田 豐 邱春生,2# 馮 濤 姚 慧 王晨晨,2 王少坡,2 孫力平,2

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,天津 300384;2.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300384;3.天津水務(wù)集團(tuán)有限公司引江市區(qū)分公司,天津 300312)

沉積物是地表水體中污染物的重要蓄積庫,在營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化和水體水質(zhì)變化過程中起著重要作用[1]。沉積物中的氮磷等污染物隨著環(huán)境因子的變化可通過擴(kuò)散、對流、再懸浮等過程釋放到上覆水體[2]。有研究表明,在外源污染得到控制的情況下,沉積物污染物內(nèi)源釋放是引起上覆水體水質(zhì)惡化的主要原因[3-5]。

氮是維持水體中初級生產(chǎn)者生長必須的營養(yǎng)元素,其含量對水生態(tài)環(huán)境、水體富營養(yǎng)化情況乃至供水安全等有重要影響[6]。研究顯示,表層沉積物污染釋放主要受到上覆水理化性質(zhì)(溫度、pH、DO)、沉積物理化性質(zhì)(顆粒物粒徑、組分)、生物(微生物、植物)代謝、水位水量變化和擾動作用的影響[7-14]。其中,上覆水環(huán)境條件、沉積物氮含量和形態(tài)是決定氮釋放強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。張茜等[15]研究發(fā)現(xiàn)上覆水環(huán)境條件對水庫沉積物總氮釋放的影響大小表現(xiàn)為溫度>DO>pH,史靜等[16]針對富營養(yǎng)化湖泊的研究也發(fā)現(xiàn)水體酸堿度和溫度是影響氮釋放的主要因素。不同形態(tài)的氮對沉積物-上覆水界面氮的釋放強(qiáng)度貢獻(xiàn)有顯著差別,王祿仕等[17]的研究結(jié)果表明水庫沉積物中4種形態(tài)的可轉(zhuǎn)化態(tài)氮(TTN)對氮界面循環(huán)的貢獻(xiàn)大小表現(xiàn)為:強(qiáng)氧化劑可提取態(tài)氮(SOEF-N)>弱酸可提取態(tài)氮(WAEF-N)>離子交換態(tài)氮(IEF-N)>強(qiáng)堿可提取態(tài)氮(SAEF-N)。不同形態(tài)氮的釋放與互相轉(zhuǎn)化也對沉積物營養(yǎng)鹽向上覆水的釋放過程具有重要影響[18-20],而不同環(huán)境因子對氮形態(tài)轉(zhuǎn)化影響的相關(guān)研究卻較少。泵站調(diào)節(jié)池是南水北調(diào)中線工程末端配套設(shè)施,承擔(dān)協(xié)調(diào)上游原水與下游水廠的作用,上游原水中的懸浮物質(zhì)進(jìn)入調(diào)節(jié)池后因水流減緩大量沉積,沉積物內(nèi)源污染物釋放對供水安全產(chǎn)生潛在威脅?？疾觳煌h(huán)境因子和沉積物氮形態(tài)分布對氮釋放的影響,對飲用水供水安全保障有重要意義。

本研究以南水北調(diào)泵站調(diào)節(jié)池表層沉積物為研究對象,通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),考察溫度、pH和DO等環(huán)境因子對沉積物-上覆水界面氮釋放的影響,并結(jié)合連續(xù)分級提取法對釋放前后表層沉積物氮形態(tài)進(jìn)行分析,考察環(huán)境因子對氮形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響,以期為調(diào)節(jié)池表層沉積物內(nèi)源污染釋放控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

沉積物取自南水北調(diào)中線工程天津段某泵站調(diào)節(jié)池,采樣于2021年4月進(jìn)行,采樣點(diǎn)水深5.8 m,水溫10.4 ℃。用抓斗式采樣器采集表層沉積物,裝入鋁箔袋密封運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,過篩去除雜物后4 ℃保存?zhèn)溆谩Ｍ瑫r(shí)采用同一點(diǎn)位上覆水水樣,置于聚乙烯桶密封,12 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,0.45 μm微孔濾膜過濾后于4 ℃保存?zhèn)溆?。沉積物樣品理化性質(zhì)見表1。

表1 表層沉積物理化性質(zhì)與不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度Table 1 Physicochemical properties and the concentrations of various forms of nitrogen in the surficial sediment

