底泥原位洗脫過程中氮磷含量與形態(tài)變化特征

李國宏, 葉碧碧, 吳敬東, 侯澤英, 儲(chǔ)昭升*, 鄭丙輝, 楊永哲

1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 陜西 西安 710055 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院湖泊環(huán)境研究所, 北京 100012 3.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012 4.安徽雷克環(huán)境科技有限公司, 安徽 合肥 230041

隨著我國河湖水體外源污染治理工作的不斷深入，底泥污染越來越受到關(guān)注. 底泥中氮磷物質(zhì)釋放造成水體富營養(yǎng)化，而其中耗氧有機(jī)物的分解造成了水體缺氧并導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)難以自然恢復(fù)，同時(shí)底泥中有毒有害污染物的釋放造成水生生物群落退化[1-2]. 目前，對(duì)底泥污染的控制已經(jīng)成為我國水體治理的關(guān)鍵措施之一.

國內(nèi)外底泥污染控制技術(shù)可分為物理、化學(xué)和生物技術(shù). 其中，物理技術(shù)由于處理量大、見效快等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，在水體治理中應(yīng)用最為廣泛，主要包括疏浚、原位覆蓋、曝氣等技術(shù). 底泥疏浚技術(shù)是將一定厚度的污染底泥移除至異位進(jìn)行處理，因此對(duì)污染物的去除效率較高，可使疏挖部分污染物對(duì)環(huán)境的污染處于可控范圍之內(nèi)[5]；同時(shí)由于操作技術(shù)的不斷改進(jìn)，疏浚的控制精度也相對(duì)較高[6-7]. 但底泥疏浚存在短期內(nèi)水-沉積物界面被破壞而造成氮磷釋放加劇、顆粒物再懸浮的現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)造成底泥水生生物被移除而破壞生物群落的問題[8-10]；并且疏挖過深會(huì)明顯降低水底透明度，不利于沉水植物恢復(fù)[11]. 原位覆蓋技術(shù)通過鋪設(shè)覆蓋材料達(dá)到對(duì)底泥中污染物質(zhì)(如氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬等)的吸附和阻滯效果，尤其是對(duì)磷的阻隔. 葉恒朋等[12]研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋材料用量為6.0 kgm2時(shí)，粉煤灰對(duì)底泥中PO43-向上覆水釋放的抑制率可達(dá)75.6%. 然而，為達(dá)到對(duì)特定污染物(如PCBs等)的阻隔效果要求，材料覆蓋深度往往超過0.5 m[13]，因此原位覆蓋技術(shù)并不適用于深度較淺水域的修復(fù)，并且新型功能覆蓋材料(如活性炭+無紡布、沸石負(fù)載氧化鐵等)的施用[14-15]會(huì)向水生態(tài)系統(tǒng)中引入新的污染物，不利于生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù). 在城市水體治理中，曝氣技術(shù)也很常用，如針對(duì)較大水深缺氧水體的揚(yáng)水曝氣技術(shù)通過使上下水層混合達(dá)到提高溶解氧、抑制底泥中污染釋放的效果[16]；然而曝氣技術(shù)對(duì)底泥修復(fù)效率較低，且效益的長期性和持久性并不能得到保證.

底泥原位洗脫是最近研發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)[17]，通過對(duì)表層底泥進(jìn)行機(jī)械攪擾、曝氣、水力沖刷等，打破水-沉積物界面的固液相平衡，使底泥中密度較小且通常為有機(jī)物質(zhì)的部分進(jìn)入水相，短暫靜置后將這部分混合相轉(zhuǎn)移進(jìn)行異位處理，余下的大顆粒部分沉降形成覆蓋層，在一定程度上阻止了深層污染物的釋放；攪擾作用同時(shí)會(huì)對(duì)水-沉積物系統(tǒng)進(jìn)行充氧，從而使底泥厭氧環(huán)境得到改善. 目前對(duì)于該技術(shù)的研究尚處于起步階段，仍存在諸多待解決的問題，如最為關(guān)注的是該技術(shù)對(duì)處理層底泥中氮磷的去除作用以及去除機(jī)理等. 鑒于此，該研究首先比較原位洗脫技術(shù)在現(xiàn)場試驗(yàn)中洗脫組和對(duì)照組分層底泥理化性質(zhì)以及氮磷形態(tài)分布特征之間的差異，而后在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)曝氣沖洗模擬洗脫試驗(yàn)，將模擬處理對(duì)底泥的作用效果和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證，從而準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該技術(shù)對(duì)底泥中氮磷物質(zhì)的去除效果并分析其深層原因，以期為該技術(shù)對(duì)河湖水體底泥修復(fù)工作提供相應(yīng)理論和數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場洗脫工程試驗(yàn)

