（环境科学专业论文）城市内河沉积物营养盐污染特性及释放规律研究.pdf

a b s t r a c t i nc e r t a i nc o n d i t i o n , i n t e r n a lna n dp 啪b er e l e a s e di n t ow a t e r , w h i c hc a n s h a r p e ne u t r o p h i c a t i o n t h e r e f o r ei n t e r n a lna n dpw o u l dp l a yak e yr o l ei nt h er i v e r r e s t o r a t i o na f t e re x t e r n a lna n dpl o a dr e d u c t i o n t a k i n gq i n h u a ir i v e rs e d i m e n ta st h e o b j e c t , t h ep a p e rs t u d i e dt h ef o r m so fi n t e r n a lna n dp t h er u l eo fr e l e a s ea n dt h e c o n t r o lm e a s u r e si ns i m u l a t e dl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，w h i c hs u p p o r t e db ys t a t ek e y l a b o r a t o r yo fh y d r o l o g y - w a t e r r e s o u r c e sa n d h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g , h o h a u n i v e r s i t y u s e st h em o d e l l i n gt os t u d yt h ee x i s t e n c es h a p eo fe n d o g e n en i t r o g e na n d p h o s p h o r u s ，t h er e l e a s er u l ea n dt h ec o n t r o lm e t h o d ，p r o v i d i n gr e s 招f o rt h eq i i l l l u a i r i v e re c o l o g yr e p a i ra n dt h ec i t yi n l a n dr i v e rd r e d g i n gs c i e n c e l y ( 1 ) t h es t r a t i f i e d i n t e r s t i t i a lw a t e ri ns e d i m e n tw a sm o n i t o r e d 1 kr e s u l t i n d i c a t e dt h a te a c hr e s e a r c ht a r g e tc o n t e n ti nt h eb o d yi n t e r s t i t i a lw a t e ri sm u c hh i g h e r t h a nt h a to ft h er e h y d r a t eb o d y , i np a r t i c u l a ra m m o n i an i t r o g e nc o n t e n t i ti n d i c a t e d t h a tt h e r eh a st h ev e r ys t r o n gr e l e a s et e n d e n c yf o rt h ev e r yg r e a tc o n c e n t r a t i o n g r a d i e n tb e t w e e nt h ew a t e ra n ds o i lc o n t a c ts u r f a c e t h e r ew 蠲e v i d e n tr c l a t i “婶 b e t w e e nt h et o t a ld i s s o l v e dpa n dd i s s o l v e dpi nt h ep o r e w a t e ra n db e t w e e nf e r r o u s i r o na n dt h ed i s s o l v e dp 1 1 1 eh i g h e rd e g r e eo fc o r r e l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ev a r