（环境科学与工程专业论文）南四湖表层沉积物中氮形态及吸附释放研究.pdf

山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t h i 第1 章绪论1 1 1 研究目的及意义1 1 2 国内外研究进展3 1 2 1 水体沉积物污染研究进展3 1 2 2 沉积中物氮形态的研究进展5 1 2 3 沉积物氨氮吸附解吸的研究进展7 1 3 主要内容一9 1 4 研究思路9 第2 章研究区域概况及研究方法1 2 2 1 南四湖区域概况1 2 2 1 1 南四湖湖泊概况1 2 2 1 2 南四湖主要污染源1 2 2 1 3 南水北调东线工程1 3 2 2 研究材料及分析方法1 4 2 2 1 布点及样品采集1 4 2 2 2 样品保存及运输1 5 2 2 3 样品处理与测试1 5 2 2 3 1 水样处理与分析1 5 2 2 3 2 沉积物样品处理与分析1 5 2 2 4 试验方法1 6 2 2 4 1 沉积物中氮形态分析1 6 2 2 4 2 沉积物对氮的吸附特征研究( 具体见第5 章) 1 7 2 2 4 3 沉积物对氮的释放特征研究( 具体见第5 章) 1 7 2 3 实验中所用的仪器和试剂1 7 2 3 1 仪器1 7 i 山东大学硕士学位论文 2 3 2 试剂1 8 第3 章南四湖水环境现状1 9 3 1 南四湖水环境现状1 9 3 2 水体氮、磷年际变化分析2 0 3 3 小结2 1 第4 章南四湖沉积物中氮形态及其分布特征研究2 2 4 1 试验方法2 2 4 2 结果与讨论2 3 4 2 1 表层沉积物中t n 及各形态氮含量及分布特征2 3 4 2 2 南四湖表层沉积物中有机质含量变化2 4 4 2 3 南四湖表层沉积物的粒度分布特性一2 4 4 3 讨。论2 5 4 3 1 上下级湖沉积物中各形态氮空间分布特征2 5 4 3 2 沉积物中各形态氮与沉积环境理化参数间的相关性分析2 7 4 3 3 沉积物中沉积物中氮、磷与上覆水中氮、磷的相关关系2 8 4 4 小结3 0 第5 章南四湖沉积物氨氮的吸附释放特征及影响因素3 l 5 1 试验方案一3 2 5 1 1 沉积物对氨氮的吸附释放试验3 2 5 1 2 温度对沉积物氨氮吸附释放的影响3 3 5 1 3p h 对沉积物氨氮吸附释放的影响3 3 5 2 分析方法3 4 5 2 1 吸附动力学3 4 5 2 2 吸附热力学3 5 5 3 结果与讨论3 6 5 3 1 表层沉积物氨氮吸附释放动力学特征3 6 5 3 1 1 沉积物氨氮吸附动力学特征3 6 5 3 1 2 沉积物氨氮释放的动力学特征4 0 山东大学硕士学位论文 5 3 1 3 氨氮释放动力学特征与其理化性质的相关性4 1 5 3 2 表层沉积物氨氮吸附热力学特征4 2 5 3 2 1 沉积物对氨氮的等温吸附及拟合4 2 5 3 2 2 沉积物对氨氮的吸附解析平衡浓度4 4 5 3 3 沉积物对氨氮的吸附释放影响因素的研究4 5 5 3 3 1 温度对氨氮吸附释放等温线的影响4 5 5 3 3 3p h 对氨氮吸附释放的影响4 7 5 4 小结4 9 第6 章结论。5 0 参考文献。5 2 1 l ! 贮谢! ；9 攻读硕士期间发表论文6 0 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c ti nc h i n e s e c o n t e n t s i a b s t r a c t i c h a p t e r 1 i n t r o d u c t i o n 。1 1 1r e s e a r c ho b j e c t sa n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2s u m m a r i z a t i o no f i 沁l a t i v er e s e a r c h e s 3 1 2 1d e v e l o p m e n to fs e d i m e n tp o l l u t i o n 3 1 2 2r e s e a r c hp r o g r e s so f n i t r o g e nf o r m si ns e d i m e n t 5 1 2 3r e s e a r c hp r o g r e s so f a m m o n i a n i t r o g e na d s o r p t i o n d e s o r p t i o n 7 1 3m a i nc o n t e no f t h er e s e a r c h 。9 1 4f r a m eo f t h er e s e a r c h 9 c h a p t e r2a r e ae n v i r o n m e n ta n dr e s e a r c hm e t h o d s 1 2 2 1a r e ae n v i r o n m e n to f n a r i s il a k e 一1 2 2 1 1o v e rv i e wo f n a r i s il a k e 1 2 2 1 2p o l l u t i o ni nn a n s il a k e 1 2 2 1 3t h es o u t h - t o - n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t 1 3 2 2r e s e a r c ho b j e c ta n da n a l y s i sm e t h o d s 1 4 2 2 1m o n i t o r i n g p o i n tl a y o u ta n ds a m p l i n g 1 4 2 2 2s a m p l es t o r a g ea n d t r a n s p o r t 1 5 2 2 3s a m p l ed i s p o s a la n da n a l y s i s 1 5 2 2 3 1w a t e rs a m p l ed i s p o s a la n da n a l y s i s 1 5 2 2 3 2s e d i m e n ts a m p l ed i s p o s a la n da n a l y s i s 一15 2 2 4e x p e r i m e n tm e t h o d s 1 6 2 2 4 1n i t r o g e nf r a c t i o n sa n a l y s i s 1 6 2 2 4 2a d s o r p t i o no f a m m o n i n an i t r o g e no ns u r f a c es e d i m e n t s 1 7 2 2 4 3r e l e a s eo f a m m o n i n an i t r o g e no l ls u r f a c es e d i m e n t s 1 7 2 