現(xiàn)場洗脫工程在北京市涼水河底泥洗脫工程區(qū)(39°48′N、116°27′E)開展，洗脫裝置封閉空間尺寸為4 m×1 m×0.6 m，處理效率約為167 m2h，曝氣裝置曝氣量為0.32 m3(m2·min)，曝氣孔距底泥高度為8～12 cm.

使用柱狀采樣器于工程區(qū)和對(duì)照區(qū)域(39°47′N、116°28′E)采集分層樣品，在兩個(gè)區(qū)域各設(shè)置8個(gè)采集斷面(各斷面之間間隔100 m，在每個(gè)斷面距河岸5 m的位置采集柱狀樣). 樣品以5 cm分層，各層經(jīng)攪拌均勻后在現(xiàn)場用多參數(shù)分析儀(hq-30d，HACH，美國)測定底泥pH和Eh(氧化還原電位)，之后分裝至聚乙烯自封袋內(nèi)密封，置于便攜式冷藏箱內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室.

1.2 實(shí)驗(yàn)室模擬洗脫試驗(yàn)

在涼水河一處污染嚴(yán)重的區(qū)域(39°45′59″N、116°32′55″E)，用彼得森采樣器(PSC-116，常州普森電子儀器廠)采集足量表層污染底泥(約100 kg)，將其裝填滿至25 L高密度聚乙烯桶中運(yùn)回，并于4 ℃下短暫冷藏.

圖1 模擬洗脫 試驗(yàn)裝置Fig.1 Simulated in-situ physical elution device

將桶內(nèi)底泥緩慢攪拌使其完全混合，取樣填充至有機(jī)玻璃柱(柱高0.60 m，內(nèi)徑11 cm，填充泥高度10 cm，添加水高度40 cm)中，共設(shè)置3個(gè)平行，試驗(yàn)裝置見圖1. 使用氣泵(平均供氣量21～25 Lmin)通過橡膠管連接玻璃導(dǎo)管(內(nèi)徑6 mm)從上至下對(duì)底泥進(jìn)行均勻沖洗，待泥水完全混合后再持續(xù)沖洗5 min，靜置3 min(靜置時(shí)間過長或過短均不利于混合相中物質(zhì)的去除)后馬上用橡膠管采用虹吸法抽出泥水混合物，將處理后的底泥樣品取出并混勻，即時(shí)測定其pH、Eh，而后冷藏保存待用. 對(duì)照組直接取攪拌混合后的泥樣進(jìn)行分析測試，同樣設(shè)3個(gè)平行.

1.3 指標(biāo)測定與數(shù)據(jù)分析

將現(xiàn)場試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)處理底泥樣品均分成兩份：一份直接測定其容重、含水率，另一份經(jīng)冷凍干燥、研磨、過100目(孔徑0.15 mm)尼龍篩后，測定其w(OM)、w(TN)、w(TP)以及各種形態(tài)氮磷含量. 其中，土壤容重和含水率用環(huán)刀法測定，w(OM)采用重鉻酸鉀氧化-加熱法測定，w(TN)采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法[18]測定；w(TP)采用SMT法[19]測定；底泥氮形態(tài)測定采用KCl提取法，提取得到的形態(tài)主要包括NH4+-N、NO3--N、DON(溶解性有機(jī)氮)、PON(顆粒態(tài)有機(jī)氮)，其中w(DON)、w(PON)由差減法得出；磷形態(tài)采用改進(jìn)的Psenner連續(xù)提取法[20-23]，提取得到的形態(tài)主要包括NH4Cl-P(松散吸附態(tài)磷)、Fe-P(鐵結(jié)合態(tài)磷)、Al-P(鋁結(jié)合態(tài)磷)、OP(有機(jī)磷)、Ca-P(鈣結(jié)合態(tài)磷)和Res-P(殘?jiān)?.

對(duì)于模擬試驗(yàn)底泥，采用激光粒度儀(Mastersizer2000，Mastersizer，英國)測定其粒度分布；采用Allen等[24]的方法并使用儲(chǔ)昭升等[25]設(shè)計(jì)的吸收裝置測定w(AVS)(AVS為酸可揮發(fā)性硫化物).