yo f t h et o t a ld i s s o l v e dpi np o r e w a t e rw a sm a i n l yi m p a c t e do nd i s s o l v e dpa n dt h er e l e a s e o f pi ns e d i m e n th a si n t i m a t ec o r r e l a t i o nw i t ht h ec o n d i t i o no f o x i d a t i - r e d u c t i o no f s e d i m e n t ( 2 ) d i f f e r e n tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf o r m si ns e d i m e n t sw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ea m o u n to f t na n dt pd e c r e a s e dw i t hs e d i m e n td e p t h , a n dt h e w e i g h tr a t i ob e t w e e nt na n dt p i so 9 8t 03 1 3 s oni st h ec o n t r o lf a c t o ro fa l g ai n q i n h u a ir i v e r t h ep r o p o r t i o no fi n o r g a n i cpt ot pi ns e d i m e n ti s8 7 一9 7 a n d a c t i v ept ot pi s3 8 - - 4 3 t h e r eh a sg o o dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt o t a ln i t r o g e na n d o r g a n i cp h o s p h o r u s , w h i c hs h o w st h a t 也e yh a ss o r t i ec o n c o r d a n c eo f t h es o u r c e ( 3 ) s t a t i s t i c a la n a l y s i so fd i f f e r e n td r e d g i n gd e p t ht on u t r i e n tr e l e a s ew a s m e a s u r e d 硼1 er e s u l ts h o w st h a ti th a ss o m ec o n t r o lt opr e l e a s ea tt h ed r e d g i n g b e g i n n i n g , b u tv a r i o u sc r o s ss e c t i o n sa p p e a rs c o u rt h ed e p t hw h i c ht h er e l e a s es p e e d r e m a r k a b l ed r o pc o r r e s p o n d st oh a v ed i f f e r e n t l y t h e r ei sl i t t l ed i f f e r e n c eo f n i g + - n r e l e a s es p e e df i o md i f f e r e n td r e d g i n gd e p t h i nav e r yl o n gp e r i o do f t i m e , t h ec o n t r o l e f f to fd r e d g i n gt o 譬q ：“适r e l e a s ei so b v i o u sa n dt h er e l e a s es p e e do b v i o u s l y r e d u c e s ( 4 ) s t u d yo nt h er e l e a s ee f f e c t so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s0 1 1n a n dpf r o mu r b a n c h a n n e ls e d i m e n t s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h er e l e a s er a t i ow h e nt h eo v e r l y i n g w a t e ri sd i s t i l l e dw a t e ri sm u c