（环境科学专业论文）河流沉积物中磷的释放特性及其释放机理探讨.pdf

1 2 沉积物的特性 沉积物包括泥沙 有机物质 矿物质等 是经过一系列物理 化学和生物过 程沉积于水底的 例如水对沿岸土壤的侵蚀和冲刷 使泥沙等物质沉积于水底 又如当富含磷酸盐的废水进入硬水时产生羟基磷灰石沉淀 反应如下 5 c a o h 3 p o c a 5 0 h p 0 4 3 s 沉积物是最复杂的絮凝体 其中的矿物微粒 粘土矿物 水合金属氧化物 腐殖质 有机质等相互作用 通过各种凝聚 絮凝方式相互絮凝 它与其所处 的地形部位 水文 地质条件存在着基本一致的相关规律 在形成过程中 受到 不同水流的分选作用 有颗粒粗细不同之分 形成沙 壤 粘质类型的沉积物 研究表明 水体沉积物可分为三个不同部分 好 有 氧层 厌氧层和兼氧 界面层 沉积物的氧化状况取决于每一层的主要电子受体 好氧层的电子受体是 q 一旦所提供的氧耗尽时 兼氧界面层就产生 在这一层中硝酸盐将作为电子受 体 由于通常只有少量可以利用的硝酸盐 该反应的程度是有限的 在厌氧层 硫酸根离子被还原成硫化物 当提供的硫酸根离子耗尽时 甲烷化将成为主要的 氧化还原反应 沉积物一水界面是水体和沉积物两相组成的边界环境 除微粒浓度不整合以 外 在密度 微粒和溶液组成 化学种类的活动性 p h e h 和生物活动性等方面 均存在明显的梯度变化 5 1 0 总的来说在这一界面环境上 两相物质在物理 化学 及生物特征上均呈现显著不同 1 3 磷在沉积物中的赋存状态和转化 磷与人类社会有着十分重要的联系 它在肥料工业 食品工业 国防工业 汽车制造业以及医药 火柴制造 软化水 洗涤剂等诸多方面有着极其重要的用 途 而且磷在有机体中的作用也是多种多样 并参与许多生理活动 磷化学是化 学领域中的一个重要分支 然而在磷的广泛使用过程中 也不可避免地产生了新 的问题 磷污染 通常磷和氮一起 容易造成水体富营养化 1 3 1 水体中磷的来源 1 农业废水 由于磷肥和氮肥对植物生长起着很大作用 保证了农业的高 产 为人类提供了丰富的食物 但施用的肥料只有较小部分被作物吸收 据测量 一般最大的吸收率不超过5 0 少数甚至不到2 0 大量营养物质被农田和地表径 流带到地下水注入地表水 2 2 生活用水 如粪便 泔水 洗涤水等 据测算 每年流入太湖的磷约为 4 0 0 吨 而其中生活污水中含磷排放量约为5 0 9 6 以上 3 工业废水 如造纸 皮革 制糖 食品 化肥 农药等行业排放的工业 废水 4 其他来源 如水生生物残体分解 大气降水的带入等 1 3 2 沉积物中的磷 湖泊富营养化调查规范 中将沉积物中的p 形态分为5 种 即可溶性磷 d p 铁结合磷 f e p 铝结合磷 a 1 一p 钙结合磷 c a p 和有机磷 o p 总 的来说包括有机形态的磷和无机形态的磷 有机形态的磷大致和一些已知的生物体组成中的含磷有机化合物相似 如植 素 菲丁及其衍生物 核酸 磷脂 磷蛋白 代谢磷酸盐等 其中植素可在植素 酶或磷酸酶的作用下 水解脱去磷酸离子或部分地脱去磷酸离子 即植素分解 并释出磷酸根使成为有效磷 核酸比较容易为磷酸酶所水解 而分离出磷酸 糖 类及含氮基 无机形态的磷种类较多 成分也比较复杂 大致可分为矿物态 代换态和水 溶态 1 1 矿物态 磷酸铁 铝和磷酸钙 镁是沉积物中矿物态磷的两大类型 它们在沉积物中的相对含量 除了和母质来源有关羿 还随p h 而变化 酸性沉积 物中铁铝氧化物含量较高 易形成次生的磷酸铁铝盐 而在中性 碱性沉积物中 则碳酸钙含量较高 易形成磷酸钙盐 2 代换态 包括通过各种引力为沉积物 固相吸附的磷酸或磷酸根阴离子 其中包括代换念磷 代换态磷通常以心p o 一和 h p o 为主 由于胶体所带的负电荷随p h 下降而提高 因此代换态磷一般也随p h 下降而增高 而且还能随p h 的调节而释出 3 水溶念 是指溶于问隙水中的磷 主要是正磷酸盐 还存在着金属离子与磷酸根形成的可溶性络合物 1 3 3 上覆水中的磷 上覆水中磷以溶解态 悬浮态和胶体三种物理状态存在 1 按化合形态分 则包括无机磷和有机磷两种化合态 水中几乎所有的无机磷都是以磷酸盐存在 溶解在水中的主要是 f 磷酸盐 其他形态的磷化合物 不论是卤化物 氧化物或次磷酸 h p 0 2 亚磷酸 叱p o 偏磷酸 h p 晚 焦磷酸 地p o d 等等均可通过水解或岐化作用转变为正磷酸 而 以正磷酸晟为稳定 除了离子态的磷酸根 溶液中还存在着磷酸根与金属离子所 形成的可溶性络合物 在水中还经常含有一些可与磷酸根形成络合物的金属离子 如k n a c a m g 等 有机磷包括葡萄糖一6 一磷酸 2 一磷酸一甘油酸 磷肌酸 等和以胶态或颗粒态存在的磷化合物 上覆水中磷的存在形式与水的p h 值有关 在自然界水的p h 值下 可溶态磷 主要是h p o 9 0 和h p 仉一 但水中可溶磷的含量很少 易与c a f e a l 生 成难溶物沉积于底泥中 或以悬浮态存在 1 3 4 磷循环 磷属于沉积型循环的物质 其分子或化合物无气体形态 主要是通过岩石风 化和沉积物的分解转变为可利用的营养物质 而由沉积物转化为岩石圈成分则是 一个极其缓慢的物质移动过程 沉积型循环的主要储存库是土壤 沉积物和岩石 圈 因此 