河道水體水質(zhì)對(duì)底泥污染物釋放的影響

吳 比，黃毅華，馬君妍，朱南文,3，袁海平

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240；2.閔行區(qū)江川路街道水務(wù)管理站，上海 200240；3.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092)

污染河道治理是《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(“水十條”)的重要工作方向之一，入河污水的截污納管、入河垃圾清理是各地污染河道治理的工作基礎(chǔ)。當(dāng)河道污染源被截?cái)嗪?，河道底泥污染物釋放?duì)水體水質(zhì)的影響開(kāi)始逐步顯現(xiàn)，并成為某些河道污染的主因。河道底泥污染物主要來(lái)源于河道水體懸浮物的長(zhǎng)期沉降，對(duì)于大部分河道而言，其底泥中均含有較高含量的有機(jī)物、氮、磷等污染物[1-4]，因此，對(duì)底泥污染物釋放規(guī)律的探究已逐步成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[5-6]。

當(dāng)前對(duì)底泥污染物釋放規(guī)律的研究主要集中在上覆水體pH、擾動(dòng)及流速等因素的影響。Jin[7]等發(fā)現(xiàn)pH為中性時(shí)可抑制湖泊磷的釋放；蔣小欣[8]等研究發(fā)現(xiàn)上覆水體氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的提高可促進(jìn)底泥氮元素，特別是氨氮的釋放；程香菊[9]等研究了擾動(dòng)對(duì)底泥氮磷釋放的影響，發(fā)現(xiàn)攪拌速率的增大可促進(jìn)底泥硝態(tài)氮和溶解性磷酸鹽的釋放；鐘小燕[10]等發(fā)現(xiàn)上覆水體流速加快可提高底泥溶解性氮、磷元素的釋放量。然而，到目前為止，少有文獻(xiàn)探究上覆水體中有機(jī)物濃度對(duì)底泥污染物釋放規(guī)律的影響，且對(duì)影響底泥污染物釋放的主要影響因素缺乏系統(tǒng)性的分析對(duì)比。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)用底泥采自上海市閔行區(qū)淡水河(年均水位1.3 m)，表層底泥(30 cm)采集后立即運(yùn)回試驗(yàn)室。剔除泥樣中粗石塊和枯枝等雜物，濾除水分、混合均勻后用于后續(xù)試驗(yàn)。同時(shí)，采集河道表層水體(10 cm)，用去離子水稀釋(1∶8，V/V)后作為試驗(yàn)用水(該水體污染物濃度較低，與底泥污染物形成濃度差，以便探究底泥污染物的釋放規(guī)律)。底泥和試驗(yàn)用水的基本理化特性如表1和表2所示。

表1 底泥基本理化特性Tab.1 Physical and Chemical Characteristics of the Sediment

表2 水樣基本理化特性Tab.2 Physical and Chemical Characteristics of the Water

試驗(yàn)裝置為自制玻璃圓柱筒，內(nèi)徑18 cm，高100 cm，側(cè)面等距離布置2個(gè)取樣口，并設(shè)有水浴夾層以保持裝置恒溫(20 ℃)。先往玻璃柱底注入5.0 kg新鮮底泥，接著以虹吸方式小心加入上覆水體(10 L)，泥水高度比控制在1∶3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 pH控制

用稀H2SO4(3 mol/L)和NaOH(6 mol/L)調(diào)節(jié)上覆水體初始pH，分別調(diào)節(jié)pH值至4.0、5.5、7.0、8.5和10.0。

1.2.2 有機(jī)物濃度控制

分別在每升水中投加0、20、40、60 mg和80 mg葡萄糖調(diào)節(jié)上覆水體中有機(jī)物濃度，得到其初始CODCr分別為3.60、12.96、29.15、47.37 mg/L和65.18 mg/L。

1.2.3 溶解氧控制

將試驗(yàn)用水用氮?dú)膺M(jìn)行吹脫30 min，使水體溶解氧含量低于0.5 mg/L，將曝氣器置于上覆水體中心位置，通過(guò)曝氣量的大小調(diào)上覆水體中的溶解氧范圍分別為：0～2、2～4、4～6、6～8、8～10 mg/L(與泥水界面距離25 cm，且曝氣量較小，曝氣造成底泥擾動(dòng)的影響可忽略)。

1.3 分析方法

1.4 底泥污染物累積釋放量計(jì)算

底泥各指標(biāo)累積釋放量的估算方法[11]如式(1)。

(1)

其中：M—底泥某污染物的累積釋放量，mg/kg；

V—試驗(yàn)裝置中上覆水體的體積，L；

Vi—每次取樣體積，L；

ci和cn—第i天(原水)和第n天取樣時(shí)污染物的濃度，mg/L；

Ws—裝置內(nèi)底泥的濕重，kg。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 上覆水體pH對(duì)底泥污染物釋放的影響

上覆水體中pH值對(duì)底泥CODCr釋放的影響情況如圖1(a)所示。各處理組的CODCr濃度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并在第3 d達(dá)到峰值。這是因?yàn)樯细菜w水質(zhì)較好，與底泥間隙水中有機(jī)污染物形成濃度差，使得有機(jī)物釋放到水體。此外，隨著上覆水體pH的升高，底泥釋放CODCr呈下降趨勢(shì)，當(dāng)pH值為4.0時(shí)CODCr的最大濃度為14.87 mg/L，而pH值為10.0時(shí)僅為7.03 mg/L。其原因是偏堿性條件有利于底泥中礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)的結(jié)合，可抑制底泥中與礦物質(zhì)結(jié)合的有機(jī)污染物的釋放，而酸性條件可促進(jìn)底泥中礦物質(zhì)與有機(jī)污染物的分離，進(jìn)而促進(jìn)了底泥污染物的釋放[12]。試驗(yàn)進(jìn)行到第3 d后，上覆水體可溶性有機(jī)物在異養(yǎng)型微生物的作用下開(kāi)始降解，CODCr呈下降趨勢(shì)。

