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曝气复氧对富营养化水体底泥氮磷释放的影响.doc

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曝气复氧对富营养化水体底泥氮磷释放的影响.doc

专业文档,值得下载专业文档,值得珍藏曝气复氧对富营养化水体底泥氮磷释放的影响林建伟,朱志良,赵建夫同济大学环境科学与工程学院,上海200092摘要采用实验室模拟,研究了曝气复氧对富营养化水体底泥氮磷释放的影响,结果表明,①溶解氧是影响底泥氮磷释放的重要因素,厌氧状态会加速底泥氮磷的释放。②正常条件下曝气复氧可以有效的控制底泥总磷的释放曝气条件下高pH值无法控制底泥总磷的释放,搅动会对底泥总磷的释放产生轻微的影响,上覆水总磷浓度较高时底泥会发生吸磷现象,而温度则影响较小。③正常条件下曝气复氧可以控制比较封闭水体底泥氨氮的释放曝气条件下温度对底泥氨氮和总氮的释放影响较大,即温度越高,抑制氨氮和总氮的释放效果越好,且低温会导致底泥氨氮和总氮的大量释放曝气条件下搅动导致底泥释放更多的氨氮和总氮。关键词曝气复氧富营养化水体底泥氮磷中图分类号X52文献标识码A文章编号16722175(2005)06081204随着我国经济的发展和人们生活水平的提高,污水的产生量剧增,而我国的污水处理率较低,导致大部分污水没经任何处理直接排入水体,造成我国地表水体的严重污染。当地表水体污染较重时,污染物通过颗粒物的吸附、沉淀、水生生物死亡沉积等方式蓄存于底泥中当外源污染受到控制时,污染物又能从底泥中释放出来,成为地表水体的内污染源1。曝气复氧是目前国内外比较常用的修复受污染水体的一种方法2。曝气复氧技术是根据水体受到污染后缺氧的特点,人工向水体中充入空气或氧气,加速水体复氧过程,以提高水体的溶解氧水平,恢复和增强水体中好氧微生物的活力,使水体中的污染物质得以净化,从而改善受污染水体的水质,进而恢复水体的生态系统2。本文针对富营养化水体的底泥,采用实验室模拟,研究了曝气复氧对底泥氮磷释放的影响,为我国富营养化水体的修复提供技术支撑。1材料和方法1.1受试底泥利用自制的底泥采样器采集同济大学三好坞富营养化景观水体的底泥样品。采集的底泥样品送至实验室进行底质分析和氮磷释放实验。底泥的本底值分析指标包括pH值、有机质、总氮、总磷以及氨氮。氨氮和总氮采用土壤肥力智能测定仪分析测定pH值、总磷和有机质采用土壤理化性质标准分析方法测定。底泥的理化性质见表1。1.2模拟实验实验模拟分为两部分。实验一主要为厌氧和好氧的对照释放试验,分为2个方案,即方案1为厌氧作为对照,方案2为曝气复氧,室内水温为1521℃。实验二主要研究曝气条件下水动力学、温度、pH值和初始浓度对底泥氮磷释放的影响,分为12个方案,即方案3为室内水温(711.5℃)下的曝气复氧,方案4为水温20℃条件下的曝气复氧方案5为室内水温(6.87.4℃)条件下进行曝气复氧方案6为室内水温(6.87.4℃)条件下进行曝气复氧,且采用搅拌器每天早晚各搅动1次,搅拌强度为160r/min,搅拌持续时间为1min方案711曝气复氧的pH值分别为5、6、7、8和9.5方案1214曝气复氧的初始上覆水TP质量浓度分别为0.5,1.0和1.95mg/L。方案111采用2.5L试剂瓶作为模拟装置,方案1214采用5L试剂瓶作为模拟装置。完全混合均匀的新鲜底泥从反应器的顶部加入,使底泥的厚度约为5cm,再采用虹吸方法加入蒸馏水,加水工程中尽量避免干扰底泥。厌氧状态通过氮气吹脱实现。每间隔一定的时间测定反应器上覆水当中的氨氮、总氮和总磷和温度。氨氮采用纳氏试剂比色法测定,总磷采用钼酸铵比色法测定,总氮碱性过硫酸钾紫外分光光度法,温度则采用温度计测量。整个实验期间用黑布遮住反应器,避免阳光的影响。1.3数据处理底泥氮磷的释放通量采用下式进行计算iinionnCVCCVR1,表1受试底泥的主要理化性质指标Table1Physicchemicalproprietyofthesediments参数pHw有机质/w总磷/mgkg1w氨氮/mgkg1w总氮/mgkg1数值7.593.88832296200林建伟等曝气复氧对富营养化水体底泥氮磷释放的影响813其中,Rn为到第n天为止底泥氮磷的释放量(mg),V为反应装置中剩余水样的体积(L),Ci为第i次采样时氮磷的质量浓度(i1,2,,n)(mgL1),C0为初始氮磷的质量浓度(mgL1),Vi为第i次采取的水样体积(L)。2结果与讨论2.1曝气复氧控制底泥氮磷释放的效果分析图1为厌氧和好氧条件下底泥氨氮和总磷释放试验的结果。