磷循环的全球性不如气体型循环表现得那么明显 磷是构成生物有机体的一个重要元素 磷的主要来源是磷酸盐类岩石和含磷 的沉积物 如鸟粪等 自然界磷的转化主要通过三个途径进行 有机磷的矿化 作用 难溶性无机磷的可溶化作用和磷的同化作用 它们通过风化和采矿进入水 循环 变成可溶性磷酸盐被植物吸收利用 进入食物链 以后各类生物的排泄物 和尸体被分解者微生物所分解 把其中的有机磷转化为无机形式的可溶性磷酸盐 接着其中的一部分再次被植物利用 纳入食物链进行循环 另一部分随水流进入 海洋 长期保存在沉积岩中 结束循环 磷在水一沉积物间存在着交换作用 其循环取决于岩石 沉积物和水中磷的 含量 水中磷的循环 微生物起重要作用 无机磷被改造成a t p 和a d p 进入生物 体 并且磷也参加蛋白质的合成p 吼 一a t p a d p 甘油磷酸酯糖一p o 一3 糖 生 物体中磷从无机磷酸盐开始 经过转化又以无机磷酸盐出现完成磷的生物地球化 学循环 污水中洗涤剂的排放 添加剂三聚磷酸盐水解时形成正磷酸盐p 3 0 i o s 2 h 0 3 h p o 2 一十h 1 4 研究动态 沉积物和水之间存在着一种吸收和释放的动态平衡 一般认为沉积物中磷的 浓度较大时 形成一个向上的浓度梯度 这是造成沉积物磷释放的一个客观条件 颗粒状的有机磷经细菌作用转化为无机盐溶入空隙水中 再进入水体 即沉积物 释放磷形成内负荷包含几乎同时发生的两个过程 磷溶解进入问隙水 通过扩散 风力和船只搅动 底栖动物扰动及气体对流等物理作用形成泥水的界面交换 溶 解态的磷被迁移进入水体 传统上描述磷释放的化学模式是还原环境下有利于p 的释放 而氧化环境下有利于p 的沉积 湖泊水体中的物质进入沉积物一水界面 后 在沉积物早期成岩过程中 沉积物中有机质氧化降解 使得沉积环境处于相 对还原条件 此时沉积物中的铁氧化物或氢氧化物溶解 与之结合的磷酸盐也可 能溶解释放 1 目前对于磷从固相释放的研究 国外对于沼泽 湿地释放磷的研究较多 国 内则对非点源污染的磷通量研究较多 而对于磷释放机理的研究也时有发表 他 们大多侧重于释放通量的研究 对释放机理的解释也大体一致 但由于考虑的影 响因子不全面 只有一个或几个 实验周期也较短 因此有必要对此进行全面 综合的研究 1 4 1 沉积物磷释放机理研究现状 磷的释放与化学沉淀的形态有关 一旦出现有利于钙 铝 铁等不溶性磷酸 盐沉淀物溶解的条件 磷的释放就可能发生 进入沉积物中的磷可能以三种形式 向水体释放 1 有机质的矿化分解 释放出溶解性的磷酸盐 其中一部分通过空隙水向 上扩散 另一部分被沉积物矿物颗粒吸附 被吸附的磷酸盐 在空隙水中的磷释 放以后 可能解吸补充到空隙水中去 2 铁氧化物解吸作用也是一个可能释磷途径 在沉积物中 尤其是表层沉 积物 绝大多数的磷酸赫可能是与非晶质或短序络合物呈共价键形式结合 这些 络合物在成分上与水合铁氧化矿物有关 与铁氧化物结合的磷和有机磷一样 相 对其他形式的磷较为不稳定 当环境氧化条件变化时 很容易释放出来 而还原 作用也能使阳离予f e 还原为f e 而使被氧化铁束缚的磷释放 沉积物表层的无机铁氧化物能够影响磷的释放 因为这些物质在p h 呈中性时 能吸附阴离子 在氧化环境里 这些物质充当了阻挡p 元素从沉积物进入上覆水 中的阻碍物 p h 对水环境的各种物理化学反应均有重要影响 在沉积物释磷反应 中也是如此 p h 接近中性 在其它条件不变时 磷释放量较小 而在酸性或碱性 范围内磷释放量较大 其机理可能是p h 影响沉积物的吸附作用和离子交换作用 王雨春等也认为 湖泊沉积物向水体释放的 活性磷 主要来自与铁氧化物或铁 氢氧化物结合的磷 这种相态的磷与非晶质和短序度络合物以共价结合 f e 的氧 化状态控制了磷的释放 1 3 沉积物扰动可能会使分层氧化带之下的孔隙中的溶解磷直接向上覆水体 释放 还有研究认为 矿物态磷能为螯合剂溶解 由于在磷酸盐矿物中所含的 阳离子 如铁 铝 钙 镁等 都有形成络合物的倾向 容易和具有络合和螯合 能力的阴离子结合 从而使被固定的磷酸根离子释放 在沉积物还原条件下 有 机质的分解不完全 会产生许多有机络合物 能和f e a l 等产生络合和螯合作 用 不仅能减少磷的固定 而且还可使被固定的磷再溶解而释出 沉积物和水界面磷的循环主要受氧化还原条件的影响 f e p a 一p 和c a p 及有机磷在氧化还原条件差异的界面环境和沉积埋藏环境的地球化学行为差异 性是控制磷在沉积物和水界面重新分配的主要原因1 1 0 空隙水磷扩散迁移的补给 途径为 随着沉积物的堆积埋藏 处于还原环境的底部沉积物通过有机质分解 铁氧化物 i i j 还原和碳酸盐溶解作用向空隙水释放大量的磷 空隙水中的磷除 部分可能以固着态f e p 和a 1 一p 形式沉淀外 大部分重新转化为有机磷或c a p 部分向界面扩教并伴随着沉积物一水界面铁循环在界面的富集 重薪转化为可溶 性f e p 部分可能继续向上覆水体迁移 1 4 2 沉积物磷释放的影响因素 温度和微生物活性 升高温度时磷的释放量会逐渐增加 这是因为一方面温 度升高微生物的活性增强 耗氧增多 d 0 减少 从而使 h 降低 底泥容易发生 f e 一f e 的化学反应 致使f e 结合磷中的磷释放出来 另一方面 微生物的 