3e q u i p m e n t sa n dr e a g e n t s 1 7 2 3 1e q u i p m e n t s 一1 7 i v 一 山东大学硕士学位论文 2 3 2r e a g e n t s 1 8 c h a p t e r3 p r e s e n ts i t i t u t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ti nn a n s il a k e 1 9 3 1w a t e rq u a l i t yi nn a n s il a k e 1 9 3 2i n t e r a n u u a lv a r a r i t i o no f t na n dt pi nn a n s il a k e 2 0 3 3b r i e f s u m m a r y 2 1 c h a p t e r 4d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tf o r m s o fn i t r o g e ni nt h e s e d i m e n t 。2 2 4 1e x p e r i m e n tm e t h o d s 2 2 4 2r e s u l t s 2 3 4 2 一t h ec o n c e n t r a t i o n so fd i f f e r e n tn i t r o g e nf o r m si nt h es e d i m e n t s 2 3 4 2 2t h ec h a n g eo f o r g a n i cm a t t e rc o n t e n ti nn a n s il a k e 2 4 4 2 3p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n ts a m p l es i t e s 2 4 4 3d i s c u s s i o n 2 5 4 3 1d i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n t f r a c t i o n so fs e d i m e n t si nn a n s il a k e 2 5 4 3 2p e a r s o nc o r r e l a t i o ne o e f f i c i e n t sb e t w e e nt h enf r a c t i o n sa n ds e d i m e n t p h y s i c o - c h e m i c a lp r o p e r t i e s 2 _ 7 4 3 3t h ec o r r e l a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r o u sb e t w e e no v e r l y i n gw a t e ra n d s e d i m e n t s 2 8 4 4b r i e l s u m m a r y 3 0 c h a p t e r5s t u d yo na d s o r p t i o na n dr e l e a s eo f a m m o n i n an i t r o g e na n d i n f l u e n c eo fp h y s i c a la n dc h e m i c a lf a c t o r so ns u r f a c es e d i m e n t s 3 1 5 1e x p e r i m e n tm e t h o d s 3 2 5 1 1a m m o n i n a n i t r o g e na d s o r p t i o na n dr e l e a s eo fs u r f a c es e d i m e n t s 3 2 5 1 。2e f f e c to ft e m p e r t u r eo i lt h ea m m o n i n a n i t r o g e na d s o r p t i o na n dr e l e a s e3 3 5 1 3e f f e c to f p hv a l u eo nt h ea m m o n i n an i t r o g e na d s o r p t i o na n dr e l e a s e 3 3 5 2a n a l y s i sm e t h o d s 3 4 5 2 1a d s o r p t i o nk i n e t i cc o u r s e 3 4 5 2 2a d s o r p t i o ni s o t h e r m 3 5 ， 山东大学硕士学位论文 5 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 3 6 5 3 1a m m o n i n an i t r o g e na d s o r p t i o na n dr e l e a s e n 舐cc o u r s e 3 6 5 3 1 1a m m o n i n an i t r o g e na d s o r p t i o nk i n e t i cc o u r s eo fs e d i m e n t s 3 6 5 3 1 2a m m o n i n an i t r o g e nr e l e a s ek i n e t i cc o u r s eo fs e d i m e n t s 4 0 5 3 1 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l e a s ek i n e t i cc o u r s ea n d p h y s i c a la n d c h e m i c a lf a c t o r s 4 1 5 3 2a m m o n i n an i t r o g e na d s o r p t i o ni s o t h e r mo fs u r f a c es e d i m e n t s 4 2 5 3 2 1f i t so f a m m o n i n a n i t r o g e na d s o r p t i o ni s o t h e r m 4 2 5 3 。2 2a d s o r p t i o n d e s o r p t i o ne q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o n so fs e d i m e n t s 。