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        塘沽鹽田生態(tài)系統(tǒng)化學(xué)元素的跟蹤調(diào)查分析

        2020-02-29 08:49:36史亞鵬董思成歐陽(yáng)瑞靈彭欽宇郭奕兵

        張 蕾 ,史亞鵬 ,董思成 ,歐陽(yáng)瑞靈 ,彭欽宇 ,郭奕兵 ,王 雷

        (1. 天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院,天津 300457;2. 天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300457)

        環(huán)渤海灣地區(qū)為三面環(huán)陸的半封閉性海灣,生態(tài)環(huán)境脆弱,海水交換能力和自凈能力差,海水污染較為嚴(yán)重,如果將海水淡化過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物濃海水直接排海,會(huì)對(duì)該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境及鹽度分布造成嚴(yán)重影響[1–2].從資源利用角度,將海水淡化過程中所產(chǎn)生的濃海水直接引入鹽田進(jìn)行日曬海鹽生產(chǎn),會(huì)大幅減少制鹵面積,提高生產(chǎn)效率[3].因此,以濃海水為進(jìn)灘鹵水進(jìn)行日曬海鹽生產(chǎn),將海水淡化與傳統(tǒng)的制鹽工藝結(jié)合起來,通過自然蒸發(fā)經(jīng)制鹵、結(jié)晶等操作后析出 NaCl晶體,從而得到原鹽[4–5].目前,天津北疆發(fā)電廠海水淡化所得到的副產(chǎn)物濃海水[6],被天津長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)接收后均直接進(jìn)入鹽田.

        在以天然海水為灘田進(jìn)鹵逐級(jí)蒸發(fā)制鹽的鹽田生態(tài)系統(tǒng)中,存在著以藻類、鹵蟲和嗜鹽菌為主的生物群落,包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者[7–8],它們維持著鹽田生態(tài)系統(tǒng)平衡,也是海鹽生產(chǎn)基地的經(jīng)濟(jì)效益來源之一.與天然海水相比,膜法進(jìn)行海水淡化生產(chǎn)時(shí)[9],所得高濃度鹵水中會(huì)由于阻垢劑的加入導(dǎo)致有機(jī)物含量增加,氮、磷含量成倍增加[10].而熱法進(jìn)行海水淡化生產(chǎn)時(shí)[11],高溫過程使海水中原有生物被殺死,但其殘骸仍然存在于水體中.為了考查鹽田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)鹽品質(zhì)的影響,本文進(jìn)行了鹽田生態(tài)修復(fù)研究,在初級(jí)制鹵區(qū)投加浮游植物鹽藻,在中級(jí)制鹵區(qū)投加浮游動(dòng)物渤海灣鹵蟲進(jìn)行鹽田生態(tài)修復(fù),通過研究生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控前后鹵水中元素質(zhì)量變化的規(guī)律,對(duì)鹵水鹽度、黏度和四種常規(guī)離子以及氨氮和總磷元素進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)研分析及規(guī)律總結(jié).

        1 材料與方法

        1.1 原料與儀器

        硝酸銀、鉻酸鉀、鉻黑 T、氯化鋇、硫酸銨、溴酸鉀、溴化鉀、磺胺、鹽酸萘乙二胺、碘胺、鉬酸銨、酒石酸銻鉀,分析純,天津市化學(xué)試劑一廠;濃鹽酸、濃硝酸、高氯酸、濃硫酸,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;酚酞、苯酚,分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠;25%氨水、氯化銨、乙二胺四乙酸二鈉、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉,分析純,天津市文達(dá)稀貴試劑化工廠;亞硝酸鈉,分析純,濟(jì)寧泰諾化工有限公司;抗壞血酸、磷酸二氫鉀、過硫酸鉀,分析純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水.所有化學(xué)試劑均未經(jīng)過進(jìn)一步提純而直接使用.

        AL–204型電子分析天平,瑞士梅特勒–托利多儀器有限公司;MSL.N型高溫蒸汽滅菌器,青島科銳創(chuàng)信貿(mào)易有限公司;SPECORD 50 PLUS型紫外分光光度計(jì),德國(guó)耶拿分析儀器股份公司;DV–S型數(shù)顯黏度計(jì),美國(guó)博勒飛公司.