活性还可使沉积物中有机态磷转化成无机态的磷酸盐而浔以释放 另外温度也影 响营养物的输送 氧气的下渗深度和氧化还原电位 间接影响磷的释放 p h 理论上讲 p h 值6 5 左右 水中正磷酸盐主要以t t p o p o 一存在 最 易被沉积物吸附 降低p h 沉积物释磷以溶解为主 升高p h 释磷以离子交换为 主 体系中o h 一与f e p 和a 1 p 复合体中的磷酸盐发生交换 因此 p h 值6 5 时磷酸盐最易被沉积物吸附 偏酸或偏碱都可有利于沉积物中磷素的释放 吴根 福 等人在对杭州西湖底泥释磷的研究中发现 试验中不调节p h 值 磷素的变 化最小 偏酸或偏碱都可有利于底泥中磷素的释放 他们认为其可能原因是一方 面p h 值的改变引起了系统内微生物结构及其活动强度的变化 另一方面也影响了 磷素的溶解状态 隋少峰等 在东湖底泥释磷的研究中则认为 磷在湖底中通常 被认为与f e a l 盐相互作用 其中f e o h 的吸附作用尤为重要 这种吸附受 p h 影响很大 低p h 值时 溶解性h p 仉一含量增多 有利于底泥中磷的释放 在高 p h 值时 由于o h 与铁 铝磷酸盐复合体中的磷酸盐发生交换 使底泥中的磷释 放出来 e h 隋少峰等 3 1 在东湖底泥释磷的研究中则认为 当表层底泥e h 较高时 有助于f e f e 反应 使f e 与磷酸盐结合生成难溶的磷酸铁 而当e h 较低 小 于2 0 0 m v 时 有助于f e f e 胶体状的 f e o h 转化为可溶性的f e o h 使p 吼一脱离沉积物进入间隙水 继而在上覆水中扩散 促使水体磷含量上升 6 d o 对于磷一般认为水体底部的氧化状态能促进磷的吸附 而缺氧条件则有 利于磷的释放 如果河流水体中保持一定的溶解氧 可有效抑制沉积物中有机物 氨氮和磷的释放 否则由于沉积物缺氧释放 氨氮明显回升 而有机物不会很快 上升 反而因反硝化消耗碳源继续有所下降 由于反硝化过程产生碱度使水体p h 略有升高 更接近中性 从而阻碍磷的进一步释放 通过对玄武湖的深入研究发 现 在好氧和缺氧条件下沉积物释放量可相差一个数量级 主要是因为溶解氧会 影响沉积物表层的氧化还原状态 好氧时 容易发生f e 2 f e 3 化学反应 形成难 溶的f e p o 抑制了磷的释放 反之有利于磷的释放 因此厌氧条件下底泥释磷量可 达好氧条件下的几十倍 我国多数湖泊河流属于浅水型 水体扰动大 溶解氧容 易上下混合 这有利于抑制沉积物磷的释放 但在夏季 由于天气闷热或藻类大 量繁殖 在晚上往往溶解氧严重不足 可能发生沉积物磷的释放 扰动 扰动是影响浅水湖泊水一沉积物界面反应的主要物理因素 虽然扰动 增加了系统的溶解氧 应不利于底泥中磷的释放 但扰动也促进了泥水之间的混 合与交换 而这种混合交换作用对底泥释磷的影响要比单纯d 0 的影响更重要 所 以扰动能显著地增加底泥的释磷量 1 5 研究方法 在充分收集 借鉴国内外相关方面的研究资料基础上 采用大型土柱静态模 拟实验方法 分三期实验进行 分别控制氧分压 有机质和粒径的不同 每天采 集不同深度水样 包括空隙水 上覆水和表层水 测量水样的温度 p h e h d 0 及p o 等值 从而弄清观测项目的垂向分布特征及其主要影响因素 通过建立各 量之间的相关性 研究沉积物磷释放过程及机理 找出对磷释放影响最大的因素 第2 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 实验所用的样品包括三种 分别是 南海市盐步镇花地涌底泥 东莞市中堂 镇东江支流底泥和经过反复冲洗的砂子 采样时问是2 0 0 2 年1 1 月 花地涌是受污染程度严重的感潮河段 流量较小 接纳了大量的生活污水和 工业废水 水质超过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 花地涌的底泥采自居民区附近河段 受有机物污染较为严重 露出水面的底泥为 油黑色 呈烂泥状 手感粘滑 伴有刺激气味产生 有破布块 塑料绳等生活废 弃物 东江支流的水质较好 达i i i 类标准 底泥呈沙棕色 有相当部分的细粒沙 土 土质相对生硬 无异昧 伴有冲刷来的建筑石头 砖块和玻璃等杂物 两者 均在采样地点 当河流退潮 底泥显露水面时或水深较浅时 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 均匀摊开为1 5 c m 厚度的土层 让其自然风干 经过一个月的时间即全部晾干 晾干后的底泥置于滤纸之上 用玻璃瓶碾碎 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 塑料捅中并用保鲜膜封 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 对保存的样品进彳亍物理和化学性质的分析 为后面模拟实验的进行提供依据 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 铜 c u 铝 a 1 钙 c a 等的分析 分析方法和结果如下 表2 1 理化性状测定项目及测定方法 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 