hh i g h e rt h a nt h a to fr i v e rw a t e r i l l u m i n a t i o ni s d i s a d v a n t a g e o u st ot h ee n d o g e n en a n dt h ept e l o a s e d i s t u r b u r a n c ei sa d v a n t a g e o u s t ot h ee n d o g e n ena n dpr e l e a s ea tt h eb e g i n n i n g ，b u tt h er d e a s ei n t e n s i t yi ss m a l l e r e v e nh a ss o m ed e c l i n i n gw h e n t h e yr e a c hm a x i m a lr e l e a s e t h er e l e a s eo f n a n dpw i l l b ea c c e l e r a t e dw i t l lh i g b e rt e m p e r a t u r e a n da l o n gw i t hr e l e a s ec a r r y i n go n , v a r i o u s g l o s ss e c t i o n sn h 4 + - na n dt nr e l e a s es p e e de l e v a t ea l o n gw i t ht h et e m p e r a t u r e o b v i o u s l yd r o p s u n d e rt h ew e a ka c i da n dw e a kb a s i c i t yc o n d i t i o n t h eb o t t o mp u t t y r e l e a s e sp q u a n t i t yt ob eh i g h e rt h a nt h en e u t r a lc o n d i t i o n , n i - 1 4 + - nr e l e a s es p e e di s u p p e ru n d e ra c i dc o n d i t i o n , a n da l o n gw i t hp hi n c r e a s eo f t h eo v e r l i n gw a t e r , n i - h + - n r e l e a s es p e e dd r o p si nt h es e d i m e n t s na n dpr e l e a s eq u a n t i t yo b v i o u s l yi na n a e r o b i c c o n d i t i o ni sh i g h e rt h a nt h a to f o x y g e nc o n d i t i o n k e yw o r d s ：s e d i m e n tn i t r o g e n p h o s p h o r u sp o r ew a t e rp h o s p h o r u sf o r m s r e l e a s e s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：! ! ! ：兰护7 年r 月侈日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家 图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学 位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期 内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公 布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：型砷年r 月f 多日 城市内河沉积物营养盐污染特性及释放规律研究 第一章绪论 1 1 问题的提出与研究意义 我国的河流资源丰富，为我们提供了供水用水、水利防洪、水产养殖、气候 调节等多种利用功能。然而，一个时期以来，随着人类活动的加剧及人们环保意 识的淡薄，河流面临着水质逐年恶化、富营养化问题日益严重、生物资源不断退 化等问题。一方面，工、农业的迅速发展和城市化进程，大量未经处理的工农业 废水和生活污水源源不断地排入水体；另一方面，人类通过河岸忖砌、水产养殖 等破坏河流自然生态环境，减少了营养盐输出途径，结果导致我国许多河流都受 到严重的污染，且仍有继续加剧的趋势【1 1 城市的形成和发展与河流息息相关。 