胡智弢，閆玉春，周志誠

（天津市宇相津準(zhǔn)科技有限公司，天津300392）

在一般的靜水水體中，沉積物接納了大量的營養(yǎng)鹽，是水體中營養(yǎng)鹽重要的匯集體，而當(dāng)沉積物中營養(yǎng)鹽的量超過其自身最大凈化容量時，沉積物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闋I養(yǎng)鹽的源[1,2]，在水體入水營養(yǎng)鹽得到控制后，如沉積物中磷的含量大于水體中磷的濃度，此時沉積物中的磷將會向水體中遷移。進入到沉積物中的磷可能以三種形式向水體釋放，第一，通過風(fēng)浪等水力作用引起表層沉積物的再懸浮[3]；第二，在微生物的作用下，有機質(zhì)礦化分解，釋放出溶解性的磷酸鹽[4]；第三，鐵鋁氧化物解吸作用也是一個重要的釋磷途徑，在厭氧條件下，與鐵氧化物結(jié)合的磷相較于其他形態(tài)的磷更容易被分解，變?yōu)榭扇芙饬?，向水體釋放。

鑒于此，本研究將磷的釋放分為顆粒物再懸浮靜態(tài)釋放實驗與表層沉積物磷動態(tài)釋放實驗兩部分來進行考察。分別考察不同環(huán)境因子對這兩種過程中磷釋放的影響，研究現(xiàn)實河道中磷的釋放規(guī)律，對景觀河道的管理提出建議。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本實驗所用材料取自天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)泰達人工景觀河道表層沉積物。將采取的沉積物立即放入實驗柱中用于表層沉積物磷動態(tài)釋放實驗，并將剩余部分放入冰箱冷藏。另取部分沉積物置于背光、通風(fēng)處陰干，并研磨過100目篩，用于顆粒物再懸浮靜態(tài)釋放實驗，并分別測定有機質(zhì)含量、總磷、沉積物機械組成、pH等性質(zhì)，結(jié)果如表1。

表1 TEDA河道沉積物物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 實驗方法

1.2.1 解吸動力學(xué)實驗方法

根據(jù)對實驗河道—天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)泰達人工景觀河道水質(zhì)的三個月連續(xù)檢測結(jié)果，水體鹽度在4‰～8‰之間，據(jù)此在本實驗中以連續(xù)檢測結(jié)果的中位數(shù)選取5‰作為實驗?zāi)M鹽度。

取22個250ml錐形瓶，于每個錐形瓶中加入100ml鹽度為5‰的蒸餾水溶液。再加入沉積物2 g（過100目篩），置于恒溫搖床上，每隔一定時間間隔取出，將懸濁液在3000 r∕min下離心15分鐘，取上清液過0.45μm濾膜抽濾，測定濾液中磷的濃度。

1.2.2 解吸影響因素實驗方法

實驗準(zhǔn)備同上，解吸12小時，離心，過濾步驟同上。測定水相中溶解態(tài)總磷的濃度。分別改變初始溶液的pH，鹽度和水力擾動情況，研究以上影響因子對磷解吸的影響。

1.2.3 磷連續(xù)解吸實驗方法

實驗準(zhǔn)備同上，解吸4小時，離心，過濾步驟同上。測定水相中溶解態(tài)總磷濃度。重復(fù)上述過程，直至溶液中檢測不到磷為止。

1.2.4 磷動態(tài)釋放柱實驗

在實驗中采用自制柱實驗裝置，實驗柱內(nèi)徑100mm，高500mm，底面積為7.85×10-3m2，柱內(nèi)有效容積為3.14×10-3m3。柱內(nèi)底部填充沉積物厚度約40mm，入水口設(shè)置在距沉積物面約20mm處。根據(jù)實測河道水位與沉積物厚度，此比例約為10:1，據(jù)此出將水口設(shè)置為距沉積物面400mm，控制入水流速為260m l∕h連續(xù)進水，使柱內(nèi)水體平均12小時更新一次。柱內(nèi)設(shè)曝氣裝置，通過通入空氣或是氮氣來控制柱內(nèi)的氧化還原狀態(tài)。每隔12小時由出水口取水樣，測定出水的pH、電導(dǎo)率和水溫，同時測定柱底部水體的溶解氧。將所取水樣過0.45μm濾膜抽濾，測定所得抽濾液中的溶解態(tài)總磷濃度。

通過在兩個實驗柱中分別通入氮氣和空氣的方法來控制上覆水的溶解氧含量，來研究上覆水的氧化還原狀態(tài)對磷釋放的影響。

1.3 分析方法

沉積物化學(xué)成分用X射線光電子能譜儀測定，有機質(zhì)含量用經(jīng)典的重鉻酸鉀法[5]，森林土壤pH值的測定采用國標(biāo)方法（GB∕T 6920-1986）[6]，含鹽量使用傳統(tǒng)電導(dǎo)法測定[6]，水體中總磷的測定方法采用鉬酸銨分光光度法(GB∕T 11893-89)[6]。

2 結(jié)果分析

2.1 顆粒物再懸浮靜態(tài)釋放實驗

2.1.1 沉積物磷靜態(tài)解吸動力學(xué)實驗

在靜態(tài)振蕩條件下，沉積物中磷酸鹽的解吸動力學(xué)曲線見圖1，0～4小時內(nèi)磷的解吸速度較快，沉積物中的磷快速向水體中遷移，最終沉積物中磷的釋放量穩(wěn)定在0.030mg∕g。

