上覆水環(huán)境變化對(duì)底泥釋氮強(qiáng)度影響模擬研究

盧俊平,賈永芹,張曉晶,馬太玲,梅小樂(lè),楊 紅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

受上覆水環(huán)境條件變化的影響,底泥會(huì)發(fā)生氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽匯、源角色的轉(zhuǎn)變,營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)重新向上覆水體逐時(shí)釋放,成為湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)的主導(dǎo)污染源[1-2]。氮磷在泥-水界面遷移轉(zhuǎn)化受水溫[3]、pH值[4]、水體擾動(dòng)[5]和溶解氧[6]多種環(huán)境因子的影響與制約,底泥氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽形態(tài)、吸附-解吸行為、釋放時(shí)間和釋放量具有隨機(jī)性[7-8]。因此,底泥氮磷內(nèi)源釋放引發(fā)的二次污染引發(fā)諸多學(xué)者的關(guān)注和重視[9-11]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)湖庫(kù)水體底泥的磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量、賦存形態(tài)、濃度梯度、空間分布以及對(duì)水體的貢獻(xiàn)有較多研究[12-16],對(duì)底泥受上覆水外界環(huán)境變化引起的氮釋放影響研究成果甚少,尤其對(duì)底泥氮釋放強(qiáng)度與環(huán)境因子的擬合回歸方面的研究成果鮮有報(bào)道。因此,研究影響底泥氮釋放水的上覆水環(huán)境因素,探求底泥釋氮強(qiáng)度與上覆水環(huán)境因子之間的定量擬合關(guān)系,對(duì)于通過(guò)改變上覆水環(huán)境調(diào)控防治底泥內(nèi)源釋氮污染具有一定指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在GPS導(dǎo)航下乘氣墊船至各采樣點(diǎn),用奧地利日溪開(kāi)閉式不銹鋼分層采樣器,采集錫林郭勒盟多倫縣大河口水庫(kù)18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(A1、A2、B1、B2、C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E2、E3、F1、F2、F3、L、T,圖1),泥深為15 cm處的庫(kù)底底泥[8],標(biāo)記好放在低溫密封裝置中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。采樣點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

1.2 供試材料

底泥:將采集的18個(gè)底泥樣品混合,底泥的主要理化指標(biāo)為pH=7.63,w(有機(jī)質(zhì))為4.2%,w(NH4+-N)為229 mg·kg-1,w(TN)為2 246 mg·kg-1,剔除底泥中的雜質(zhì)待用。

上覆水:用分層采水器從水庫(kù)18個(gè)底泥采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)庫(kù)底以上0.5 m處采集混合水樣,帶回實(shí)驗(yàn)室, 4 ℃條件下保存?zhèn)溆?。底泥上覆水?TN)為3.50 mg·L-1。

圖1 大河口水庫(kù)底泥采樣點(diǎn)示意Fig.1 Layout scheme of monitoring points in the Dahekou Reservoir

1.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)水庫(kù)年內(nèi)各季節(jié)上覆水溫度、pH值、水動(dòng)力和溶解氧4項(xiàng)環(huán)境因素實(shí)際變化幅度,選定不同水平條件進(jìn)行底泥模擬實(shí)驗(yàn)。因沉積物和水之間存在著吸收和釋放的動(dòng)態(tài)平衡,試驗(yàn)初期底泥中氮含量較大,會(huì)形成一個(gè)向上的濃度梯度,造成氮的釋放。試驗(yàn)開(kāi)始后每隔2 d用移液管從沉積物樣品上覆水中段取樣10 mL,測(cè)定TP濃度。同時(shí),再用10 mL原水庫(kù)地表水補(bǔ)充至玻璃瓶原始刻度。第18天底泥與上覆水中氮濃度基本接近,吸附與釋放達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,室內(nèi)底泥釋氮模擬試驗(yàn)結(jié)束。