磷酸 p h 值水浸提法 复合电极二氢钾o h 68 7 标准缓冲溶液 机械组成比重法比重计n a o i i 1 1 o c e cb a c l 一t t s o t 快速测定法离心机 滴定管氯化钡 硫酸 氢氧化钠 酚酞 半微量定氨蒸 s o n a o h h b m 甲基红一溴甲酚绿混合 总n i 微颦蒸馏法 馏器 凯氏瓶 指示剂 酸溶一钼锑抗紫外分光浓h 2 s o 钼锑储存液 抗坏血酸 二硝基 总p 比色法光度计 电炉酚指示剂 氟化铵 盐酸浸提一钼锑抗紫外分光光度计 抗坏血酸 钼酸铵 酒石酸锑钾 磷酸二 有效p 比色法 往复式振荡机 氢钾 电炉 温度计 油k 2 c r 2 凸 i 1 2 s o f e s 吼 k 2 c r 2 0 7 n 苯基邻氨 有机质油浴加热一k c r 凸容量法 浴锅 铁丝笼基苯甲酸 邻菲罗林 铜 c u 铝 h 1 钙 c a 表2 2 土壤基本理化性状 p h 值 c e c 总氨总磷有效磷有机质 t a e l o o g 土 m g k g 花地涌东江沙 4 7 4 3 1 80 4 6 0 2 6 5 2 6 1 1 6 6 0 0 5 铜铝钙 表2 3 土壤机械组成 0 0 5 m m 质地名称 花地涌2 1 6 0 0 o 2 4 3 8 5 4 0 2 面砂土 东江 2 3 3 0 0 o 2 5 5 7 5 1 1 3 面砂土 沙 o 9 3 0 0 0 9 9 0 7 粗砂土 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 所用装置为中山大学环境 科学研究所吴群河老师自行设计 由广州永华塑料五金加工厂生产组装 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2 一1 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 m m 的法兰盘和垫圈进行密封 并用8 颗巾8 x 4 5 r m n 螺 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l o 个采样器 1 个迸水阀和一个检查窗 2 2 1 实验底泥配比及条件控制 经过精心的准备 第一期模拟实验于2 0 0 3 年5 月9 日开始 第二期模拟实验 于2 0 0 3 年6 月2 5 日开始 第三期模拟实验于2 0 0 3 年7 月3 0 闩开始 各期实验 初期装土装水过程如下 首先 在反应器内自上而下加入2 n u n 筛下的按比例混合 均匀的沉积物 经过轻微拍打后 形成沉积物高度5 0 c m 然后从底部进水阀连接 蒸馏水 打开阀门使水流自下而上缓缓加入 以免造成太大扰动 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 最后打开配气器阀门 从顶端进气管通入氧气和氮气的混合气体 气体直达 水界面 在反应器上部形成高度2 0 c m 的充气空间 另有一根排气管保持一个大气 压力 这样既可控制通氧量 又能够排出实验过程产生的c 0 等气体 各期实验的 装土通气情况见表2 4 9 2 2 2 实验采样原则 本试验设计的采样系统由砂芯滤管 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1 0 个 如图所示 从下到上依次编号为1 1 0 其中6 号恰 好位于底泥与水的界面 作为零界面 则1 0 个界面自下而上依次深度为一4 5 c m 一2 5 c m 一1 5 c m 一l o o m 一5 c m o c m 1 0a 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 天左右各项指标可达到平衡 箭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 硝氮 硝态氮和正磷酸盐八项指标 次 2 3 实验检测方法 分别测量溶解氧 温度 p h e h 氨氮 亚 重金属 化学耗氧量和细菌检测则每周测一 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 表2 4 三期实验的装土与通气情况 第一期 第二期第三期 柱号 沉积物通气沉积物通气沉积物通气 r 柱全n 全东江0 2 n 2 全沙0 2 n 2 2 4 柱 9 9 8 4 7 6n 2 0 1 6 0 28 0 东江2 0 花地涌l 5 8 0 沙2 0 东江l 5 通 l o o 3 柱9 9 2 n 20 8 0 26 0 东江 4 0 花地涌 通气量6 0 沙4 0 东江气量为 花遗涌 4 柱 9 6 n 24 o 如4 0 东江6 0 花地涌为0 24 0 沙6 0 东江 0 2 5 4 柱8 傩 2 0 毡2 0 东江 8 0 花地涌 l m i n 2 0 沙 8 0 东江l m i n 1 0 匝蛰fs岔俅踩 躲状一一一匾爵旷墨繇淋躁1躲状一 拙圹镯最 一滟扩丑rn 姐 剖状 一匝瞥f舒俅最怕一靼刊嚣诛状矧 岳林 匝嘲媒辞眯下n匝 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 