城市内河与地表径流有较大不同，大多内河水系与外水系不连通，且水流流速缓 慢，类似于静止水体。我国城市河流由于历年排放的污染物大量聚集在沉积物中， 内河的污染状况往往同区域内的历史情况有关，如区域内原有及现有工厂、企业 及生活污水的排污情况以及雨水的产生和收集情况等。 营养盐是造成河流富营养化的重要原因，营养盐来源按进入途径可分为外源 和内源。外源污染又可分为两大类：点源，来自流域的城镇生活污水和工业污 染源排放；面源，来自流域的农田径流、畜禽养殖、水产养殖及其它面源。随 着外源污染的控制，内源污染日益成为水体富营养化的主要来源。内源污染是由 于河底沉积物中液态营养盐向上覆水中释放，在动力作用下营养盐再悬浮造成 的，在这种因素影响下，即使大幅度削减外源污染负荷，仍可能引起藻类爆发， 所以内源污染成为水体藻类爆发的关键因素。据调查，河流内总磷、总氮等营养 盐含量增高，藻类爆发，透明度下降，有害气体产生，溶氧大量消耗，鱼类死亡， 水质日益变差。在很多地区水质性缺水己严重制约了地方经济的可持续性发展， 城市内河流的发黑发臭已严重影响市民的正常生活，因此解决河流营养盐的污染 问题已经迫在眉睫 2 - s l 。 沉积物疏浚是目前水体富营养化治理中采用较多的一种方法。沉积物疏浚根 据疏浚目的不同，琉浚可分为工程疏浚和环境疏浚，但是机械清淤工程存在2 个 问题：( 1 ) 成本高。以昆明滇池草海为例，近年来，共挖沉积物4 0 0 万t ，耗资 河海大学硕士学位论文 2 5 亿元，折合6 2 5 元f 1 1 6 ，机械清淤l h r r t 2 沉积物约需9 9 2 4 。7 万美元。( 2 ) 不 能从根本上控制湖泊富营养化。濮培民等i 。7 】曾对这一问题作过详细论述。他认为 沉积物是污染汇，而不是许多学者认为的内污染源；清淤在短期内会改善水质， 但从月和季的长时段看，清淤不是彻底控制富营养化的方法。引水冲洗是给河湖 定期换水有效的方法，但其成本更是可观，许多水资源紧缺的地方无法采用，即 便是水网地区，由于种种原因，也无法经常实施。由于环境沉积物疏浚费用较高， 含有毒物质沉积物的处置问题较为麻烦，故在是否进行沉积物疏浚闯题上一般比 较谨慎。在美国，沉积物采取任何工程措施前，必须提供详尽的沉积物样品和分 析报告、古生物学和古湖沼学的研究报告嗍。国外工程疏浚主要用于河1 2 1 、港湾 等的清淤，环境疏浚主要为了去除河流、港湾重金属及p c b s 等持久性有机污染 物，如美国e p a 在h u d s o n 河及其流域实施l o 年之久的清除p c b s 沉积物疏浚 项目嘲因此，国外沉积物疏浚效果研究较多的是河口，港湾的疏浚对环境的影 响，水化学方面的研究主要集中在沉积物的再悬浮上( d ej o n g e ，1 9 9 5 ) ，如f a l c a o m 等研究了葡萄牙南部沿海水域疏浚前后沉积物和上覆水的物理和化学变化【l o l 。 随着疏浚技术及水平的不断提高，我们进行沉积物疏浚的方法也由过去的工 程疏浚转变成目前的生态环保琉浚。生态疏浚能够清除高营养盐含量的表层沉积 物质，包括沉积在沉积物表层的悬浮、半悬浮状的营养盐形成的絮状胶体，或休 眠状活体藻类或藻类的残骸、动植物残骸体等，属生态工程范畴。它有别于工程 清淤概念，工程疏浚为物理工程，按工程目的要求，计算疏浚的深度和底部标高， 以设计高程、土方量、疏浚后几何形状尺寸作为控制依据，生态环保疏浚要求疏 浚精度高，在疏浚过程中需要采取措施防止二次污染，并对清除出来的污染沉积 物进行安全处理处置等，环保疏浚的一个重要特点就是要考虑为疏浚区水生生态 系统的重建创造条件。环保疏浚的关键和难点在于如何科学地确定重要的疏浚参 数( 如疏浚区的位置、有效疏浚深度及污泥量等) ，以及在疏浚过程中应该选用何 种疏浚工艺、环保疏浚关键设备和相应的二次污染防治技术( 如避免扩散及细颗 粒物再悬浮、沉积物及余水处置等) 。生物修复属于生态疏浚的范畴，所谓生物 修复( b i o r e m e , t i a t i o n ) 是利用生物的生命代谢活动减少存在于环境中有毒有害物 质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或者完全恢复到原始 状态的过程。生物修复具有节省费用、不破坏原有生态、去污效率高等优点。 2 城市内河沉积物营养盐污染特性及释放规律研究 植物修复污染沉积物在许多湖库已经试用，目前已成为修复沉积物污染的一 种很理想的措施。植物主要通过直接吸收和降解，生物酶的作用或根际的生物降 解方式去除有机污染物。如植物对含氮有机物三硝基甲苯具有较高的吸收降解能 力；根部分泌的各种营养物质聚多糖、氨基酸使在根部共生的大量微生物的活性 提高，增强对有机污染物的降解能力f l l 埘，成功的案例有李贵宝【1 3 i 等利用士柱在 白洋淀水陆交错带湿地进行了研究，结果表明与生长小麦的土柱相比，生长芦苇 的土柱对污水中t p 、t n 、c o d 的净化率较高，对c o d 的净化率后者是前者的 近两倍。 