（环境工程专业论文）城市内河沉积物营养元素释放研究——以竹排冲为例.pdf

l 1 y m 1 7 吣3 吣8 帅1 1 1 6 吣3 l l 7 帆 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说n , q 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：罗名街 学位论文使用授权说明 加f 国年6 月1 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 嘶p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：罗铱争 导师签名：关一翟嚆j | 晖易月j 日 城市内河沉积物营养元素释放规律研究 以竹扫 冲为1 歹0 摘要 水环境污染是人类面临的一个全球性问题。氮磷作为水中主要营养元 素对水质有很大影响。在水体外源污染得到控制后，内源污染凸现出来并 成为急需解决的问题。本文以南宁市内河竹排冲为研究对象，通过对沉积 物进行分析测试，研究了沉积物中主要营养元素氮、磷的污染特征，采用 实验室模拟实验研究了疏浚和环境因素对沉积物中氮、磷释放的影响并得 出以下结论： ( 1 ) 竹排冲沉积物中总氮总磷含量较高，氮磷重量比在1 4 5 - - - - 3 1 7 之间， 氮是竹排冲藻类生长的控制因素；o p t p 随沉积深度增加而减小；无机磷占 总磷含量的7 0 1 0 8 9 4 3 ，为总磷的主要成分；f e a 1 。p 含量占总磷含量 的4 4 8 5 71 7 6 ，竹排冲己达重污染状态。 ( 2 ) 疏浚后氮、磷释放速率增大，沉积物向水体中释放大量营养元素， 水体平衡浓度大于疏浚前。疏浚2 0 3 0c m 处氮、磷的释放速率较高，在0 - - - 3 0 c m 深度范围内疏浚，对控制内源氮、磷释放效果不理想。 ( 3 ) 上覆水p h 值对氮的释放速率有显著影响，在p h = 5 一9 范围内沉积 物中n h 4 “和t n 随p h 值的减小而增大，p h _ 5 时沉积物中n h 4 + _ n 、t n 释放 速率接近上覆水p h = 9 时的两倍。好氧对沉积物n h 4 + - n 、t n 释放有抑制作用， 厌氧条件释氮量明显高于好氧条件。微生物活动促进沉积物中氮的释放， 未灭菌沉积物的n h 4 + - n 、t n 释放量分别为灭菌后的3 倍和5 倍。扰动条件下 n h 4 + - n 、t n 的释放速率高于静置时，扰动促进t n h 4 + - n 、t n 的释放。 ( 4 ) p h 值对磷的释放速率有影响，上覆水p h - - - 9 时，沉积物q b p 0 4 3 - p 和1 1 p 的释放速率大于p h = 5 和p h _ 7 时，偏碱性条件促进磷的释放。释放后沉 积物f e a 1 - p 含量随p h 值的增大而减小。d o 对沉积物中磷释放有显著影 响。厌氧条件下p 0 4 3 。p 和t p 的释放速率远远高于好氧条件，好氧抑制沉积 物中p 0 4 3 - _ p 、t p 的释放。好氧释放后沉积物中f e a 1 p 和o p 含量高于厌氧时。 微生物活动促进沉积物中磷的释放，未灭菌样释放后沉积物中有机磷小于 灭菌样。扰动条件下的p 0 4 3 。一p 、t p 的平衡浓度和释放速率大于静置条件下， 扰动促进t p 0 4 3 - _ p 、t p 的释放。扰动释放后沉积物中各种形态的磷含量均 低于静置条件。 关键词：城市内河沉积物氮磷释放 u s t u d yo nr e l e a s er e g u l a r i t yo fn u t i u n e tf r o m u r b a nr i v e rs e d i m e nt _ - t a l ( i n g z h u p a i c h o n ga sa ne x a m p l e a b s t r a c t w a t e rp o l l u t i o ni sag l o b a le n v i r o n m e n t a lp r o b l e mw h i c hh u m a n b e i n g s h a v et of a c e a st h ep r i m a r yn u t r i e n ti nt h ew a t e r , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s g r e a t l yi n f l u e n c e dt h ew a t e rq u a l i t yd e t e r i o r a t i o