(1)調(diào)節(jié)反應(yīng)器上覆水體pH值為7.0,采用生化恒溫培養(yǎng)箱設(shè)置溫度為5、10、15、20和25 ℃,每隔48 h取樣測(cè)定其上覆水體TN濃度。

(2)用濃度為1 mol·L-1的Na2CO3和V(H2SO4)∶V(水)=1∶5溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)器底泥,設(shè)置上覆水起始pH值分別為5.5、6.0、7.0、8.0和9.5,每隔48 h取樣測(cè)定其上覆水體TN濃度。

(3)調(diào)節(jié)反應(yīng)器上覆水pH值為7.0,采用無(wú)極調(diào)速攪拌器設(shè)定水動(dòng)力條件0、15、30、60和100 r·min-1,每隔48 h測(cè)定其上覆水體TN濃度。

(4)調(diào)節(jié)反應(yīng)器上覆水pH值為7.0,通過(guò)氧氣瓶和氮?dú)馄可习惭b的氣體流量計(jì)控制底泥上覆水體ρ(溶解氧)為2.0、3.5、4.0、5.0和6.5 mg·L-1,每隔48 h測(cè)定其上覆水體TN濃度。

試驗(yàn)裝置如圖2所示。

1.4 分析方法

參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[17],采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定底泥上覆水TN濃度。

圖2 底泥總氮釋放模擬試驗(yàn)裝置Fig.2 Equipment of test on nitrogen release from sediment

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

取3次檢測(cè)值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)整理后用Excel 2013和SPSS 19.0軟件作圖。底泥釋氮強(qiáng)度計(jì)算公式[18]為

(1)

式(1)中，M為釋氮強(qiáng)度,mg·m-2;V為水樣體積,L;Cn為第n次采樣底泥上覆水TN質(zhì)量濃度,mg·L-1;C0為初始TN質(zhì)量濃度,mg·L-1;Vi為每次采樣體積,L;Ci-1為第i-1次采樣時(shí)水中TN質(zhì)量濃度,mg·L-1;Ca為添加水體中TN質(zhì)量濃度,mg·L-1;A為與水接觸的沉積物表面積,m2。

表1幾種環(huán)境條件下底泥上覆水總氮濃度檢測(cè)結(jié)果

Table1Thechangeofthetotalnitrogenreleaseconcentrationfromsedimentindifferentconditions

時(shí)間/d溫度/℃pH值轉(zhuǎn)速/(r·min-1)ρ(DO)/(mg·L-1)5101520255.56.07.08.09.501530601002.03.54.05.06.5 05.886.766.518.547.916.465.615.865.066.516.327.328.629.049.426.305.705.265.265.18 27.867.089.1412.6113.727.956.553.654.939.275.066.528.569.9513.248.998.197.836.535.49 48.017.929.9612.8813.7610.528.425.367.3212.367.009.2510.6811.9415.0410.149.347.916.917.00 610.557.1613.4516.3218.4411.819.987.478.4113.628.7510.6412.1514.5016.319.568.768.387.387.16 89.3110.5112.3614.1017.0515.6212.9910.8812.9214.717.568.8210.0813.2114.9211.4010.608.698.697.26 109.5711.3611.5514.6817.7512.289.818.418.8614.156.239.037.219.5211.1212.1211.329.869.068.49 1210.9612.0514.7116.7917.7514.2212.299.847.8615.626.517.497.5611.1311.6911.1711.3710.628.298.90 1411.5811.9815.6215.4317.0212.3811.217.229.1913.555.325.885.678.617.9111.2110.418.307.306.93 1611.3014.0915.6517.0517.5213.3111.369.3511.3614.715.606.306.027.638.2610.139.337.816.616.51 189.4910.7913.1514.3215.4212.2210.027.9510.0212.924.555.124.765.535.749.578.777.206.215.30