我国城市内河普遍受到严重污染，历年排放的污染物大量积聚在河道沉积物 中，成为潜在污染源。当外污染源受到控制后，沉积物对上覆水体的影响就会突 显出来，成为影响上覆水体水质的重要因素。近年来疏浚作为改善水环境的重要 手段之一，对污染河流内源营养盐控制的效果并不理想。一些疏浚工程实施后只 能使水体污染得到短期控制，但随着时间推移，个别水体出现污染回复甚至加重a t 的现象，因此在沉积物营养盐污染特征及疏浚对内源营养物释放影响机理方面需 继续进行基础性的研究和认识的深化，其成果可为污染河流内源治理的科学决策 提供依据。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 河流水环境中营养元素的研究 在c 、n 、p 、s 、s i 、f e 、m n 等各种营养元素中，磷和氮是主要的控制因 素，当可被生物吸收的磷的浓度小于5 1 x g l 1 时，磷可能是制约水生植物生长的 限制性因素，当可被植物吸收的氮的浓度小于2 1 x g l 1 时，氮可能是制约植物生 长限制性因素。如果氮和磷的浓度都小于上述标准，n - 者都可能是限制营养盐。 由于藻类等水生生物对多数形态的氮都能吸收，并可在生长环境缺氮的情况下， 通过呼吸作用从大气中固氮，而磷在地球化学循环中的沉积作用使磷的限制更为 普遍。故磷己被公认为决定湖泊生产率以及影响藻类异常繁殖的限制性营养元 素，因而沉积物中磷的赋存形态及其迁移转化途径成为沉积物研究的重要内容 1 1 4 1 另外，n p 比值也可以表明水体的营养状况，是藻类受磷或氮限制的重要指 标嘲i 当水体中氮和磷的质量比小于7 2 时，氮是可能的限制性营养盐，反之则 3 河海大学硕士学位论文 意味着磷限制。 1 2 2 沉积物是湖泊富营养化内污染源 沉积物是水环境的重要组成部分，在水体污染研究中具有特殊的重要性。一 方面，河流沉积物是氮磷等生源要素的重要蓄积库，它承担着对上覆水环境的净 化功能；另一方面，在一定程度上又发挥着营养源的作用，不断向上覆水释放营 养盐，对水体富营养化有重要的贡献。因此，沉积物中n 、p 等营养盐的研究， 对评价沉积物中营养盐的动态循环具有重要意义。在我国，河流绝大多数为浅水 河流，而浅水河流单位水体具有更大的沉积物一水接触面积比例，具有更高的透 光层深度水深比例，更强烈和频繁的水土界面物质交换，更复杂的生态类型 0 6 , m ，众多研究表明，在外源逐步得到控制的情况下，沉积物作为内源对上覆水 体释放氮和磷的作用会渐显重要，成为维持上覆水营养状态的重要来源【嘲。沉积 物中的氮、磷含量对上覆水体中氮和磷的供给或补充时十分重要的。沉积物是氮 和磷的容纳场所，并通过间隙水与上覆水体之间进行交换。当间隙水中氮和磷的 含量超过上覆水体中氮和磷的含量时，溶解的氮和磷就被释放到上覆水体中去 1 1 9 。沉积物作为河湖营养物的内负荷源，其理化特征和生物特征既是人类活动对 河流影响的历史记录指标，也是研究氮、磷水一沉积物界面与间隙水的迁移转化 以及磷的赋存形态等的基础信息，因此加强水体沉积物理化性质的研究对把握河 流水污染发生机制，控制水体富营养化具有重要意义 1 2 3 沉积物磷的形态分析及其生态学意义 沉积物中能参与界面交换和可被生物利用的磷含量取决于沉积物中磷的形 态1 2 0 1 在不同区域由于各种理化条件和生物环境的变化，沉积物中磷的形态分布 有很大差异，这些形态相异的磷往往有其特定的生态学意义。 沉积物中的磷从贮库上可分为颗粒态磷和溶解态磷；性质上包括无机磷和有 机磷；而形态上，不同的研究者有不同的分级方法，但至少会分离出下列磷形态 中的三种以上形态；不稳态磷( l p ) ，与灿、f e 、m n 的氧化物或氢氧化物结合的 磷，与c a 结合的磷，有机磷和残余磷【2 l l 。其中不稳态磷很容易被释放，铝结合 态磷( a l - p ) 和铁结合磷( f e - p ) 在氧化还原环境改变的条件下可以转化成可溶解性 磷，通过问隙水进入上覆水体，这几种类型的磷形态具有很强的释放活性，又被 称为活性磷，它们是内源负荷的重要来源圈而钙结合态磷( c a - p ) 和闭蓄态磷 4 城市内河沉积物营养盐污染特性及释放规律研究 ( o c - p ) 则很难被分解。因此沉积物中磷的形态鉴定及其含量测定，对进一步解释 水体富营养化问题的本质，研究水体中磷的循环、迁移转化、生态效应和随后的 成岩作用等行为都具有重要意义。 目前对沉积磷的形态分析并没有统一的划分标准，通常是各研究组在基本原 则下按需要遴选实验方案。目前经常用到的提取法有：h i e l t j e s 等1 9 8 0 年提出了 被广泛应用的4 步连续提取法嘲；g o l t e r m a n 和b o o m a n 发展的用c a - n t a 和 n a - e d t a 代替强酸和强碱提取法 2 4 1 ；r u t t e n b e r g 在1 9 9 2 年提出的对海洋沉积物 不同形态磷的连续提取法 2 0 1 ；欧盟提出并欲推广的s m t p r o c t o i 2 5 1 等。