閔　文，黃　明

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230022)

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巢湖市東環(huán)城河底泥釋放特性研究

閔文，黃明

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院,安徽 合肥 230022)

摘要：本次實(shí)驗在室內(nèi)靜態(tài)模擬條件下，研究不同的溫度和溶解氧濃度水平下巢湖市東環(huán)城河底泥COD、NH3-N、TN和TP釋放特性。結(jié)果表明：溫度為20℃時，COD釋放量最大，10℃時最小。厭氧狀態(tài)下COD釋放量遠(yuǎn)大于好氧狀態(tài)；隨著溫度的升高，底泥NH3-N、TN、TP釋放量不斷增大，上覆水中溶解氧濃度逐漸降低，底泥NH3-N、TN、TP釋放量逐漸增加；上覆水體NH3-N含量與TN濃度呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：東環(huán)城河；底泥；特性；釋放量

0引言

巢湖市位于安徽省中部，臨近長江，環(huán)抱巢湖，現(xiàn)已劃歸合肥市。巢湖市老城區(qū)，有一環(huán)城河在西南端的西安橋閘與巢湖相接，通過西安橋閘可以引水至環(huán)城河。環(huán)城河分東、西環(huán)城河。近年來，西環(huán)城河通過整治，水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，但東環(huán)城河處于嚴(yán)重富營養(yǎng)化。造成東環(huán)城河富營養(yǎng)化的原因主要為城區(qū)未截留生活污水的排放及河流底泥貯存營養(yǎng)鹽的釋放。

目前，我國環(huán)境科技工作者通過一系列的技術(shù)和方法，使得城市河流的外源污染得到了有效的控制，而在外源得到有效控制后，內(nèi)源污染就變得更加突出。河流底泥是水體的重要組成部分，不僅是底棲生物的棲息之地，也是水體中微生物活動的場所，它在沉淀、沉積、分解以及污染物的釋放方面起著重要作用[1]。河流中的大量營養(yǎng)物質(zhì)積累于其中。所以它是河流內(nèi)源污染的污染源。內(nèi)源污染是指在一定的外界條件下，積累在底泥中的各種無機(jī)物和有機(jī)物通過一系列的物理、化學(xué)和生物作用，可以重新釋放到上覆水中，從而對水體造成二次污染，內(nèi)源污染是造成河流水體富營養(yǎng)化的重要因素[2]。因此，通過研究河流底泥中污染物質(zhì)釋放的特性，可以為巢湖市東環(huán)城河富營養(yǎng)化的治理提供科學(xué)的依據(jù)。

1實(shí)驗材料和方法

1.1樣品采集和處理

實(shí)驗底泥：2014年11月，選取巢湖市東環(huán)城河S1、S2、S3、S4四個取樣點(diǎn)(圖1)，用KH0204型柱狀采樣器采集底泥表層樣品，濾去其中的水分，同時將底泥中的木屑、碎石和塑料等雜物去除。再將四個取樣點(diǎn)的樣品混合均勻，用黑色塑料袋封存運(yùn)回實(shí)驗室，并放入4℃冰箱中貯存?zhèn)溆谩?/p>

圖1　采樣點(diǎn)分布

實(shí)驗水樣：用有機(jī)玻璃采水器采集巢湖市東環(huán)城河底泥上覆的河水，并加入適量硫酸酸化。

實(shí)驗測得巢湖東環(huán)城河水中COD濃度為18mg/L，NH3-N濃度為3.78mg/L ，TN濃度為5.46mg/L， TP濃度為0.45mg/L。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002可得，符合Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2實(shí)驗裝置和方法

實(shí)驗裝置：選用直徑為8cm，高度為42cm的1000ml量筒，并將量筒放在陰暗處，以免外界光照的影響。(圖2所示)

圖2　實(shí)驗裝置

實(shí)驗方法：在量筒中加入200ml新鮮底泥，并用虹吸管沿容器壁緩慢注入水樣，使上覆水的體積為600ml，整個過程對底泥無擾動，然后分別控制溫度和上覆水中溶解氧濃度進(jìn)行實(shí)驗。

(1)溫度控制：設(shè)置為10℃、20℃、30℃，并將實(shí)驗裝置放入生化恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。