        1.2 鹽田生態(tài)修復(fù)及取樣方案

        對(duì)天津長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)濃海水鹽田開展實(shí)驗(yàn)及取樣工作,其鹽田平面布置如圖1所示.右側(cè)1—10號(hào)鹽池為未進(jìn)行鹽田生態(tài)修復(fù)的鹽池,左側(cè)1—10號(hào)鹽池為進(jìn)行鹽田生態(tài)修復(fù)后的鹽池.進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí),向 1、2號(hào)鹽池投加鹽藻,向 3—6號(hào)鹽池投加渤海灣鹵蟲,以恢復(fù)“微藻–鹵蟲–嗜鹽菌”生物鏈.

        圖1 鹽田平面布置圖Fig. 1 Floor plan of the saltern

        調(diào)查取樣時(shí)間為 2016年 4月—12月,每月 27日取樣.每個(gè)鹽池設(shè)置 4個(gè)取樣點(diǎn),平均分布于鹽池四周,每個(gè)取樣點(diǎn)距池壩距離約 2m.每個(gè)取樣點(diǎn)取兩個(gè)鹵水樣品,每個(gè)鹵水樣品取水樣 1L.每個(gè)取樣點(diǎn)的兩個(gè)鹵水樣品,帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行抽濾,其中一個(gè)鹵水樣品進(jìn)行鹵水中總磷和氨氮含量的測(cè)定.另一個(gè)鹵水樣品進(jìn)行鹵水中常規(guī)離子 Cl-、Ca2+、Mg2+、含量的檢測(cè).

        1.3 分析方法

        液相化學(xué)組成分析具體方法為:分別依據(jù) GB/T 13025.5—2012《制鹽工業(yè)通用試驗(yàn)方法·氯離子的測(cè)定》、GB/T 13025.6—2012《制鹽工業(yè)通用試驗(yàn)方法·鈣和鎂的測(cè)定》、GB/T 13025.8—2012《制鹽工業(yè)通用試驗(yàn)方法·硫酸根的測(cè)定》、GB 11893—1989《水質(zhì)·總磷的測(cè)定·鉬酸銨分光光度法》、GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范·第4部分:海水分析》對(duì)鹵水中的以及總磷和氨氮含量進(jìn)行測(cè)定;通過DV–S數(shù)顯黏度計(jì)測(cè)定鹵水黏度;依據(jù) GB/T 4472—2011《化工產(chǎn)品密度、相對(duì)密度的測(cè)定》測(cè)定鹵水相對(duì)密度,根據(jù)式(1)和式(2)將相對(duì)密度轉(zhuǎn)化為鹽度.

        當(dāng)測(cè)定鹵水溫度高于17.5℃時(shí)

        當(dāng)測(cè)定鹵水溫度低于17.5℃時(shí)

        式中:S為鹵水的鹽度;d為鹵水的相對(duì)密度;t為鹵水的溫度.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 鹽田生態(tài)修復(fù)對(duì)鹵水鹽度的影響

        對(duì)天津長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)濃海水鹽田指定的 1—10號(hào)鹽池中鹵水鹽度進(jìn)行定期取樣監(jiān)測(cè),不同鹽池鹵水鹽度的變化如圖2所示.由圖2可知:進(jìn)行鹽田生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)后,鹵水的鹽度與未修復(fù)鹽池中鹵水的鹽度相比有所提高,說明鹵水的自然蒸發(fā)速率加快.這是由于在鹽田生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程中,鹽藻可以利用海水中的營(yíng)養(yǎng)鹽大量繁殖,鹵蟲通過濾食鹵水中藻類等浮游生物,使底棲群落繁殖形成防滲墊,起到減少滲漏的作用[12–13].嗜鹽菌在生態(tài)系統(tǒng)中是鹵蟲尸體及其他有機(jī)物的分解者[14],鹵蟲在高鹽度池內(nèi)死亡,又為嗜鹽菌提供了蛋白質(zhì),鹵蟲的大量繁殖,可使鹵水著色加深呈紅色,提高了鹵水對(duì)陽(yáng)光的吸收率,加大了鹵水的自然蒸發(fā)速率,從而使鹵水鹽度得到提高[15].

