（环境工程专业论文）于桥水库沉积物中营养盐释放特性试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 专业：环境工程 硕士生：李创宇 导师：黄廷林教授 捅要 富营养化是目前水资源管理的一个主要环境问题。水体中过量的营养元素是引起富 营养化的根本原因，其中磷和氮是主要的控制因素。多数湖泊( 水库) 中磷是藻类自然 生长的限制因子。多年来人们治理富营养化水体的主要策略是控制外源输入，然而通过 此法成功恢复水生生态的例子屈指可数，一个主要的原因就是沉积物中磷的再释放。因 此，沉积物营养元素的释放特性成为湖泊( 水库) 科学研究的重点。 本次试验以天津市于桥水库作为研究对象，通过试验室模拟研究，揭示了沉积物中 营养元素在环境条件改变时的释放特性。尤其是对沉积物中磷释放展开了较深入的研究。 调查结果表明：于桥水库沉积物中t p 含量变化范围为2 6 9 4 9 4 6 6 2 0 r t e d g ，平均含 量为3 6 7 8 5 p g g ，其中f e p 所占比例较大，占总磷6 4 7 1 。水库p h 值年平均8 6 2 ，底 层5 月9 月出现严重缺氧、厌氧状态。于桥水库满足氮磷释放的条件，底泥中磷的释放 是库区水体富营养化加剧的主导因子。 试验结果表明：在p h 6 5 的酸性条件下，c a - p 的酸溶是上覆水中磷的主要来源。当 溶解氧小于1m g l 时，厌氧使f e ”还原为可溶性的f e ”，磷释放到水体，随着水体中 p 0 4 3 - 浓度的增加，水溶性磷被f e 2 + 吸附而产生化学固定，这点可通过p 0 4 3 - 与f e 2 + 之 间较好的相关性得以证明( 相关系数o 9 3 5 ) ；高p h 值条件下，发生o h 一对p 0 4 3 - 的置 换作用，造成底泥中磷的释放。溶解氧小于l m g l ，发生了置换作用与还原作用的协同 作用，底泥中磷的释放速度大大加快；底泥中氮释放受溶解氧的影响，溶解氧小于2 m g l ，总氮出现短暂释放。溶解氧小于l m g l ，反硝化作用加强，与底泥释放达到平衡， 总氮浓度维持在一定水平。p h 值对氮释放影响不大；底泥中有机物的释放出现在溶解 氧小于2 m g l ，高p h 值可以中和来自底泥孔隙中的有机酸，加速有机酸向水体迁移的 速度，有利于有机物的释放；温度对磷、氮释放作用明显。温度升高5 ，磷释放速率 升高3 1 6 倍，氮释放速率升高1 1 5 倍；在中酸性条件下，磷主要源自于c a p 的溶解和 f e - p 的还原释放，影响深度约在沉积物一水界面下0 - 8 c m 范围内。碱性条件下，磷主要 源自于f e p 的释放，影响深度约在沉积物一水界面下0 6 c m 范围内。 关键词：于桥水库；沉积物；磷形态；磷释放：溶解氧 西安建筑科技大学硕士论文 a e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ec h a r a c t e r i s t i co f n u t r i e n ts a h s r e l e a s eo fs e d i m e n t si ny u q i a or e s e r v o i r s p e c i a l t y ： e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e d ：l ic h u a n g y u s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gt i n g l i n a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o ni so n eo ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m st h a td r a wo u r a t t e n t i o ni nt h ef i e l d s o fw a t e rr e s o u r c e sm a n a g e m e n t e u t r o p h i c a t i o ni sm a i n l ya t t r i b u t e dt ot h ee x c e s sn u t r i e n t s u b s t a n c e si nt h ea q u e o u ss y s t e m si nw h i c hna n dpa r et h ed o m i n a n tf a c t o r s i nm o s to ft h e l a k e s ( r e s e r v o i r s ) ，pi st h er e s t r i c t i v ef a c t o ro ft h en a t u r a la l g a lg r o w t h f o rm a n yy e a r s ，t h e m a i np o l i c yt ot r e a te u t r o p h i ca q u e o u ss y s t e m si st oc o n t r o lt h ee x o t i ci m p o r t h o w e v e r ，f e w e x a m p l e sc a nb ep r o v i d e dt op r o v et h er e s t o r eo ft h ea q u a t i ce c o l o g yt h r o u g ht h a tw a y a n d t h er e a s o ni st h ep h o s p h o r u sr e l e a s eo fd e p o s i t si nt h ea q u a t i cs y s t e m t h e r e f o r e ，t h er e l e a s e c h a r a c t e r i s t i co ft h en u t r i e n te l e m e n t si nt h ed e p o s i t sb e c o m e st h ee m p h a s i so ft h es c i e n t i t i c s t u d y & t h el a k e s ( r e s e r v o i r s ) i nt h i se x p e r i m e n t ，y u q i a or e s e r v o i ri nt i a n j i nc i t yi st h er e s e a r c ho b j e c t t h r o u g h l a b o r a t o r ys i m u l a t i o n ，t h er e l e a s e c h a r a c t e r i s t i c so fn u t r i e n te l e m e n t s e s p e c i a l l y t h e p h o s p h o r o u ss u b s t a n c e si nd e p o s i t sw i t l lr e s p e c tt ot h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o nc h a n g e s t h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e s ：t h et pi nt h ed e p o s i t sr a n g e sf r o m2 6 9 4 9t o4 6 6 2 0 “g ，a n d t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o ni s3 6 7 8 5 p g f e pc o n s i s t s6 4 7 1 o ft h et p t h ea v e r a g ep h v a l u ei s8 6 2 t h eb o t t o mo ft h er e s e r v o i rb e c o m e ss e r i o u s l ya n a e r o b i co ra n o x i cb e t w e e n m a ya n ds e p t e m b e r y u q i a or e s e r v o i rs a t i s f i e st h en ，pr e l e a s ec o n d i t i o n ，t h er e l e a s eo fp o f s e d i m e n t si n t e n s i f i e st h ee u t r o p h i c a t i o no f t h er e s e r v o i r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e ：w h e np h 2 6 5 ，t h ea c i d i cd i s s o l u t i o no fc a - pi st h e m a i ns o u r c eo fpi nt h ew a t e rb o d y w h e nd o im g l ，t h ea n a e r o b i cc o n d i t