亚硝氮 正磷酸盐 化学耗氧量 c o d 表2 4 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 奥立龙p h 标准缓冲液 d o 电极探测法奥立龙 n h 4 n电极探测法奥立龙氯化铵 氢氧化钠 n o n电极探测法奥立龙硝酸钾 n o 刊 电极探测法奥立龙亚硝酸钠 硫酸钠 硫酸 钼酸铵分光上海分析仪器厂7 2 2 抗坏血酸 钼酸铵 酒石 p o p7 0 0 n m 光度法型紫外分光光度计酸锑钾 磷酸二氢钟 c o d c a m g 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 其中磷细菌的培养基成分和检测方法如下 1 有机磷菌 培养基的主要成分及含量 n h 2 s 吼 0 5 9 1 m g s 0 4 7 h 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 m n s 仉 4 h o o 0 3 9 1 c a c o 5 o g 1 f e s n 7 h 0 0 0 3 9 1 卵磷脂 0 2 9 1 琼脂1 5 1 8 9 k c l o 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1 2 天 计数 1 2 2 无机磷菌 培养基的主要成分及含量 n h s o o 5 9 1 豫s g 7 t 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 e 0 4 1 0 o g 1 f e s o t 7 h 0 0 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 每个稀释度做3 个平行样 2 5 3 0 度培养l 2 天 计数透明菌落 2 3 3 细菌的分离和初步鉴别 1 土壤的菌相恢复 风干土 已过z o 目筛 使用前在室内培养 恢复土壤微生物活性 称取3 q o g 风干土样放入灭菌的5 0 m l 塑料注射器中 注射器的顶部向上并加灭菌棉以利 于透气 加灭菌水到淹没土样 室温培养2 周 根据前次试验结果知道 1 4 天 采样细菌数量最多 2 各类细菌的分离和纯化 配制有机磷 无机磷 硝酸菌 氨化菌 反硝化菌培养基 称耿1 0g 培养后的十样 加入到装有9 9 m l 无菌水的三角瓶中去振荡 5 m i n 然后依次稀释到一2 一3 一4 5 一6 用移液器吸取1 0 浓度的土壤溶 液0 1 m l 放于琼脂培养基上 涂布均匀 每个梯度样品重复3 次 倒置 3 0 c 培养2 3d 逐日观测出现的菌落同时进行已数 挑取不同外部形态的菌落 在新的 平板上进行划线分离 并对其进行编号 对于不同形念的细菌重复纯化 直到菌落形念一致为止 对于得到的纯化菌落进行观察和记录 并接种到斜面培养基上保存 供 进 步筛选 3 细菌鉴别 对于经过分离纯化的细菌进行简单的鉴别 如细菌的菌落形态辨别 细菌 的个体形态辨别 革兰氏染色等 2 4 实验仪器 主要实验仪器包括 超净工作台 恒温培养箱 移液器 氨氮测量电极 硝 酸盐氮测量电极 亚硝酸盐氮测量电极 溶解氧测量电极 分光光度计等 第3 章不同通氧量条件下正磷酸盐的释放特性 3 1 不同通氧量条件下各个测量值的垂向变化 3 1 1 d 0 和温度的垂向变化 天然水中的溶解氧主要来自于空气中氧的溶解 藻类的光合作用也产生氧 但这并不是有效的来源 因为到了晚上藻类自身新陈代谢要消耗氧 当藻类死亡 后 有机质的分解也要消耗氧 水中溶解氧浓度取决于水温 空气中氧的分压和 水中含盐量等 根据亨利定律 水中某气体的溶解度与同水接触的该气体的平衡分压成正 比 其表达式为 g a q k d 3 1 式中 g a q 某气体在水中的溶解度 k 对于一定温度和气压下是常数 称亨利定律常数 p 气体的分压 对于不同温度下水中的饱和溶解氧 o s 有经验公式 0 s 4 6 8 3 1 6 t 3 2 式中 o s 为饱和溶解氧 t 为水温 单位 在本次实验中 由于沉积物相同 水中含盐量基本相同 而所测量的温度基 本上在2 7 5 3 0 5 摄氏度之间 变化不大 在计算中取各柱的平均值 只有氧的 分压相差较大 控制通氧量 l 柱到5 柱的氧分压及根据亨利定律计算的各柱 溶解氧如表3 1 表3 1 各柱的氧气分压及饱和溶解氧 1 柱2 4 柱3 柱4 柱5 柱 氧气分压 oo 1 6 0 842 0 饱和溶解氧 o 0 0 5 90 2 9 41 4 7 l7 3 5 5 m g l 另外本实验是静态实验 没有任何扰动 因此复氧单纯依靠分子扩散 复氧 4 速率是很慢的 由图可见 孔隙水的溶解氧变化不人 而且不随通氧量不同而变 化 上覆水中的溶解氧5 柱明显高于其他柱 这说明氧分压对孔隙水影响很小 图3 1 各柱d o 的平均浓度随深度的变化 为排除气温的影响 故采用气温与水温的温差来考虑整个系统的温度变化 由图可见 上覆水的温度均低于气温 且3 柱是最低的 孔隙水温度变化的规 律性不大 图3 2 各柱气温与水温之差随深度的变化 3 1 2p h 和 h 的垂向变化 本次实验p h 和e