由图1可知,厌氧状态下底泥氨氮和总磷会很快释放出来,氨氮和总磷的平均释放速率分别达到31.5mgm2d1和7.3mgm2d1,并且两者均为开始阶段释放较快,随后释放速率逐渐下降而好氧条件下,底泥总磷的平均释放速率为0.53mgm2d1,仅为厌氧条件下的7.3,表明通过曝气保持富营养化景观水体上覆水好氧状态对于控制底泥总磷的释放是有效的氨氮好氧条件下开始阶段释放较快(05d平均释放速率为80mgm2d1),随着硝化作用的进行,从第5天以后氨氮浓度逐渐下降,到第11天氨氮质量浓度降至0.255mgL1,此后氨氮质量浓度一直保持较低的范围(0.0920.535mgL1),所以适宜的温度条件下对比较封闭的景观水体进行曝气是可以控制底泥氨氮的释放。文献3,4认为溶解氧较高的情况下,有利于Fe2氧化成Fe3+,Fe3+与磷酸盐结合形成难溶的磷酸铁,使得好氧状态下底泥对磷的释放作用减弱,且Fe3中性条件或者碱性条件下,生成的氢氧化铁胶体亦会吸附上覆水中的游离态磷。根据上述试验结果分析表明,三好坞景观水体底泥总磷的好氧释放机理与文献报道是相吻合的。对于底泥氨氮释放的机理,笔者认为曝气条件下开始阶段氨氮的大量释放主要是因为底泥有机质矿化作用所致,后期氨氮浓度下降主要是由于微生物的硝化作用所致。2.2曝气条件下搅动对底泥氮磷释放的影响图2为曝气条件下搅动对底泥氮磷释放影响的结果。图2表明搅动对底泥氨氮释放影响较大,搅动条件下20d的平均释放速率达到95mgm2d1,而对应的静置条件下的平均释放速率为56mgm2d1,即搅动加大了底泥氨氮的溶出曝气条件下搅动对底泥总氮释放的影响类似于氨氮曝气条件下搅动加大了底泥总磷的溶出,搅动条件下上覆水溶解性总磷平均为0.137mgL1,而静置条件下上覆水的溶解性总磷质量浓度平均为0.068mgL1,占搅动情况下的1/2,与厌氧条件下底泥磷的释放情况相比,好氧条件下一定程度上的搅动导致释放到水体的溶解性总磷含量远远小于后者。彭进平等的研究结果亦表明对于浅水性湖泊经扰动后再长时间的静置,水体的磷素会增加了255。而彭进平等的研究亦表明水体的溶解性总磷质量浓度与水体的流速存在明显的正相关关系,随着水体流速的增加,溶解性总磷质量浓度增大6。综上所述分析表明曝气条件下一定程度上的搅动对于底泥磷释放的影响还是有限的,原因可能是一定程度上的搅动一方面虽然造成底泥的再悬浮,加速了间歇水中磷的释放,而另一方面好氧状态有助于Fe3与磷酸盐结合为磷酸铁以及被氢氧化铁胶体所吸附而逐渐沉降。2.3曝气条件下温度对底泥氮磷释放的影响图3和图4分别为711.5℃和20℃曝气条件下氨氮、总氮和总磷的溶出情况。图2图4表明曝气条件下水温6.820℃之间温度对底泥氨氮和总氮的释放影响较大。当水温较低(6.87.4℃)时,微生物的硝化作用会受到抑制,导致底泥氮主05101520048121620t/d上覆水氨氮质量浓度/mgL100.10.20.30.40.5上覆水总磷质量浓度/mgL1静置好氧条件下氨氮溶出搅动好氧条件下氨氮溶出静置好氧条件下总氮溶出搅动好氧条件下总氮溶出静置好氧条件下总磷溶出搅动好氧条件下总磷溶出图2好氧条件下静置和搅拌对底泥氨氮和总磷释放的影响Fig.2EffectofagitationonammoniaandTPreleasefromsedimentsuneroxicconditions024681012051015202530354045t/d上覆水氨氮质量浓度/mgL100.511.522.53上覆水总磷质量浓度/mgL1厌氧氨氮释放好氧氨氮释放厌氧总磷释放好氧总磷释放图1底泥氨氮和总磷厌氧和好氧释放过程Fig.1ReleaseofammoniaandTPfromsedimentsunderanaerobicandoxicconditions温度1521℃814生态环境第14卷第6期(2005年11月)要以氨氮的形式释放,到第20天上覆水氨氮的质量浓度达到8.8mg/L当水温升高使微生物的硝化作用得以发挥作用时,上覆水和空隙水的氨氮逐渐被硝化成硝态氮,从而使上覆水氨氮的质量浓度下降,且温度越高,下降的越快(见图2,3)。温度高比温度低的水体曝气初期释放更多的总氮,后期上覆水总氮浓度下降情况跟温度密切相关,温度越高,下降的越快,而低温状态下总氮的质量浓度则一直上升(见图3)。原因主要是温度越高,微生物的有机质矿化作用、硝化作用和反硝化作用越强,而低温则会抑制微生物的活性。图4表明720℃之间曝气条件下温度对底泥总磷释放的影响不是很大。2.4曝气条件下pH值对底泥磷释放的影响图5为曝气条件下pH值对底泥磷释放影响的结果。图5表明当pH58之间时,底泥释放总磷的情况差别较小(pH5、6、7和8条件下上覆水总磷的平均质量浓度分别为0.043,0.046,0.057和0.066mg/L)而pH9.5条件下,底泥总磷得到大量释放,平均速率达到4.0mgm2d1。pH值对底泥总磷释放的影响可能跟pH值会影响到水中磷酸盐的存在形式有关。