（环境科学专业论文）河流沉积物的氮释放及其影响因素研究.pdf

中山大学硕士学位论文：河流沉积物的氮释放及其影响因素研究 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ec o n c e r no fe u t r o p h i c a t i o no ft h eo c e a n r i v e r sa n dl a k e s w a sm o r ea n dm o r ef i e r y s e d i m e n t sr e l e a s en u t r i t i o nh a sb e e nc o m ei nf o r r e g a r d t h i sp a p e rp r o b e di n t ot h en i t r o g e nd i s t r i b u t i o na n dr e l e a s et ot h e o v e r l y i n gw a t e ra n di n t e r s t i t i a lw a t e rt h r o u g has e r i e so fl a r g es t a t i cs i m u l a t i n g e x p e r i m e n t s t h ec o n c e n t r a t i o np r o f i l e sa n dv e r t i c a ld i s t r i b u t i o no fn h 4 + ，n 0 2 a n dn 0 3 w e r eo b s e r v e du n d e rd i f f e r e n td i s s o l v e do x y g e nc o n d i t i o n o r g a n i c c o n t e n ta n dg r a i ns i z e s t h ee x p e r i m e n t sh a v eg i v e ns o m er e s u l t ss h o w e da sb e l o w v a r i a t i o nw i t ht i m e ： ( 1 ) d i f f e r e n td i s s o l v e do x y g e nc o n d i t i o ns t r o n g l yi n f l u e n c e dt h eb a l a n c eo f t h en i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n t h e p i l l a rw i t hm o s th i g ho x y g e n s u p p l i e st o o k2 9 d a y st or e a c h e st h eb a l a n c eo fn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ，w h i l eo t h e rp i l l a r st o o km o r et i m e ( 2 ) t h ep i l l a r w i t hm i n i m u mo f o r g a n i cc o n t e n tt o o k10 d a y st or e a c h b a l a n c eo fn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n w h i l eo t h e r p i l l a r sh a d a p p e a r e d10 - 19d a y s d e l a y ( 3 ) t h e t o t a li n o r g a n i cn i t r o g e nc o m p o u n d si nt h eo v e d y i n gw a t e rc o n s i s t e d m a i n l yo fn h 4 + d u r i n gt h et h r e ee x p e r i m e n t s v a r i a t i o nw i t hd e p t h ： ( 1 ) t h ec o n c e n t r a t i o no fn h 4 + a n dn 0 3 i no v e r l y i n gw a t e rw e r ef a rl e s st h a n i ni n t e r s t i t i a lw a t e rw i t hd i f f e r e n td oc o n d i t i o no ro r g a n i cl e v e lo rg r a i n s i z e s ，a n di n c r e a s e dw i t hf u r t h e rd e p t h t h ec o n c e n t r a t i o no f n 0 2 i n o v e r l y i n gw a t e ri s l e s st h a ni ni n t e r s t i t i a lw a t e rw i t hd i f f e r e n td o c o n d i t i o nb u ts o m e t i m e sm o r et h a nw i t hd i f f e r e n to r g a n i cl e v e lo rg r a i n s i z e s ( 2 ) c o m p a r e dw i t ht h ed e p t ho f 一2 5c m 。