i o nm a k e sf e 3 + r e d u c e dt os o l u b l ef e ”，w h i c hl e a d i n gt ot h ep h o s p h o r u sr e l e a s et ow a t e rb o d y a st h e c o n c e n t r a t i o no fp 0 4 i n c r e a s e s ，t h es o l u b l epi sa b s o r b e db yf e 2 + r e s u l t i n gi n t oas t a t eo f c h e m i c a lf i x a t i o n ，w h i c hc a nb ep r o v e dt h r o u g ht h ef a i r l yg o o dc o r r e l a t i o n ( c o e f f i c i e n t0 9 3 5 ) u n d e rh i g hp hv a l u ec o n d i t i o n ，t h ed i s p l a c e m e n to fo h a n dp 0 4 3 。t a k e sp l a c el e a d i n gt o p h o s p h o r u sr e l e a s eo f t h es e d i m e n t s w h e nd o im g l ，t h ec o o p e r a t i o no ft h ed i s p l a c e m e n t 西安建筑科技大学硕士论文 a n dr e d u c t i o nh a p p e n s ，a n dt h ep h o s p h o r u sr e l e a s eo ft h es e d i m e n t ss p e e d su pg r e a t l y t h e s e d i m e n tn i t r o g e nr e l e a s ei sa f f e c t e db yt h ed oc o n c e n t r a t i o n w h e nd o 2m e t e ，as h o r t t e r mr e l e a s eo ft nt a k e sp l a c e ；w h e nd o im g ，l ，t h ed e n i t r i f i c a t i o ns t r e n g t h e n st og e ta b a l a n c ew i t ht h es e d i m e n tr e l e a s e ，a sar e s u l t ，t h et nc o n c e n t r a t i o ns t a y sa tac e r t a i nl e v e l t h et nr e l e a s eh a sl i t t l et od ow i t hp hv a l u e t h eo r g a n i cr e l e a s eo fs e d i m e n t sh a p p e n sw h e n d o 4 m g l 、1 - 2 m g l 、 8 的碱性条件下，溶解氧小于2 m g l 时，底泥中的磷就会发生明显的释放；在p h 值为中酸性条件下，溶解氧小于i m g l 时才会发生底泥磷的释放，但释放量较小。试验 中还发现，t d p 中的主要成份为p 0 4 3 - _ p ，占9 5 以上。 2 ， 盘 石 4 2 0 体b n 9 6 3 o ， 0 o o 0 一，sg一王oh ，p)，暑g褂煅辎鼹nll 西安建筑科技大学硕士论文 3 2 2p h 对底泥中磷释放的影响 从图3 2 可以看出，在自然水体可能的p h 值范围内，p h 值越高，磷的释放越强烈。 当口h 值为中酸性时，只在厌氧条件下发生磷释放，且释放速度较慢。当p h 8 时，不 管在好氧、缺氧、厌氧条件下，都会发生磷的释放，且高p h 值和低溶解氧对磷释放有 很强的协同作用效果。 值得注意的是，在碱性条件下，好氧状态就会发生底泥磷的释放。在图3 2 中所示 的7 天好氧阶段中，p h = 8 的试验筒中的t d p 从o 0 1 m g l 增加到0 0 2 1 m g l ，p h = 9 1 的试验筒中的t d p 从o 0 1 m g l 增加到o 0 3 6 m g l 。图3 4 中所示的好氧筒中的t d p 从 o 0 1 5 m g l 增加到o 0 5 5 m g l 。我国不少湖泊、水库的p h 值都偏碱性，如密云水库平均 7 9 8 5 ，滇池平均8 7 ，于桥水库8 2 1 9 0 3 之间，平均为8 6 2 。