一4 4 5 3 3e f f e c t so f f a c t o r so na m m o n i n an i t r o g e na d s o r p t i o na n dr e l e a s e 4 5 5 3 3 1e f f e c to f t e m p e r t u r eo na m m o n i n an i t r o g e na d s o r p t i o na n dr e l e a s e 4 5 5 3 3 3e f f e c to f p hv a l u eo na m m o n i n an i t r o g e na d s o r p t i o na n dr e l e a s e 4 7 5 4b r i e f s u m m a r y 4 _ 9 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n s 5 0 r e f e r e n c e s 5 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 9 p u b l i s h e dp a p e r s 0 0 0 0 0 06 0 山东大学硕士学位论文 摘要 南四湖位于山东省西南部的微山县境内，由北向南依次由南阳、独山、昭 阳和微山四个无明显分界的湖区组成，是华北平原面积最大的淡水湖，是南水 北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊。其水质对湖区工农业生产、生态系 统平衡以及南水北调的水质具有重大影响。南水北调东线工程治污规划实施意 见规定，南水北调东线输水干线水质需达到地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 的i i i 类标准。在外源污染得到有效控制以后，积累在湖泊沉积物 中的营养盐在物理、化学、生物等多种因素的作用下，仍然会作为内源不断向 水体中释放营养元素，湖泊的内源污染物的释放成为当前湖泊富营养化治理的 主要问题。因此研究沉积物中营养盐内源负荷及其吸附释放就显得尤为重要， 这对水质保证具有非常重要的意义。前人已对南四湖现代沉积物的营养元素的 分布特征、重金属形态组成及污染情况、磷的化学形态及其在实验室条件下的 释放规律做了相关研究，而对于引起富营养化的另一重要元素氮的研究却鲜有 报道。 因此，本文采用“野外采样调查一实验室模拟实验 的思路，对南四湖上 覆水和沉积物的理化性质进行分析并开展氨氮吸附解吸模拟实验的研究。经研 究得出以下主要结论： 在分析南四湖及周边地质环境条件的基础上，进行水环境质量评价发现， 南四湖大部分水域水质属于国家地面水标准中的i ，级范畴，即全湖属微污 染和轻污染类型，清洁水在湖中已不复存在。南四湖现接纳流域内排放的污水 废水的稀释扩散能力已十分有限，生态环境、自然资源和经济社会发展的矛盾 也日益突出。 对南四湖表层沉积物中各形态氮含量及其分布特征和相关环境因素进行了 分析，结果表明，南四湖上下级湖区表层沉积物中除s a e f - n 外，t n 及各形态 氮含量差异显著且上级湖明显高于下级湖区；下级湖表层沉积物中t t n 占t n 含量的比列明显高于上级湖：南四湖沉积物中氮元素成分主要结合在沉积物中 的细粒粘土成分中；南四湖上覆水中t n 和氨氮与表层沉积物中t n 和各形态 氮没有表现出显著的正相关关系，这说明南四湖湖水中的氮元素主要来源于入 湖河流；沉积物中的氮磷比在1 5 - - 4 5 ，低于r e d f i d d 指数，上覆水中的氮磷 山东大学硕士学位论文 比为1 3 7 - - 2 4 1 ，略高于r e d f i e l d 指数，进一步说明南四湖目前水体中的氮磷 元素主要来自于入湖河流；沉积物中的t n 含量在近1 0 年间下降很大且磷仍然 是南四湖湖最主要的限制性营养元素。 沉积物氨氮的吸附特性的相关研究表明，沉积物对氨氮的吸附是符合准二 级动力学过程，是一个复合动力学过程，包括快速吸附和慢速吸附。快速吸附 主要发生在0 3 h 内，吸附在6h 左右达到平衡。对氨氮的吸附热力学的研究发 现： 7 种湖泊沉积物氨氮的吸附等温线同时满足模型h e n r y 模型和f r e u n d l i c h 模型， 其拟合程度都达到了极其显著的效果，而l a n g m u i r 对数据无法拟合或拟合结果 没有达到显著水平。在低浓度梯度区间内，沉积物氨氮的吸附解吸等温线呈很 好的线性关系，全湖氨氮的e c o 最小值为0 9 8m g l ，出现在下级湖独山湖； 最大值4 1 6m g l 出现在上级湖的南阳湖。平均为2 4 2m g l ，南四湖沉积物是 上覆水体营养盐的“源。温度、p h 值对氨氮吸附特性研究发现，升高温度会 对吸附产生抑制作用，从而沉积物的平衡吸附量减小。在一定浓度范围内，氨 氮的吸附并不是单纯的物理吸附，同时也是一个与热交换相关的化学过程。在 氨氮平衡浓度小于1 5 m g l 左右时，p h 对吸附量的影响不明显，但当氨氮平衡 浓度大于1 5 m g l 左右时，p h 越大，吸附量越大。当p h 在5 9 之间变化时， p h 值升高有利于沉积物对氨氮的吸附。 南四湖表层沉积物氨氮释放的动力学过程符合一级动力学曲线，氨氮释放 平衡时间在3 6 0 r a i n 。其释放动力学特征与总氮、总磷呈现较好的相关性，与有 机质、颗粒组成理化指标相关性较弱。与可转化态氮呈现极显著正相关关系， 与非可转化态氮的相关性较弱，这说明样品中氨氮的释放量主要受其可转化态 氮含量控制。 改变不同的p h 、温度，探讨其对沉积物中氨氮释放的影响。结 果发现p h 通过改变水体中离子交换吸附、沉淀一溶解、化学平衡等机制，氨 氮释放表现出不同的特点。酸性条件下，随着p h 值的升高，氨氮释放量减少； 中性条件下，氨氮释放量最小；碱性条件下，氨氮的释放量增强。随着温度的 升高，氨氮的释放量增强。 关键词：南四湖；沉积物；氮形态；氨氮吸附释放 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n a n s il a k el o c a t e di nw e i s h a nc o u n t y , i st h el a r g e s tl a k ei ns h a n d o n gp r o v i n c e a n dt h en o r t h e r na r e ao fc h i n a , w h i c hc o n s i s t so ff o u rl a k e s ( n a y a n gl a k e ，d u s h a n l a k e ，z h a o y a n gl a k e ，w e i s h a nl a k e ) w i t h o u tc l e a rd e m a r c a t i o no f t h el a k ed i s t r i c t f r o mn o r t ht os o u t ha n di sa ni m p o r t a n tb u f f e rl a k eo ft h es o u t h - t o - n