圖1 不同pH值條件下和TP(d)濃度的變化Fig.1 Changes of CODCr (a), (b), TN (c) and TP (d) under Different pH Values

圖2 不同有機(jī)物濃度條件下和TP(d)濃度的變化Fig.2 Changes of CODCr(a), (b), TN (c) and TP (d) under Different Concentrations of Organic Matter

pH對(duì)底泥TN釋放的影響如圖1(c)所示，底泥向上覆水體釋放出TN現(xiàn)象明顯，在前4 d，TN釋放量達(dá)到最高值，此后保持穩(wěn)定狀態(tài)；隨著上覆水體pH值增加，TN的釋放量加大，穩(wěn)定后pH值為4.0和10.0時(shí)，上覆水體的TN含量分別為6.26 mg/L和10.88 mg/L。TN這種變化規(guī)律可能的原因是：一般情況下，微生物生長(zhǎng)的最適pH值條件為中性或偏堿性(pH值為6.5～7.5)，酸性條件不利于氨化細(xì)菌及硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，TN的釋放量?jī)H由上覆水體與底泥的濃度差決定，釋放量相對(duì)較?。欢袡C(jī)物的分解是一個(gè)產(chǎn)酸的過(guò)程[14]，pH值較高時(shí)能中和底泥有機(jī)物分解產(chǎn)生的H+，從而促進(jìn)氨化及硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致TN釋放量的增加。

2.2 上覆水體有機(jī)物濃度對(duì)底泥污染物釋放的影響

上覆水體有機(jī)物濃度影響下CODCr的變化如圖2(a)所示。由于上覆水體模擬的有機(jī)物污染程度不同，CODCr的初始值形成了明顯的差異(分別為3.60、12.96、29.15、47.37 mg/L和65.18 mg/L)。隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，上覆水體CODCr的濃度除了有機(jī)物投加量為0 mg/L的有所上升外，其他處理組都呈下降趨勢(shì)；在第6 d左右達(dá)到平穩(wěn)，且上覆水體的有機(jī)物含量越高，CODCr的下降速率越快，這是因?yàn)楦邼舛鹊挠袡C(jī)物給微生物提供了充足的碳源，促進(jìn)其生長(zhǎng)和代謝，同時(shí)快速降解有機(jī)物[17]。

圖3 不同溶解氧條件下和TP(d)濃度的變化Fig.3 Changes of CODCr(a), (b), TN (c) and TP (d) under Different DO

由圖2(d)可知，上覆水體中TP呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，隨有機(jī)物濃度的升高，TP的釋放量也隨之增加，釋放穩(wěn)定時(shí)有機(jī)物濃度最低的試驗(yàn)組上覆水體TP含量?jī)H為0.55 mg/L，而有機(jī)物濃度最高的試驗(yàn)組可達(dá)0.91 mg/L。這可能是因?yàn)楦邼舛扔袡C(jī)物的分解可產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，而酸度的增加可促進(jìn)底泥TP的釋放。

2.3 上覆水體溶解氧對(duì)底泥污染物釋放的影響

在各個(gè)溶解氧條件下，上覆水體CODCr濃度的變化如圖3(a)所示，均呈現(xiàn)先升高后緩慢下降的趨勢(shì)，溶解氧較高的的兩個(gè)試驗(yàn)組(6～8 mg/L和8～10 mg/L)CODCr釋放速率更快，出現(xiàn)峰值的時(shí)間為第4 d，CODCr的最大濃度分別為12.71 mg/L和15.34 mg/L；而溶解氧較低的試驗(yàn)組CODCr釋放量較小，出現(xiàn)峰值的時(shí)間有所減慢，為第6 d左右，且此時(shí)CODCr濃度的最大值低于高溶解氧試驗(yàn)組；溶解氧0～2 mg/L的試驗(yàn)組CODCr釋放量最小，其在上覆水體的最大濃度為6.65 mg/L。CODCr釋放量達(dá)到最大后其濃度開(kāi)始下降，且溶解氧含量越高的試驗(yàn)組下降速率越快；整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可總結(jié)為：隨著溶解氧含量的增高，CODCr釋放速率加快，釋放量增大，其濃度下降速率也加快；這是因?yàn)樯细菜w的含氧量的升高增強(qiáng)了底泥和水體中好氧微生物的活性，使底泥中一些難降解有機(jī)物也能被生物利用，并分解為小分子的可溶性有機(jī)物質(zhì)擴(kuò)散到上覆水體中[19]；當(dāng)?shù)啄嘀锌山到庥袡C(jī)物釋放殆盡時(shí)，釋放到上覆水體中的有機(jī)物在充足的氧氣環(huán)境下開(kāi)始迅速分解。

2.4 不同因素對(duì)各污染物釋放量的影響

在各因素試驗(yàn)中，各水平中某污染物最大累積釋放量的最大值與最小值的差的大小可表征此因素對(duì)該污染物影響的大小，如表3所示。

表3 不同因素對(duì)和TP最大累積釋放量的影響Tab.3 Effects of Different Factors on the Maximum Cumulative Releases of CODCr, TN and TP

3 結(jié)論