河道底泥营养物质生态风险及其吸附/解吸特征研究

2022-07-04王承刚纪智慧刘向荣

中国资源综合利用 2022年6期

王承刚，肖潇，纪智慧，刘向荣

（湖南新九方科技有限公司，湖南株洲 412007）

城市黑臭河道治理是水环境保护的重要内容，河底淤积的底泥作为河道黑臭污染的主要内源，其中沉积着大量的有机质、氮、磷等污染物质，使河道水质不断下降，因此，研究底泥的污染状况、评价其生态风险对于水环境控制和治理来说尤为重要。白石港是湘江株洲段最大的支流，总长约为10.5 km。河道曲折，一直未进行清淤疏浚，河道内整体淤积比较严重，加之河道位于城区，城市的迅速发展加剧了河道的环境恶化。

1 试验方法

1.1 样品采集与处理

本研究在白石港每间隔200 m 布置一个点位，共布设53 个点位，全柱状采样的底面至正常层下20 ～50 cm，分层取样，取样深度为160 ～260 cm，共取样210 个，样品装入聚乙烯密封袋后送实验室自然风干处理，去除杂质，研钵研磨后过200 目筛并保存。

1.2 分析方法

依据《湖泊河流环保疏浚工程技术指南》，选取同一点位0.00 ～0.15 m、0.15 ～0.65 m 以及0.65 ～1.15 m 三个深度的样品进行底泥氮磷吸附/解吸试验，其计算公式为：

式中：为单位质量沉积物的氮磷吸附量，mg/kg；为原溶液中氮磷浓度，mg/L；C为试验结束后溶液中氮磷浓度，mg/L；为加入样品中的溶液体积，L；为沉积物干样的质量，g。

利用回归法，可计算出吸附/解吸平衡浓度。分析检测全部采用国家标准推荐方法，有机质（OM）采用非分散红外吸收法，氨氮（NH-N）采用纳氏试剂分光光度法，总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法。

1.3 评价方法

底泥中污染物质解吸进入河道中会造成水体富营养化，具有潜在和持久的危害，其含量决定了对水生生物的危害程度和性质。采用单因子指数法，将评价指标的实测值与基准值进行比较，计算公式如下：

式中：P为指标的单因子指数；C为指标的实测值；K为指标的基准值。

经潜在生态风险评价，有机质、总氮、总磷的含量分别为1.724%、550 mg/kg、600 mg/kg。

2 结果与讨论

2.1 生态风险分析

由表1、图1 可知，白石港底泥污染程度的排序为：有机质＞总氮＞总磷。从垂直分布来看，三种营养盐在160 ～260 cm 的底泥深度内均有分布，主要集中于1 m 以内，随着深度加大，整体污染情况有所减弱。单因子评价结果显示，白石港底泥营养盐污染十分严重，各层超出基准值的现象十分突出，应该引起足够的重视。

图1 底泥单因子指数分析结果

表1 底泥的单因子指数

2.2 吸附/解吸试验结果分析

白石港沉积物对磷及氨氮的等温吸附曲线如图2所示。

图2 不同深度底泥对磷、氨氮的等温吸附曲线

沉积物对磷、氨氮的吸附/解吸规律较为一致，在初始浓度较低的情况下，首先是磷、氨氮的解吸过程，且解吸量随着溶液中营养盐浓度的增加而减小；随着营养盐浓度的继续增加，底泥逐渐进入吸附区，且吸附量随营养盐浓度的增大而增大。底泥对磷及氨氮的解吸量或吸附量基本与营养盐的平衡浓度呈线性关系。

利用沉积物对磷、氨氮的吸附量与溶液初始浓度进行线性回归，溶液初始浓度与试验所得的吸附量可以用Henry 方程拟合。

式中：为磷、氨氮的平衡吸附量，mg/kg；为沉积物本体吸附态磷、氨氮，mg/kg；为斜率（L/kg），可用来衡量沉积物对磷、氨氮的吸附效率；为吸附平衡时溶液的磷、氨氮浓度（mg/L），即=0 mg/kg 时吸附/解吸平衡点浓度，=/。

由表2 可知，拟合结果具有较高的显著水平（概率＜0.05），计算得到的磷吸附/解吸平衡浓度为0.103 ～0.229 mg/L，氨氮吸附/解吸平衡浓度为2.126 ～2.576 mg/L。研究发现，沉积物可与上覆水交换氮磷，这种源汇的角色可通过氮磷的来判别。当河水中氮磷浓度低于沉积物中氮磷浓度时，沉积物就会起到“源”的作用，反之就会起到“汇”的作用。对比及《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）V 类水质的磷（0.4 mg/L）、氨氮（2 mg/L）标准可知，现状条件下，白石港的底泥会吸附溶解性磷，降低水体营养成分，同时会提高自身的平衡吸附量，本底值增加，此时底泥充当“汇”的角色；但是对于氨氮，底泥将逐渐释放其吸附态氮，本低值降低，它充当“源”的角色，造成水质恶化。