感潮型重污染河道內(nèi)源硫、鐵與氮行為的耦合作用

關(guān)會敏 朱瑾 何巖 黃民生 周焜 朱林林

摘要：為研究感潮作用對重污染河道內(nèi)源硫、鐵與氮變化的影響及其耦合關(guān)系，本研究以上海重污染感潮型河道為對象，通過模擬感潮型河道以探究穩(wěn)定水位期泥水界面不同形態(tài)硫、鐵和氮的動態(tài)變化，并借助于黑色關(guān)聯(lián)度分析來解析內(nèi)源硫、鐵與氮行為的耦合作用.結(jié)果顯示感潮模擬組上覆水NH+4一N削減率高達(dá)（82.24-1.92）%且TN削減率高達(dá)（86.494-2.31）%，表明感潮作用會影響泥水界面形成的好氧一缺氧一厭氧動態(tài)分布并促進(jìn)硝化一反硝化耦合過程，有利于泥水界面總氮與氨氮的削減.灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果顯示間隙水硝態(tài)氮與還原態(tài)硫和鐵的關(guān)聯(lián)度最高為0.910 5和0.858 7.表明硫化物與二價鐵對硝態(tài)氮的影響最為顯著，推測感潮型重污染河道內(nèi)源硫、鐵與氮存在硫自養(yǎng)反硝化和鐵自養(yǎng)反硝化的耦合作用.該研究有望為重污染感潮型河道修復(fù)與治理提供理論參考.

關(guān)鍵詞：感潮型重污染河道;氮;硫;鐵;耦合作用

中圖分類號：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2018.06.011

0引言

上海城市內(nèi)河多屬于感潮型河道，目前由于受人為活動嚴(yán)重干擾，許多河道出現(xiàn)了季節(jié)性或常年性的黑臭問題，其中底泥內(nèi)源污染已成為河道水質(zhì)惡化和發(fā)生黑臭的主要原因，而且感潮特征往往加重內(nèi)源污染的影響作用.這主要是因?yàn)闈q落潮的水流擾動會使表層底泥反復(fù)揚(yáng)起，導(dǎo)致底泥中鐵、硫和氮污染物的懸浮釋放;另外泥水界面好氧缺氧厭氧分布在潮汐作用下也不斷變化，進(jìn)而影響底泥中鐵、硫和氮污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程.

硫和鐵是河道致黑致臭的主要元素氮元素是重要的營養(yǎng)鹽元素，硫、鐵與氮元素在調(diào)節(jié)水生環(huán)境質(zhì)量及生物生產(chǎn)力方面有重要的聯(lián)系.因此研究感潮型重污染河道底泥中硫、鐵元素的環(huán)境行為與氮行為的耦合作用對于感潮型河道底泥內(nèi)源污染物的有效控釋具有重要意義.然而目前相關(guān)研究主要針對海洋、河口海岸以及湖泊沉積物，且忽視了硫、鐵與氮之間的耦合關(guān)系，對于污染嚴(yán)重的感潮型城市內(nèi)河河道的相關(guān)研究尚未見諸報道.

本研究針對上海市的重污染感潮型河道，通過感潮模擬實(shí)驗(yàn)探究感潮過程中不同形態(tài)氮、硫和鐵的動態(tài)變化以及內(nèi)源硫、鐵與氮行為的耦合作用，以期為重污染感潮型河道的治理和修復(fù)提供參考.

1材料與方法

1.1研究對象

本研究上覆水和底泥均采自與上海市普陀區(qū)桃浦鎮(zhèn)境內(nèi)的工業(yè)河.該河總長864m，上口寬度為10～15m，水深1-2 m，水流速度緩慢導(dǎo)致水動力條件較差，且底泥內(nèi)源污染嚴(yán)重，是一條典型的感潮型重污染河道.工業(yè)河具體地理位置及采樣地點(diǎn)如圖1所示.

工業(yè)河上覆水基本理化指標(biāo)如表1所示，其水質(zhì)基本上低于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn).

1.2實(shí)驗(yàn)運(yùn)行裝置

本實(shí)驗(yàn)采用感潮河道模擬柱如圖2所示，底部鋪設(shè)5cm細(xì)沙，底泥厚度為30cm，并設(shè)置對照組（靜置組）.本實(shí)驗(yàn)中感潮河道漲落潮模擬流速及漲落潮最低最高水位是根據(jù)前期現(xiàn)場調(diào)研情況進(jìn)行確定，且因其流速度緩慢、水動力條件較差，漲落潮模擬裝置設(shè)置流速較低，漲潮平均流速約為0.003cm/s，退潮平均流速約為0.001cm/s，每天模擬兩次退潮和兩次漲潮，其中退潮平均歷時8h，漲潮歷時4h.通過蠕動泵將模擬河道中水樣抽入或抽出實(shí)驗(yàn)柱實(shí)現(xiàn)水位漲落變化.泵的開啟采用PLC自動控制，并通過調(diào)節(jié)泵流量大小控制漲落潮流速.實(shí)驗(yàn)柱上覆水的最低高度為40cm，以此模擬退潮時最低水位;最高高度為60cm，以此來模擬漲潮時的最高水位.

3結(jié)論與展望

感潮型重污染河道長期的潮汐作用會引起的水體反復(fù)擾動并促進(jìn)底泥污染物（如Fes和Fes2等）的釋放，使河道上覆水致黑致臭物質(zhì)增多，加重河道的黑臭.另外，退潮時水位較低，對河道有一定的復(fù)氧作用，促進(jìn)硝化一反硝化耦合作用，有利于氨氮及總氮的削減.灰色關(guān)聯(lián)度分析表明不同形態(tài)內(nèi)源氮與硫鐵存在耦合關(guān)系，推測主要通過硫自養(yǎng)反硝化或鐵自養(yǎng)反硝化過程進(jìn)行耦合.

硫自養(yǎng)反硝化與鐵自養(yǎng)反硝化作可以在脫除內(nèi)源氮的同時，將河道底泥致黑致臭物質(zhì)（Fes2等）去除，但目前就感潮型重污染河道內(nèi)硫（鐵）自養(yǎng)反硝化過程關(guān)注較少.期望能借助于同位素示蹤技術(shù)及分子生物學(xué)技術(shù)（如熒光定量、高通量及穩(wěn)定同位素核酸探針技術(shù)）進(jìn)一步解析該過程.另外，感潮型河道沉積物中氮的生物地球化學(xué)循環(huán)是一個涉及物理、化學(xué)、生物等諸多要素的復(fù)雜過程，諸多硫、鐵與內(nèi)源氮行為耦合的其他過程仍不清楚，如硫、鐵與厭氧氨氧化和硝酸鹽異化還原成銨過程有待于進(jìn)一步探索.