o r t hw a t e r d i v e r s i o np r o j e c t ( e a s tr o u t e ) t h ew a t e rq u a l i t yo ft h el a k ed i s t r i c th a sg r e a t i n f l u e n c eo i li n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t , a n d t h ew a t e rq u a n t i t yo fh es o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e re a s tr o u t ep r o j e c t t h e w a t e rq u a l i t ys h o u l dm e e tn a t i o n a lg r a d ei i i ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) a c c o r d i n gt ot h e p o l l u t i o np l a n n i n g c o n t e n t sa n di m p l e m e n t a t i o no ft h es o u t h t o - n o r t hw a t e r d i v e r s i o np r o j e c t ( e a s tr o u t e ) u n d e rt h ee f f e c t i v ec o n t r o lo fe x t e r n a ls o u r c ep o l l u t i o n ， n a n s il a k ei st h r e a t e n e d 、析t hn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa c c u m u l a t e di nt h es e d i m e n t u n d e rt h ej o i n ta c t i o n so fp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lf a c t o r s t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo ft h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r so fs e d i m e n t a lp o l l u t i o na n di t sr e l e a s er u l es e e m t ob ep a r t i c u l a ri m p o r t a n c ef o rt h ep r e s e r v a t i o no fw a t e rq u a l i t y 。s o m er e s e a r c h e s h a v eb e e nd o n eo nt h ed is t r i b u t i o nc h a r a c t e r so fp h o s p h o r u sa n dh e a v ym e t a l p o l l u t i o na n di t sr e l e a s er u l e w h e r e a s ，t h es p e c i a l s t u d i e so fn i t r o g e nw h i c hi s a n o t h e rl i m i t i n gf a c t o ro ft h ee u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb o d i e si sr e l a t i v e l yl e s s b a s e do i la b o v e ，“r e s e a r c h s i m u l a t i o ne x p e r i m e n f i d e aw a su s e d ，p h y s i c a la n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o fw a t e rb o d ya n ds e d i m e n tw e r ea n a l y z e d ，a s w e l la s a d s o r p t i o n d e s o r p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn w a ss t u d i e d m a jo rc o n c l u s i o n sw e r e d e s c r i b e da sf o l l o w s ： t h eq u a l i t yo fw a t e rw h i c hi sh e a v i l yp o l l u t e dm e e tt h eg r a d ei l l ，i vo ft h e c h i n as u r f a c ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ( g b 38 38 - 2 0 0 2 ) ，t h ew a t e ro ft h el a k e i s a f f e c t e db yl i g h tp o l l u t i o na n dm e d i u mp o l l u t i o n t h i ss h o w st h ea b i l i t y o f w a s t e w a t e rd i l u t i o na n dd i s p e r s i o ni sl i m i t e di nn a n s il a k e t h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dn a t u r a lr e s o u r c e so nt h eo n eh a n da n d e c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n to nt h eo t h e r i s b e c o m i n gi n c r e a s i n g l y i i i 山东大学硕士学位论文 c o n s p i c u o u s d i f f e r e n tn i t r o g e nf o r m si nt h es e v e ns u r f a c es e d i m e n t so fn a n s il a k ew e r e s e p a r a t e db ym e a n so fs