湖泊p h 值在夏秋季节 尤为高，这主要是因为藻类光合作用消耗了水中游离c 0 2 的缘故。藻类繁殖使得p h 值 升高，而高p h 造成底泥磷的释放，加剧水库的富营养化，形成恶性循环。 从图3 2 可以看出，低溶解氧和高p h 值产生了很强的协同作用效果。从溶度积原 理出发可做如下解释，底泥中的铁铝磷的结合形态分为磷酸铁铝 f e p 0 4 、f e 2 ( h p o a ) 3 、 a l p 0 4 、a 1 2 ( h p 0 4 ) 3 】、氢氧化物配位吸附磷 f e ( o h ) 2 h 2 p 0 4 、金属氧化膜包裹的闭蓄态 磷。从理论上讲，厌氧条件能将f e 3 + 被还原成可溶性的f e ”，使所有与铁结合的磷释放， 如反应式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 所示。还原产物f e 2 + 、磷酸根需经过土层间隙扩散传质向水 体释放，由于受到扩散阻力的控制，土层颗粒周围积累了较高的f e 2 + 、磷酸根浓度，阻 碍了还原溶解的进行，限制了磷释放速度。 f e p 0 4 一e = f e 2 + + p 0 4 3 一 ( 3 1 ) f e ( o e l 2 h 2 p 0 4 - - e 。= ：f e ”+ p 0 4 3 + 2 h 2 0 ( 3 2 ) 而高p h 值条件下，会发生o h 对磷酸根的置换作用，使得除闭蓄态以外的所有铁 铝磷释放。这种置换是基于溶度积原理，f e ( o h ) 3 、a i ( o h ) 3 的溶度积( 分别为2 6 4 x 1 0 。9 和1 。1 1 0 - 3 3 ) 远低于f e p 0 4 和a 1 p 0 4 的溶度积( 分别为9 9 2 x 1 0 - 2 9 ，9 8 3 1 0 - 2 1 ) ，从而 发生了o h 。对磷酸根的置换，使磷酸根释放，如反应式( 3 3 ) 和( 3 4 ) 所示。但这一 过程受到磷酸铁铝溶解速度的控制，因而速度很慢。 f e p 0 4 + 3 0 h f e ( o h ) 3l ( 3 3 ) a 1 p 0 4 + 3 0 h a i ( o h ) 3i ( 3 4 ) 在低溶解氧和高p h 值共同作用下，由低溶解氧引起的铁结合磷的还原溶解解决了 溶解速度问题。而高p h 值条件则提供了较高的o h 离子浓度，在浓度差作用下，水体 西安建筑科技大学硕士论文 中o h 离子主动向间隙水中侵入，o h n 7 ：- 与f e 2 + 结合成f e ( o h ) 2 沉淀，使土壤颗粒周 围f e 2 + 浓度降低，使还原溶解得以顺利进行。因此发生了低溶解氧和高p h 值协同作用 效果。两者的协同作用过程可用如下反应式表示： f e p 0 4 + 2 0 h 一e = p 0 4 3 - + f e ( o h ) 2 l ( 3 5 ) f e ( o h ) 2 h 2 p 0 4 - - e = h 2 p 0 4 + f e ( o h ) z l ( 3 6 ) f e ( o h ) 2 是微溶物质，且溶解度受p h 值的影响很大，因此，在不同的p h 值条件下， 低溶解氧和高p h 值协同作用效果不同。f e ( o h ) 2 在2 5 c 时的溶度积脚。= 4 8 7 x i 0 7 ， 当p h 值等于9 1 、8 和6 5 时，水中f e 2 + 离子的平衡浓度应分别为o 0 1 7 m g l 、2 7 2 m g l 、 2 7 2 0 m g l 。由此可以看出，只有在高p h 值时，水中f d + 离子的溶解度才较低，反应式 3 5 和3 6 能顺利进行，协同作用强烈。 于桥水库在6 - 8 月份出现水体分层现象，下层水体溶解氧小于l m g l 。多年的实测 资料显示，于桥水库水源的p h 值介于8 2 1 9 0 3 之间，平均为8 6 2 ，夏秋季高于冬季， 这必然引起底泥磷的大量释放。于桥水库8 、9 月份藻类大量繁殖，这与6 8 月间的磷 释放存在着必然的联系，前期磷的释放为藻类繁殖做了充分的营养准备。 3 2 3 温度对底泥中磷释放的影响 在p h = 8 0 的条件下，进行了水温为3 0 。c 和2 5 。c 的磷释放对比试验，试验共进行 了1 9 天，结果如图3 6 所示。由图3 6 可以看出，升高温度磷释放明显增强。对两种温 度下磷的释放速率统计见图3 7 。由图3 7 可以看出，两种温度下的平均释放速度分别为 1 0 1m e , ( d m 2 ) 和0 3 2m e , ( d m 2 ) ，温度升高5 ，释放速率升高了3 1 6 倍，说明温 度对底泥磷释放影响明显。 