試驗(yàn)用水初始ρ(TN)為3.50 mg·L-1。

根據(jù)式(1),計(jì)算得出溫度為5、10、15、20、25 ℃條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度分別為852.65、899.07、1 171.28、1 441.35和1 606.40 mg·m-2,pH值為5.5、6.0、7.0、8.0和9.5條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度分別為1 117.75、892.05、622.32、738.26和1 248.06 mg·m-2,水動(dòng)力條件為0、15、30、60和100 r·min-1條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度分別為497.18、671.04、749.58、988.78和1 160.74 mg·m-2,ρ(溶解氧)為2.0、3.5、4.0、5.0和6.5 mg·L-1條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度分別為936.79、851.94、712.21、597.45和547.35 mg·m-2。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水溫變化對(duì)水庫(kù)底泥釋氮的影響

由圖3可見(jiàn),不同的溫度條件下,底泥總氮釋放過(guò)程均具有明顯的波浪式變化趨勢(shì),在反應(yīng)初始階段的6 d內(nèi),底泥與上覆水總氮濃度梯度差較大,底泥釋氮強(qiáng)度變化曲線呈直線上升,隨后從第6至18天內(nèi),受上覆水總氮濃度增大的影響,底泥總氮釋放強(qiáng)度增幅變緩。可見(jiàn)，總氮在底泥和上覆水中的分配過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程,上覆水溫度的變化直接決定了底泥總氮釋放強(qiáng)度的變幅。試驗(yàn)結(jié)果表明,溫度上升明顯增強(qiáng)了底泥氮釋放強(qiáng)度,25 ℃下底泥氮釋放強(qiáng)度為1 606.40 mg·m-2,是5 ℃條件下的1.9倍。溫度每升高10 ℃,釋放強(qiáng)度增加將近1.37倍。溫度升高會(huì)加快物理、化學(xué)、生物反應(yīng)進(jìn)程,促進(jìn)有機(jī)氮的快速分解,增大其向上覆水體的釋放量。這與ALLER[19]用數(shù)學(xué)模型模擬海灣沉積物間隙水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,得出隨溫度升高營(yíng)養(yǎng)鹽產(chǎn)出率也升高的結(jié)論相一致。溫度升高也有助于上覆水中有機(jī)氮分解而加速溶解氧消耗,導(dǎo)致貼近底泥釋放層水體中氧化層的深度減小,從而減緩或阻止硝化作用,使得底泥中氨氮遵循分子擴(kuò)散規(guī)律向上覆水體擴(kuò)散[20]。

試驗(yàn)中底泥氮釋放強(qiáng)度與溫度變量之間的關(guān)系往往不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,而可能呈現(xiàn)某種曲線或非線性的關(guān)系。應(yīng)用SPSS 19.0軟件對(duì)溫度(T)變量與底泥TN釋放強(qiáng)度(RTN)進(jìn)行線性、對(duì)數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、復(fù)合函數(shù)、冪函數(shù)等多種函數(shù)曲線擬合,在上覆水溫度范圍為5～25 ℃環(huán)境條件下,底泥TN釋放強(qiáng)度與溫度的擬合關(guān)系以二次函數(shù)曲線擬合為最優(yōu),線性次之。二次函數(shù)擬合回歸方程為RTN=0.672T2+20.842T+696.776(R2=0.974)。

圖3 不同溫度條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征Fig.3 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different temperature

