文思湖底泥污染物覆土緩釋可行性研究

趙小蓉 邵頌晶 高 婷 蘇青青 羅玉紅 劉德富 黃應平

(三峽大學Alan G.MacDiarmid再生能源研究所,湖北宜昌 443002)

文思湖是三峽大學校園規(guī)劃的景觀水體之一,總長2.1km,由南向北流經(jīng)校園.目前,該水域的水主要來源于自然降水和部分校園及周邊居民的生活污水.該水域流動性差,其上段常年有污水漫流,夏秋季節(jié)鳳眼蓮覆蓋全湖,嚴重影響校園景觀,因此亟需治理和改善.底泥是湖泊中各種類型污染物沉積的重要部位,當水體中各種污染物的外來污染源得到控制以后,底泥中污染物對于水體環(huán)境質(zhì)量的影響尤為突出[1-3],因此對底泥污染物的影響必須加以嚴格的控制.目前常見的底泥污染物控制技術有生物控制技術[4]和物理控制技術,前者利用微生物降解來實現(xiàn),后者借助工程技術消除底泥污染,主要包括疏浚、覆蓋技術[5].研究了采用覆土的方法抑制文思湖底泥中污染物向上覆水體轉(zhuǎn)移釋放的可行性.

1 實驗部分

1.1 實驗樣品采集與處理

1.1.1 底泥樣品的制備

采用QNC6型系列采泥器對文思湖底泥層采樣,將現(xiàn)場采得的底泥去除其中的石頭、樹枝等雜物,平攤自然風干一周,用研缽將土樣粗略研磨,并測定其本底值:pH 8.7、總磷1.050g/kg、總氮2.18g/kg、TOC 2.4%[6],儲存?zhèn)溆?

1.1.2 覆土材料的制備

覆土采自于校園內(nèi)某施工場地(天然的表層土壤已被完全破壞),清除其中樹枝、石子等雜物再晾干并研磨,分別用20目和60目的篩子過篩,取其中粒徑為20目～60目的土樣,經(jīng)分析其本底值為pH 8.7,總磷0.143g/kg、總氮0.136g/kg、TOC 0.0%,其氮磷含量都很低,幾乎不含有機質(zhì),作為較為理想的覆土材料備用.

1.2 實驗設置及方法

根據(jù)預備實驗確定底泥與上覆水體用量的最佳比例確定本實驗中底泥和水的用量[7].在每個實驗容器內(nèi)分別放置150g底泥,整平,然后在其表面分別覆蓋粒徑為20目到60目之間的系列不同用量0 g、750 g、1050g、1350g、1650g和1950g的土層(依次編號為a、b、c、d、e和f),并再次整平,最后沿實驗容器器壁極緩慢注入總體積為8 L的上覆水體.同時另取與a、b、c、d、e和f相同量的覆土并注入相同體積的上覆水體作為覆土本身釋放氮磷等營養(yǎng)物的空白對照實驗.保持相同的環(huán)境條件進行實驗.

每天定時從每個樣品對應的實驗容器上覆水體表面層下10 cm處取樣,測定其總氮、總磷、CODMn (用以表征有機質(zhì)濃度水平)等參數(shù)的變化.

1.3 分析方法

實驗過程中上覆水體的總氮、總磷、CODMn(用以表征有機質(zhì)濃度水平)等參數(shù)的監(jiān)測均采用國家環(huán)保局出版的標準分析方法[8]進行分析.

2 結果與討論

2.1 覆土條件下底泥中總氮緩釋效果研究

考察在覆土條件下,覆土材料本身對于上覆水體中總氮濃度水平的影響情況,結果如圖1所示.在底泥量和上覆水體體積相同的條件下,采用不同覆土量實驗時上覆水體中的總氮含量水平如圖2所示.