圖1 沉積物磷酸鹽靜態(tài)解吸動力學(xué)曲線

4～24小時，此階段水體中溶解態(tài)總磷的含量趨于穩(wěn)定，是磷在水體和沉積物中相互遷移并逐漸達到平衡的時期。最終磷的解吸量穩(wěn)定在0.026mg∕g。

在24～48小時，此階段磷的釋放量又有上升，主要是因為隨著連續(xù)振蕩時間的增長，瓶內(nèi)的氧氣已經(jīng)逐漸被消耗殆盡，水體環(huán)境由好氧轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬?。而在厭氧狀態(tài)下，沉積物上的Fe∕Al磷更容易釋放出來[7]，導(dǎo)致了磷解吸量的二次增高，這一結(jié)論在后續(xù)實驗2.2.2中得到了證實。

2.1.2 沉積物的磷連續(xù)解吸能力

實驗發(fā)現(xiàn)，沉積物所吸附的磷極易解吸，而且釋放量大，通過連續(xù)12次解吸實驗，我們可以看到雖然解吸量在逐漸降低，如圖2，但總解吸量累計達到0.054mg∕g。此實驗表明，泰達景觀河道沉積物保持磷的能力較弱，所吸附的磷很容易在再懸浮過程中釋放出來，對水體的健康威脅很大。

圖2 沉積物中磷連續(xù)解吸量變化

2.1.3 水力擾動對浮沉積物磷解吸的影響

水力擾動是引起沉積物再懸浮的主要原因，本研究通過調(diào)節(jié)恒溫搖床的振速來考察不同攪動條件對沉積物磷解吸的影響，實驗結(jié)果如表2所列。分別設(shè)置搖床轉(zhuǎn)速為90 r∕min，115 r∕min，135 r∕min 和 150 r∕min，磷的解吸量均有提高，從0.015mg∕g升高到0.018mg∕g?？梢?，對于泰達河道沉積物，水力擾動對磷的解吸成正相關(guān)。平均提高20r∕min的轉(zhuǎn)速，磷釋放量增加0.001mg∕g，說明泰達河道沉積物對磷的束縛力較弱，在較小擾動的情況下就可以大量析出，在此情況下加大擾動力度對磷的解吸不會產(chǎn)生太大影響。

2.2 磷動態(tài)釋放柱實驗

2.2.1 沉積物磷動態(tài)釋放動力學(xué)實驗

以自來水為水源，調(diào)節(jié)源水鹽度為5‰，以柱裝置首次出水為零時刻，連續(xù)進水120小時，測定其出水溶解態(tài)總磷（TDP）的濃度變化，實驗結(jié)果如圖3。

表2 環(huán)境因素對再懸浮沉積物磷解吸的影響

圖3 沉積物磷動態(tài)釋放動力學(xué)曲線

出水TDP濃度在零時刻最高，達到0.087mg∕l。此后出水中TDP濃度逐漸下降，至48小時趨于穩(wěn)定，直至120小時試驗結(jié)束，出水TDP濃度保持在0.054～0.064mg∕l的范圍內(nèi)，超過 GB∕T 12941-91景觀娛樂用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的C類水體的總磷濃度標(biāo)準(zhǔn)（0.050mg∕l）。也就是說，泰達河道沉積物已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱椎脑?，沉積物所釋放出的磷已經(jīng)開始威脅到水體的健康。

2.2.2 上覆水環(huán)境對表層沉積物磷解吸的影響

上覆水的氧化還原電位的高低是由水體中溶解氧的含量決定的，因此，本實驗通過在兩個實驗柱中分別通入氮氣和空氣的方法來控制上覆水的溶解氧含量，從而控制水體的氧化還原狀態(tài)。柱內(nèi)水溫保持在20℃，厭氧柱中溶解氧在實驗時間內(nèi)始終為零，水體處于厭氧狀態(tài)。好氧柱中溶解氧含量在7.00mg∕l上下小幅波動，水體溶氧達到飽和。實驗中如圖4所示，好氧柱中磷的釋放量明顯低于厭氧柱，在厭氧條件下，F(xiàn)e3+向Fe2+轉(zhuǎn)化[10]，磷酸鐵溶解，同時被吸附的磷酸鹽轉(zhuǎn)變成溶解態(tài)而析出，沉積物表層的氫氧化鐵層溶解，導(dǎo)致沉積物磷釋放量增加。

圖4 上覆水氧化還原對磷釋放的影響

3 結(jié)論

1）顆粒物再懸浮靜態(tài)釋放實驗顯示，泰達河道沉積物對磷的束縛力很弱，磷極易解吸，在較低攪動水平下就會大量釋放。繼續(xù)增強水力擾動的強度會促進磷的解吸，但影響較小。

2）沉積物中磷動態(tài)釋放實驗結(jié)果表明，沉積物-水界面上的TDP平衡濃度在0.060mg∕l附近，進水TDP低于此值沉積物中的磷會釋放出來。在清潔的進水條件下，泰達河道沉積物釋放出大量的磷，表現(xiàn)為磷的源，所釋放出的磷已經(jīng)威脅到水體的健康。

3）在厭氧狀態(tài)下，沉積物中磷的釋放量要大于好氧狀態(tài)。在還原狀態(tài)下，沉積物中的磷更容易釋放。

4）根據(jù)以上實驗結(jié)果，泰達景觀河道的沉積物已經(jīng)成為水體中磷的來源之一，引入河道曝氣技術(shù)，保持水體中溶解氧濃度，會在一定程度上減少沉積物中磷的釋放，有益于控制水體的富營養(yǎng)化。