城市河流底泥污染负荷研究

刘方照，陈 捷，李君菲

（广州市璞境生态保护技术有限公司，广州 510535）

内源污染是城市河流的重要污染源之一。城市河流的内源污染主要包括河道底泥释放的污染、水产养殖产生的污染以及水生动植物释放的污染[1-3]。其中，河道底泥的污染影响较大。水体中的有机物、重金属、营养盐在河底沉积，汇集到底泥中。河流底泥是污染物的汇集场所，污染物沉积在河流底泥中，随着水环境条件的变化，它又持续释放至水体中，造成水体污染，危害河流生态系统[4-5]。在水环境整治工作中，为达到预期治理效果，除了外源污染控制，还要重视内源污染治理。本文选择受生活污染源影响的城市河流，研究其底泥污染负荷，为城市河流污染源贡献分析和整治工作提供相关数据参考。

1 研究方法

本研究选取的城市河流位于广东省某城市。河流全长为13.95 km，流域面积为48.25 km2，平均河宽为10 m，多年平均水深约为1 m，多年平均流量为0.83 m3/s。河流水主要来自上游水库。水库的主要功能为防洪、供水和灌溉。但是，由于水库供水紧张，不能保证长时间水体下泄，因此河流流量较小，流速缓慢。河流周边的用地类型主要为居住用地及商业服务设施用地。2019年，沿河两岸已敷设截污管网，但存在管网破损、污水直排入河的情况。沿河无工业企业排水，外源污染以生活污染源为主。因河流流速缓慢，外源污染持续输入，河流溶解氧含量降低，形成缺氧环境，厌氧微生物产生的甲烷、硫化氢等气体在上升过程中将表层轻质底泥携带到水体中，底泥中的污染物释放，导致河流水质变差。2019年，该河流氨氮、总磷、溶解氧等指标存在不达标情况。

2020年3月，在中下游河段选取2 个采样点，使用抓泥斗和亚克力管采集河底0～20 cm 深的表层底泥。同时，采集采样点处的河水，作为试验上覆水。采集的底泥呈黑灰色软泥状，有明显臭味，含水量大。采集后的样品运至实验室4 ℃低温避光保存。河流底泥与上覆水体形成直接的污染物交换通道。水深较小或者上覆水体流动速度较大时，水流会影响泥-水界面结构，引起底泥中污染物的再悬浮释放[6-8]。在上覆水体静止和流动情况下，本试验通过分析不同时间段上覆水体的各指标变化规律，研究底泥内部污染物的释放情况。将采集的底泥分为2 组，加入上覆水后，1 组静置，1 组搅拌，连续采集7 d 上覆水样，分析污染物含量，并以此计算内源污染负荷。

1.1 样品分装

将采集的底泥分为2 组，每组试验称取等量的4 份供试底泥样品，将底泥均匀铺在烧杯底部。烧杯容积为1 000 mL，内径为105 mm，往其中缓慢加入上覆水，上覆水水深与底泥厚度基本模拟原场地特征，泥水体积比设置为1∶4。本试验使用的上覆水为采自底泥样品采样点位的河水。

1.2 模拟扰动

装填好底泥并加入上覆水样后，将烧杯置于六联搅拌器中，将搅拌桨深入上覆水体中，并保持搅拌头与底泥有一定的距离，避免搅拌头直接作用于底泥而对其造成直接扰动。搅拌桨转速设为250 r/min。

1.3 水质分析

静置及扰动模拟共持续7 d，每天相同时间采集各试验组的足量上覆水体样品，分别测定水样的氨氮、总磷含量。氨氮检测采用纳氏试剂分光光度法，总磷检测采用钼酸铵分光光度法。