o 1 0 0 8 一 瓷, - - - 1 0 0 6 邑 蛊0 0 4 b 0 0 2 0 ol o1 52 0 时间( d ) 图3 6 水温对底泥磷释放的影响 2 5 西安建筑科技大学硕士论文 。 暑 南 一 面 目 糌 删 瑙 涎 山 凸 f , - + t 3 0 广 一t 2 5 ，1 l 八1 八八 ，讨v n1 f n 渺v ，- 石v ，一 ： 时间( d ) 图3 7 不同水温t d p 释放速率 底泥与水体之间进行离子交换，需要克服固液两相界面之间阻力而做功。升高温度， 底泥与水体所需的系统内能增加，克服固液界面阻力做功的能力增强，有利于底泥胶体 与水体进行离子交换【5 0 1 ，其结果是增加温度利于底泥磷释放。同时，底泥胶体发生解吸 释放时会对上覆水里的离子发生吸附作用，而存在吸附一解吸的动态平衡，温度升高， 动态平衡向解吸方向进行，促使磷浓度的升高。水温升高促进了固液之间离子或原子团 扩散速度，同时，水温升高增加了底栖生物的活动，导致间隙水耗氧，利于f e 3 + 向f e 2 + 转化，加快了还原溶解速度。底栖生物的活动还扰动了间隙水，加强了间隙水与上覆水 的交换，有利于释放物质向上覆水迁移，减小了底泥界面生成物质的浓度，促进了反应 的进行。 3 3 底泥中氮释放研究 3 3 1 溶解氧对底泥中氮释放的影响 上覆水体溶解氧水平是控制底泥释放的关键因子。在p h = 9 1 的条件下，将溶解氧 分别控制为 4 m g l 、1 - 2 m g l 、 4 m g l 条件下，基本没有氮的释放， 上覆水总氮浓度维持在一个相对稳定的水平。而在缺氧条件下，氮出现了一定的释放， 分析原因可能为在缺氧条件下，硝酸盐作为电子受体被还原，反硝化作用开始进行，硝 酸盐被还原为氨释放水体，造成总氮浓度升高。当d o l m g 几，在厌氧条件时，总氮 出现明显的释放，上覆水总氮浓度达到5 1 6 m g l 。可见溶解氧对氮释放作用明显，溶解 氧 2 m g l ，就会发生氮的释放，溶解氧 4 m g l 口d ( ) = 1 5 m g lt r d o i m g l p h = 6 5t = 3 0 。cp h 2 8t = 3 0 。cp = 91t 2 3 0p h = 8t = 2 5 图3 1 2 底泥有机质释放特性 从图中可分析得出： ( 1 ) 在好氧阶段有机物不释放，而发生有机物好氧分解。该阶段，各试验筒中的 t o c 浓度没有增加，还有轻微的减少，这说明好氧阶段底泥没有向上覆水释放有机物， 而上覆水中的有机物在好氧条件下发生了好氧分解，生成二氧化碳溢出水体，造成上覆 水有机物浓度降低。 ( 2 ) 在d o = 1 2 m g l 的缺氧阶段，底泥有机物大量释放。在该阶段的6 天时间里， 各试验筒中的t o c 浓度大幅度增加，p h 8 0 试验筒中t o c 浓度从3 6 m g l 增加到 2 8 9 m g l ，p h 9 1 试验筒中t o c 浓度从4 3 m g l 增加到3 1 6 m g l 。这说明在d o = 1 - 2 m g l 的缺氧条件下，厌氧产酸菌开始大量繁殖，将底泥中的不溶性有机物降解为可溶性的有 机酸，并向上覆水中迁移释放。完全厌氧后( d o 8 时，不管在好氧、缺氧、厌氧条件下，都会发生磷的释放，且高p h 值和低溶解氧对磷释放有很强的协同作用效果。高p h 值条件下，发生o h 对磷酸根的置换作用，生成不溶性f e ( o h ) 3 、a i ( o h ) 3 沉淀，与之结合的磷释 放到水体。厌氧条件能将f j + 还原成可溶性的f e 2 十，o h 。离子与f e 2 + 结合成 f e ( o h ) 2 沉淀，发生了低溶解氧和高p h 值协同作用效果，引起底泥磷的大量 释放。 ( 3 ) 温度对磷、氮释放作用明显。水温3 0 。c 并d2 5 。c 下磷的平均释放速度为1 0 1m e , ( d m 2 ) 和0 3 2m g ( d m 2 ) ；氮的稳定释放速度为9 3 5m g ( d m 2 ) 和8 1 0 m g ( d m 2 ) 。温度升高5 c ，磷释放速率升高3 1 6 倍，氮释放速率升高1 1 5 倍。 ( 4 ) 溶解氧 弋佼 、7r t j _ r + 初始+ p h 6 5 结束+ p h 8 0 结束+ p 瑚1 结束 图4 1 3 底泥a i - p 释放含量变化情况 01 0 02 0 03 0 0 4 0 0 含量( 腭嘻1 ) 5 0 06 0 0 j 羚j 蜒潞 7 安户 、 x + 初始+ p h 6 5 结束+ p h 8 0 结束+ p 哪1 结束 图4 1 4 底泥f e - p 释放含量变化情况 o5含量( 峙。g - 1 如 妫。 诋 嘏 ，心 弋烈 】、i + 初始+ p h 6 5 结束+ p h 8 0 结束+ p h 9 1 结束 图4