e q u e n t i a le x t r a c t i o n ，a n da n a l y z e dt h e i rc o n t e n t s ，d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t e df a c t o r s t h et r a n s f e r a b l en i t r o g e nc a nb ed i v i d e di n t of o u r f o r m s ，i o ne x c h a n g e a b l ef o r m0 e f - n ) ，w e a ka c i de x t r a c t a b l ef o r m ( w a e f - n ) , s t r o n ga l k a l i n ee x t r a c t a b l ef o r m ( s a e f - n ) a n ds t r o n go x id a n te x t r a c t a b l ef o r m ( s o e f - n ) a n da n a l y z e dt h e i rc o n t e n t s ，d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c i n g f a c t o r s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t e n to ft o t a ln i t r o g e na n dd i f f e r e n tt r a n s l a t e n i t r o g e nf r a c t i o n s ( e x c e p ts a e f n ) i nt h eu p p e rn a n s il a k ei sh i g h e rt h a nt h el o w e r l a k ed i s t r i c t t h er a t i oo ft t n ，t ni nt h el o w e rl a k ei sh i g h e rt h a nt h eu p p e rn a n s i l a k e n i t r o g e nm a i n l yc o m b i n e sw i t l lg r a i n e ds e d i m e n t si nn a n s il a k e t h e r ei sn o s i g n i f i c a n c ec o r r e l a t i o no ft n ，a m m o n i an i t r o g e nb e t w e e ns e d i m e n t sa n dw a t e r , w h i c hp r o v e st h a tm o s to ft h e n i t r o g e nc o m e sf r o mi t sm a i ni n f l o wr i v e r s a sar e s u l t ， t h en pr a t i oi ns e d i m e n t si so n l ya b o u t1 5 - - 4 5b e l o wr e d f i e l di n d e x ，w h i l et h en p r a t i oi nw a t e ri s1 3 7 - 2 4 1h i g h e rt h a nr e d f i e l di n d e x ，w h i c hf a r t h e ri l l u s t r a t e st h a t t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o m ef r o mi t sm a i ni n f l o wr i v e r si nn a n s il a k e a l t h o u g ht h ec o n c e n t r a t i o no ft nd e s c e n d e dg r e a t l yi nt h el a s to n ed e c a d e , p h o s p h o r u si st h em o s tr e s t r i c t i n gn u t r i t i o u se l e m e n t s o r p t i o ni s o t h e r m so fg u m m o n i u ma n da d s o r p t i o nt h e r m o d y n a m i c sp a r a m e t e r o ns u r f a c es e d i m e n t st a k e nf r o mn a n s il a k ew e r ed e t e r m i n e di nl a b o r a t o r y t h e r e s u l t so fa m m o n i an i t r o g e na d s o r p t i o nd y n a m i c so ns e d i m e n t ss h o w e dt h a tt h e a d s o r p t i o ni n c l u d e dt w op h a s e s ：f a s ta n ds l o wa d s o r p t i o n t h ea d s o r p t i o no n s e d i m e n tm a i n l yo c c u r r e dw i t h i nm 击h l a n g m u i re q u a t i o nc o u l d n ts i m u l a t eo r s i m u l a t er e s u l t sc o u l d n tr e a c hr e m a r k a b l el e v e lw h i l et h ea m m o n i u ma d s o r p t i o n i s o t h e r m sc u r v e sw e r ef i t t e dt oh e n r ye q u a t i o na n df r e u n d l i c he q u a t i o na n ds i m u l a t e w e l l t h eh e n r ym o d e lc a nw e l ld e s c r i b et h er e s u l t so ft h ea m m o n i u ms o r p t i o n i s o t h e r m sa tl o wc o n c e n t r a t i o n s ,a n dt h ea d s o r p t i o n d e s o r p t i o n e q u i l i b