s m a l l e rv a l u e sw e r ef o u n di nt h e d e p t ho f 4 5 c m t h el a s tl a y e r v a r i a t i o nw i t hf a t o i s ： ( 1 ) d oc o n d i t i o nc o n t r i b u t e dal i t t l el e s st ot h en h 4 + a n dt o t a ln i t r o g e n c o m p o u n d sr e l e a s ef r o ms e d i m e n t sw i t hh i g ho r g a n i cl e v e lt h a no r g a n i c c o m p o u n d sc o n t e n t b u ti ns e d i m e n t sw i t hl o wo r g a n i cl e v e li tw a sm o r e h e l p f u lt h a no r g a n i cc o m p o u n d sa n dg r a i ns i z e s ( 2 ) t h e r ei sar e m a r k a b l en o n l i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nd oa n dn h 4 + d o i i 中山人学硕i 学位论文： l 】j 洫优积桁的氮释放肢儿影响例豢训究 a n di n i nt h es e d i m e n tw i t hh i g ho r g a n i cl e v e l o r g a n i cc o n t e n th a sa r e m a r k a b l ei i n e a rc o r r e l a t i o nw i t hn h 4 + a n di n b u tl o wo r g a n i cl e v e l ，a n o n l i n e a rc o r r e l a t i o n g r a i ns i z e so fs e d i m e n th a sa n o n l i n e a r c o r r e l a t i o nw i t ht h e t w oa l s o ， t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，t h es e d i m e n tr e l e a s e dna n d r e t u r n e dt ot h ew a t e rc o l u m no b v i o u s l ya n dp o l l u t e dm a i n l yw i t hn h 4 + ， t h r o u g hs o m ei n s t r u m e n t s ，t h es e r i a i a n dq u a n t i t a t i v em e a s u r e so fn r e l e a s e di nd i f f e r e n tl a y e r sw e r er e a l i z e d t h i sr e s e a r c hm i g h tb eh e l p f u lt o t h ed a t aa c c u m u l a t i o na n dt h e o r ys t u d yo fe u t r o p h i c a t i o n ；nr i v e r s s ot h e p r o c e s sa n dr e s u l t so ft h i se x p e r i m e n t s w i l lb eg e n e r a l i z e da n dp u ti n t ou s e k e y w o r d s ：s e d i m e n t n i t r o g e n v e r t i c a ld i s t r i b u t i o n i i l 中山大学硕士学位论文t 河流沉积物的氮释放及其影响因素研究 第一章前言 1 1 本实验的目的和意义 底泥是生态系统的重要组成部分，是营养物质循环的中心环节，也是水土界 面物质( 物理的、化学的、生物的) 积极交替带。河流底泥不仅可以间接地反映 水体的污染情况，水动力状态，而且底泥在外界水动力因素制约下向上覆水体释 放营养成分，影响了河流水质和富营养化过程。它是水土界面各类物质的特殊缓 冲载体，是营养物质的聚集库，也是河流生态系统的个性特征之一。 