        圖2 不同鹽池中鹵水的相對(duì)密度與鹽度圖Fig. 2 Relative density and salinity of brines in different salt pools

        2.2 鹽田生態(tài)修復(fù)對(duì)鹵水黏度的影響

        不同鹽池中鹵水黏度的變化如圖3所示.由圖3可知:隨著 1—10號(hào)鹽池鹽度的增大,其鹵水黏度逐漸上升.一方面,這是由于隨著鹵水蒸發(fā)量增大,鹵水不斷濃縮,鹽度增大,鹵水中NaCl含量逐漸上升,其內(nèi)聚力增強(qiáng),導(dǎo)致鹵水黏度升高.另一方面,鹽藻在低鹽度池的生長(zhǎng)繁殖以及鹵蟲在中鹽度池的增殖,使鹵水水體在一定程度上富營(yíng)養(yǎng)化,引起鹵水黏度的上升[16].經(jīng)過鹽田生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)后,鹵水的黏度總體與未修復(fù)鹽池中鹵水的黏度相比下降較為明顯.這是由于在鹽田生態(tài)系統(tǒng)中,鹵蟲可通過對(duì)藻類的濾食作用防止其大量繁殖,起到凈化鹵水的作用,鹵水黏度得以降低[17].另外,嗜鹽菌通過對(duì)鹵水中有機(jī)物的分解作用,也使得鹵水的黏度下降.

        圖3 不同鹽池鹵水鹽度與黏度圖Fig. 3 Viscosity and salinity of brines in different salt pools

        2.3 鹽田生態(tài)修復(fù)對(duì)鹵水中氨氮、總磷元素含量的影響

        不同鹽池鹵水中氨氮及總磷質(zhì)量濃度的變化如圖4及圖5所示.

        圖4 不同鹽池鹵水鹽度與氨氮質(zhì)量濃度圖Fig. 4 Ammonia nitrogen mass concentration and salinity of brines in different salt pools

        圖5 不同鹽池鹵水鹽度與總磷質(zhì)量濃度圖Fig. 5 Total phosphorus mass concentration and salinity of brines in different salt pools

        由圖 4可知:隨著鹽度的增大,氨氮的質(zhì)量濃度的變化總體呈現(xiàn)出先減少后增大再減小的趨勢(shì),當(dāng)鹽度增大至 150左右時(shí),氨氮的質(zhì)量濃度減小至最小值,當(dāng)鹽度增大至 170左右時(shí),氨氮的質(zhì)量濃度開始隨著鹽度的增大而逐漸減?。蓤D 5可知:隨著鹽度的增大,總磷的質(zhì)量濃度的變化總體呈現(xiàn)出先減少后增大再減小的趨勢(shì),當(dāng)鹽度增大至 150~160時(shí),總磷的質(zhì)量濃度減小至極小值.當(dāng)鹽度增大至 175左右時(shí),總磷的質(zhì)量濃度開始隨著鹽度的增大而逐漸減小.

        總體來看,氨氮與總磷的質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)基本一致.隨著鹽度的增大,氨氮和總磷的質(zhì)量濃度的變化曲線先呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì),這是由于鹽藻的生長(zhǎng)繁殖消耗了大量的氨氮和一部分總磷[10],說明鹽度在 140~160時(shí)最適合鹽藻生長(zhǎng).隨著鹽度繼續(xù)增大,兩條曲線均在鹽度為 170~180時(shí)達(dá)到極大值,這是由于隨著鹽度的增大,鹽藻生長(zhǎng)緩慢,甚至死亡,鹽藻對(duì)氨氮和總磷的消耗作用有所減弱[10].當(dāng)鹽度大于180時(shí),氨氮和總磷的質(zhì)量濃度又隨著鹽度的增大而逐漸降低,這是由于在高鹽度池中嗜鹽菌的分解作用導(dǎo)致的,說明鹵水中氨氮和總磷的質(zhì)量濃度的變化與鹽藻的生長(zhǎng)繁殖密切相關(guān)[18].經(jīng)過鹽田生態(tài)修復(fù)后,鹽池鹵水中氨氮和總磷的質(zhì)量濃度與未修復(fù)鹽池鹵水中氨氮和總磷的質(zhì)量濃度相比有所升高,但變化不顯著.這是由于鹵蟲對(duì)鹽藻的濾食,導(dǎo)致鹽藻密度降低,使得鹽藻對(duì)氨氮和總磷的消耗作用有所減弱.