(2)溶解氧濃度控制：設(shè)置為厭氧狀態(tài)、自然狀態(tài)和好氧狀態(tài)。厭氧控制：向?qū)嶒炑b置的上覆水中充入高純度氮?dú)?，時間為1小時左右，充完后立即用保鮮膜封存。使上覆水DO<1(厭氧狀態(tài))，整個通氣過程對底泥無擾動。好氧控制：開啟電磁式空氣泵，利用曝氣裝置向上覆水中通氣，通過溶解氧儀控制上覆水DO>6(好氧狀態(tài))。自然狀態(tài)即為常溫狀態(tài)。三種狀態(tài)下均為靜態(tài)培養(yǎng)，溫度為25℃，pH=7。

水質(zhì)分析：實(shí)驗每隔一天測定底泥上覆水中COD、TN、NH3-N和TP。COD采用重鉻酸鉀法；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；NH3-N采用納氏試劑分光光度法；TP采用鉬酸銨分光光度法[3]。

2結(jié)果和分析

2.1底泥COD釋放特性研究

2.1.1溫度對底泥釋放COD的影響

從圖3可以看出，溫度為20℃時，COD釋放量在第8天達(dá)到最大值648mg/L。30℃條件下第6天達(dá)到釋放量最大值558mg/L。而在10℃時，COD釋放量明顯低于30℃和20℃，在第10天達(dá)到釋放量最大值389mg/L；實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)COD釋放平均速率;20℃條件下為106.75mg/L·d，30℃條件下為96.25mg/L·d,而10℃條件下只有56.25mg/L·d。

圖3　不同溫度水平下COD釋放曲線

當(dāng)溫度升高時，微生物活性增強(qiáng)，底泥中有機(jī)物釋放速率加快，所以，在30℃時COD釋放量最先達(dá)到最大值。微生物活性增強(qiáng)，可以將底泥中有機(jī)質(zhì)分解，使其含量降低，則釋放到上覆水中的COD減少。低溫條件下，微生物活性較低，有利于底泥中礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)之間作用力的形成，使底泥中的有機(jī)質(zhì)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)[4]。所以溫度為10℃時底泥釋放量最小。在20℃時，微生物自身代謝不強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解量少，而且底泥中礦物質(zhì)對有機(jī)質(zhì)的吸附較弱，從而使上覆水中有機(jī)質(zhì)含量升高，COD釋放量不斷增大。所以，溫度在20℃時COD釋放量最大。

2.1.2溶解氧對底泥釋放COD的影響

從圖4可以看出，厭氧狀態(tài)下底泥釋放COD量遠(yuǎn)大于好氧狀態(tài)，厭氧狀態(tài)下在實(shí)驗第6天達(dá)到釋放最大值618mg/L，之后COD出現(xiàn)下降的趨勢，是由于出現(xiàn)了吸附作用。好氧狀態(tài)下在第12天達(dá)到釋放最大值293mg/L。自然狀態(tài)下第8天達(dá)到最大值423mg/L；實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)COD釋放的平均速率：厭氧狀態(tài)下為81.75mg/L·d，自然狀態(tài)下為42.5mg/L·d，而好氧狀態(tài)下只有20mg/L·d。

圖4　不同溶解氧濃度水平下COD釋放曲線

溶解氧不同，底泥中的微生物活性受到影響。當(dāng)DO<1(厭氧狀態(tài))時，上覆水中氧含量極低，只有少量厭氧微生物進(jìn)行厭氧分解消耗了部分有機(jī)質(zhì)，大量有機(jī)質(zhì)不能被分解，被釋放到上覆水中，使COD含量不斷增加[5]。當(dāng)DO>6(好氧狀態(tài))，上覆水中氧含量充足，底泥中微生物代謝加強(qiáng)，大量有機(jī)質(zhì)被分解，此時上覆水中COD也得到一定程度的分解，但底泥中還有部分有機(jī)質(zhì)釋放到上覆水中，最終導(dǎo)致上覆水體中COD含量增加。在自然狀態(tài)下，水體中溶解氧不是很高，微生物代謝較低，只有部分微生物可以分解底泥中有機(jī)質(zhì)，致使上覆水體中COD含量也不斷升高。但釋放量是處于厭氧狀態(tài)和好氧狀態(tài)之間。