n t h ei n t e m a lc o n t a m i n a t i o n s a t t r a c t sm o r ea t t e n t i o na n db e c o m ea n u r g e n tp r o b l e ma f t e rt h ee x t e m a l c o n t a m i n a t i o n si sc o n t r o l l e d t a k i n gz h u p a i c h o n ga so b j e c t ，t h ep a p e rs t u d i e d t h ec h a r a c t e ro fna n dpi ns e d i m e n t b a s e d0 1 1s i m u l a t i o nm e t h o di nl a b o r a t o r y ， t h ei n f l u e n c eo nna n dpw h i c hr e l e a s e d f r o ms e d i m e n ti nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa n dd r e d g i n gd e p t hw e r es t u d i e d ，c o n c l u s i o n sw e r e d r a w e d ： ( 1 ) t h es e d i m e n ti nz h u p a i c h o n gh a sh i g hna n dpc o n t e n t t h en pi n s e d i m e n ti sf r o m1 4 5t o3 17 ，s on i t r o g e ni st h ec o n t r o lf a c t o ro f a l g o u sg r o w t h i n z h u p a i c h o n g o r g a n i cpt ot pd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gd e p t ho f s e d i m e n t s i n o r g a n i cp t ot pi s7 0 10 8 9 4 3 i ns e d i m e n t ，i n o r g a n i cpi st h e m a i nc o m p o n e n to ft p f e a i - pt ot pi s 4 4 8 5 71 7 6 ，t h a tm e a n s l i i z h u p a i c h o n gi sa l r e a d y h e a v i l yp o l l u t e ds t a t e ( 2 ) t h en i t r a t ea n dp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o na n dr e l e a s er a t i oi n c r e a s e a f t e rd r e d g e r e l e a s er a t i oo fn i t r a t e sa n d p h o s p h o mi sh i g hi nd r e d g i n gd e p t h0 30c m i nt h er a n g eo f0 30c md r e d g i n gd e p t h ，t h er e l e a s eo fi n t e r n a l p h o s p h o r u sa n dn i t r a t e si sc a nn o tb ec o n t r o l l e d ( 3 ) t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a ta c i d i t ya n da l k a l i n i t yh a v es i g n i f i c a n te f f e c to n n i t r o g e nr e l e a s er a t e n h 4 + - na n dt nr e l e a s er a t i oi n c r e a s ew i t ht h ep h d i s c r e a s i n gw h e nt h ep hi sf r o m5t o9 r e l e a s er a t i oo fn h 4 + - na n dt ni np h 5 i st w i c ea si np h 9 a