各种来源的营养物质( 物理、化学、生物) 经一系列物理、化学及生化作用， 沉积于湖底，形成疏松状、富含有机质和营养盐的灰黑色淤泥，在河流各种水动 力学、生态动力学作用下或河流环境变化时，沉积物中营养盐溶出或再悬浮，形 成河流富营养化成因的内负荷，或称内源污染。底泥的二次污染是不可忽视的重 要污染源。 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累在河道底泥 中，成为潜在污染源。当外污染源受到控制后，底泥对上覆水体的影响就会突出 表现出来成为影响上覆水体水质的重要因素。氮和磷是水生生态系统的重要要 素，过量输入会导致水体富营养化，而上覆水体的营养物质很大一部分来源于沉 积物与上覆水之间的物质交换，沉积物一水界面间的营养元素交换和扩散对上覆 水体水质具有重要的影响。 据广东省“十五”重点专项计划广东省环境保护“十五”计划，各市近 岸海域的氮、磷污染严重。局部海域如深圳、珠海、珠江口的沿岸海域及汕头港 各项指标的超标率较高，有机污染严重，富营养化加剧，使得珠江口和粤东部分 海域赤潮频生，赤潮的范围和频率逐年增加。 当前，无论国内和国际上，对于富营养亿外源性营养盐的控制都给予了足够 的重视。相应地，发展了一些方法与措施柬进行营养盐控制。但是，对于内源性 营养赫的控制还缺乏有效的治理方法。国内在若干湖泊采取了疏浚清淤的方法， 但效果并不理想。事实上，单纯的清淤还不能解决内源污染的问题【o “。 底泥疏浚的深度如何控制，新暴露的沉积物不会再成为内源营养盐的释放 源。这些问题与营养盐在沉积物中的形态转化与氧化还原环境和微生物环境有 关。所以在这方面需要提供基础性的研究和认识的深化，才可以在内源营养盐控 制方面取得切实可行的技术突破。 中山人学硕j 学位论义：w 漉沉积物的氮释放及j t 影响i 1 素研究 本实验通过模拟各种环境，分析在不同的环境中内源营养盐关键元素即氮元 素在沉积物中的累积特征、赋存形态和释放规律，为治理河流富营养化提供基础 研究和科学依据。 1 2 氮的来源分析 1 2 1 城市生活污水及工业废水是主要的污染源 据有关资料显示，排入珠江口的各种污水量每年超过2 0 亿吨，其中城镇生 活污水占7 0 ，约有3 4 以上的城镇生活污水未经处理就直接排入。九五期间， 广东省废水排放总量3 4 8 9 亿吨，比上年增长3 5 。城市污水排放量为2 2 0 6 亿吨，比上年增长7 2 ，占废水排放总量的6 3 2 ，i = 业废水排放量1 2 8 2 亿吨，比上年下降2 5 ，占废水排放总量的3 6 8 。目前污水处理进展缓慢， 大量污水未经处理就直接排入水体，是造成城镇河段氮素和其他有机污染指标高 于非城镇河段的主要原因。 1 2 2 水土流失带来的表土养分对水体的污染 根据最新的遥感统计资料，广东省共有水土流失面积1 42 1 2 5 l k m 2 ，占全省 陆地面积的8 0 8 i 4 j 。表土沉积物中的大量的氮素等养分随流失的土壤进入地表 水是造成河流氮污染的一个重要来源。 1 2 3 农业肥料中养分的流失对水体的污染 广东省是农业大省，氮肥的施用量大且呈上升趋势。2 0 0 3 年化肥施用量( 折 纯) 1 9 9 6 1 万吨，增长1 6 ；其中氮肥约为1 0 1 7 万吨。肥料有效利用率并不高， 农田施肥损失率在3 3 3 7 3 6 之间【5 l 。土壤中未被利用的氮素等营养元素经地 表径流进入水体也是造成河流氮素污染的原因之一。 另外还有一些点源，如养殖场的污水未经处理即排入水体，也成为营养物升 高的原因。 2 中山大学硕士学位论文：河流沉积物的氨释放及其影响因素研究 1 3 沉积物在水土界面的行为 1 3 1 水土界面的定义 水土界面是水环境中水相和沉积物相之问的转换区，是水环境的一个特殊而 重要的区域，是底栖生物栖息地带，是水生生态的重要组成部分【6 j 。水土界面是 比水气界面更为复杂的界面，它不仅涉及污染物的传输，而且还涉及水和沉积物 本身的传输。 污染物在水体界面的传输，既可以在水中的溶解态进行，也可以在颗粒物上 的吸附态进行，还可以通过生物体进行。 1 3 2 水土界面的物质迁移过程 化学物在水土界面的传输是通过沉降、扩散、弥散、吸附、解吸、化学反应 和底栖生物的作用等过程完成的。水土界面含有丰富的有机质和很高的生物密 度在有机物被生物降解的过程中，会导致氮等营养元素以溶解态进入孔隙水中。 氮元素的溶解态化合物，由于分子扩散而向界面上层运动，以各种形态进入上覆 水体。有学者把水土界面从下往上依次分为浸出区、亚扩散层和紊动区等三个分 层。并认为，不同的层中，化学物经解吸进入i l 隙水，由于分子扩散作用向上运 动，并在分子和紊动扩散联合作用下，进一步向上运动，进入上覆水体1 6 i 。 1 3 3 水土界面对水质研究的意义 水土界面具有储存功能和内部的输送功能。在大量化学污染物排放的条件 下，水和底部沉积物会同时受到污染。当污染物的排放减少或停止之后，一定条 件下，底部沉积物不再作为污染物的汇，而成为了源。这时污染物从底泥中释放 出来，进入水体中，造成二次污染。当一定的营养物质如氮、磷元素在各种条件 下进入水体，会造成水体的富营养化【7 i 。半个世纪以来，各国学者提出了多种湖 泊富营养化的评价标准和评价方法，主要有特征法，参数法，营养状态指数法和 生物指标评价法。