h 晕很好的负线性相关 由图可见 对于p h 上覆水低于 孔隙水的值 孔隙水的p h 值在7 左右 说明沉积物的p h 是呈巾性的 上覆水中 的p l i 随通氧量的增加而减小 其规律性很明显 这说明氧气含量的增加使溶液 p h 值下降 原斟是溶解氧可有效抑制沉积物中有机物 氨氮和磷的释放 促进 硝化反应 由于硝化过程产生酸度使水体p h 略有降低 e h 则恰好与p h 相反 上覆水的e h 随氧气分压的增大而升高 培解氧越多 其氧化还原电位反i 面速高 还原能力越强 为什么上覆水还原性l l l 隙承还大 图3 3 各柱p i 随深度的变化 图3 4 各柱e h 随深度的变化 3 1 3 正磷酸盐的垂向变化 由以卜 两图可知 随深度的加深 磷酸盐的平均浓度基本上是逐渐增加 除 2 弄1 13 梓上覆水的浓度相当 基本k 上覆水浓度随通氧量的增加n 而a 4 可见 溶解氧越少越有利于磷的释放 另外4 柱在水土界面的值最高 可能的原冈是 5 柱在一2 5 c m 处最高 且明显高于其它值 实验到第f 七天左右达到平衡 平衡后空隙水的平均浓度略有降低 而上覆水的3 f 均浓度却有增加 图3 5 各柱正磷酸盐平均浓度随深度的变化 图3 6 达到平衡后各柱正磷酸盐平均浓度随深度的变化 3 2 不同通氧量条件下上覆水中各个测量值随时间的变化 3 2 1d o 和温度随时问的变化 溶解氧随着时间的变化总的趋势足降低的 除5 柱外 其他四根实验柱的变 化趋势非常相似 5 柱则很明显的大于其他柱的值 垂向变化趋势也有这一特点 这是因为1 到4 柱的饱和溶解氧均低于1 5 m g l 应该都是处于厌氧环境 而 5 柱则高达7 3 6m g i 处于好氧环境 气温与水温间的温差变化在前几天波动很大 可能是 发酵 从第十一天 开始 水温基本上是低于气温的 这与天然水与气温之阃的关系相同 1 7 图3 7 各柱e 覆水中d o 的平均浓度随时间的变化 图3 8 各柱上覆水中气温与水温之差随时问的变化 3 2 2p h 和e h 随时间的变化 p h 在第二十天后重新配过标准液 由于两次所配的标准液有差别 凶此只 看前二十天的变化趋势 总的来说 p h 先是缓慢降低 在第十八天却突然升一k 来 可能的原因是溶解氧降低 发生反硝化过程 产生碱度 使水体p h 升高 i 随时间降低 氧化还原电位略育升高 黼溶解氧的减少还原性增强 图3 9 各柱 二覆水中p h 随时间的变化 图3 一l o 各柱上覆水中曲随时间的变化 3 2 3 正磷酸盐随时间的变化 由图3 一1 1 和3 一1 2 可见各柱沉积物中的释放趋势是相同的 先增加 然后慢 慢降低 逐渐达到平衡 在第八天到第九天时变化较大 5 柱在第八天到第十七 天之间明显高于其它柱的值 其他时间则相当 原闵是释放的少 水土界面的值变化趋势与沉积物中的基本相同 只是波动更大一些 上覆水 中正磷酸盐的变化也是先增后降 明显可见5 柱在上二覆水中的浓度是最低的 1 9 图3 1 l 各柱沉积物中正磷酸盐平均浓度随时间的变化 图3 1 2 各柱沉积物中正磷酸盐平均浓度随时间的变化 5 柱以右边的刻度读数 图3 一1 3 各柱水土界面中正磷酸盐平均浓度随时间的变化 图3 一1 4 各柱上覆水中正磷酸盐平均浓度随时间的变化 由图3 1 5 可知 界面与沉积物中的变化趋势基 长相同 只是4 柱界面高于 沉积物中的浓度 而5 柱沉积物又明显高于界面的浓度 图3 1 5 各柱土 界面和水中正磷酸盐平均浓度随时间的变化 3 3c o d 与金属钙 镁的变化特性 卜覆水中镁大多没有检测冉 其检测限为0 1 m g l 图3 1 6 各柱上覆水中c a 浓度随时间的变化 图3 一1 7 各柱c o d 随时间的变化 第 期 上覆水和孔隙水中的c o d 相差二 三十倍 上覆水中的变化是先降后增 孔 隙水则一赢降低 3 4 不同通氧量条件下各个测量值之间的相关性 3 4 1 各个测量值垂向变化的相关性 占一日 巳 p 甜 氛蒜 iq mi i 挚峨 j 屁 d 0 口口f喁 罐瞽 毋 溪警 虽 伊 曾 璺 w e n c h a 口 譬 酵宇印 牡哪 一a 沪 晶 撕 奄飞 p h 5 嘧 出矿 e h 甥舒尸 哿 a 曙 图3 1 8 各个测量值两两问的散点图 由图可见 溶解氧与温差之间 f 磷酸盐和溶解氧之间 溶解氧和p h 之间以 及p h 和e h 之间有一 定的相关性 表3 2 各个测量值与正磷酸盐多元线性回归系数的检验结果 未标准化系数标准化系数 模型系数b系数标准误系数bt 值p 值 l常数一7 9 2 82 9 8 7 7 0 2 6 50 7 9 2 d o 1 9 8 60 4 3 9 0 7 9 7 4 5 2 30 0 0 0 温差一o 1 8 l0 3 7 6 0 0 9 7 0 4 8 l0 6 3 3 p h1 4 5 8 4 1 9 90 3 4 l0 3 4 70 7 3 0 e h3 5 8 8 e 0 20 0 7 2 0 4 9 70 4 9 80 6 2 1 注 应变量为正磷酸盐 由表3 3 可知 只有d o 有统计学意义 这与我们实验控制条件是相同的 其 2 4 他测量值与 f 磷酸盐一样 是显现的结果 而不是正磷酸盐变化的原因 图3 1 9d o 