根據(jù)圖1,考察覆土材料本身釋放總氮的對照實驗表明,在本實驗條件范圍內(nèi),投加不同量的覆土時上覆水體中總氮濃度水平均較低,最后達到的平衡濃度水平分布在1.31～1.45mg/L范圍內(nèi).這一結果表明覆土實驗中所用覆土材料自身向上覆水體釋放氮源量很少.

由圖2可以看出,對于未覆土的實驗樣品a,其上覆水體中總氮濃度水平遠大于其他覆土的樣品,且在實驗過程中,其上覆水體中總氮濃度水平上升幅度較大,實驗進行到第10d時上覆水體中總氮濃度達到最大值8.9 mg/L,進行到12 d后上覆水體中總氮濃度水平趨向于穩(wěn)定,根據(jù)平衡濃度模型CL=25.301-0.213f(R2為0.980,f為上覆水體與底泥質(zhì)量之比)計算表明[7],未覆土的底泥樣品向上覆水體釋放總氮的平衡濃度為8.14 mg/L.同未覆土的樣品a相類似,其他覆土的樣品(b～f)從第3 d開始上覆水體中總氮濃度水平緩慢上升,直到實驗進行的第6d之后開始規(guī)則波動,實驗進行到第12 d時,總氮濃度水平趨向于穩(wěn)定,各個底泥樣品上覆水體中總氮的最后平衡濃度水平分布在1.21～1.41mg/L之間,這個濃度水平范圍與前述對照實驗得到的上覆水體中總氮濃度范圍相近.這一結果表明,在底泥表面覆土之后,上覆水體中總氮主要來自于覆土材料自身的氮源,而底泥樣品中氮源幾乎不向上覆水體轉(zhuǎn)移,因此,覆土可以有效抑制底泥向水體釋放氮源,通過比較曲線b～f可知,增加覆土量對于提高底泥中氮源緩釋效果無顯著的作用.

2.2 覆土條件下底泥中總磷緩釋效果研究

考察在覆土條件下,覆土材料本身對于上覆水體中總磷濃度水平的影響情況,結果如圖3所示.在其它條件相同的前提下,進行覆土實驗時上覆水體中的總磷含量水平如圖4所示.

考察覆土材料自身釋放磷源的對照實驗結果參見圖3,表明在本實驗條件范圍內(nèi),投加不同量覆土時上覆水體中總磷濃度水平均較低,最后達到的平衡濃度水平分布在0.022～0.030mg/L范圍內(nèi).與空白樣品a上覆水體總磷濃度水平相比可知,覆土材料自身向上覆水體釋放磷源量很小.

圖4表明,未覆土實驗樣品a上覆水體中總磷濃度水平遠大于其他覆土樣品,且在實驗過程中,其上覆水體中總磷濃度水平上升幅度較大,實驗進行到第11d時上覆水體中總磷濃度最高達到0.093mg/L,第12d上覆水體中總磷濃度水平趨向于穩(wěn)定,根據(jù)平衡濃度模型CL=25.301-0.213f(R2為0.980,f為上覆水體與底泥質(zhì)量之比)計算表明[7],未覆土底泥樣品向上覆水體釋放總磷的平衡濃度為 0.082 mg/L.與未覆土樣品a相比,其他覆土樣品(b～f)從第3d開始上覆水體中總磷濃度水平緩慢下降,直到實驗進行的第6d之后開始規(guī)則波動,實驗進行到第12d時,總磷濃度水平趨向于穩(wěn)定,各個覆土底泥樣品上覆水體中總磷濃度水平分布在0.021～0.023 mg/L區(qū)間,這個濃度水平范圍與前述空白對照實驗得到的上覆水體中總磷濃度范圍相近.這一結果表明在底泥表面覆土之后,上覆水體中總磷主要來自于覆土材料自身向水體的釋放,而底泥樣品中磷源幾乎不向上覆水體轉(zhuǎn)移,因此,在本實驗條件下,覆土可以有效抑制底泥向水體釋放總磷,且效果明顯.此外,樣品b～f所加入的從750 g到1 950 g不同含量的覆土均可以有效抑制底泥中磷的釋放,且覆土量增加的時候上覆水體中總磷的最后平衡濃度水平略微降低,這一結果表明適當增加覆土量可以更好地防止底泥中磷營養(yǎng)物的釋放.