国际上一般认为t p 浓度为0 0 2 m g l ，1 n 浓度为o 2 m g l 是富 营养化的发生浓度。 中山大学硕| 学位论文：河漉沉积物的氟释放及其影响因素研究 1 4 研究动态 4 1 沉积物一水界面的营养物质的释放与循环 研究者们早就认识到由于物理、化学和生物作用的过程，沉积物一直是营养 物质积累和问歇性再生的地方 8 9 1 。1 9 7 6 年9 月在荷兰阿姆斯特丹召开了一次关 于沉积物与水之间相互作用的国际会议。从这次会议到现在，对沉积物一水界面 的营养物质交换的研究日渐深入。而在此之前，沉积物只简单地被看成是水环境 中污染物的“汇”。但t r i f o n o v a ( k u z n e t s o v1 9 6 8 引述) 和t h e n 等人( 1 9 7 2 ) 较早 的研究表明：沉积物一水界面间n 0 3 的交换占总n 的很大一部分i l 。 近年来，随着富营养化现象的越演越烈，研究者们越来越关注沉积物中氮和 磷的循环。广义上，沉积物中的n 包括两个大的体系，即沉积物孔隙水体系和 沉积物固体( 颗粒) 本身。由于沉积物n 循环实质是一个沉积物一水相互作用 的过程，其作用的结果在沉积物孔隙水中得以体现，因此近年来对沉积物中的n 循环的研究主要致力于孑l 隙水的研究。 沉积物中的n 循环包括氨化( 矿化) 、硝化、反硝化、n 0 3 一的氨化还原等一 系列复杂的生物地球化学反应，其最终结果的显著体现则是反应物和产物在沉积 物孔隙水中的浓度分布以及沉积物一水界面的交换通量。这一循环过程通常包括 两个方面：一是沉积物中有机质矿化向水体释放再生的营养物；二是底泥对营养 物的保留，对n 而言其保留过程为深层埋藏及反硝化作用。 不同的水体，沉积物的来源和释放都有差异。研究者们针对海水，湖泊，河 流，水库等不同水体环境对底泥沉积物的营养物释放进行研究。 近几十年来，环境和资源问题的日益突出促进了人们对海洋生态系统的研究 及对海洋资源的开发和利用。因此很多研究者对海水沉积物的n 循环进行了研 究，且形成了一些理论。如宋金明等 i 1 , 1 2 , 1 3 , | 4 】对n 的早期成岩过程、n 的去营养 化作用、n 在沉积物一海水界面的转移过程及交换通量等方面进行了深入研究。 近年来实施的全球性重大合作计划如j g o f s ，g l o b e c 等也对海洋中的n 循环 进行了研究【”0 酊。周伟华等对南沙群岛深海盆沉积物的孔隙度、孔隙水的营养 盐含量进行实测，并估算沉积物一海水界面营养盐的扩散通量。 近年来针对湖泊富营养化日趋加剧的现象，国家制定了对无锡太湖的治理方 案。秦伯强等研究太湖水土界面营养物质交换，并分析内源污染的大小和底泥疏 浚后的效果。李风彬等1 1 8 1 探讨了秦皇岛市饮用水源地的洋河水库底泥氮磷含量 和颗粒粒径的相关关系及其时空变化情况和对水体富营养化的影响。 河流和湖泊内源污染物的释放，类似于非点源污染，释放面积大，释放时间、 途径和释放量具有不确定性。对河流的底泥氮磷负荷和释放规律，国内研究还不 4 中山大学硕士学位论文：河流沉积物的氪释放及其影响因素研究 多。胡雪峰等( 1 9 1 对上海市郊中小河流的氮磷污染特征作了调查，并研究在通气 和厌气条件下底泥氮磷的释放规律。 国内外在沉积物一水体界面营养物交换方面的现有研究普遍存在的问题是 只在特定的环境条件下对n 、p 释放量的大小进行研究，分析得出的结论或建立 的模型大多具有一定的局限性，有些甚至只对所研究的湖泊水库适用。在考虑影 响因素时，往往顾此失彼，不能考虑全面，对于水土界面的营养物释放的动态变 化及机理不能深入阐述。 1 4 2 底注释放营养物的实验 在研究底泥营养物释放方面，国外v a n d e r b o r g h t 、g a r b a n 、b o e r s 、m h a m d i 等人做了较具代表性的工作。国内也有越来越多的学者关注这个问题上，相关研 究越来越多。 v a n d e r b o r g h t 和b i l l e n ( 1 9 7 5 ) 用手收集底泥于一硬质塑料管中( 直径5 c m ， 长3 0 c m ) ，柱芯按o 5 2 ，0 c m 间距分截，沙质底泥的孔隙水经压力过滤而提取， 泥质底泥的孔隙水通过高速离心而获得。测定孔隙水样品的n 0 3 - 浓度，得到两 种类型的n 0 3 浓度垂直剖面图，即泥质n 0 3 浓度随深度急剧f 降，而沙质底泥 表层几厘米处n 0 3 - 浓度大于上覆水，以下缓慢下降。v a n d e r b o r g h t 等认为底泥 n 0 3 的垂直分布完全可以用几个参数来描述，而动力参数( 如总硝化率和总反硝 化率和沉积物一水界面的n 0 3 通量) 可以使用数学模型推导出来l i o l 。该实验在 采集底泥中未能保持沉积物柱完整未扰动。用压滤水提取孔隙水在一定程度上破 坏了原有物质组成，使干扰因素增多，分析结果偏差较大。 b o e r s 和b l e s 对荷兰l o o s d r e c h t 湖的底泥进行研究。证明溶解性反应p 与氨 氮有很强的相关性1 2 0 l 。沉积物与水体的物质交换主要通过扩散来实现，交换的 强度主要取决于沉积物孔隙水中的营养物质浓度梯度。