而国内大 部分研究者使用金相灿f 3 1 推荐的连续提取方案和李悦1 2 6 等人改进的连续提取法 进行磷形态的分析。前者将磷的形态分为l p ，a 1 p ，f e - p ，c ap ，o c - p 和o r - p 等6 种形态，而后者将磷的形态分为l p ，a i p ，f e p ，自生磷( d e p ) ，c a - p ， o c - p 和o r - p 等7 种形态。 1 2 4 沉积物一水界面氮的迁移转化 水体中的氮主要以氨氮( n h 4 + - n ) 、硝态氮( n 0 3 ) 、亚硝态氮州0 2 - n 。) 和有 机氮为主。沉积物中的氮分为有机氮和无机氮两类。其中无机氮主要以氨氮为主； 依吸附方式不同可分为可交换吸附态氨氮及形成晶格吸附的氨氮鲫。沉积物中的 有机氮在矿化再生作用下降解为n h 4 + - n ，n h 4 + - n 在进入上覆水体之前可能被进 一步氧化为n 0 3 - ( 或n 0 2 ) ，即发生硝化作用。硝化作用受制于沉积物中可渗透 的氧气含量，通常发生在表层沉积物几厘米的薄层内，且随深度减弱【2 8 1 。控制硝 化反应的因素包括温度、溶解氧、n h 4 + n 含量、p h 值、盐度、作用界面、毒物 及促进物、生物和生态因素等。硝化作用产生的n 0 3 j 在缺氧条件下可被反硝化 细菌还原成为n 2 0 和n 2 ，即发生反硝化作用，以气体形式散逸进入大气氮循环。 反硝化作用强度主要与水土界面微环境条件有关1 2 9 1 。硝化一反硝化作用可导致沉 积物中氮的流失硝化作用将氮的矿化再生与反硝化这一去营养化作用联系起 来，且与异养生物争夺有限的溶解氧。尽管二者需要不同的氧化一还原环境，但 是在沉积物上部硝化和反硝化耦合非常密切，因此可以不断消耗沉积物层内的 n o f 着f l 有机氮化合物，而使沉积物对水体中的n 0 3 呈现吸收性能。由于水一沉 积物界面发生的硝化和反硝化反应是垂向分层进行的，大部分有机质降解以及硝 化和反硝化反应发生在沉积物顶部，研究湖泊沉积物中氮的赋存形态和垂直剖面 河海大学硕士学位论文 分布状况是准确理解沉积物一水系统中氮素地球化学循环及其环境影响的前提。 目前国内的研究工作大多集中于从沉积物孔隙水这一角度研究沉积物的氮 循环，而且多见于对海洋和潮滩沉积物的研究1 3 0 。对于河水沉积物的研究鲜有报 道，而且研究者大多只分析沉积物中的总氮。国内目前对沉积物氮形态进行分析 的报道很少。 1 3 沉积物氮、磷释放的理论基础研究和分析 1 3 1 国内外沉积物中氮、磷释放的研究方法 近年来，随着人们对河流、湖泊水质恶化探究后。有很多专家学者己经在关 注河流、湖泊沉积物中营养盐释放与富营养化的关系机理。沉积物中磷的释放， 在国内外研究较为成熟，较为普遍。一般对磷的释放研究主要是采用模拟释放实 验，主要通过控制实验条件，通过改变其中某一种条件，来研究沉积物中磷的释 放。我国自8 0 年代后期以来也陆续有了一些研究。采用最多的是表层沉积物异 位实验模拟法【3 i i ，即采用抓斗或其它装置取表层沉积物，放入实验容器中进行实 验，根据模拟条件可以分为静态模拟和动态模拟，静态模拟考虑扰动较小的情况， 忽略了水力条件；水动力条件的模拟考虑了水体的流速和流态，在研究受风力影 响较大的浅水湖泊时必须考虑水动力条件，才能使模拟情况与实际情况更相似。 但是此法由于采样和实验过程中都难以保证不破坏原沉积物的表层物理状态，因 此这些研究往往作为定性依据，常用于研究沉积物释放与影响因素的关系，其分 析结果可作为定量研究时的参考。 b o e 2 l 采用柱状原样室内模拟的方法进行模拟，该法可在基本不破坏沉积 物性状，保留沉积物垂向分层特征，且可在许多控制条件( 如p h ，溶解氧、光照、 扰动等) 下进行模拟，目前应用较多，但受采样仪器限制，模拟体系体积通常不 大( 小于3 l ) ，易产生壁效应，随着时间的延长，离原河底环境的偏差就越大在 模拟实验中，沉积物释放机理的研究常侧重于污染物释放与影响因素之间的关 系，或者通过释放速率估算内源对湖泊的整体负荷，未能将污染物释放对上覆水 水质的影响定量化。 模拟实验操作过程较为简单，能够客观地反映出各环境因子对沉积物污染物 释放的影响，有利于我们利用这些依据采取各种相应措施尽量减少沉积物中污染 6 城市内河沉积物营养盐污染特性及释放规律研究 物向水体中释放，提高水质质量。但是，在模拟的条件下，并不能真实反映河湖 沉积物污染物的实际释放情况。真正湖泊沉积物污染物释放的情况是相当复杂 的，是多种环境因子共同作用的结果，这并不是单一的各种作用结果的累加，而 是相互关系、相互影响的一个复杂过程。 