e r o b i ci n h i b i tt h er e l e a s eo fn i t r a t e t h en i t r a t er e l e a s ei n a n a e r o b i cc o n d i t i o ni so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to fa e r o b i cc o n d i t i o n m i c r o b i a l a c t i v i t i e s p r o m o t et h er e l e a s eq u a n t i t yo fn i t r o g e nf r o mt h es e d i m e n t s d i s t u r b a n c ep r o m o t e sn 乞na n dt nr e l e a s ef r o ms e d i m e n t 。 ( 4 ) a c i d i t ya n da l k a l i n i t yh a sas i g n i f i c a n te f f e c to np h o s p h o rr e l e a s e p 0 4 3 - _ pa n dt pr e l e a s ef a s t e ri np h 9t h a nt h a ti np h 5a n dp h 7 a l k a l i n e c o n d i t i o n ss p e e dt h er e l e a s eo fp 0 4 3 乙pa n dt pw e r eh i g h e r a f t e rr e l e a s e , f e a 1 一pc o n t e n ti nt h es e d i m e n ti n c r e a s e dw i t ht h ep hd e c r e a s e s t h ed i s s o l v e d o x y g e nl e v e l eh a v eas i g n i f i c a n te f f e c to ft h ep h o s p h o rr e l e a s e a e r o b i ci n h i b i t t h er e l e a s eo fp 0 4 3 - pn dt p f e a 1 pa n do pi ns e d i m e n ta r eh i g h e ri na e r o b i c c o n d i t i o na f t e rr e l e a s e m i c r o b i a la c t i v i t yp r o m o t e sp h o s p h o r u sr e l e a s e a f t e r r e l e a s e ，o r g a n i cp h o s p h o r u si ns t e r i l i z e ds a m p l e si sf a rl o w e r d i s t u r b a n c e sh a v e ap o s i t i v ee f f e c to ns p e e d i n gr e l e a s eo fp 0 4 孓- pa n dt pf r o ms e d i m e n t v a r i o u s f o r m so fp h o s p h o r u si ns d i s t u r b a n ce d i m e n t sa r el o w e rt h a nt h o s ei ns t a t i c i v c o n d i t i o na f t e rr e l e a s e k e yw o r d s ：u r b a n r i v e r ；s e d i m e n t ；n i t r a t e ；p h o s p h o r ；r e l e a s e v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题的提出1 1 2 水体污染和内源控制2 1 2 1 水体污染概况2 1 2 2 水体环境中营养元素及主要控制因素的研究2 1 2 3 沉积物与水体水质的关系3 1 2 4 污染物在沉积物水界面的行为一4 1 2 5 沉积物中氮、磷的赋存形态4 1 2 6 水体内源污染控制7 1 3 沉积物中氮、磷释放研究7 1 3 1 沉积物中氮、磷释放研究方法7 1 3 2 沉积物中氮、磷释放的影响因素8 1 3 3 沉积物疏浚对氮、磷释放的影响1 0 1 4 课题研究意义与研究内容1 1 1 4 1 研究意义1 1 1 4 2 研究内容一1 2 第二章实验材料及方法1 3 2 1 样品采集1 3 2 1 1 采样点设置一1 3 2 1 2 采样方法1 3 2 2 样品分析方法1 4 2 2 1 水样分析。