g a r b a n 等人对巴黎下游 的塞纳河中的沉积物一水界面间营养物质交换进行了实验研究和计算。渗析管插 入底泥3 5 c m ，并放置两星期，直至内外液平衡。最后用针筒抽取1 2 “。实验原理 与l 6 f g r e n 和b o s t r s m 的相同，但放置时问更长些。另外，底泥柱的分法亦有一 些差别：在开始的5 c m 内以l c m 为间隔分截，之后在1 0 ，1 5 ，2 0 和2 5 c m 处分 截。为测定界面间氮和磷总体交换量，实验使用水下钟罩法，操作复杂，为尽量 减轻对沉积物一水界面的扰动，取样前至少需要l 小时的稳定时间。 秦伯强等对太湖的底泥柱样品进行测量，结果显示位于底泥表层向下5 - - 1 0 c m 的沉积环境中，氧化一还原电位呈现非常鲜明的从水体界面逐步向下减少 的趋势，从而说明底泥中越向下，还原环境越好。1 9 9 7 年的调查结果显示太 湖底泥柱样孔隙水总氨氮的浓度随深度的增加而增加。底泥不受扰动的情况下， 营养盐向上释放只能通过向上的浓度梯度进行。好氧和厌氧条件对营养物释放速 中山人学i 受j 学位论文：洲流沉积物的氯释放及j e 影响因素研究 率的影晌被认为非常重要。s p a n 等人认为，水体底部的d o 可决定p 在水土界 面交换中的转换方向。范成新等采集日本霞浦湖底泥柱样，按2 c m 间隔分层并 离心得孔隙水。测定底泥孔隙水的三氮和p 0 4 3 。一p 通过溶解氧仪和输入纯氮 气来控制好氧和厌氧环境。用针筒抽取上覆水以测定营养物浓度，分析好氧和厌 氧环境对营养物释放的影响。结果显示，在好氧状态下，三氮和p 0 4 3 一p 均有 释放；厌氧状态下，除n 0 3 一n 呈负释放状态外，n 0 2 - 一n ，n h 4 + 一n 和p 0 4 3 一p 释放极为显著。经计算，厌氧条件下底泥n h 4 + 一n 和p 0 4 一p 释放速率约 是好氧条件下的2 - 8 倍【2 ”。该实验较合理地验证了好氧和厌氧条件下营养物释放 速率有关的结论。 研究者使用圆筒采样器采集底泥柱状样品，然后取孔隙水样。目前对国内外 孔隙水的取样方法有三类，即现场直接取样法和室内间接取样法和室内原状取样 法。现场直接取样法是将取样器直接插入底泥数天通过渗滤得到孔隙水。该法由 h e s s l e i n ( 】9 7 6 ) 首先提出。b o e r ( 1 9 9 1 ) 和g a r b o n ( 1 9 9 5 ) 等也曾应用于研究 底泥营养物释放的实验中，直接取样时取样器一般在底泥放置1 4 天。现场直接 取样法能够获得原状孔隙水，但取样器大，易丢失，且费时长，操作繁琐，实用 性差。室内问接取样法将现场采到的底泥带回实验室，经离心或挤压获得孔隙水。 v a n d e r b o r g h t 等( 1 9 7 5 ) 利用压渗法和离心法分别提取沙质和泥质底泥的孔隙水。 间接取样法简单易行，操作方便，但不能获得真正的孔隙水，因为孔隙水是还原 性的遇氧后还原态物质被氧化，金属离子如铁和锰会产生沉淀并吸附其他金属。 当底泥遇到空气后，内含的孔隙水组成很快会发生变化，离心或挤压都不能得到 真正的孔隙水，而且温度也影响挤压或离心过程中孔隙水的组成。室内原状孔隙 水取样技术是通过在底泥中埋入碳化硅芯管，并通过添加表层水让底泥经一段时 间回复到原来状态后，获取原状孔隙水。林玉环等在测试底泥重金属毒性时利用 该法获取孑l 隙水【2 ，克服上述两种方法的缺点，证实是一种很有实用价值的孔 隙水取样技术。 1 4 3 测定水中三氮的方法研究动态 目前测定水中三氮的方法很多。随着分析科学的发展，单纯的化学分析法因 操作繁琐且干扰较多，已不能满足很多实验的要求。总括而言，主要有( 1 ) 光 学分析法：( 2 ) 电化学分析法；( 3 ) 色谱法；( 4 ) 联用技术。 ( 1 ) 光学分析法 在紫外一可见区，以分子吸收光谱为基础的分光光度分析因具有设备简单， 适用性广，准确精密和结果直观等特点，而成为最广泛的分析手段之一。重氮偶 合比色法是目前测定n 0 2 一的标准方法1 2 4 】，即在稀磷酸介质中，n 0 2 一与氨基苯酰 胺( 或对氨基苯磺酸) 反应生成重氮盐，再与n 一( 1 一萘) 一乙二胺( 或q 一 中山大学硕士学位论文：河流沉积物的氨释放及其影响因素研究 萘胺) 偶联生成红色染料，用光度法进行测定，求出n 0 2 - 的含量。该方法灵敏 度和选择性均较佳，但显色体系的稳定性较差，试剂毒性大，同时c u 2 + ，f e 3 十， s 2 ，i 等离子对测定也有干扰。近年来催化光度法有较大发展，成为n 0 2 一测定 的灵敏方法。这类反应主要在硫酸或磷酸介质中进行，利用溴酸钾，氯酸钾及溶 解氧等对有机染料的氧化退色作用，以及氧化磷酸亚铁的反应作为指示反应，所 使用的指示物质主要有三苯甲烷类染料，偶氮染料，对氮葸染料及蒽醌类染料等， 检出限一般介于2 4 1 0 2 1 0 1 2 9 m l 之间，测定范围为0 0 5 1 2 i to m l 。在 n 0 2 - 和n 0 3 一重氮偶合反应中，所用的偶合试剂种类很多，各有其特点。 ( 2 ) 色谱法 文献报道用高效液相色谱法( h p l c ) 测定n 0 2 - 和n 0 3 一，离子色谱法测定 n h 4 + 。