2.2底泥NH3-N釋放特性研究

2.2.1溫度對底泥NH3-N釋放的影響

圖5　不同溫度水平下Np-N釋放曲線

從圖5可以看出，溫度升高，有利于底泥中NH3-N的釋放。在30℃時，NH3-N的釋放量明顯大于10℃，釋放量在第10天達(dá)到最大值23.76mg/L，是10℃時的2.1倍。隨著時間的推移，前期底泥釋放NH3-N逐漸增加，后期上覆水中NH3-N含量減少。實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)NH3-N釋放的平均速率：30℃條件下為2.75mg/L·d，10℃條件下只有0.6mg/L·d；而從圖6中可以看出，溫度升高促進(jìn)了底泥中TN的釋放。20℃和30℃條件下，底泥中TN釋放量明顯大于10℃，在30℃時達(dá)到最大值28.56mg/L。是10℃時的2.3倍。并且在前期釋放量不斷增加，后期含量在不斷減少。實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)TN釋放的平均速率：30℃條件下為3.17mg/L·d，10℃條件下只有0.78mg/L·d。

圖6　不同溫度水平下TN釋放曲線

氮循環(huán)主要方式有氨化作用、硝化作用和反硝化作用。底泥中的氮以有機(jī)氮為主。微生物利用氧，可進(jìn)行氨化作用，將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，釋放到上覆水中[6]。溫度升高，微生物代謝加強(qiáng)，氨化作用增強(qiáng)，底泥中有機(jī)氮化物分解速率加快，使上覆水中NH3-N含量增加。同時在底泥與上覆水接觸的表面，微生物可利用氧進(jìn)行硝化作用，將NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2-，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為NO3-。溫度升高，溶解氧濃度降低，硝化作用減弱，使氨氮濃度增加[7]；溫度下降，微生物代謝降低，氨化作用減弱，致使氨氮濃度降低。而且水中溶解氧濃度增加，硝化作用加強(qiáng)，使部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，致使NH3-N濃度降低[8]。并且從上述的分析中以及結(jié)合圖形可以看出，NH3-N濃度升高，會導(dǎo)致上覆水中TN濃度上升，相反，NH3-N濃度減少，會使上覆水中TN濃度降低，即上覆水體中NH3-N含量與TN濃度呈正比。所以，夏季時巢湖市東環(huán)城河的富營養(yǎng)化程度有所加強(qiáng)，也是藍(lán)藻爆發(fā)最嚴(yán)重的時期。

2.2.2溶解氧對底泥釋放NH3-N的影響

從圖7可以看出，厭氧狀態(tài)下能促進(jìn)底泥NH3-N的釋放，最大釋放量為22.46mg/L，好氧狀態(tài)下抑制了NH3-N的釋放，出現(xiàn)了底泥吸附的現(xiàn)象[9]，實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)NH3-N釋放的平均速率：厭氧狀態(tài)下為0.74mg/L ·d，自然狀態(tài)下為0.49mg/L ·d，而好樣狀態(tài)下則抑制了釋放；而從圖8可以看出，厭氧狀態(tài)下底泥TN的釋放量遠(yuǎn)大于好氧狀態(tài)，厭氧狀態(tài)下在第10天釋放量達(dá)到最大值28.14mg/L。是好養(yǎng)狀態(tài)下的2.9倍，實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)TN釋放的平均速率：厭氧狀態(tài)下為1.8mg/L·d，自然狀態(tài)下為1.2mg/L·d，好氧狀態(tài)下只有1mg/L·d。

圖7　不同溶解氧濃度水平下Np-N釋放曲線

圖8　不同溶解氧濃度水平下TN釋放曲線

當(dāng)DO<1(厭氧狀態(tài))，底泥與上覆水接觸的表面溶解氧濃度極低，處于還原狀態(tài)，硝化作用被抑制，進(jìn)行反硝化作用，將水體中硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2O和N2，使上覆水體中硝態(tài)氮濃度下降，而此時底泥向上腹水中釋放NH3-N，使氨氮濃度上升[10]。當(dāng)DO>6(好氧狀態(tài))。此時好氧微生物代謝加強(qiáng)，利用氧氣將底泥中有機(jī)氮大量分解，釋放出NH3-N，使上覆水中NH3-N濃度升高，時間到達(dá)12天時，水體中NH3-N含量不斷減少，因為氧氣量充足時，硝化作用加強(qiáng)，大量NH3-N被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[11]。此時硝化作用所消耗的NH3-N含量大于底泥向上覆水體中釋放的NH3-N含量，導(dǎo)致NH3-N量減少。自然狀態(tài)下釋放量介于厭氧狀態(tài)和好養(yǎng)狀態(tài)之間。并且從上述的分析中以及結(jié)合圖形可以得出，NH3-N含量增加會使上覆水中TN濃度上升，反之，NH3-N含量減少會使上覆水中TN濃度降低，即上覆水體中NH3-N含量與TN濃度呈正比。