2.2 上覆水pH值變化對(duì)水庫(kù)底泥釋氮的影響

由圖4可見(jiàn),試驗(yàn)初期(0～8 d)在底泥與上覆水之間含氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度梯度的驅(qū)動(dòng)作用下,底泥含氮營(yíng)養(yǎng)鹽迅速向上覆水體擴(kuò)散釋放[21]。第8天后底泥與上覆水之間含氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度差變小,擴(kuò)散釋放作用明顯減弱,含氮營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)一步釋放就需要底泥中含氮有機(jī)質(zhì)持續(xù)礦化,當(dāng)含氮有機(jī)質(zhì)的礦化速率較小而每天加入的上覆水的稀釋速率較大時(shí),底泥總氮釋放強(qiáng)度減弱。底泥總氮釋放與氨氮釋放具有相似特征,在偏酸堿性環(huán)境條件下,均高于中性條件下總氮釋放強(qiáng)度,底泥釋氮強(qiáng)度與pH值呈現(xiàn)拋物線型變化趨勢(shì),與梁淑軒等[22]、沙茜等[23]對(duì)不同pH值條件下沉積物氮磷釋放影響規(guī)律相吻合。這歸因于偏堿性環(huán)境下氨化菌比較活躍,可促進(jìn)沉積物中氮的釋放,水溶液中H+濃度越大,沉積物膠體中NH4+同H+競(jìng)爭(zhēng)吸附位置,被釋放出來(lái)[24]。

對(duì)pH值(x)與底泥TN釋放強(qiáng)度(RTN)進(jìn)行線性、對(duì)數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、復(fù)合函數(shù)、冪函數(shù)等多種函數(shù)曲線擬合,確定兩者之間的最優(yōu)擬合曲線及回歸方程。結(jié)果表明,在上覆水pH值范圍為5.5～9.5條件下底泥TN釋放強(qiáng)度與pH值的擬合函數(shù)關(guān)系呈開(kāi)口向上的拋物線,且以二次函數(shù)曲線擬合為最優(yōu),三次函數(shù)次之,線性最差。二次函數(shù)擬合回歸方程為RTN=134.03x2+1 972.963x+7 904.791(R2=0.976)。

圖4 不同pH值條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征Fig.4 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different pH conditions

2.3 上覆水動(dòng)力變化對(duì)水庫(kù)底泥釋氮的影響

由圖5可見(jiàn),加速水體擾動(dòng)可增強(qiáng)底泥總氮釋放強(qiáng)度,且不同水動(dòng)力條件下,底泥總氮釋放強(qiáng)度達(dá)到最大值的時(shí)間基本一致,均出現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始后第6天。高強(qiáng)度擾動(dòng)下(R=100 r·min-1)底泥最大釋氮強(qiáng)度為1 469.5 mg·m-2,是靜置條件下的2.1倍。REDDY等[25]和SONDER-GAARD等[26]分別在對(duì)Apoka湖和Arreso湖的調(diào)查中也發(fā)現(xiàn),水動(dòng)力懸浮作用造成上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度增加是單純靜態(tài)擴(kuò)散條件下的數(shù)十倍,證實(shí)水動(dòng)力作用在湖庫(kù)內(nèi)源營(yíng)養(yǎng)鹽釋放中發(fā)揮著極其重要的作用,增大水體擾動(dòng)強(qiáng)度不僅可以促使底泥中顆粒氮再懸浮,加速底泥間隙水氮擴(kuò)散,而且有助于增加底泥和上覆水之間營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)的交換通量,從而促進(jìn)底泥氮釋放。

圖5 不同水力擾動(dòng)下底泥總氮釋放強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征Fig.5 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different hydrodynamic conditions

對(duì)上覆水水動(dòng)力變量(K)與底泥總氮釋放強(qiáng)度(RTN)進(jìn)行線性、對(duì)數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、復(fù)合函數(shù)、冪函數(shù)等多種函數(shù)曲線擬合,確定兩者之間的最優(yōu)擬合曲線及回歸方程。結(jié)果表明,在水動(dòng)力范圍為0～100 r·min-1環(huán)境條件下,底泥TN釋放強(qiáng)度與水動(dòng)力條件的擬合情況,以二次函數(shù)曲線擬合為最優(yōu),三次函數(shù)次之。水動(dòng)力條件與底泥TN釋放強(qiáng)度的二次函數(shù)擬合回歸方程為RTN=-0.034K2+9.991K+504.423(R2=0.996)。