当pH58时,磷主要以H2PO4形式存在当pH810时,磷主要以HPO42形式存在而当以H2PO4为主要存在形式时,底泥对磷的吸附作用最大。此外,高pH值有利于磷酸根离子从氢氧化铁胶体中解吸附,从而会使更多的磷酸盐释放到上覆水当中。总之,对高pH值的富营养化水体进行曝气是无法控制底泥总磷的释放。2.5曝气条件下初始TP质量浓度对底泥磷释放的影响图6为曝气状态上覆水不同初始TP质量浓度条件下底泥对磷的吸附情况。图6表明曝气条件下当上覆水初始TP质量浓度较高时,底泥会发生吸磷现象,从而使上覆水的TP质量浓度逐渐下降,到第52天初始质量浓度0.5,1.0和1.95mg/L情况下的上覆水总磷的质量浓度分别下降至0.069,0.119和0.149mg/L,对应的去除率分别达到86、88和92。假设上覆水总磷质量浓度的下降速率与总磷质量浓度之间呈一阶关系,即dC/dtKt。对微分方程进行积分得到上覆水总磷质量浓度与时间的关系CC0expKt,其中C0为上覆水初始总磷质量浓度(mgL1),K为衰减常数(d1)。根据图6的实验数据进行拟合,结果见表2。表2结果表明图3好氧条件下温度对底泥氨氮和总氮释放的影响Fig.3EffectoftemperatureonammoniaandTNreleasefromsedimentsunderoxicconditions图4曝气条件下温度对底泥总磷释放的影响Fig.4EffectoftemperatureontemperatureonTPreleasefromsedimentsunderoxicconditions00.030.060.090.120.150.180.21010203040t/dpH68上覆水总磷质量浓度/mgL100.20.40.60.811.21.4pH9.5上覆水总磷质量浓度/mgL1pH5pH6pH7pH8pH9.5图5曝气条件下pH值底泥对总磷释放的影响Fig.5EffectofpHvalueonphosphorusreleasefromsedimentsunderoxicconditionssedimentsunderoxicconditions/024681004812162024283236t/d上覆水氨氮和总氮的质量浓度/mgL1711.5℃氨氮20℃氨氮711.5℃总氮20℃总氮00.020.040.060.080.10.120.14048121620242832t/d上覆水总磷的质量浓度/mgL1711.5℃20℃林建伟等曝气复氧对富营养化水体底泥氮磷释放的影响8153种初始TP质量浓度条件下底泥吸附总磷的规律基本满足一阶反应动力学方程。3结论采用实验室模拟,研究了曝气复氧对富营养化水体底泥氮磷释放的影响,结果表明,①溶解氧是影响底泥氮磷释放的重要因素,厌氧状态会加速底泥氮磷的释放。②正常条件下曝气复氧可以有效的控制底泥总磷的释放曝气条件下高pH值无法控制底泥总磷的释放,搅动会对底泥总磷的释放产生轻微的影响,上覆水总磷浓度较高时底泥会发生吸磷现象,而温度则影响较小。③正常条件下曝气复氧可以控制比较封闭水体底泥氨氮的释放曝气条件下温度对底泥氨氮和总氮的释放影响较大,即温度越高,抑制氨氮和总氮的释放效果越好,且低温会导致底泥氨氮和总氮的大量释放曝气条件下搅动导致底泥释放更多的氨氮和总氮。参考文献1孙傅,曾思育,陈吉宁.富营养化湖泊底泥污染控制技术评估J.环境污染治理技术与设备,2003,4861-64.SUNFU,ZENGSIYU,CHENJINING.AssessmentoftechniquesforsedimentpollutioncontrolwithineutrophiclakesJ.TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl,2003,4861-64.2孙从军,张明旭.河道曝气技术在河流污染治理中的应用J.环境保护,2001,412-14,20.SUNCONGJUN,ZHANGMINGXU.ApplicationofaerationtechniqueinriverpollutioncontrolJ.EnvironmentalProtection,2001,412-14,20.3汪家权,孙亚敏,钱家忠,等.巢湖底泥磷的释放模拟实验研究J.环境科学学报,2002,226738-742.WANGJIAQUAN,SUNYAMIN,QIANJIAZHONG,etal.SimulatedstudyonphosphorusreleaseofChaoLakesedimentJ.ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAE,2002,226738-742.4李文红,陈英旭,孙建平.不同溶解氧水平对控制底泥向上覆水体释放污染物的影响研究J.