2.3底泥TP釋放特性研究

2.3.1溫度對底泥釋放TP的影響

從圖9可以看出，隨著溫度的升高，底泥中TP的釋放量逐漸增大。30℃時TP釋放量最大值為2.47mg/L，10℃時只有0.92mg/L；實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)TP釋放的平均速率：30℃條件下為0.24mg/L ·d，10℃條件下只有0.04mg/L ·d。

圖9　不同溫度水平下TP釋放曲線

底泥中的磷分為有機(jī)磷和無機(jī)磷，溫度升高，微生物代謝增強(qiáng)，有機(jī)物分解速率加快，能將底泥中有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷釋放到上覆水中，使磷含量增加。而且分解得到大量的CO2溶解于水體中，導(dǎo)致水體中鈣磷溶解性增大，PO43-增多，使上覆水中磷含量增大[12]；微生物代謝增強(qiáng)，耗氧量增多，水體中DO濃度減小，致使底泥表面處于還原狀態(tài)，促進(jìn)了Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，形成的磷酸鐵沉淀減少，使上覆水中PO43-增多[13]。溫度降低，微生物代謝減弱，釋放到上覆水體中的無機(jī)磷量減少，底泥表層處于氧化狀態(tài)，使Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，形成的磷酸鐵沉淀增多，使上覆水中磷含量減少。

2.3.2溶解氧對底泥釋放TP的影響

從圖10可以看出，厭氧狀態(tài)下促進(jìn)了磷的釋放，最大釋放量達(dá)到2.15mg/L，好氧狀態(tài)下，磷的釋放受到抑制，出現(xiàn)了吸附現(xiàn)象；實(shí)驗初期(實(shí)驗開始至第四天)TP釋放的平均速率：厭氧狀態(tài)下為0.27mg/L ·d，自然狀態(tài)下為0.06mg/L ·d，好氧狀態(tài)則為抑制狀態(tài)。

圖10　不同溶解氧濃度水平下TP釋放曲線

上覆水中溶解氧濃度不同，導(dǎo)致底泥釋放磷程度不同，當(dāng)水體中氧含量充足時，F(xiàn)e3 +與PO43-結(jié)合, 以磷酸鐵形式沉積到底泥中[14]。水體中溶解氧濃度高低，導(dǎo)致表層底泥的氧化還原電位發(fā)生變化，影響水中Fe3+與Fe2+之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)DO<1(厭氧狀態(tài))，底泥表面處于還原狀態(tài)，使Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，磷酸鐵沉淀減少，從而使水中磷的濃度變大；當(dāng)DO>6(好氧狀態(tài))，底泥表面處于氧化狀態(tài)，促使水體中Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，與磷酸根離子結(jié)合后生成磷酸鐵沉淀。而且Fe3+可與(OH)1-生成Fe(OH)3膠體，吸附水中磷，從而使水體中磷含量降低[15]；自然狀態(tài)下釋放量介于厭氧狀態(tài)和好養(yǎng)狀態(tài)之間。

3結(jié)論

研究表明，溫度對底泥釋放COD的影響程度為20℃>30℃>10℃。20℃時最大釋放量為10℃的1.67倍；厭氧狀態(tài)下底泥COD釋放量遠(yuǎn)大于好氧狀態(tài)，是其好氧狀態(tài)下的2.11倍。

隨著溫度的升高，底泥中NH3-N、TN、TP釋放量也不斷增加；當(dāng)溶解氧濃度逐漸降低時，底泥NH3-N、TN、TP釋放量卻在逐漸增加。

從實(shí)驗中還可以得出，NH3-N含量增加會使上覆水中TN濃度上升，相反，NH3-N含量減少會使上覆水中TN濃度降低，即上覆水體中NH3-N含量與TN濃度呈正比。