与温差的相关性 温差 正磷酸盐 图3 2 0p 1 与d 0 的相关性 图3 2 1 正磷酸盐与d o 的相关性 3 4 2 各个测量值随时间变化的相关性 暴 暑蠢 叁二 麓 p 罄 学 岛口 留田 姗 p h 每锚 瓣 榔 嗨e h黔产瓣占l o d曲 口曾口萼s 臣 予 屯毋 口a 口 口 冒艇岛函喜 d o 艚 麓棼韶嗵冀 棼 w e n c h a i o 图3 2 2 各个测量值两两间的散点图 可见 只有p h 和e h 之问有一定的相关性 其他值相关性不大 表3 3 各个测量值与正磷酸盐多元线性回归系数的检验结果 l 模型 未标准化系数标准化系数 系数b系数标准误系数bt 值p 值 l常数0 6 7 01 3 3 7o 5 0 l0 6 1 8 d o一0 1 8 90 0 5 4 0 4 6 8 3 5 3 30 0 0 1 温差 一42 5 9 e 0 2 o 0 4 1 0 1 3 7 1 0 4 60 3 0 0 p h t z l l e 0 20 1 8 5一o 0 2 4 0 0 6 60 9 4 8 e t t 1 9 0 9 e 一0 30 0 0 40 1 7 70 4 8 l0 6 3 3 注 应变量为正磷酸盐 由表可知 同样只有d 0 有统计学意义 但d o 与正磷酸盐之间的相关系数小 于0 5 第4 章不同有机质和粒径条件下正磷酸盐的释放特性 第二期与第三期实验的通气情况相同 每柱均以0 2 m l m i n 充入氮气和氧气 的混合气体 其氮氧比为5 1 其上覆水的饱和溶解氧为6 1 2 9 m g l 第二期的 沉积物为花地涌和东江的底泥以适当比例混合的 第二期是东江和用水冲洗过的 沙子以适当比例混合的 由于花地涌底泥 东江底泥和沙子的粒径与有机质均不 同 便形成不同的有机质和粒径条件下的正磷酸盐的释放 各柱的有机质含量及粒径分布如表4 一l 和4 2 表4 1 三期实验各柱的粒径分布 0 0 5 m 第一期l 一5 柱 2 1 6 0 o 0 2 4 3 8 5 4 0 2 l 柱2 3 3 0 0 0 2 5 5 7 5 1 1 3 2 柱2 2 9 6 0 o 2 5 3 3 5 1 7 1 第二期3 柱 2 2 6 2 o 0 2 5 0 9 5 2 2 9 4 柱2 2 2 8 0 0 2 4 8 6 5 2 8 6 5 柱2 1 9 4 o 0 2 4 6 2 5 3 4 d 1 柱 0 9 3 0 0 o 9 9 0 7 2 柱5 4 0 o o 5 1 1 8 9 4 8 第三期3 柱 9 8 8 0 o 1 0 2 3 7 9 8 9 4 柱 1 4 3 5 0 0 1 5 3 4 7 03 1 矿柱1 8 8 3 o 0 2 0 4 6 6 0 7 2 表4 2 三期实验各柱的有机质和比表面积 有机质比表面积 m 2 k g 第一期第二期第三期第一期第二期第三期 l 柱 1 6 6 0 0 5 9 7 9 6 0 44 0 4 7 3 2 柱1 8 5 0 3 偈9 6 5 4 3 92 2 8 1 3 2 3 柱 2 6 1 2 0 4 0 6 9 9 69 0 8 7 8 79 5 1 2 7 44 1 6 2 0 9 4 柱2 2 3 1 0 2 9 3 7 1 1 76 0 3 8 6 8 5 柱2 4 2 1 3 4 9 2 2 9 5 27 9 1 9 4 6 4 1 不同有机质和粒径条件下各个测量值的垂向变化 4 1 1d 0 和温度的垂向变化 4 一l 各柱d 0 的平均浓度随深度的变化 两期实验d 0 随深度的变化趋势相似 都是e 覆水的溶解氧高于沉积物中的 浓度 且第三期由于有机质含量低 这一特点更明显 第三期波动大应该是因为 实验只进行半个月 尚未达到平衡 因为通气情况相同 则上覆水的饱和溶解氧是相同的 可见不同有机质条件 下 耗氧是不同的 大体上是有机质含量高 耗氧多 粒径的影响也较大 比如 3 4 和5 荐柱 其有机质相差较大 但消耗的溶解氧却相当 可见大粒径吸附 最小 更多物质参与反应 又如第三期 有机质含量高的3 4 和5 柱沉积物 中的耗氧量反而低于l 和2 而2 柱上覆水的耗氧量最大 由图4 2 可见 与第一期实验不同 第二 二期实验的水温均低于气温 第 一 二期孔隙水的温度高于上覆水的温度 说明发生在沉积物中的反应是放热反 应 第三期上覆水的温度略高于孔隙水 可能是因为实验尚未达到平衡 图4 2 各柱气温与水温之差随深度的变化 4 1 2p h 和e h 的垂向变化 图4 3 各柱ph 随深度的变化 图4 4 各柱e h 随深度的变化 第二期实验的p h 随有机质含量的增加而减小 且上覆水的p h 稍高于沉积物 的 充分说明 沉积物是酸性的 第三期实验中 粒径的不同起了很大作用 不 同的有机质含量和粒径共同作用 使数据出现交错 昆数值普遍大于第二期的 4 1 3 正磷酸盐的垂向变化 图4 5 各柱正磷酸盐平均浓度随深度的变化 这两次实验的5 柱跟不同通氧量条件f 的5 柱变化相同 因为他们的通氧 量和有机质含量均相当 第三期的1 柱由于有机质含量很低 粒径呈现明显的 影响 使卜覆水的浓度高于孔隙水的浓度 说明粒径大 扩散快 不同粒径条件下磷酸盐平均浓度随深度的变化1 柱由于有机质含量很低 