1 4 2 2 2 沉积物样品分析15 v i 2 2 3 主要实验仪器1 6 2 3 试验步骤1 6 2 3 1 环境因素影响实验一1 6 2 3 1 疏浚影响实验。1 7 2 4 实验数据分析一1 7 2 4 1 累积释放量的计算1 7 2 4 2 释放速率的计算1 8 第三章竹排冲沉积物中氮磷含量及磷形态的研究1 9 3 1 沉积物的表观特征1 9 3 2 沉积物中氮磷的分布1 9 3 2 1 沉积物中氮磷分布规律。1 9 3 2 2 沉积物磷形态的垂直分布规律2 0 3 3 d 、l ! 吉：! ：! 第四章疏浚对沉积物营养盐释放的影响2 3 4 1 疏浚深度对沉积物氮释放的影响2 3 4 2 疏浚深度对沉积物磷释放的影响2 5 4 3 小结2 7 第五章环境因素对沉积物氮释放的影响2 8 5 1 上覆水p h 对沉积物氮释放的影响2 8 5 2 上覆水溶解氧对沉积物中氮释放的影响3 0 5 3 微生物对沉积物中氮释放的影响一3 1 5 4 扰动沉积物中氮释放的影响。3 3 5 5 d 、结：；z i 第六章环境因素对沉积物磷释放的影响3 5 6 1 环境因素对沉积物磷释放的影响- 3 5 6 1 1p h 对沉积物中磷释放的影响3 5 6 1 2 溶解氧对沉积物中磷释放的影响3 6 6 1 3 微生物对沉积物中磷释放的影响一3 8 6 1 4 扰动对沉积物中磷释放的影响。3 9 6 2 释放后沉积物中磷形态的变化4 0 v 6 2 1 上覆水p h 对沉积物释放后磷形态的影响4 1 6 2 2 上覆水d o 对沉积物释放后磷形态的影响4 3 6 2 3 微生物对沉积物释放后磷形态的影响一4 3 6 2 4 扰动条件对沉积物释放后磷形态的影响。4 3 6 3 d 结2 1 5 第七章结论与建议：4 7 7 1 结论4 7 7 2 建议4 8 参考文献一4 9 致谢5 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 5 i l 广西大学明奠士肖朝立论文城市内河沥明鼠物营养元素释茄d 览钧啕f 究一一以竹捧冲为审， 1 1 课题的提出 第一章绪论 我国地域广阔，水资源丰富，拥有大量河流湖泊。河流作为社会发展的大动脉，承 担着供水排污、泄洪抗涝、水产养殖、气候调节等诸多功用。但是，随着社会经济的快 速发展和人们环保意识的不足，河流水质恶化、富营养化、生物资源退化等环境问题日 益严重。随着城市化进程加快和工、农业飞速发展，大量未经处理的工农业废水以及生 活污水被源源不断地排入水体，同时，河岸付砌、水产养殖等人类活动破坏了河流自然 生态环境，减少了营养盐输出途径，消减河流的自我修复功能，以致我国许多河流都受 到严重的污染，并且仍在加剧。目前水体富营养化、水质黑臭已成为一个严重的水环境 问题。随着水环境的恶化，人们环境保护意识增强，水体的外源污染得到了一定控制， 同时，内源污染的严重性凸显了出来。 沉积物是水体多相生态系统的重要组成部分，是环境污染物在广泛空间和长期时间 内的聚集处。污染物主要通过大气沉降、废水排放、水土流失、雨水淋溶与冲刷进入水 体，最后沉积到沉积物中并逐渐富集，使沉积物受到严重污染【l 】。氮、磷内源负荷在总 输入量中被认为占有相当比重【2 l ，在一定条件下，沉积物中的污染物会向上覆水体释放， 成为二次污染源，对水生生态系统构成严重威胁。城市内河流经城市内部，与地表径流 有较大区别，大多数内河水系与外水系并不连通，水流流速缓慢，与静止水体类似，提 供城市排污泄洪、水体景观等用途。历年来城市内河流域内的生产废水及生活污水、来 自流域的农田径流、畜禽养殖、水产养殖及其它面源等污染进入城市内河，污染物大量 沉积在底泥中，造成了城市内河内源污染严重。 为了控制内源污染，疏浚成为一种较常用的措施。经过实际的观察，一些疏浚工程 使污染得到一定的控制，但是人们也发现：随时间的推移，一些湖泊疏浚后良好的水质 状态不能达到预期的效果，主要反映在湖泊的目标污染物质量浓度或营养状况逐渐上 升，甚至出现疏浚后水体中个别污染物含量与原来相比反而增加。 我国现有河流近一半的河段受到污染，1 1 0 的河流长期污染严重，流经城市的河段 中7 8 不适合作为饮用水源。而历年排放的大量污染物汇集在河流沉积物中，成为二次 污染源，对水体环境产生严重威胁。因此，研究河流沉积物中氮、磷释放规律有重要意 义。 1 广西大学妇肚粤q 立簧譬城市内河曲0 积物营养元素释盈。