使用Origin 8.5和SPSS 19.0進(jìn)行作圖與分析；各指標(biāo)之間的差異性采用ANOVA法進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)場和模擬洗脫底泥理化性質(zhì)

現(xiàn)場洗脫處理分析結(jié)果(見圖2)顯示：原位洗脫技術(shù)對(duì)0～10 cm底泥中pH、w(TN)以及0～5 cm底泥中Eh、容重、含水率、w(TP)作用顯著，洗脫組0～5和5～10 cm底泥pH分別比對(duì)照組提高了3.6%±3.7%和4.9%±2.0%，w(TN)分別較對(duì)照組降低了66.4%±17.4%和83.6%±10.2%；洗脫組0～5 cm底泥Eh相比對(duì)照組提高了(56.0±27.7)mV，含水率較對(duì)照組降低了38.9%±22.3%；洗脫組在0～5 cm范圍內(nèi)底泥容重相比對(duì)照組提高了58.3±16.7%，底泥中w(TP)較對(duì)照組降低了40.8%±24.4%；洗脫組5～10 cm底泥中w(OM)相比對(duì)照組降低了67.4%±23.9%，但洗脫組和對(duì)照組0～5 cm底泥中w(OM)差異不顯著，這可能是由于現(xiàn)場洗脫工程實(shí)施過后存在部分未被抽離的泥水混合物，這部分含有機(jī)成分的物質(zhì)重新沉積在底泥表層，導(dǎo)致洗脫對(duì)表層0～5 cm底泥中OM的去除效果不明顯.

模擬試驗(yàn)分析結(jié)果(見表1)顯示，洗脫處理前后底泥中pH、Eh、含水率、w(OM)、w(TN)、w(TP)、w(AVS)差異明顯，洗脫組pH、Eh顯著高于對(duì)照組，其中平均pH較對(duì)照組提高了6.9%±2.7%，Eh較對(duì)照組升高了(183.5±37.1)mV；洗脫組底泥含水率和w(OM)、w(TN)、w(TP)、w(AVS)均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，模擬洗脫處理對(duì)OM、TN、TP、AVS的去除率分別為70.1%±4.8%、66.8%±2.0%、43.1%±3.1%、45.0%±2.6%，洗脫組含水率相比對(duì)照組降低了4.3%±1.2%.

不同模擬試驗(yàn)組底泥粒度大小按尤登-溫德華氏(Udden-Wentworth)φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[26]分為黏土(0～4 μm)、粉砂(4～63 μm)、砂(63～2 000 μm)3個(gè)粒級(jí)(見表2). 由表2可見，模擬洗脫處理造成底泥中砂占比顯著升高，黏土和粉砂占比顯著降低.

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場和模擬試驗(yàn)對(duì)處理范圍內(nèi)底泥pH、Eh、含水率的改變以及對(duì)營養(yǎng)鹽的去除效果均較顯著. 其中，模擬洗脫處理對(duì)底泥Eh的提高以及對(duì)OM、TN、TP的去除效果更為明顯，現(xiàn)場處理則對(duì)底泥容重、含水率的改變更加明顯. 究其原因：①由于模擬試驗(yàn)在封閉容器中進(jìn)行，在洗脫處理過程中對(duì)底泥的混合以及處理后分離去除更為完全，故洗脫效率比現(xiàn)場試驗(yàn)更高，因此對(duì)營養(yǎng)鹽的去除效果更好；②模擬試驗(yàn)所采用底泥是從現(xiàn)場帶回的表層混合泥樣，在采樣過程中底泥較為疏松的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，故與現(xiàn)場處理相比，模擬處理后底泥容重、含水率的改變更不明顯.

2.2 現(xiàn)場和模擬洗脫底泥氮形態(tài)分布特征

現(xiàn)場洗脫處理對(duì)0～5 cm范圍內(nèi)底泥中各形態(tài)氮的去除效果均較顯著(見圖3)：洗脫組底泥中w(PON)、w(NH4+-N)、w(NO3--N)、w(DON)均顯著低于對(duì)照組，分別較對(duì)照組降低了66.4%±17.4%、76.2%±3.8%、73.7%±9.9%、64.5%±8.3%；NH4+-N、NO3--N、DON、PON對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為PON(55.0%)>DON(23.5%)>NH4+-N(16.0%)>NO3--N(5.6%). 洗脫組5～10 cm底泥中w(NH4+-N)、w(DON) 和w(PON)均顯著低于對(duì)照組，分別較對(duì)照組降低了76.2%±4.4%、64.5%±8.3%和87.0%±8.6%，其中PON對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率為90.1%. 可見，現(xiàn)場洗脫過程中PON對(duì)底泥中TN去除具有主要貢獻(xiàn).