韩会欣等利用反相离子高效液相色谱法同时测定水中硝酸盐和亚硝酸盐， 可以克服离子干扰，n 0 3 - 盐和n 0 2 - 盐的最低检出限分别为o 0 3 “g 和o 0 2 6u 9 1 2 “。由于被测组分在色谱柱有一定的保留时间，且不同组分具有不同保留时间， 因而实验较耗时( 如n 0 3 一盐保留时间6 7 5 m i n ；n 0 2 一盐保留时间6 1 8 m i n ) 。且 对设各和分析水平的要求使h p l c 方法的应用具有局限性。 ( 3 ) 电化学分析 电化学分析法始于1 9 世纪初。近几十年才得到迅速的发展。其基本特点在 于分析速度快，灵敏度高；选择性好，试样量少，适于微量操作：待测溶 液不需进行复杂处理，可连续测定。离子选择电极( i s e ) 测定线性范围在1 0 1 0 - 6 m o l 1 ，稳定性在1 0 - 3 m o l 1 溶液中漂移小于2 m v 2 4 h ，响应时间 l m i n 。与紫 外吸收、光度、荧光或化学发光法相比，电化学检测法更灵敏，快速和具有选择 性。z u t h e r 等用聚氯乙烯膜硝酸盐离子选择性电极测水中硝酸盐，检出限1 5p m o l l 。 ( 4 ) 联用技术 联用技术是目前分析化学中的热点。在水化学分析中，有不少文献报道联用 技术的应用。s a e z 和d i a m o n d 用i s e f i a ( 离子选择电极陈列流动注射分析法) 测氨，可改善单一n 1 4 + 电极的测定结果，提高样品分析自动化。联用技术对设 备要求高，且在一般的实验室化验中，若不涉及复杂的组分分析，只用单一技术 即可满足实验要求。 1 。5 本研究使用的方法和特点 本研究采用大型土柱静态模拟实验方法研究氮在上覆水和底泥孔隙水中的特 性。实验分三期进行。其特点是分别通过控制通氧条件、底泥有机质组成和粒径 组成来模拟不同环境和条件下底泥对上覆水的无机氮的释放，通过一定仪器， 中山大学硕十学位论文：河流沉积物的氮释放及其影响i 土l 素研究 克服以前化学方法测定三氮浓度耗时太多的缺点，实现对土柱各层的三氮浓度每 日或隔f t 的连续观测。通过三期实验可以观察土柱的三氮浓度随时间和空问的变 化；能够观察不同水层中氮的浓度及其垂向分布；能够观测三氮的转化过程及不 同的环境对三氮的影响程度对比。这些对于河流富营养化研究有很重要的意义。 中山大学硕士学位论文：河流沉积物的氰释放及其影响因素研究 第二章实验材料和方法 2 1 样品采集与处理 2 1 1 样品采集与保存 2 0 0 2 年1 1 月，采集了南海市盐步涌镇镇花地涌底泥和东莞市中堂镇东江支 流底泥作为实验用的沉积物样品。第三期实验加入经过冲洗的砂子。花地涌是受 污染程度严重的感潮河段，河流较小，接纳了大量地生活污水和工业废水，水质 超v 类( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 标准，河水表层漂浮油脂层及其它杂物。花地涌的底泥 受有机物污染较为严重，露出水面的底泥呈现油黑，手感粘滑，伴有刺激气味产 生。东江支流的底泥呈沙色，有相当部分的细粒沙土无异味，伴有冲刷来的建 筑石头砖块和玻璃等杂物。水质达i i i 类标准。两者均在采样地点，当河流退潮 底泥显露水面时和水深较浅时，直接采集河流底泥，用p v c 塑料桶进行封装， 并立即运回中山大学实验室。 采到的底泥样品倾去上覆水，均匀摊为1 5 c m 厚度自然风干，经过个月的 时间底泥全部晾干。晾干后的底泥置于滤纸之上，用玻璃瓶打碎，拣出其中的石 头、树枝、玻璃等非本底物，并经过5 目( 2 m m ) 的尼龙筛。筛上大于2 m m 的 产物重新研磨直到不可再磨为止，筛下产物倒入p v c 塑料桶中并用保鲜膜封口、 贴上标签，在室温下阴凉处保存。 2 1 2 样品的基本物理化学性质分析 对保存的样品进行物理和化学性质的分析，为后面的模拟实验进行提供依 据。主要测验的项目有：粒度组成、有机物( o r g ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、 总碳( t c ) 等的分析，分析方法和结果如表2 一l 、2 - 2 、2 - 3 。 2 。2 实验设计与装置 本实验采用可控制条件下的大型沉积物模拟装置，所用装置为自行设计，并 在加工厂生产组装。实验装置由4 部分组成，即主体反应系统、配气系统、供水 系统、采样器( 如图1 ) 。主体反应系统是一个由p v c 圆柱体加工而成，圆柱部 分外径2 2 c m ，内径2 0 c m ，高度1 5 0 c m ，上下均有直径3 0 c m 的法兰盘和垫圈进行 密封，并用8 颗巾8 4 5 n _ n 嫘栓固定。在反应器顶端设有补水管、进气管和排气 管，侧面设有1 0 个采样器1 个进水阀和一个检查窗。 中山大学坝j ：学位论义：m 流沉积物的氮释放歧其影响斟素研究 表2 1 理化性状测定项目及方法 项目方法厂家及型号主要试剂 上海雷磁6 5 1 型苯二甲酸氢钾p h 4 0 1 标准缓冲溶液、 p h 值 水浸提法 复合电极磷酸二氢钾p h 6 8 7 标准缓冲溶液 机械 比重法比重计 n a o h ，h 2 0 2 组成 b a c l2 - h 2 s o 。