其磷酸盐平均浓度的变化随深度的升高而稍有增加 而且其上覆水的浓度还高于 2 柱 5 柱虽然有机质含量最高 但其上覆水中的浓度反而比3 和4 柱低 4 2 上覆水中各个测量值随时间的变化 4 2 1 和温度随时问的变化 图4 6 各柱d o 平均浓度随时间的变化 第二期的溶解氧规律性明显 是随着有机质的增加 耗氧量越大 同时由于 粒径大小与有机质含量同时作用 使3 4 和5 柱的耗氧量相当 第三期实验与第二二期实验规律基本相同 但其二号柱是个特例 可能此粒径 f 颗粒物的表面能较大 之后便迅速降低 这个问题降在筇 扛章讨论 图4 7 各柱气温与水温之差随时间的变化 4 2 2p h 和e h 随时间的变化 图4 8 各柱p h 随时间的变化 图4 9 各柱e h 随时间的变化 4 2 3 正磷酸盐随时间的变化 图4 1 0 各柱沉积物中正磷酸盐平均浓度随时问的变化 空隙水中磷酸盐的平均浓度很有规律 有机质含量最高的5 柱浓度最大 含量最少的l 柱浓度则最小 并且按沉积物中有机质含量的变化而变化 图4 一l l 各柱水土界面中正磷酸盐平均浓度随时间的变化 图4 1 2 各柱卜覆水中j e 磷酸盐平均浓度随时间的变化 由陶可知 上覆水中的平均浓度变化虽实验天数的增加有缓慢降低的趋势 但在第十三天左右各柱按沉积物中有机质含量增高而增高 图4 1 3 第二期各柱土 界面和水中正磷酸盐平均浓度随时闾的变化 图4 1 4 第三期各柱土 界面和水中正磷酸盐平均浓度随时间的变化 4 3c o d 的变化特性 图4 一1 5 各柱c o d 随时间的变化 第二期 图4 1 6 各柱c o d 随时间的变化 第三期 第二期实验c o d 的变化非常有规律 孔隙水中的c o d 随随有机质含量的增多 而增大 上覆水中在一周后也是随有机质含量的增多而增大 第一天 1 和2 的c o d 较大 之后明显降低 这是由于它们的粒径大 沉积物中的物质能够迅速 扩散到上覆水 与水中的溶解氧反应 而使c o d 迅速降低 第三期实验的c o d 在沉积物中除5 柱外 随有机质含量的增多而增大 而 且l 和2 柱基本不随时间变化 上覆水中c o d 随时间减小 2 掉柱的c o d 最大 这就解释了为什么其d o 最低 4 4 不同有机质和粒径条件下各个测量值之间的相关性 4 4 1 各个测量值垂向变化的相关性 害 日i i q 叩o 一警日 喀 p 憋 丑唱日 口嘶盟枷就 如昌执 罄毽二 w e n c h a 擎 q 庐 器d 辚启 对 80o 哂b日l 声 口 k 4 一 辩熊睁 垛背 p h 印u 妒亭c0 0 堍嚣3 e h 热 口 锈 翟口日 采 3 鍪 d o 蕊蜡 簿箩弗酗 图4 1 7 第二期实验各个测量值两两问的散点图 由图可见正磷酸盐和溶解氧之间 溶解氧平1 3 p l l 之l n j 以及p h j 1 3 e h 之间有一定的 帽关性 表4 2 第二期实验各个测量值多元线性回归系数的检验结果 未标准化系数标准化系数 模型系数b系数标准误系数bt 值p 值 l 常数 5 9 9 3 03 3 7 8 01 7 7 40 0 8 4 d o 一1 0 6 l0 1 5 2 0 8 5 2 6 9 8 80 0 0 0 温差 一0 4 2 40 2 3 7一o 1 7 6一1 7 8 80 0 8 1 p h一8 0 7 6 4 6 9 7 2 6 3 9一1 7 1 90 0 9 3 e l 一0 1 4 50 0 8 0 2 7 9 8一1 8 1 60 0 7 7 注 应变量为政磷酸盐 由表可知 只有d o 有统计学意义 这与我们实验控制条件是相同的 其他 测量值与正磷酸盐一样 是显现的结果 而不是原因 正磷酸盐 图4 一1 8 第二期实验 f 磷酸盐与d o 的相关性 其他的线性相关系数平方小于0 6 不列出其趋势图了 p a 赶 i 日等 峭 l 口d 电莉唧口o0 c r 田 晕卢 e h a 啊 蝇 巍 u 口 d 色粤 目 o口 目 营豫 p h 辩口 秽6 o d 善静 1 鬻a 景 w e n c h a鼢 自o o 电c o e o口 k 目瓢 亳薄 d o 0 嘶 n 谁一 图4 一 9 第三期实验各个测量值两两间的散点图 由图可见正磷酸盐和p h 之间 溶解氧和温差之间以及p h 和e h 之问有 定的相关性 表4 3 第三期实验各个测量值多元线性回归系数的检验结果 来标准化系数标准化系数 模型系数b系数标准误系数bt 值p 值 l 常数 6 5 3 6 e 一0 21 9 9 3 l0 0 0 30 9 9 7 d o7 0 6 6 e 一0 20 0 4 90 2 2 9 l 4 4 9 0 1 5 5 温差1 i9 6 3 e 0 2o 1 7 00 0 1 7o 1 1 60 9 0 8 p h6 8 f o e 0 22 7 2 20 0 4 70 0 2 50 9 8 0 e h1 9 9 4 e 0 20 0 4 70 8 0 70 4 2 90 6 7 0 注 应变量为政磷酸盐 4 4 2 各个测量值随时间变化的相关性 ido皿n p h 繇暮盛器量 e h 拶4帮鹈 譬廿j 一蹦目 酥 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