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)洗脫組與對(duì)照組底泥各理化指標(biāo)的垂直分布特征(n=8)Fig.2 Vertical distribution feature of physical & chemical indexes in sediment before and behind in-situ physical elution(n=8)

表1 模擬洗脫處理前后底泥理化指標(biāo)對(duì)比

Table 1 The physic-chemical indexes of sediment before and behind simulated physical elution treatments

組別pHEh∕mV容重∕(g∕cm3)含水率∕%w(OM)∕%w(TN)∕(mg∕kg)w(TP)∕(mg∕kg)w(AVS)∕(ng∕g)對(duì)照組7.27±0.02b-352.4±27.0b1.720±0.00127.36±0.01a3.28±0.39a1 119.39±42.08a2 584.67±11.27a301.47±10.77a洗脫組7.78±0.22a-168.8±11.9a1.733±0.00723.04±0.67b0.98±0.22b370.55±16.97b1 478.08±60.02b166.15±12.82b

注：不同字母代表了差異的顯著性，下同.n=3.

表2 模擬洗脫處理前后底泥粒度分級(jí)

圖3 原位洗脫前后底泥中各種氮形態(tài)垂直分布特征(n=4)Fig.3 Vertical distribution feature of nitrogen forms in sediment before and behind in-situ physical elution (n=4)

與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果一致，模擬洗脫處理對(duì)污染底泥中各形態(tài)氮的去除效果也比較明顯(見圖4)：洗脫處理對(duì)底泥中TN、NH4+-N、NO3--N、DON、PON的去除率分別為66.8%±2.0%、33.9%±3.3%、74.9%±6.6%、30.9%±16.8%、79.3%±3.3%；PON對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率也是最大，為73.6%. 同時(shí)從圖4亦可看出，對(duì)照組底泥中NH4+-N、DON、PON在TN中的占比分別為20.3%、6.0%、62.0%，而洗脫組底泥中三者的占比分別為40.3%、12.5%、38.5%，即模擬洗脫處理后底泥中PON占比顯著下降，而NH4+-N占比顯著上升，表明洗脫處理對(duì)NH4+-N的去除率最低.

通過分析現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)照組和洗脫組0～10 cm底泥中NH4+-N、NO3--N、DON、PON在TN中的占比分別為8.2%、2.2%、14.9%、74.7%和9.8%、3.7%、25.0%、61.6%，即洗脫造成0～10 cm底泥中PON占比的下降和DON占比的升高，這與模擬試驗(yàn)結(jié)果(PON占比下降和NH4+-N占比上升)存在差異，即現(xiàn)場試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)分別對(duì)DON和NH4+-N的去除效率最低.

運(yùn)用本單元主要閱讀策略“Scanning（尋讀）”，讓學(xué)生細(xì)讀Paragraph 3，找到并在教材上勾劃出關(guān)鍵信息，核查讀前環(huán)節(jié)的預(yù)測是否正確，引導(dǎo)他們逐步從表層理解過渡到深層理解，認(rèn)識(shí)到保護(hù)熊貓的緊迫性。同時(shí)，學(xué)習(xí)“動(dòng)物保護(hù)”話題的句型，如：Adult pandas spend more than 12 hours a day eating about 10 kilos of bamboo.There are fewer than 2000 pandas living in the remaining forests.等，為后續(xù)寫作積累素材。

2.3 現(xiàn)場和模擬洗脫底泥磷形態(tài)分布特征

現(xiàn)場洗脫處理對(duì)0～5 cm底泥中TP、Al-P、Ca-P和Res-P的去除作用均較顯著，對(duì)OP的去除率也較高，但對(duì)照組與洗脫組w(OP)差異不顯著(見圖5)，洗脫組0～5 cm底泥中w(TP)、w(Al-P)、w(Ca-P)和w(Res-P)比對(duì)照組分別下降了59.5%±14.7%、65.1%±36.3%、45.2%±10.7%和50.9%±4.4%；w(OP)比對(duì)照組下降了59.4%±21.3%，但對(duì)照組0～5 cm底泥中w(OP)變化范圍為614.85～2 840.21 mgkg，不同采樣點(diǎn)之間w(OP)差異較大，因此使得洗脫組和對(duì)照組在0～5 cm底泥w(OP)不顯著. 0～5 cm底泥中各形態(tài)磷對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為Al-P(37.0%)>OP(31.3%)>Ca-P(28.1%)>Res-P(3.3%)>NH4Cl-P(0.3%)>Fe-P(0.1%)，可見，現(xiàn)場原位洗脫對(duì)底泥中TP的去除主要通過去除Ca-P、Al-P和OP來實(shí)現(xiàn).