霓镧| | 开究一一以竹舅p 中为例 1 2 水体污染和内源控制 1 2 1 水体污染概况 随着我国工业的发展和人民生活水平的提高，污水的产生量日益增加，而我国的污 水处理率较低，导致大部分的污水没经任何处理就直接排入水体，造成我国大部分地表 水体受到严重的污染。 根据我国2 0 0 7 年环境状况公告，1 9 7 条河流4 0 7 个断面中，i 类、v 类和劣 v 类水质的断面比例分别为4 9 9 、2 6 5 和2 3 6 。其中，主要污染指标为氨氮、五日 生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类等。根据我国2 0 0 8 年环境状况公显示，告我国地表 水污染依然严重。长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七大水系总体水质与 上年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，i 类至类、类至v 类和劣v 类水质的断面比例 分别为5 5 o 、2 4 2 和2 0 8 。珠江、长江总体水质良好，松花江为轻度污染，黄河、 淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。在监测营养状态的2 6 个湖泊及水库中，呈富 营养状态的占4 6 2 。富营养化已成为世界范围内水环境保护中的重大环境问题。 富营养化是指由于人类的活动，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口 和水库等水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，鱼类 及其它生物大量死亡的现象。富营养化虽然是一个自然过程，但人类的活动( 如大量生 活污水直接排入水体，渔业活动投加过量饲料等) 会加速这一过程，这种情况下的富营 养化称为人为富营养化。湖泊的富营养化如不及早进行治理，最终将导致沼泽化使湖泊 消亡。 1 2 2 水体环境中营养元素及主要控制因素的研究 水体中水生植物需要的营养元素包括c 、k 、n 、p 、s 、c a 、f e 、m g 等多种元素。 天然水体中氮、磷、硅等元素的可溶性无机化合物在水生植物的生长繁殖过程中被吸收 利用，成为生物体的重要组成元素。例如在生物体的蛋白质中，氮元素和磷元素的含量 分别为1 0 和0 7 ；磷元素在脂肪中的含量达2 。但这些元素在自然水体中的含量通常 很低，远远不如构成生物体的其它元素( 如c ) 那样丰富。在浮游植物大量繁殖的季节， 它们有效形式的含量甚至降至吸收临界值之下，从而影响藻类的生长繁殖，限制了水体 逐级生产的速率和产量。因此通常把天然水中可溶性氮、磷的无机化合物称为水生植物 营养盐，把组成这些营养盐的主要元素氮、磷称为营养元素。研究结果表明，可被生物 吸收的磷和氮的临界值分别为5i , t g l 1 和2l , t g l 。1 时，当其中一种元素浓度值小于该项临 2 j r - 西大学明曩士掌位论文捌t 市内河西嘴t 物营养j i 翻舞碉叼良规律研究一一以竹爿p 中为例 界值，则其为制约水生植物生长的限制性因素。如果二者的浓度同时小于临界值，那么 二者都可能是限制营养盐限制性因素【3 】。此外，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1 4 】。当水体中n p 比值小于7 2 时，氮是可能的限制性营 养盐，反之则意味着磷限制。 1 2 3 沉积物与水体水质的关系 沉积物是河流生态系统的重要组分，它在作为河流营养物质循环中心环节的同时， 也作为营养物质的主要聚集库而存在。污染物进入水体后，部分污染物通过沉降、吸附 等物理化学作用进入水体沉积物中并逐渐富集，使沉积物成为一个污染物的聚集库。在 一般的静水水体中，沉积物接纳了大量的污染物，大大缓解了富营养化进程，如果没有 沉积物对磷的缓冲，水华的发生将更为频繁。沉积物不是简单的堆积，在永久埋藏以前 会发生吸附一解吸、溶解沉淀等一系列生物化学反应，直接或间接影响水环境的质量。 随着人们环保意识的增强和环保法律法规的完善，水体外源污染得到有效控制以后，沉 积物的影响作用就突显出来，成为水体不容忽视的潜在污染源。不少湖泊调查资料表明， 当入湖营养盐减少或完全截断后，水体仍处于富营养化状态，甚至出现水华。污染物在 沉积物与上覆水系统之间进行迁移转化，水体中的污染物浓度在很大程度上要受到沉积 物的影响。当沉积物未受扰动时，其中的污染物由沉积物向水系统的转移主要集中在沉 积物表层，而当沉积物受扰动发生再悬浮时，底层沉积物中的污染物和水体接触，大量 污染物将进入水体，造成水质恶化。