        2.4 鹽田生態(tài)修復(fù)對(duì)鹵水中常規(guī)離子含量的影響

        不同鹽池鹵水中Cl-濃度的變化如圖6所示.

        圖6 不同鹽池鹵水鹽度與氯離子濃度圖Fig. 6 Chloride ion concentration and salinity of brines in different salt pools

        由圖 6可知:Cl-濃度隨鹽度的增大而升高,經(jīng)過鹽田生態(tài)修復(fù)后,鹽池鹵水中 Cl-的濃度與未修復(fù)鹽池鹵水中Cl-的濃度相比得到提高,說明Cl-在鹽田生態(tài)系統(tǒng)中得到了富集.這是由于在鹽田生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行鹽藻、渤海灣鹵蟲接種后,鹽藻生長(zhǎng)、鹵蟲增殖使鹽田的生態(tài)系統(tǒng)得以平衡,促進(jìn)鹽田生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[19–20],鹵水蒸發(fā)量較之前相比增大,從而使Cl-濃度得到提高,進(jìn)而有利于鹽業(yè)生產(chǎn).

        不同鹽池鹵水中 Mg2+濃度的變化如圖 7所示.由圖 7可以看出:Mg2+濃度隨鹽度的增大而升高,這是由于 Mg2+在逐級(jí)蒸發(fā)制鹽過程中得到不斷濃縮[21]. 經(jīng)過鹽田生態(tài)修復(fù)后,鹽池鹵水中 Mg2+的濃度與未修復(fù)鹽池鹵水中 Mg2+的濃度相比無(wú)較大變化,這說明鹽田生態(tài)系統(tǒng)在循環(huán)過程中并未對(duì) Mg2+含量產(chǎn)生較大影響,不同鹽池鹵水中 Mg2+的濃度基本穩(wěn)定.

        圖7 不同鹽池鹵水鹽度與鎂離子濃度圖Fig. 7 Magnesium ion concentration and salinity of brines in different salt pools

        圖8 不同鹽池鹵水鹽度與鈣離子濃度圖Fig. 8 Calcium ion concentration and salinity of brines in different salt pools

        圖9 不同鹽池鹵水鹽度與硫酸根離子濃度圖Fig. 9 Sulfate ion concentration and salinity of brines in different salt pools

        3 結(jié) 論

        (1)在鹽田生態(tài)修復(fù)過程中對(duì)化學(xué)元素進(jìn)行跟蹤調(diào)查,結(jié)果表明鹽田并不是全依靠外力作用達(dá)到平衡的,這是一套具有自我調(diào)控的動(dòng)態(tài)生態(tài)系統(tǒng),它能根據(jù)環(huán)境的改變而進(jìn)行自我調(diào)節(jié)適應(yīng).良好的鹽田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)濃海水制鹽工藝有很大的影響.通過恢復(fù)“微藻–鹵蟲–嗜鹽菌”生物鏈,在良性循環(huán)的鹽田生態(tài)系統(tǒng)中,藻墊的形成、鹵蟲的增殖、嗜鹽菌的著色作用,均可以在一定的程度上改善鹽田的生態(tài).

        (2)在鹽田進(jìn)行鹵蟲接種后,鹵水得到凈化,防止了藻類等浮游群落大量繁殖,不但使鹵水黏度得到下降,而且促進(jìn)了鹵水鹽度的提升,同時(shí)鹵蟲的增殖對(duì)鹵水中常規(guī)離子含量的變化也有密切的關(guān)系,使得鹵水中鈣鹽在鹽度為 130~140時(shí)提前析出,減少了鹵水中的有機(jī)顆粒和無(wú)機(jī)顆粒.另外,在鹽田生態(tài)系統(tǒng)中,鹵水的氨氮、總磷元素質(zhì)量的變化和藻類的生長(zhǎng)與衰亡有著密不可分的關(guān)系,鹽度在 140~160時(shí)最適合藻類生長(zhǎng),符合鹽田的良性生態(tài)循環(huán).

        (3)在濃海水進(jìn)灘制鹽過程中進(jìn)行鹽田生態(tài)系統(tǒng)修復(fù),不僅將濃海水制鹽工藝的效率大大提高,而且實(shí)現(xiàn)變廢為寶,使海水資源得以循環(huán)再利用.

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