圖4 模擬洗脫處理前后底泥中 各種氮形態(tài)組成特征(n=3)Fig.4 Composition of nitrogen forms of sediments before and behind simulated physical elution treatments (n=3)

圖5 原位洗脫前后底泥中各種磷形態(tài)垂直分布特征(n=4)Fig.5 Vertical distribution feature of phosphorus forms in sediment before and behind in-situ physical elution (n=4)

圖6 模擬洗脫處理前后底泥中 各種磷形態(tài)組成特征(n=3)Fig.6 Composition of phosphorus forms of sediments before and behind simulated physical elution treatments (n=3)

模擬洗脫處理對(duì)底泥中磷去除效果比較明顯的是Al-P、OP、Res-P(見圖6)，對(duì)三者的去除率分別為77.2%±0.7%、83.6%±5.0%、23.2%±11.9%；對(duì)TP去除貢獻(xiàn)最大的磷形態(tài)為Al-P，去除貢獻(xiàn)率為66.2%，其次為OP(去除貢獻(xiàn)率為43.7%)；底泥中w(NH4Cl-P)、w(Fe-P)和w(Ca-P)在洗脫組和對(duì)照組之間的差異不顯著(P>0.05). 從圖6亦可看出，對(duì)照組底泥中NH4Cl-P、Fe-P、Al-P、OP、Ca-P、Res-P在TP中的占比分別為0.5%、1.2%、37.0%、22.5%、36.8%、2.0%，而洗脫組底泥中各形態(tài)磷的占比分別為0.7%、2.2%、14.8%、6.4%、73.1%、2.7%，即洗脫處理后底泥中Ca-P占TP的比例顯著提升，而Al-P、OP占比明顯下降，表明模擬洗脫處理對(duì)底泥中Ca-P去除效率較低.

通過對(duì)比現(xiàn)場和模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)0～5 cm底泥中Ca-P的去除效果顯著，而模擬洗脫處理后w(Ca-P)反而略有上升，這可能是由于現(xiàn)場洗脫設(shè)備的分離過程較為粗糙，在操作過程中抽去了部分密度較大的沉積物，因此對(duì)底泥中比重通常較大的Ca-P存在明顯的去除.

3 討論

現(xiàn)場試驗(yàn)0～5 cm范圍洗脫組底泥和模擬試驗(yàn)洗脫組底泥含水率均顯著低于相應(yīng)對(duì)照組，而pH、Eh均顯著高于對(duì)照組.

對(duì)于含水率：物理的機(jī)械攪拌作用使底泥中密度接近水的親水性有機(jī)物質(zhì)尤其是腐殖質(zhì)、植物碎屑進(jìn)入混合相并被分離去除，造成的直接結(jié)果是底泥含水率降低，即污染底泥變得更為緊實(shí)[27]，因此出現(xiàn)底泥中大顆粒物質(zhì)(砂)比例顯著上升而小顆粒物質(zhì)去除明顯的結(jié)果. 而細(xì)顆粒物質(zhì)通常與有機(jī)物結(jié)合更緊密，Prasad等[28]研究表明，具有較大比表面積的細(xì)顆粒沉積物(φ<64 μm)可結(jié)合約60%的有機(jī)碳. 通過模擬試驗(yàn)底泥各項(xiàng)理化指標(biāo)與不同氮磷形態(tài)之間的相關(guān)性分析(見表3)可知，含水率分別在0.01和0.05水平下與w(PON)、w(OP)呈顯著正相關(guān)，因此原位洗脫技術(shù)對(duì)底泥中PON、OP等有機(jī)物質(zhì)的去除有利于底泥含水率的降低.