沉积物同时作为污染物的源和汇，污染物在沉积物 与水体之间存在着一种动态平衡，一旦水体污染物浓度降低或环境条件发生改变，沉积 物中污染物的释放量就会增加，损坏河流生态系统的健康。通过调查，美国e p a 在1 9 9 8 年的报告中指出，在已发生的2 1 0 0 起鱼类污染事件中，大部分与底泥“二次污染 有关。 在我国，也已发现并证实了水体沉积物具有生物毒性，例如云南滇池中沉积物中聚集了 8 0 的氮和9 0 的磷，沉积物对水体的“二次污染”，成为控制水环境质量的重要因素。 沉积物主要通过4 种方式影响上覆水体水质：( 1 ) 由于沉积物与间隙水中浓度差引 起的污染物向上覆水体的释放过程，从而使上覆水体中主要污染物浓度增加；( 2 ) 沉积 物微生物降解有机污染物的过程中消耗上覆水体中的溶解氧；( 3 ) 沉积物再悬浮过程中， 吸附的污染物质向上覆水体的扩散、释放，增加了上覆水体中的污染物浓度；( 4 ) 底栖 动物对沉积物的扰动，增加了沉积物中污染物向上扩散速率。水体中的底泥是在长年的 沉积下形成的，其中的污染物累积也是一个长期过程，它对水质的影响也比较持久。 3 城市内河沉积物营养j 翻蠢桐 盈d 霓律习f 究一一以竹爿p 中为例 有研究表明，水体富营养化进程在很大程度上受到了沉积物氮、磷污染物释放的影 响。n u e m b e r g 矛1 p e t e r l l 5 】在19 5 4 年对2 3 个湖进行了调查，发现在这些分层湖中，沉积物 释放的磷占进入水体的总磷的2 9 ，个别湖高达9 0 。k i m 6 等发现韩国h 缸f i v e r 中某采 样点的沉积物中磷含量高达0 4 9 0 - - 1 8 6 0g k 百1 ，周释放速率为6 0 - + 1 0 0m g m - 2 。沉积物中 的氮、磷污染物是水体潜在的氮源和磷源，特别是在水体发生富营养化时，水中氮磷浓 度增大，沉积物会暂时吸附大量氮磷然后释放，导致水体富营养化时间延长。我国几大 湖泊沉积物中的磷含量都很高，已经成为湖泊磷污染物的主要来源，例如杭州西湖沉积 物每年释放的磷占西湖磷污染负荷的4 1 5 ；而安徽巢湖沉积物每年释放的磷占巢湖磷 污染负荷的2 1 5 。沉积物磷释放对水质影响如此之大，wfh u t 。q 认为必须在内源污染 负荷相当小时，减少水体中总氮总磷的含量才能有效改善水质。可见沉积物中污染物质 的释放是一个不容忽视的污染源。 1 2 4 污染物在沉积物水界面的行为 沉积物水界面是水环境中水相和沉积物相之间的转换区，是底栖生物栖息地 带，是水生生态的重要组成部分。水土界面不仅涉及污染物传输，而且还涉及水和沉积 物本身的传输。城市水体沉积物，经过一系列物理、化学及生物作用，其中一部分沉积 于湖泊底部，日积月累形成水体营养盐的内负荷。而水体沉积物与水体两相界面进行着 一系列的迁移转化过程，如吸附解吸作用，沉淀一溶解作用，分配谘解作用，络合 一解络作用，离子交换作用及氧化还原作用等，其它过程还包括如生物降解和生物富集 等。因此，在一定条件下，部分营养元素又可从沉积物中向上层水体释放，释放出的营 养盐首先进入沉积物的间隙水中，再逐步扩散到沉积物的表面，进而向沉积物的上层水 混合扩散，成为水体营养盐的一部分，从而对湖泊水体的富营养化发生作用，使水体营 养负荷增加。 污染物除了以溶解态在沉积物水界面传输，还可以以吸附态进行，此外通过生 物体转化迁移也是污染物传输的重要途径。沉积物水界面含有丰富的有机质和很高 的生物密度，在有机质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。 1 2 5 沉积物中氮、磷的赋存形态 ( 1 ) 沉积物中磷的赋存形态 4 广西大擘嘎叵士掌位论文城市内河帮睇t 物营养元h 擎为。圮律研究一一以竹捧冲为例 沉积物中磷的形态【5 1 决定了沉积物中能参与界面交换和可被生物利用的磷含量。在 不同区域沉积物中磷的形态分布有很大差异。许多学者都是将磷的形态和释放放在一起 研究【8 9 1 0 1 。 沉积物磷形态的分级提取最早源于土壤学中相应的方法。1 9 5 7 年，c h a n g t t 丰i j a e k s o n 1 1 】 创造性的将土壤磷分为不稳性或松结态磷( 1 a b i l eo rl o o s e l y b o u n dp ) 、闭蓄态磷( o c c l u d e d p ) 、铝结合态磷( 灿p ) 、铁结合态磷f i e - p ) 、钙结合态磷( c a - p ) 、可还原水溶态磷( r s p ) 即闭蓄态磷( o c c l u d e dp ) ，以及惰性磷及有机磷( c - j 法) ，为沉积物中磷形态的研究打下基 础。翁焕新1 1 2 1 将c - j 法稍加修正，提取美国华盛顿河流和湖泊沉积物中的磷，提出不同 结合p 态磷主要包括无机磷( f e p ，c a - p ，a i p ) 、固着态f e p 和址一p 。