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置為直徑10 cm、高35 cm圓柱狀有機(jī)玻璃容器,將沉積物混合均勻后鋪在柱底部,將原水沿器壁緩慢注入玻璃柱,體積為沉積物的5倍,鋁箔紙包裹后置于恒溫培養(yǎng)箱。溫度通過恒溫培養(yǎng)箱控制,pH通過投加NaOH和HCl溶液控制,DO通過調(diào)節(jié)曝氣強(qiáng)度控制。

實(shí)驗(yàn)方案:控制上覆水pH為7.0,DO為9 mg/L,設(shè)定溫度分別為10、20、30 ℃;控制上覆水溫度為20 ℃,DO為9 mg/L,調(diào)節(jié)pH分別為5.0、7.0和9.0;控制上覆水溫度為20 ℃,pH為7.0,調(diào)節(jié)上覆水DO分別為4 mg/L和9 mg/L,每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)平行樣。采集每個(gè)實(shí)驗(yàn)方案0、12、24、48、72、96、120、144、168、192、216、240 h時(shí)的水樣測定總氮與氨氮含量,每次取樣200 mL,并用上覆水補(bǔ)充。

1.3 分析方法

有機(jī)質(zhì)的測定采用燒失量法[21],上覆水pH、DO、總氮和氨氮含量測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[22],采用連續(xù)分級提取法測定靜態(tài)釋放實(shí)驗(yàn)前后沉積物不同形態(tài)氮含量[23]。氮釋放強(qiáng)度計(jì)算見式(1)[24]:

(1)

式中:R為釋放強(qiáng)度,mg/m2;v為容器中上覆水體積,L;cn為第n次取樣營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度,mg/L;c0為初始營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度,mg/L;vj-1為第j-1次取樣時(shí)取樣體積,L;cj-1為第j-1次取樣時(shí)營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度,mg/L;A為容器中水-沉積物接觸面積,m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對沉積物氮釋放及形態(tài)的影響

從圖1可以看出,溫度對氮的釋放量影響明顯,30 ℃時(shí)氨氮和總氮釋放量比在10 ℃時(shí)明顯增加。溫度升高,沉積物氨氮釋放強(qiáng)度增大。溫度為30 ℃時(shí)氨氮釋放強(qiáng)度是溫度10 ℃時(shí)的2.17倍。沉積物中總氮的釋放與氨氮的釋放具有相似性,總氮的釋放強(qiáng)度隨著溫度的升高而增加,30 ℃下沉積物總氮釋放強(qiáng)度是10 ℃下的1.98倍。

圖1 不同溫度下總氮、氨氮質(zhì)量濃度及釋放強(qiáng)度的變化Fig.1 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different temperature

由圖2可知,不同溫度條件下氮靜態(tài)實(shí)驗(yàn)釋放后,沉積物TTN含量降低,沉積物中氮釋放到上覆水中,相應(yīng)沉積物中的氮含量減少。20 ℃ 組TTN減少量>10 ℃組TTN減少量,說明溫度越高,TTN向上覆水中的釋放越明顯。而20 ℃組TTN減少量>30 ℃組TTN減少量,原因可能是溫度升高時(shí),沉積物中的非轉(zhuǎn)化態(tài)氮(NTN)向TTN發(fā)生轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致釋放后30 ℃ 組TTN含量上升。

圖2 不同溫度下TTN中氮形態(tài)的變化Fig.2 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different temperatures

與原泥相比,不同溫度條件下沉積物中的IEF-N、WAEF-N、SOEF-N占比均減少,SAEF-N占比增加。IEF-N與WAEF-N是沉積物中最主要參與釋放的形態(tài),因此在釋放后占比下降,SOEF-N占比減少的原因可能是上覆水的環(huán)境條件發(fā)生改變,SOEF-N也向水體釋放,且20 ℃時(shí)不利于沉積物中的礦物質(zhì)吸附有機(jī)質(zhì),同時(shí)也不利于微生物的生長,會使得沉積物中的有機(jī)氮釋放至水體,導(dǎo)致20 ℃時(shí)SOEF-N占比下降最大。而在30 ℃時(shí),可能是由于NTN向TTN轉(zhuǎn)化,NTN中的部分有機(jī)氮向SOEF-N轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致30 ℃時(shí)沉積物中SOEF-N的減少量最低。IEF-N在20 ℃與30 ℃占比略高于10 ℃,一方面可能是由于NTN的轉(zhuǎn)化,另一方面是其他氮形態(tài)在向水體釋放的同時(shí),也在向IEF-N轉(zhuǎn)化。