快速 c e c离心机、滴定管氯化钡、硫酸、氢氧化钠、酚酞 测定法 半微量定氮蒸 h 2 s 0 4 、n a o h 、h 3 b o ”甲基红溴甲 总n半微量蒸馏法 馏器、凯氏瓶酚绿混合指示荆 酸溶铝锑抗紫外分光浓h 2 s 0 , 、钼锑储存液、抗坏血酸、二 总p 比色法光度计、电炉硝基酚指示剂 氟化铵、盐酸浸提紫外分光光度计、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、磷 有效p 一钼锑抗比色法往复式振荡机 酸二二氢钾 油浴加热电炉、温度计、油k 2 c r z 0 7 一h 2 s 0 4 、f e s o d 、k z c r 2 0 7 、n - 有机质 k 2 c r ：0 7 容量法 浴锅、铁丝笼苯基邻氨基苯甲酸、邻菲罗林 表2 - 2土壤基本理化性状 d h 值有机质c e c总磷 ( m e 1 0 0 9 土) 花地涌7 0 22 6 1 3 1 8o 5 6 东江 7 6 71 6 6 5 1 70 0 5 4 表2 - 3土壤机械组成 粒径比例( ) 质地 0 0 5 m m 东江2 3 _ 3 02 5 5 75 1 1 3面砂土 花地涌2 1 6 02 4 3 85 4 ，0 2面砂土 2 2 1 实验底泥配比及条件控制 实验分三期进行。第一期模拟实验于2 0 0 3 年5 月9 日开始到6 月1 1 日结束， 历时2 9 天。第二期模拟实验于2 0 0 3 年6 月2 5 日开始到7 月2 5 日结束，历时 1 0 中山大学硕士学位论文t 河流沉积物的氨释放及其影响因素研究 3 l 天。第三期模拟实验于2 0 0 3 年7 月3 0 日开始至8 月1 3 日结束，历时1 5 天。 首先在柱体内加入按不同比例混合的土样。第一期土样重量为1 9 4 5 k g ，第二期 为1 6 k g ，第三期为2 6 2 k g 。使土样高度达到5 0 c m 。 为避免造成太大扰动，从底部进水阀连接蒸馏水，打开阀门使水流自下而上 缓缓加入，直到淹没土层形成高度6 5 c m 的上覆水，迅速对反应器进行密封。 打开配气器阀门，通过控制气体分压计来调节不同比例的的氧气和氮气。混 合气从顶端进气管输入，在反应器上部形成高度2 0 c m 的充气空间，使氧气与水 界匦充分交换，并通过一排气管维持自然压力。 三期实验条件见表2 - 4 、2 - 5 ： 表2 - 4第一期实验条件 底质氧气所占比例( ) i 柱 o 柱 1 0 0 花地 01 6 川柱 涌底泥 0 8 l v 柱 4 v 柱 2 0 表2 - 5 第二、三期实验条什 底质( ) 第二期第三期 东江花地涌砂子东江 i 柱1 0 0o1 0 00 柱8 0 2 0 8 02 0 川柱 6 04 06 04 0 i v 柱4 06 04 06 0 v 柱 2 08 02 0 8 0 通气氮氧比4 ：1 ，通气速度0 2 m l m i n 2 2 2 实验采样原则 本实验设计采样系统由砂心滤管、胶塞和注射器组成。其中砂芯滤管倾斜插 入反应器的主体的中心位置，反应器外露部分用胶塞旋紧，在胶塞上用注射器针 头穿透。采样时通过注射器即可定量获得底泥中的孔隙水以及上覆水。 试验设置采样点l o 个( 图2 一1 ) ，从下到上依次编号为l l o # 。其中6 号 恰好位于底泥与水的界面作为零界面则l o 个界面自下而上依次深度为一4 5 c m 、 中山大学硕士学位论文：河流沉积物的氮释放及其影响因素研究 一2 5 c m 、一1 5 c m 、一l o c m 、一5 c m 、o c m 、+ 1 0c m 、+ 2 0 c m 、+ 3 0 c m 和+ 4 0 c m 。实验根据 文献资料分析需要3 0 天左右各项指标达到平衡，前l o 天每天采样一次，之后隔 天采样。 每次同时采集5 0 个点的样品，分别测量溶解氧、温度、p h 、e h 、氨氮、亚 硝氮、硝态氮和正磷酸8 项指标，重金属和化学耗氧量则每周测一次。 2 。3 实验检测方法 图2 - 1 实验采样系统示意图 本实验抓住两种主要的营养元素氮和磷，分析各种理化条件和微生物的数量 与其迁移转化间的关系，从而得到迁移转化规律。与之相关的转化过程主要有氨 化、硝化、亚硝化、反硝化、磷的转化等过程。 2 3 1 物理、化学检测 检测的物理化学指标：温度、d 0 、p h 、e h 、氨氮、硝态氮、皿硝氮、 总磷、化学耗氧量( c o d ) 。见表2 - 6 。 1 2 中山大学硕士学位论文：河流沉积物的氰释放及其影响因素研究 表2 _ 6 测定项目及分析方法 项目方法厂家及型号波长主要试剂 p h ，e h 电极探测法 o r i o n p h 标准缓冲液 d o电极探铡法o r i o n n h d 十- n电极探测法o r i o n0 5 7 2 2 - 1 6氯化铵、氢氧化钠 n o t n电极探测法o r i o n9 7 0 7 b n硝酸钾 n 0 2 n 电极探测法o r i o n9 7 4 6 b n亚硝酸钠、硫酸钠、硫酸 铝酸铵分光光 上海分析仪器厂 抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑 p 0 4 3 - p7 2 2 型紫外分光光7 0 0 n m 度法 钾、磷酸二氯钾 度计 硫酸银、硫酸汞、硫酸、硫酸 c o d 碱性重铬酸钾银一硫酸试剂、重铬酸钾标准 溶液 c a原子吸收光谱 m g 原子吸收光谱 2 3 2 微生物指标检测 监测的生物指标：氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、有机磷细 菌、无机磷细菌和异养菌总数。