對(duì)于pH：洗脫處理混合和分離過程可能將沉積物中腐殖酸和檸檬酸、草酸、酒石酸等低相對(duì)分子質(zhì)量有機(jī)酸[29]轉(zhuǎn)移至水相，從而使底泥pH略有升高. 相關(guān)性分析表明，pH與w(PON)在0.05水平下呈顯著負(fù)相關(guān)，同樣證明洗脫技術(shù)去除有機(jī)酸性物質(zhì)對(duì)底泥pH的作用.

表3 模擬試驗(yàn)底泥理化性質(zhì)和氮、磷形態(tài)之間的Spearman相關(guān)系數(shù)

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05); ** 表示極顯著相關(guān)(P<0.01).n=6.

對(duì)于Eh：現(xiàn)場和模擬洗脫均采用了曝氣沖洗方式來達(dá)到混合的目的，因此沉積物Eh在通氣和水力混合的過程中可能得到提升，厭氧環(huán)境也得到改善；并且洗脫工藝可能分離出底泥中部分Fe2+、硫化物等形成厭氧環(huán)境的關(guān)鍵物質(zhì)[30-33]，從而實(shí)現(xiàn)了Eh的明顯提升. 模擬試驗(yàn)對(duì)底泥中NH4+-N和AVS的去除率分別達(dá)33.9%±3.3%和44.96%±2.63%，同樣證明還原性物質(zhì)的移除對(duì)污染底泥Eh的提升發(fā)揮了一定作用.

現(xiàn)場試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)底泥中w(TN)、w(TP)均較對(duì)照組顯著降低，而且PON對(duì)TN以及OP、Al-P對(duì)TP的去除分別占據(jù)主要貢獻(xiàn). 其中，PON對(duì)TN貢獻(xiàn)最大的原因：①由于涼水河中PON在TN中的占比最大(現(xiàn)場和模擬試驗(yàn)對(duì)照組底泥中PON在TN中占比分別為67.6%和62.0%)，因此經(jīng)過分離過程后其對(duì)TN去除的貢獻(xiàn)率也最高；②底泥中的顆粒態(tài)氮主要來自生物體生命活動(dòng)所產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的沉積[34]，其密度與水相近，在與上覆水完全混合后可在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，因此容易被分離去除. OP和Al-P對(duì)TP的去除占據(jù)主要貢獻(xiàn)(貢獻(xiàn)率分別達(dá)43.7%、66.2%)需要從這兩種磷形態(tài)的特性來解釋：①洗脫對(duì)底泥中OP的去除作用與OP的組成及來源有很大關(guān)系，沉積物中有機(jī)磷主要包括磷酸單酯、磷酸二酯、焦磷酸鹽和聚磷酸鹽等有機(jī)磷化合物，且主要來源于外源的腐殖質(zhì)和內(nèi)源的生物體組織[35-37]，因此具有與PON類似的物理特征，容易被轉(zhuǎn)移至上覆水中并通過分離作用去除；②Al-P為鋁的氧化物或氫氧化物包被的磷，在底泥中形態(tài)較為穩(wěn)定，并且容易結(jié)合在粒徑較小(d<74 μm)的沉積物上[38-39]. 由表2亦可知，模擬洗脫處理顯著降低了d<50 μm部分顆粒在底泥中的占比，因此原位洗脫可能通過對(duì)底泥中小顆粒物質(zhì)的去除來達(dá)到對(duì)Al-P的顯著去除效果.