w i l i i a m s 1 3 】等( 1 9 7 6 ) 将沉积物中的磷分为三种形态：磷灰盐磷a i p 、非磷灰盐磷籼、有机磷o p ，但是该方 法中n a o h 提取的磷，部分可为沉积物中的钙盐重吸附，c b d 的强赘合作用溶解部分钙 磷及有机磷。h i e l t j e s 和l j i k l e m a ( 1 9 8 0 ) 【1 4 】将沉积物分为不稳性磷、铁铝结合态磷 ( n a o h r e ) 、钙结合态磷( h c i - r p ) 及残磷。胡凯【1 5 】等将沉积物中生物可利用的活性磷形 态分为不稳定磷、铁结合态磷、铝结合态磷、有机细菌聚合磷、非活性磷是钙磷和残渣 磷。 尽管磷的形态分类没有定论，但以下三种形态为目前最常见的分类：不稳态磷、与 舢、f e 、i v l n 的氧化物或氢氧化物结合的磷、钙结合态磷( c a - p ) 和闭蓄态磷( o c ，p ) 【1 6 1 。磷 的不同形态对磷在泥一水界面的迁移转化有重要影响。不稳态磷包括溶解性磷、可交换 磷、松结态磷、不稳性磷及弱吸附性磷，主要以吸附的物理结合方式附着于碳酸盐、氧 化物、氢氧化物或粘土矿粒等其它相而存在。这部分磷结合力弱，沉积环境如温度、p h 、 水动力条件及生物扰动等因素的改变都可导致它的释放，并且这部分磷均具有生物可利 用性【1 7 1 。与砧、f e 、b i n 的氧化物或氢氧化物结合的磷，铁结合态磷和铝结合态磷在氧 化还原环境等条件的改变下可以转化成可溶解性磷，通过间隙水进入上覆水体，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。郑 丽波认为，f e p 可以指示磷的来源，并可作为环境污染程度的标志【1 8 1 【1 9 1 ，沉积物中的f e - p 和o p 由于还原溶解和生物降解等因素，倾向于进入孔隙水，并释放到底层湖水中参与磷 的再循环 2 0 1 。钙结合态磷( c a - p ) 和闭蓄态磷( o c p ) ，很难被分解，相对稳定。 ( 2 ) 氮在沉积物中的赋存形态 沉积物中氮的存在形态和形式直接影响其参与生物地球化学循环的进程和途径，以 及对氮循环的贡献大小，因此，对氮形态的研究是研究沉积物中氮的迁移转化的前提【2 l 】。 s 广西j o 宴明页士掌位簧咒城市内河暂已j 限物营养元素释瑚矗楚律研究一一以竹舅p 中为 嘲 在刚开始进行研究的时候，有学者认为有机氮是沉积物中氮的唯一存在形式，随着 研究的进行，固定的铵态氮被认为也占了总氮的一部分，在更深入的研究探索后，学者 们意识到沉积物中氮有多种存在形式。 何清溪、张穗【捌等以大亚湾为对象，研究了沉积物中氮和磷的地球化学形态分配特 征，以氮的化学结合形式对沉积物中氮形态进行了分类。他认为，沉积物中的总氮可分 为无机氮和有机氮，有机氮是沉积物中氮的主要存在形式，占总氮的8 0 ，无机氮又可 分为可交换态氮和非交换态氮，其中，可交换态氮容易在水力作用下溶出，进而被浮游 生物摄取。朱炳德四】在黄海及胶州湾沉积物中氮的形态研究中对可交换态氮进行了深入 研究。马红波，宋金明阱】等对渤海表层沉积物氮形态进行了研究，利用分级浸取分离法 将沉积物中氮分为可转化态氮和非转化态氮，并将可转化态氮区分为四种形态：离子交 换态氮( i e f - n ) 、碳酸盐结合态氮( c f - n - ) 、铁锰氧化态氮( i m o f - n ) 及有机态和硫化物结 合态氮( o s f - n ) 。吕晓霞等【2 5 】贝i j 按提取方法将沉积物中氮分为离子交换态氮、弱酸可浸 取态氮、强碱可浸取态氮、强氧化剂可浸取态氮等， 至今对沉积物中氮形态的分类仍未有统一标准，但是大多数学者都是以总氮、有机 氮、无机氮三大类形态来对沉积物中氮进行分类，研究这几种形态氮的分布规律、生物 毒性、迁移转化等。而无机氮又被分为固定态铵和可交换态氮【2 6 】。固定态氮是指无机氮 中被固定吸附于矿物晶格内部的部分，主要以n h 4 + _ n 的形式存在，不容易被其它阳离子 交换，可交换态氮是无机氮中通过可交换吸附作用吸附于颗粒表面的氮，它的主要存在 形式为n h 4 + - n 、n 0 3 - n 、n 0 2 - n ，并且其含量依次减小。固定态铵在无机氮中所占比 例最高，是无机氮的主要存在形态，有研究表明海洋和湖泊沉积物中固定态铵含量占全 氮含量的比例高达1 8 一9 6 1 2 7 1 。王雨村等对红枫湖、百花湖沉积物全氮、可交换态氮 和固定态铵的赋存特征进行了研究，认为固定态铵是两个湖的沉积物中重要的稳定氮积 蓄库，在估算沉积物c n 比和氮循环质量平衡时必须予以充分的考虑田】。可交换态氮是 总氮中最活跃的组分，可供浮游植物优先摄取，但是占总氮的比例小。