2.4 上覆水溶解氧變化對(duì)水庫(kù)底泥釋氮的影響

由圖6可見(jiàn),在試驗(yàn)初期的10 d內(nèi)底泥總氮釋放強(qiáng)度呈線性增大,10 d后底泥總氮釋放強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,并呈下降趨勢(shì)。底泥總氮釋放強(qiáng)度與上覆水體溶解氧濃度密切相關(guān),隨溶解氧濃度提高,總氮釋放強(qiáng)度降低。底泥總氮釋放強(qiáng)度取決于底泥中含氮化合物的主要存在形態(tài)及其在溶解氧和細(xì)菌相互作用下的轉(zhuǎn)化。在好氧條件下上覆水體中硝化菌將氨氮分解轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,使得底泥釋放氨氮的作用被抵消,上覆水體中氨氮濃度升高不明顯,而底泥也會(huì)同時(shí)釋放硝態(tài)氮,導(dǎo)致上覆水體中硝態(tài)氮濃度持續(xù)增加,氮的釋放以NO3--N溶出為主。在缺氧條件下,底泥釋放氨氮的水平顯著提高,上覆水體中氨氮濃度會(huì)迅速增加,且釋放強(qiáng)度遠(yuǎn)高于好氧條件下NO3--N釋放速率。總體而言,在低溶解氧濃度水平或缺氧條件下底泥釋氮強(qiáng)度較大,有利于底泥氮釋放,隨著溶解氧濃度上升或好氧條件下底泥釋放強(qiáng)度會(huì)明顯減弱,不利于底泥氮釋放。

圖6 不同溶解氧條件下底泥總氮釋放強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征Fig.6 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different dissolve oxygen conditions

將溶解氧濃度(r)與底泥TN釋放強(qiáng)度(RTN)進(jìn)行線性、對(duì)數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、復(fù)合函數(shù)、冪函數(shù)等多種函數(shù)曲線擬合。結(jié)果表明,在ρ(DO)為2.0～6.5 mg·L-1條件下,底泥TN釋放強(qiáng)度與溶解氧濃度以三次函數(shù)曲線擬合為最優(yōu),二次函數(shù)次之。溶解氧濃度與底泥TN釋放強(qiáng)度擬合三次函數(shù)回歸方程為RTN=-661.174r3-204.095r2+16.658r+299.572 (R2=0.988)。

3 結(jié)論

(1)湖庫(kù)底泥與上覆水環(huán)境界面氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽分配是一個(gè)受多重環(huán)境因子影響而引發(fā)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。環(huán)境因子的改變會(huì)影響底泥含氮有機(jī)質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)、生物反應(yīng),促進(jìn)有機(jī)氮的分解轉(zhuǎn)化,增大向上覆水體的釋放量。

(2)底泥釋氮強(qiáng)度受上覆水溫度、pH值、水動(dòng)力、溶解氧環(huán)境因子的變化影響顯著。溫度升高和加強(qiáng)水力擾動(dòng)會(huì)增強(qiáng)微生物的新陳代謝作用和促進(jìn)底泥顆粒的再懸浮,增強(qiáng)底泥氮的釋放和向上覆水的擴(kuò)散特性;溶解氧濃度升高會(huì)明顯抑制底泥氮釋放,底泥釋放強(qiáng)度明顯減弱;偏酸堿環(huán)境條件均有利于底泥氮釋放,中性條件下總氮釋放特征不明顯。

(3)通過(guò)采用多種曲線類型對(duì)底泥TN釋放強(qiáng)度與溫度、pH值、水動(dòng)力和溶解氧濃度擬合關(guān)系比較可知,底泥總氮釋放強(qiáng)度與溫度、pH值、水動(dòng)力環(huán)境因素以二次函數(shù)曲線擬合為最優(yōu),三次函數(shù)次之,而與溶解氧因素以三次函數(shù)曲線擬合為最優(yōu),二次函數(shù)次之。底泥釋氮強(qiáng)度與環(huán)境變量pH的擬合函數(shù)關(guān)系呈開(kāi)口向上的拋物線。