2.3 覆土條件下底泥中有機質(zhì)緩釋效果研究

考察在不同覆土量條件下,覆土材料自身釋放有機質(zhì)的情況,結果如圖5所示.相同的底泥量和上覆水體量條件下,采用不同覆土量情況下上覆水體釋放出的有機質(zhì)含量水平如圖6所示.

根據(jù)圖5,覆土材料自身向上覆水體釋放有機質(zhì)的對照實驗表明,覆土幾乎不含有機質(zhì),這與前面覆土檢測結果相一致.上覆水體中有機質(zhì)濃度水平圍繞著空白水中有機質(zhì)濃度水平CODMn值在1.83～2.01范圍內(nèi)波動.

圖6表明,未覆土實驗樣品a上覆水體中有機質(zhì)濃度水平遠大于其他覆土樣品,且在實驗過程中,其上覆水體中有機質(zhì)濃度水平上升幅度較大,實驗進行到第12d時上覆水體中有機質(zhì)濃度水平達到最高CODMn=7.85,隨后上覆水體中總磷濃度水平趨向于穩(wěn)定,根據(jù)平衡濃度模型CL=25.301-0.213f(R2為0.980,f為上覆水體與底泥質(zhì)量之比)計算表明[7],未覆土底泥樣品向上覆水體釋放有機質(zhì)的平衡濃度水平為CODMn=6.82.與未覆土樣品a相比,其他覆土樣品(b～f)上覆水體中有機質(zhì)濃度水平緩慢上升,直到實驗進行的第6d之后開始規(guī)則波動,實驗進行到第14d時,有機質(zhì)濃度水平趨向于穩(wěn)定,各個覆土底泥樣品上覆水體中有機質(zhì)濃度水平CODM n分布在1.89～2.09區(qū)間,這個濃度水平范圍與前述空白對照實驗得到的上覆水體中總有機質(zhì)濃度范圍相近.這一結果表明在底泥表面覆土之后,上覆水體中有機質(zhì)主要來自于覆土材料自身向水體的釋放,而底泥樣品中有機質(zhì)幾乎不向上覆水體轉(zhuǎn)移,因此,在本實驗條件下,覆土可以有效抑制底泥向水體釋放有機質(zhì),且效果明顯.此外,樣品b～f所加入從750 g到1950g不同含量的覆土均可以有效抑制底泥中有機質(zhì)釋放,隨著覆土量的增加,上覆水體中有機質(zhì)的最后平衡濃度逐漸降低,表明適當增加覆土量可以更好地防止底泥中有機質(zhì)的釋放.

3 結論與建議

根據(jù)實驗研究結果可知,覆土可以顯著降低底泥中氮源、磷源和有機質(zhì)向上覆水體釋放的濃度水平,經(jīng)覆土處理后,底泥中的污染物未見明顯的向上覆水體遷移現(xiàn)象,上覆水體中氮、磷和有機質(zhì)濃度水平與覆土材料自身向水體釋放氮、磷和有機質(zhì)的濃度水平相當.適當增加覆土量可以提高對磷源和有機質(zhì)的緩釋效果,但對抑制氮源緩釋無明顯效果.綜合來看,選擇合適的覆土材料對底泥進行覆蓋處理可以有效地抑制其中的氮、磷和有機質(zhì)向水體釋放,因此建議選擇合適的覆土材料加以恰當處理后對文思湖底泥進行覆蓋處理,以隔斷其向水體釋放氮、磷和有機質(zhì)等污染物.而底泥在經(jīng)過長期的釋放之后其中污染物是否有可能會向覆土材料發(fā)生轉(zhuǎn)移,需要獲得更長時間的釋放試驗數(shù)據(jù)進行研究,將在進一步的試驗中加以探討.

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