有机氮包括易水 解的有机氮( 低分子有机物氨基酸、肽、酰胺等) 和难水解性有机氮( 高分子的化合物 腐殖质、核蛋白等) ，是沉积物中氮的主要存在形态，可占总氮的8 0 - 9 2 。大部分有 机氮通过矿化作用转化为无机氮。k 锄p 等【2 9 】对o n 乇撕。湖沉积物中氮的形态进行研究表 明，有机氮的含量约为总氮量的9 2 。 6 广西大国妇页士学位论文城市内河暂睇t 物营养元素释茄d 觅诩啊f 究一一以竹舅p 中为例 1 2 6 水体内源污染控制 现在，沉积物对水质的影响得到了重视，许多地方开展了河流湖泊的底泥治理。目 前，底泥修复技术主要包括物理修复、化学修复和生物修复法。 物理修复法是利用底泥疏浚、引水、投加掩蔽物消减沉积物中污染物的量或将污染 物掩蔽在沉积物中，是目前世界各国底泥修复的主要措施。但是物理修复法投资高，工 程量大，有效期短，并且容易造成水体二次污染，有着诸多弊端，不是理想的底泥修复 方法。 化学修复法是利用化学制剂与污染物发生化学反应，使污染物改变其形态，从底泥 中分离、降解转化成低毒或无毒的化学物质，主要有淋洗法、地泥固化法、玻璃化法、 臭氧氧化法及电动修复法。化学修复法大都成本较高，而且具有二次污染风险，使用受 到许多限制。 生物修复法是通过植物、动物和微生物吸收、降解、转化沉积物中的污染物，使污 染物的含量降低，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，也包括将污染物稳定化， 以减少其向周边环境的扩散，具有节省费用、不破坏原有生态、去污效率高等优点。在 近年来成为底泥污染修复技术的研究热点。生物修复法按修复主体可分为微生物修复、 植物修复、植物微生物联合修复，按修复地点分可分为原位生物修复、异位生物修复 以及联合生物修复。原位生物修复是指在基本不破坏水体底泥自然环境条件的条件下， 对受污染的环境对象不作搬运或运输，而在原场所进行修复。原位生物修复成本低廉但 修复效果差，适合于大面积、低污染负荷底泥的生物修复。异位生物修复指将受污染的 底泥搬运到其他场所再进行集中的生物修复，主要应用于疏浚后底泥的处理。这种修复 效果好但成本高昂，适合于小面积、高负荷污染底泥的修复。 1 3 沉积物中氮、磷释放研究 1 3 1 沉积物中氮、磷释放研究方法 随着人们对内源污染的重视，许多学者研究探讨了河湖沉积物中营养元素释放与水 体富营养化的关系。在国外，对沉积物中氮磷的释放研究较为普遍，可分为沉积物异位 模拟实验法和柱状原样室内模拟法。沉积物异位模拟实验法是用抓斗或其它装置取表层 沉积物进行模拟实验，该方法破坏了沉积物的纵向结构。柱状原样室内模拟法是在采样 时不破坏坏沉积物性状，保留沉积物垂向分层特征进行模拟实验。但是在采样时仍不能 保证不破坏沉积物的表层物理状态。模拟实验过程又可分为静态模拟和动态模拟。静态 7 影响。一般认为在厌氧状态下。沉积物更容易向水体释放磷【3 刀。当水体溶解氧下降，出 现厌氧状态时，此时水泥界面氧化还原电位较低，有助于f e 3 + 一f e 2 + 转化，使与铁 结合或被吸附的磷酸盐释放出来3 8 】【3 9 1 。 水温对水中的可溶性气体、部分盐类的溶解度、水中化学反应速率、微生物活性以 及p h 值等都有影响。温度升高促进了沉积物释磷。在水温升高时，沉积物中微生物活性 增强，底栖生物活性加强，提高生物扰动作用和沉积物有机物的矿化速率，促使有机磷 向无机态磷转化，将不溶性磷化物转化为可溶性磷【似4 3 】。 扰动条件下的底泥磷释放量远大于静态条件下的释放量，因为扰动使表层沉积物再 悬浮，加速了沉积物间隙水中磷的扩散速度，从而增加磷的释放。但是，也有研究州 表明沉积物的再悬浮促进了磷从上覆水向沉积物的迁移，对磷有固定作用，减小了磷的 释放量。 王晓蓉【4 5 】对太湖沉积物磷释放量进行研究发现，沉积物中磷释放量与p h 值呈“u 型曲线相关。p h 值在酸性和碱性时磷释放量较大，特别是在碱性条件下磷释放量大量提 高，而中性范围时释磷量最i x 4 6 1 。水体中磷酸盐的主要存在形式为p 0 4 孓、h p 0 4 2 。和 8 城市内河暂睇t 物营养元素释茄d 觅律研究一一以竹舅p 中为例 h 2 p 0 4 ，它们在水体中的存在形式受水体p h 值影响。磷酸的离解常数分别为2 1 2 、7 2 0 和1 2 3 6 。所以，当p h 在8 1 0 之间时，磷酸盐主要以h 2 p 0 4 。形式存在，易被沉积物中镁 盐、铝硅酸盐以及氢氧化铁胶体等吸附，而p h 值高时，o h 离子浓度增加，h 2 p 0 4 易从 氢氧化铁胶体中解吸，释放到水体中。有研究认为，p h 值较低时，沉积物中磷受酸溶作 用，磷释量增加；而在p h 值较高时，o h 与被束缚的磷酸盐阴离