农业环境科学学报,2003,222170-173.LIWENHONG,CHENYINGXU,SUNJIANPING.InfluenceofdissolvedOxygenDOAmountsonreleasedpollutantfromsedimentstooverlyingwaterJ.JournalofAgroEnvironmentScience,2003,222170-173.5彭进平,逄勇,李一平,等.水动力过程后湖泊水体磷素变化及其对富营养化的贡献J.生态环境,2004,134503-505.PengJinPing,PangYong,LiYiPing,etal.Changeofphosphorusinlakeafterwaterdynamicalconditionanditscontributiontoeutrophication.EcologyandEnvironment.2004,134503-505.6彭进平,逄勇,李一平,等.水动力条件对湖泊水体磷素质量浓度的影响J.生态环境,2003,124388-392.PENGJINPING,PANGYONG,LIYIPING,etal.TheeffectofwaterdynamicalconditiononphosphorusinlakeJ.EcologyandEnvironment,2003,124388-392.EffectofaerationonreleaseofnitrogenandphosphorusfromsedimentsineutrophicwaterbodyLINJianwei,ZHUZhiliang,ZHAOJianfuEnvironmentalScienceEngineeringSchool,TongjiUniversity,Shanghai20092,ChinaAbstractEffectofaerationonnitrogenandphosphorusreleasefromsedimentswasresearched.Resultsshowthatdissolvedoxygenisthemainparameterforcontrollingthereleaseofnitrogenandphosphorusfromsediments,andanaerobicconditionscanstimulatenitrogenandphosphorusreleasefromsediments.Thereleaseofnitrogenandphosphorusfromsedimentsineutrophicwaterbodycouldbeinhibitedbyaerationundernormalconditions.UnderhighpHvalueandoxicconditions,agreatdealofphosphoruswouldbereleasedfromsediments.Theamountofsedimentphosphorusreleaseunderthestirringconditionwasmorethantheoneunderstillcondition.WhenTPconcentrationinoverlyingwaterwasheavy,phosphorusinwaterwouldbeabsorbedbysedimentsunderoxicconditions.Thereleaseofammoniaandtotalnitrogenfromsedimentswouldbegreatlyinfluencedbytemperature.Theamountofammoniaandtotalnitrogenreleasedfromsedimentsunderthestirringconditionwasmorethantheoneunderstillcondition.Keywordsaerationeutrophicwaterbodysedimentsnitrogenandphosphorus图6曝气条件下初始浓度对底泥总磷释放的影响Fig.6EffectofinitialconcentrationonTPreleasefromsedimentsunderoxicconditions表2拟合结果Table2Fittingresults序号C0/mgL1K/d相关系数R10.50.04090.91421.00.05020.88831.950.05010.95400.511.522.501020304050t/d上覆水总磷质量浓度/mgL10.5mgL11.0mgL11.95mgL1

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