圖3 不同pH下總氮、氨氮質(zhì)量濃度及釋放強(qiáng)度的變化Fig.3 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different pH

2.2 pH對沉積物氮釋放及形態(tài)的影響

從圖3可以看出,環(huán)境條件為酸性(pH=5.0)或堿性(pH=9.0)時(shí),沉積物中總氮與氨氮釋放強(qiáng)度均高于中性(pH=7.0)條件。酸性和堿性條件下,總氮和氨氮釋放量均在前75 h急劇增加,之后緩慢增加最終趨于平穩(wěn)。酸性條件下與堿性條件下沉積物氨氮的釋放強(qiáng)度分別是中性條件的1.37、1.09倍。沉積物中總氮的釋放與氨氮的釋放相似,酸性條件下與堿性條件下沉積物總氮的釋放強(qiáng)度分別是中性條件的1.40、1.13倍。

由圖4可以看出,不同pH條件下氮釋放實(shí)驗(yàn)期間,沉積物中TTN減少量表現(xiàn)為酸性>堿性>中性,由此可以推斷,上覆水中氮濃度表現(xiàn)為酸性>堿性>中性。釋放實(shí)驗(yàn)后,沉積物TTN中的含量為中性>堿性>酸性,中性條件下,沉積物TTN的減少量低于酸性和堿性條件。

圖4 不同pH下沉積物TTN中氮形態(tài)的變化Fig.4 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different pH

圖5 不同DO下總氮、氨氮質(zhì)量濃度及釋放強(qiáng)度的變化Fig.5 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different DO

2.3 DO對沉積物氮釋放及形態(tài)的影響

從圖5可以看出,低DO的厭氧狀態(tài)下(DO=4 mg/L),氨氮和總氮的釋放量呈上升趨勢且高于較高DO的好氧狀態(tài)(DO=9 mg/L)。沉積物氨氮的釋放強(qiáng)度隨DO的升高而降低。低DO狀態(tài)下氨氮的釋放強(qiáng)度高,是較高DO狀態(tài)下沉積物氨氮釋放強(qiáng)度的1.32倍。沉積物中總氮的釋放與氨氮相似,DO越高,總氮的釋放強(qiáng)度越低,低DO狀態(tài)下總氮的釋放強(qiáng)度是較高DO狀態(tài)下總氮釋放強(qiáng)度的1.42倍。

低DO水平下,微生物的硝化作用減弱,同時(shí)將會促進(jìn)氨氮從沉積物釋放到上覆水中,導(dǎo)致水體中氨氮濃度升高。而在較高DO水平下水體呈現(xiàn)出好氧狀態(tài),硝化細(xì)菌能夠進(jìn)行硝化作用,將水體中大部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,沉積物向上覆水體釋放氨氮的作用受到一定的抵消,水體中氨氮濃度升高相對不明顯[29]?？偟獫舛仍趨捬鯒l件下后期波動的原因可能與厭氧氨化有關(guān)[30],在厭氧條件下,水體微環(huán)境中發(fā)生了短程硝化厭氧氨氧化過程,氮轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氮逸出水體。從而引起總氮濃度上下波動。

由圖6可知,較高DO環(huán)境沉積物TTN含量高于低DO環(huán)境,說明低DO環(huán)境更有利于氮的釋放。在低DO條件下,IEF-N為氮釋放的主要貢獻(xiàn)形態(tài),較高DO條件下,WAEF-N為主要貢獻(xiàn)形態(tài)。釋放后,IEF-N含量為好氧>厭氧,WAEF-N為厭氧>好氧,SAEF-N為好氧>厭氧,SOEF-N為好氧>厭氧。

圖6 不同DO下沉積物TTN中氮形態(tài)的變化情況Fig.6 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different DO

3 結(jié) 論

(1) 沉積物總氮和氨氮釋放強(qiáng)度隨溫度升高不斷增大,溫度升高有利于WAEF-N的釋放,而低溫時(shí)IEF-N為主要釋放形態(tài)。

(2) 環(huán)境條件為酸性或堿性時(shí),沉積物中總氮和氨氮釋放強(qiáng)度均高于中性條件,在中性、酸性、堿性條件下IEF-N均為主要的釋放形態(tài)。

(3) 低DO條件有利于沉積物中氮的釋放,且主要釋放形態(tài)為IEF-N。