1 3 2 沉积物污染释放的影响因素 1 3 2 1 沉积物磷释放的影响因素 沉积物中磷释放的影响因素很多，除温度、p h 、溶氧水平、沉积物水界面 磷的浓度梯度、水体扰动、照度之外，还有湖泊水化学组成、藻类、微生物、有 机质含量及类型，甚至盐度和是否周期性淹水等。磷的释放同时受多种因素的影 响，多种因素之间也相互影响，释放量的变化取决于它们综合作用的结果。 温度：水温是主要的水质物理指标。水中可溶性气体的溶解度，某些盐类的溶解 度和稳定性，水中进行的化学反应和生物化学反应，水的p h 值以及微生物活动 情况等，均会受到温度的影响。温度升高有利于沉积物释p 。这是由于温度升高 会增加沉积物中微生物和生物体的活动，促进生物扰动、矿化分解作用和厌氧转 化等过程，导致水土界面呈还原状态，促使f e 卦还原为f 苦h ，加速磷酸盐的释 放。 p h ：p r l 值可间接地表示水的酸性或碱性程度。受废水污染的湖泊水，因酸碱含 量不同，其p h 值会有较大变化，在生长的季节，由于湖泊水体中浮游植物等进 行光合作用，可使水中的p h 值上升到8 或9 以上。沉积物中p 释放量的增加是 因为水体中p h 影响了磷酸盐的存在形式。当p h 为3 7 时，磷主要以，o 产 形式存在；p h 为8 l o 时，磷主要以h 2 p 0 4 形式存在而当以h 2 p 0 4 。为主要存 在形式时，沉积物的吸附作用最大此时，沉积物中镁盐、硅酸盐、铝硅酸盐以 及氢氧化铁胶体都参与吸附作用。p h 值高有利于磷酸根离子从氢氧化铁胶体中 解吸附，而使更多的磷酸盐释放到水中因此，p h 值升高有利于沉积物中磷的 释放1 3 3 1 溶解氧：底层水体中溶解氧含量( d 0 ) 对沉积物p 的释放起着决定性的作用， 沉积物首先要消耗溶解氧，降低溶解氧浓度，加速水体进入厌氧状态。厌氧状态 可大大促进p 在沉积物的迁移和释放，而在好氧状态下释放速率远小于厌氧释放 速率鲫。因为从氧化还原电位来讲，水中的溶解氧会影响沉积物的氧化还原电位， 7 河海大学硕士学位论文 p 释放对表层沉积物的氧化还原电位( e h ) 的变化非常敏感。当表层沉积物e h 较高时( 3 5 0 m v ) ，f d + 与磷酸盐结合成不溶的磷酸铁，可溶性p 也被氢氧化铁吸 附而逐渐沉降；而当e h 较低时( 中照度 高照度；沉积物中磷出现无机态减少，有机态增加的现象。 另外，大多数研究表明，沉积物在周期性受淹时比相同的情况下的永久受淹 能释放更多的磷或难以固定磷。因为周期性受淹时最初的暴露，好氧导致了微生 物的快速生长，使磷富集于增长的生物群落，当进一步干燥时，随着水量减少， 细菌死亡，当再受淹时，这些沉积物将从微生物细胞中释放出磷【4 。而且，干燥 能促使有机质的分解，这将提高磷的有效性，重淹时就释放 1 3 2 2 沉积物氮释放的影响因素 国外对氮在沉积物一水界面的迁移、转化和循环进行了许多研究【4 2 l ，国内对 氮的研究侧重于面源流失和水体中各形态氮的分布规律1 4 3 】，沉积物中或界面氮的 行为研究相对较少，水土界面氮的迁移转化规律的研究仅限于对n i - 1 4 + - n 和 n 0 3 n 表观溶出速率( 量) 的估算m 。氮在沉积物一水界面间的迁移和交换是一个 十分复杂的生物化学过程，沉积物中氮主要以有机氮为主，但含量有差异。水体 中的氮主要以颗粒有机氮的形式进人沉积物，含量高低与水体的污染和营养程度 有关嘲易降解有机氮在异养微生物作用下易降解、铵化，生成的n h 4 + - n 可以 被粘土矿物吸附而成为可交换态n h 4 + n 进入间隙水，重新被微生物同化为有机 氮或者扩散至沉积物氧化层而氧化成n 0 2 - n 和n 0 3 - n 。沉积物中可溶性和可交 换性氮含量反映了湖泊的污染水平【4 2 】 硝化和反硝化作用是沉积物水界面氮迁移和交换的主要形式。在富氧条件 下，沉积物库中的有机氮化合物经降解作用，生成n 0 3 ，n h 4 + - n 等无机离子扩 散进入上覆水体中，提高水体n 的营养水平；另一方面，上覆水体中的n o ，- n 也能反向扩散进入沉积物的厌氧层中，在反硝化细菌的作用下，还原产生n 2 0 、 n o 和n 2 等气体物质，散逸进入大气中，退出水体生态系统氮循环，降低水体n 的污染负菏。 9 河海大学硕士学位论文 影响沉积物有机氮降解的因素有温度、d o 及有机质的生物可降解性等。刘 培芳等【4 5 】认为温度的高低对降解速度有影响，温度较低时深层沉积物的降解几乎 停滞。n h 4 + 的释放与沉积物类型有关，沙性物质含量高的低潮潍沉积物n h 4 + 的 释放量明显低于沙性物质低的高、中潮滩沉积物。m o o r e 和r e d d y l 4 6 l 认为，好氧 和厌氧条件下均可进行n 的降解。