对于最后一次的细菌培养进行分离鉴别和选择培 养，最后进行菌种保存。 其中的氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌和异养菌总数采用最大可能数法 m p n ( m o s tp r o b a b l en u m b e r ) 计细菌数量：有机磷细菌、无机磷细菌和异养菌 总数采用平板计数方法进行计数。主要的培养基成分和检测方法如下： ( 1 ) 氨化细菌： 培养基的主要呈分及含量：蛋白胨( 5 9 1 ) ，m g s q 7 h ：0 ( 0 5 9 1 ) ， k 2 h p o , ( o 5 9 1 ) ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 7 0 。 培养时间与检测方法：2 5 3 0 度培养7 天，滴加奈氏试剂检测，如果呈棕 红色或者浅褐色沉淀表示培养基内有氨生成。 ( 2 ) 硝化细菌 培养基的主要成分及其含量：n a n o z ( 1 。o g 1 ) ，m g s o ；。7 h 2 0 ( 0 0 3 9 1 ) ， 中山人学硕j ：学位论文：河流沉积物的氟释放及其蟛i 相因素研究 k z | i p o 。( 0 7 5 9 1 ) ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p i l 7 0 ，n a 。c 0 3 ( 1 o g 1 ) ，m n s o 4 h z 0 ( 0 0 1 9 1 ) ， c a c 0 3 ( 1 o g 1 ) 。 培养时间与检测方法：2 5 2 8 度培养1 4 天后，用g r i e s s 试剂测亚硝酸的 消失情况，如果不呈红色再用酚二磺酸检测是否呈红色，如呈红色说明硝酸菌已 经存在。 ( 3 ) 亚硝化细菌 培养基的主要成分及含量：( n i t 。) ：s o , ( 2 o g 1 ) ，m g s o , 7 1 t 如( o 0 3 9 t ) ， k 2 h p 0 4 ( 0 7 5 9 1 ) ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 7 0 ，n a ：c o 。( 1 o g 1 ) ，m n s o 4 h 2 0 ( 0 0 3 9 1 ) ， c a c 0 3 ( 5 o g 1 ) ，n a i l ：p o 。( 0 2 5 9 1 ) 。 培养时间与检测方法：2 5 2 8 度培养1 0 1 4 天后，用g r i e s s 试剂测亚硝 酸的消失情况，如果呈红色，说明硝酸菌已经存在。 ( 4 ) 反硝化细菌， 培养基的主要成分及含量：蛋白胨( 2 0 9 1 ) ，葡萄糖( 1 9 1 ) ，k z h p q ( o 7 5 9 1 ) ， 蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 7 0 ，琼脂( 1 o g 1 ) ，n a h ：p o 。( 2 o g 1 ) ，硝酸钾( 1 o g 1 ) 。 培养时间与检测方法：2 8 3 0 度培养，1 4 天后检查是否有气泡产生，溶液 是否浑浊，滴加奈氏试剂检测，如果呈棕红色或者浅褐色沉淀表示培养基内有氨 生成。 ( 5 ) 有机磷菌 培养基的主要成分及含量：( n h 。) ：s o 。( 0 5 9 1 ) ，l g s o t 7 h z o ( o 3 9 1 ) ， 葡萄糖( 1 0 o g 1 ) ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 7 0 7 5 ，n a c l ( 0 3 9 1 ) ， l - t n s o 。4 h 。o ( o 0 3 9 1 ) ，c a c o 。( 5 o g 1 ) ，f e s o 。7 h ，0 ( o 0 3 9 1 ) ，卵磷脂( o 2 9 ) ， 琼脂1 5 一1 8 9 ，k c l ( 0 3 9 1 ) 。 培养与检测：取稀释液3 个梯度稀释液涂平板，每个稀释度做3 个平行样， 2 5 3 0 度培养l 2 天，计数。 ( 6 ) 无机磷菌 培养基的主要成分及含量：( n h 。) 2 s 0 4 ( 0 5 9 1 ) ，m g s o , 7 h z 0 ( 0 3 9 1 ) ， 葡萄糖( 1 0 o g 1 ) ，蒸馏水1 0 0 0 m l ，p h 7 0 7 。5 ，n a c l ( 0 3 9 1 ) ， m n s o 4 h 2 0 ( 0 0 3 9 1 ) ，c a 。( p 0 4 ) ：( 1 0 o g 1 ) ，f e s o , - 7 h ：0 ( o 0 3 9 1 ) ，琼脂 1 5 一1 8 9 ，k c l ( 0 3 9 1 ) 。 培养与检测：取稀释液3 个梯度稀释液涂平板，每个