而当外源污染得到有效控制，水体水质得到改善时，底泥中氮、磷会释放出来，成为影响水质的重要因素[2-3]。因此，开展湖泊底泥污染控制是湖泊富营养化控制的重要内容。环保疏浚技术是国际上开展湖泊、水库污染底泥治理研究最早的技术，也是最有效、最广泛、最成熟的污染底泥控制技术之一[4]，其关键和难点在于疏浚参数的确定，如疏浚区位置和范围、有效疏浚深度、疏浚工艺和设备等，其中污染底泥有效疏浚深度是关系工程量、施工造价和治理效果的重要因素[5-6]。

目前，多通过底泥污染评价确定污染底泥有效疏浚深度。底泥污染评价方法有地累积指数法[7-9]、内梅罗指数法[10-12]、潜在生态风险指数法[12-13]等。丁涛等[7]在杭州开发区河流清淤项目，谢娟等[8]在小秦岭北坡双桥河评价项目中均利用地累积指数法对底泥污染程度进行评价，并由此确定有效疏浚深度；赵海涛等[12]采用内梅罗指数法、潜在生态风险指数法对滇池宝丰湾底泥污染程度进行评价，并确定有效疏浚深度。此外，也有研究采用单因子指数法[10]、富集系数法[14]、环境风险指数法[15]等对污染土壤进行评价。上述方法多以GB 15618—2018《农用地土壤污染标准》等[16-18]给定的重金属风险筛选值或风险管制值为参照值，以土壤重金属指标为基础进行风险评价。河湖底泥污染物包括营养盐、重金属和有机污染物等，国内一些湖泊底泥重金属超标往往不严重[19-22]，而以营养盐氮、磷超标为主。由于我国现行标准规范尚未明确底泥中营养盐浓度的标准，在进行底泥污染评价时通常取深部底泥营养盐浓度或以区域土壤背景值[23-24]作为参照进行统计分析，但该方法存在一定的局限性。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 样品采集与预处理

采用钻孔器进行底泥柱状样的采集。柱状样采样深度为3.0 m，根据垂向土质变化，柱状样可分为3层：0～0.8 m，淤泥质粉质黏土；0.9～1.6 m，细砂；1.7～3.0 m，细砂混黏性土。考虑到水上钻孔取样及卸样过程中可能产生交叉污染，在现场对底泥进行分割，取新鲜底泥样品用聚乙烯封口袋密封后冷冻保存。在实验室内经冷冻干燥、研磨、过100目筛后保存至聚乙烯封口袋备用。底泥化学组成见表1。同时采集柱状样处的上覆水样品，在实验室用0.45 μm纤维滤膜过滤，每L过滤水中加入3 mL氯仿，置于冰箱冷藏保存。

表1 柱状样不同深度底泥样品的化学组成

Table 1 Chemical contents of sediment in different depth of drilling core mgkg

表1 柱状样不同深度底泥样品的化学组成

底泥样品深度∕mpH1)TP 浓度TN浓度 NH+4-N 浓度有机质浓度砷浓度锌浓度汞浓度总铬浓度铜浓度铅浓度0～0.17.80 1 240 1 120 30.0 20 00015.9 84.9 0.04 102.0 7.7 31.4 0.3～0.47.75 1 580 1 900 356.0 18 00014.4 93.5 0.05 105.0 13.3 30.3 0.9～1.07.92 1 800 1 060 109.0 18 00014.2 96.4 0.09 113.0 10.8 31.6 1.4～1.68.12 1 070 560 15.010 000 12.0 69.0 0.06 106.0 17.7 24.2 1.9～2.08.40 580 520 4.0 9 00011.3 72.0 0.03 91.1 16.2 26.4 2.6～2.78.36 200 320 23.0 10 0007.8 59.4 0.02 74.4 13.4 26.7

1)pH无量纲。

1.3 试验设计

1.3.1试验流程

图1 有效疏浚深度确定流程Fig.1 Determination process of the effective dredging depth

1.3.2氮、磷吸附解吸试验

考虑到释放试验的工作量，根据土质垂向分布特点，按照钻孔深度0.4～0.5 m的间隔分别取0.3～0.4、0.9～1.0、1.4～1.6、1.9～2.0 m深度的底泥样品进行吸附/解吸试验。

1.4 污染底泥氮、磷吸附解吸量计算

底泥对氮、磷的吸附/解吸量计算公式[25]：

Q=(C0-Ce)V/W

(1)

式中：Q为吸附/解吸量，mg/kg；C0为初始浓度，mg/L；Ce为平衡浓度，mg/L；V为溶液体积，50 mL；W为底泥干质量，kg。

2 结果与分析

2.1 模拟水中氮、磷的吸附解吸特征

图2 柱状样不同深度底泥样品对吸附解吸特征曲线 adsorption-desorption characteristic curve of sediment in different depths of the drilling core

表2 柱状样不同深度底泥样品吸附解吸特征统计

图3 柱状样不同深度底泥样品对吸附解吸特征曲线 adsorption and desorption characteristic curve of sediment in different depths of the drilling core

表3 柱状样不同深度底泥样品吸附解吸特征统计

2.2 上覆水中氮、磷的吸附解吸特征

表4 柱状样不同深度底泥样品上覆水条件下吸附解吸特征统计

2.3 有效疏浚深度分析

图4 柱状样中氮、磷浓度随深度变化特征Fig.4 Nitrogen and phosphorus concentration variation characteristics with depth of drilling core

3 结论

(2)综合考虑底泥在模拟水、采样点上覆水中的氮、磷吸附/解吸特性，结合土层氮、磷浓度和地质特性，在疏浚后水质目标为Ⅴ类时，由柱状样试验确定的太原汾河示范段有效疏浚深度为1.6 m。