原位洗脫對(duì)pH、Eh的改變將可能對(duì)研究區(qū)域沉積物中溶解性氮、磷釋放的抑制發(fā)揮出一定的正效益：①對(duì)pH水平的提高. NH4+-N、NO3--N是沉積物中無機(jī)氮的主要組成部分，NH4+-N在有氧條件下通過微生物的硝化作用可轉(zhuǎn)化為NO3--N，且轉(zhuǎn)化過程受環(huán)境中pH的影響. 有研究認(rèn)為，一定氧水平下沉積物中硝化速率在pH為7.5時(shí)達(dá)到最大[40]，而該研究中現(xiàn)場和模擬洗脫處理均使底泥pH接近7.5，故原位洗脫對(duì)pH的改變將可能對(duì)NH4+-N的轉(zhuǎn)化具有一定促進(jìn)作用，從而降低NH4+-N向上覆水中的釋放. 沉積物中Ca-P、Al-P在遷移轉(zhuǎn)化過程中受pH的變化比較敏感，pH升高有利于Ca-P在沉積物中的穩(wěn)定，但是對(duì)Al-P的吸附作用不利[21,23]. 金相燦等[41]關(guān)于pH對(duì)太湖沉積物中磷遷移轉(zhuǎn)化的影響結(jié)果研究證明，在Al-P占比較高的沉積物環(huán)境中，pH的增加會(huì)導(dǎo)致磷釋放量的大幅增加，而Ca-P占比較高的沉積物中這種作用大幅降低. 該研究中現(xiàn)場以及模擬試驗(yàn)對(duì)照組底泥中均以Al-P占比為最高，而洗脫過后底泥中Ca-P占比升高并超過Al-P，因此在洗脫過程中pH升高對(duì)沉積物中磷釋放的作用被這兩種磷形態(tài)變化帶來的影響所削弱，從而在總體上對(duì)沉積物-水系統(tǒng)健康有利. ②對(duì)Eh水平的提高. 研究證明，沉積物的磷吸附容量隨Eh的增大而增加[42]，而Al-P主要通過吸附作用結(jié)合在底泥中，因此Eh提升有利于Al-P在沉積物中的穩(wěn)定. 底泥中Fe-P對(duì)氧化還原環(huán)境最為敏感，在厭氧條件下容易被大量釋放至上覆水中，通過對(duì)厭氧環(huán)境的改善，原位洗脫處理可減緩底泥中Fe-P的釋放.

此外，水生植物生長過程需要足夠氧氣，但底泥厭氧環(huán)境對(duì)沉水植物的生長具有不利影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成其大量死亡[43-44]. 因此原位洗脫對(duì)底泥厭氧環(huán)境的改善可能為沉水植物的恢復(fù)創(chuàng)造較為良好的條件. 因而在受損水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)工作中具有一定的發(fā)展?jié)摿? 然而，原位洗脫技術(shù)的物理擾動(dòng)作用將在短時(shí)間內(nèi)使沉積物中溶解性氮、磷大量釋放到水體中，導(dǎo)致沉積物再懸浮、水體透明度下降以及上覆水中營養(yǎng)鹽水平的迅速上升[45]，因此該技術(shù)在工程實(shí)施過程中尤其要做好嚴(yán)格的污染物防擴(kuò)散工作. 此外，由于洗脫處理針對(duì)內(nèi)源污染，需在外源污染得到控制的前提下才會(huì)發(fā)揮出效果，并且與疏浚技術(shù)不同，原位洗脫對(duì)底泥中耗氧有機(jī)物并未完全去除，對(duì)底泥厭氧環(huán)境的改善具有一定的時(shí)效性，需與沉水植物群落的恢復(fù)工作結(jié)合起來，從而使二者的作用均得到有效體現(xiàn).

4 結(jié)論

a) 現(xiàn)場洗脫處理對(duì)0～10 cm底泥中pH、w(TN)以及0～5 cm底泥中Eh、容重、w(TP)的作用顯著，其中，洗脫組0～5 cm底泥中w(TN)、w(TP)分別較對(duì)照組降低了66.4%±17.4%、40.8%±24.4%；模擬洗脫處理對(duì)底泥pH、Eh、含水率和營養(yǎng)鹽指標(biāo)的去除作用均較顯著，其中，對(duì)底泥中OM、TN和TP的去除率分別達(dá)70.1%±4.8%、66.8%±2.0%和43.1%±3.1%.

b) 原位洗脫對(duì)底泥中TN的去除主要通過對(duì)PON的去除來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)(0～5 cm范圍)和模擬試驗(yàn)洗脫組底泥中w(PON)分別較對(duì)照組降低了64.5%±8.3%和79.3%±3.3%，PON對(duì)TN的去除貢獻(xiàn)率分別為55.0%和73.6%.

c) 原位洗脫對(duì)底泥中TP的去除主要通過對(duì)Al-P、OP的去除來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(0～5 cm范圍)和模擬試驗(yàn)洗脫組底泥中w(Al-P)、w(OP)分別較對(duì)照組降低了65.1%±36.3%、59.4%±21.3%和77.2%±0.7%、83.6%±5.0%，Al-P、OP對(duì)TP的去除貢獻(xiàn)率分別為37.0%、31.3%和66.2%、43.7%.

d) 原位洗脫技術(shù)對(duì)表層底泥中pH和Eh的改變有助于抑制底泥中溶解性氮、磷物質(zhì)的釋放，并且可能對(duì)沉水植物恢復(fù)過程有利.