2 内源污染负荷分析

试验期间，两个采样点的上覆水水质检测结果如表1、表2所示。与静置相比，搅拌条件下水体中污染物含量明显升高，说明水体的扰动将导致底泥污染物释放量增加。

表1 点位1 上覆水中氨氮与总磷浓度

表2 点位2 上覆水中氨氮与总磷浓度

2.1 点位1 上覆水水质

由图1 可知，静置条件下，点位1 上覆水中氨氮浓度逐日升高，第4 天浓度达到最高（20.64 mg/L），随后浓度逐渐下降，7 d 平均浓度为19.18 mg/L；搅拌条件下，上覆水中氨氮浓度第2 天达到最高（24.63 mg/L），7 d 平均浓度为20.54 mg/L。由图2 可知，静置条件下，点位1 上覆水中总磷浓度逐日升高，第7 天浓度达到最高（0.41 mg/L），7 d 平均浓度为0.33 mg/L；搅拌条件下，总磷浓度第2 天达到最高（1.88 mg/L），7 d 平均浓度为0.84 mg/L。

图1 点位1 上覆水中氨氮浓度变化

图2 点位1 上覆水中总磷浓度变化

2.2 点位2 上覆水水质

由图3 可知，静置条件下，点位2 上覆水中氨氮浓度第6 天达到最高（26.68 mg/L），7 d 平均浓度为24.46 mg/L；搅拌条件下，氨氮浓度第2 天达到最高（40.93 mg/L），7 d 平均浓度为32.59 mg/L。由图4 可知，静置条件下，总磷浓度第3 天达到最高（0.84 mg/L），7 d 平均浓度为0.7 mg/L；搅拌条件下，总磷浓度第3 天达到最高（6.09 mg/L），7 d 平均浓度为2.87 mg/L。

图3 点位2 上覆水中氨氮浓度变化

图4 点位2 上覆水中总磷浓度变化

2.3 污染物释放速率

根据上覆水水质变化情况，试验期间利用式（1）计算底泥中污染物释放速率[9-10]，并取7 d 平均值。各点位底泥样品的7 d 平均污染负荷数据如表3、表4 和表5所示。数据显示，静置条件下，点位1 底泥样品氨氮平均污染负荷为9.99 mg/（kg·d），点位2氨氮平均污染负荷为11.06 mg/（kg·d）；扰动条件下，点位1 氨氮平均污染负荷为13.20 mg/（kg·d），点位2 氨氮平均污染负荷为21.29 mg/（kg·d）。

表3 点位1 底泥污染负荷

表4 点位2 底泥污染负荷

表5 点位1 和点位2 的底泥污染负荷平均值

式中：R为底泥污染物氨氮、总磷释放速率，单位为mg/（kg·d）、mg/（m2·d）或mg/（m3·d）；V为试验柱中上覆水体积，L；cn为上覆水第n次采样中污染物浓度，mg/L；c0为上覆水中污染物初始浓度，mg/L；cj-1为上覆水第j-1 次采样中污染物浓度，mg/L；Vj-1为第j-1 次采样体积，L；m为底泥样品质量（kg），可替换为接触面积A（m2）或底泥体积Vs（m3）；t为时间，d。

静置条件下，以底泥质量、接触面积和底泥体积计，氨氮7 d 平均污染负荷为10.52 mg/（kg·d）、304.08 mg/（m2·d）、13 227.34 mg/（m3·d），总磷7 d 平均污染负荷为0.05 mg/（kg·d）、1.42 mg/（m2·d）、61.57 mg/（m3·d）；扰动条件下，以底泥质量、接触面积和底泥体积计，氨氮7 d 平均污染负荷为17.25 mg/（kg·d）、504.41 mg/（m2·d）、21 941.78 mg/（m3·d），总磷7 d 平均污染负荷为1.33 mg/（kg·d）、39.01 mg/（m2·d）、1 696.77 mg/（m3·d）。扰动条件下，污染物释放量较静置条件下增长。由此可见，对底泥的扰动越大，底泥中污染物释放量也越大。

3 结论

试验结果表明，内源污染是影响城市河流水质的重要因素，尤其是处于黑臭状态的城市河流，底泥持续向上覆水体释放污染物，造成水质恶化。在控制外源污染的输入后，要进一步调查内源污染的影响程度，必要时开展内源污染控制与治理工作。扰动条件下，底泥中污染物的释放量将较静置条件下增长。在水动力的作用下，底泥再悬浮将使其中的污染物释放到水体中，在内源污染治理中，要因地制宜，注意水动力条件变化对内源污染变化的影响，科学施策。