所以，當(dāng)水體中溶解氧濃度一定時，溫度越高，水體受污染的程度會加劇。也就是說夏季時巢湖東環(huán)城河水體污染的程度比冬季嚴(yán)重。當(dāng)溫度為一定時，水體中溶解氧高時，可以抑制底泥營養(yǎng)鹽的釋放，水體的缺氧促進(jìn)底泥營養(yǎng)鹽的釋放。

針對巢湖市東環(huán)城河底泥營養(yǎng)鹽釋放的研究結(jié)果，可為巢湖市東環(huán)城河的清淤提供資料，也可為巢湖市東環(huán)城河富營養(yǎng)化的治理提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

1白鈺.哈爾濱信義溝沉積物中碳、氮、磷、硫分布特征及其相關(guān)性研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué).2012.

2張坤.河流底泥污染物釋放研究[D].上海：上海大學(xué).2007.

3國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.《水和廢水監(jiān)測分析方法》[M].第四版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

4朱廣偉,陳英旭.沉積物中有機(jī)質(zhì)的環(huán)境行為研究進(jìn)展[J].湖泊科學(xué),2001,13(3):272-279.

5朱健,李捍東,王平.環(huán)境因子對底泥釋放CODTN和TP的影響研究[J].水處理技術(shù),2009,35(8):44-49.

6申石泉, 葉恒朋.“三氮”在深度處理中的去除與轉(zhuǎn)化[J].中國給水排水,2004,20(1):53-54.

7俞盈,付廣義,陳繁忠, 等.水體中三氮轉(zhuǎn)化規(guī)律及影響因素研究[J].地球化學(xué),2008,37(6)：565-571.

8劉培芳,陳振樓,劉杰,等.環(huán)境因子對長江口潮灘沉積物中NH4+的釋放影響[J].環(huán)境科學(xué)研究，2002,15(5):28-32.

9T. Usui, I. Koike and N. Ogura, N2O Production, Nitrification and Denitrification in an Estuarine Sediment [J].Estuarine, Coastal and Shelfscience,2001,52:769-781.

10刑光熹,曹亞燈,太湖地區(qū)水體氮的污染源和反硝化[J].中國科學(xué)(B輯),2001,31(2):130-136.

11陳停,姚萌.溶解氧對底泥中氨氮釋放的影響[J].廣東化工,2011,38(10):84-85.

12Xiangcan Jin,Shengrui Wang.The adsorption of phosphate on different trophic lake sediments[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem Eng Aspects,2005,254:241-248.

13韓璐.河流沉積物磷形態(tài)分布特征及其釋放模擬研究[D].天津：南開大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院.2010.

14吳根福. 杭州西湖底泥釋磷的初步研究]J].中國環(huán)境科學(xué),1998,18(2):107-110.

15李磊,王慧,張錫輝，等.不同底泥系統(tǒng)的湖泊內(nèi)源釋磷規(guī)律研究[J].中國給水排水,2007,23(17):76-83.

Study on Characteristics of the Sediment Release in the East of the Round-the-city River in Chao Hu

MIN Wen，HUANG Ming

(School of Environment and Energy Engineering,Anhui Jianzhu University，hefei ,230022,China)

Abstract:Under the condition of indoor static simulation，this experiment researches the properties of sediment in the east of the round-the-city river in Chao Hu release COD、NH3-N、TN and TP，at different temperatures and dissolved oxygen concentration levels. Results show that: when the temperature is 20℃，the quantity of sediment release COD reaches a maximum，the 10℃ is minimum. And the quantity of releasing COD in anaerobic condition is far greater than the aerobic condition. With the increase of temperature，the release of NH3-N、TN、TP in sediment continuously increased，and when the overlying water dissolved oxygen concentration decreases gradually，the quantity of Sediment release NH3-N、TN、TP is gradually increasing. The correlation with NH3-N content and concentration of TN are positively significant.

Key words:the east of the round-the-city river；sediment；characteristics；the quantity of releasing

中圖分類號：X522

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2016)01-065-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160114

作者簡介：閔文(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為城市給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。

基金項目：國家科技重大專項(2014ZX07303003)

收稿日期：2015-06-26