厌氧条件下，有机物降解速率比好氧条件下 慢，但由于厌氧微生物对n 的需求量小，厌氧条件下以n i - 1 4 + - n 形式释放的无机 n 通常比好氧条件下多，n h 4 + - n 常在还原层中积累，而且大部分以交换态形式 存在；在缺氧条件下，铁、锰氧化物也可作为n h 4 + - n 氧化的电子受体，产生 n 2 0 ，n o 等气态化合物；在好氧条件下，上覆水和沉积物氧化层中的n h 4 + - n 易被表层的硝化细菌氧化为n 0 2 - n 和n 0 3 - n 1 3 3 疏浚对氮、磷释放的影响 在国内，环境疏浚是近1 0 年来新兴的控制湖泊富营养化的一种工程性措施， 关于水体富营养化沉积物疏浚工程效果的系统研究开展的很少。范成新针对我国 许多湖泊开展污染沉积物疏浚的问题，以太湖为例，率先在我国开展了湖泊沉积 物模拟疏浚及疏浚的预后效果研究。濮培民等2 0 0 0 年从水质变化研究南京玄武 湖疏浚效果，疏浚后沉积物释放实验结果表明，疏浚降低营养盐溶液向水体释放 在疏浚后的短时段内有一定的效果，但在数月后沉积物释放量就会恢复甚至超过 原来的水平，或达到与新的水质相平衡的释放量。玄武湖疏浚后半年内透明度、 c o d 和t p 基本不变，t n 略有改善哪吴洁1 等从浮游植物群落结构和数量变 化研究了杭州西湖包括沉积物疏浚、截污和引水冲洗的等综合生态效应，西湖自 2 0 世纪8 0 年代以来，已建成环湖截污工程、疏浚沉积物及钱塘江引水工程，但 没有单独进行研究沉积物疏浚的生态效应。西湖经十几年治理后浮游植物优势种 仍然为蓝藻门的富营养化指示藻种，优势种小型化发展加速。韩伟明的试验 结果表明，清淤挖泥对西湖水质改善效果并不显著，而且叶绿素c h l a 还有上升 的趋势。陆子川巧们从总氮、总磷的变化研究了宁波城区月湖沉积物疏浚效果， 结果表明沉积物疏浚后水体中氮和磷( 特别是磷) 的浓度反而增加。 1 4 本文的选题意义及研究内容 1 4 1 选题意义 城市内河沉积物营养盐污染特性及释放规律研究 内秦淮河位于南京市城南、城东地区，沿途流经秦淮、建邺、白下、玄武四 区，主、支流全长2 5 2 k m ，汇水面积2 4 7 k l l l 2 ，内秦淮河主流分为南段、中段、 东段及北段，支流包括进香河、珍珠河、九华山沟、香林寺沟、清溪河、玉带河 及明御河等。2 0 0 0 年内秦淮河水体功能为景观用水，执行g b 3 8 3 8 8 8 标准中的 v 类标准。根据陈雁等【”】监测结果，内秦淮河全年大部分时段呈现黑臭状态，局 部河段污染严重。主要超标项目为氨氮、生化需氧量、石油类、溶解氧、非离子 氨、高锰酸盐指数等。通过内秦淮河综合整治工程后，造成河流污染的主要原因 由工业废水转变为生活污水，但是污染状况并没有得到明显好转。目前内秦淮河 水质状况仍然劣于v 类标准，主要污染物是有机物，表现为典型的城市污水污 染特征 受富营养化的影响，内秦淮河的生态系统平衡被打破，导致水质不符合旅游 等水体功能的要求，急待治理恢复营养物在水一沉积物界面间的迁移和交换是 一个十分复杂的过程，直接影响水体中营养元素( 主要为氮和磷) 的生物有效性， 影响水体富营养化程度。近年来，人们对河流沉积物及其表层营养物的分布己有 较多的调查和分析，但对不同赋存形态的氮磷在沉积物水界面分布的分析和研 究较少，而分层沉积物的研究更少。另外，对浅水型城市内河沉积物氨氮释放的 分层研究鲜见报道。 本文通过对柱状沉积物的分层测试，研究沉积物氮、磷含量、形态及间隙水 中氮、磷含量的垂直分布规律，结合内秦淮河水体中营养盐浓度的分布情况，研 究沉积物的内源污染与内秦淮河富营养化的相互影响、相互作用。通过室内模拟 实验研究环境因素及不同疏浚深度对氮磷释放速率的影响，揭示沉积物疏浚对内 源营养物释放影响的机理。本文所涉及的内容从理论上为进一步认识和理解重污 染城市内河水一沉积物界面营养物质的迁移、转化和平衡规律提供了基础资料， 推进了浅水的地球化学研究，为全面认识、评估、预测和治理城市浅水型富营养 化水体提供了有意义的背景数据和科学依据。 1 4 2 本文主要研究内容 ( 1 ) 沉积物营养盐的分布特征 通过对柱状沉积物的分层测试，研究了氮、磷的垂直分布特征，磷形态 河海大学硕士学位论文 的垂直分布特征，并对各种磷形态间的相关性及磷形态与水体营养指标问的相关 性进行了分析。 ( 2 ) 沉积物间隙水的营养盐分布特征 通过对柱状沉积物间隙水的分层测试，研究间隙水中氮、磷含量的垂直 分布规律，间隙水中氮、磷含量与沉积物氮、磷含量的相关性，间隙水中氮、磷 含量对沉积物氮、磷释放速率的影响。 ( 3 ) 沉积物疏浚对营养盐释放的影响 采用柱状原样沉积物的室内模拟实验，研究不同疏浚深度对氮磷释放的短时 效影响，沉积物磷形态对磷释放的影响，沉积物释放过程中磷形态的迁移转化规 律，并就疏浚对沉积物内源控制的长效影响进行分析 ( 4 ) 环境因素对沉积物营养盐释放的影响 采用柱状原样沉积物室内模拟实验，分析环境因素p n 、溶解氧、温度、扰 动、泥水界面的浓度梯度和照度对河流沉积物氮、磷释放的影响。 1 4 3 本文研究的技术路线 本文研究的技术路线见图卜l 。 城市内河沉积物营养盐污染特性及释放