江陰城區(qū)河道沉積物氮磷吸附（解吸）特征分析

朱銳　李林澤　劉飛

摘要：以江陰城區(qū)河道沉積物為研究對象，選取6條河道，設(shè)置6個檢測點，通過84組吸附（解吸）試驗研究了沉積物的氮、磷吸附（解吸）等溫線特征。結(jié)果表明：在試驗濃度范圍內(nèi)，沉積物的氮、磷吸附（解吸）等溫線，呈顯著相關(guān);沉積物對氨氮的吸附（解吸）平衡濃度為1.58～3.33mg/L，對磷的吸附（解吸）平衡濃度為0.02～0.58mg/L;沉積物對氨氮的本底吸附量為48.784～75.684mg/kg，對磷的本底吸附量為1.0706～37.270mg/kg;沉積物對氨氮的吸附效率為17.627～40.599L/kg，對磷的吸附效率為54.048～95.559Lkgo各河道沉積物對氮、磷的吸附能力均差別不大。

關(guān)鍵詞：河道沉積物;吸附;解吸;氮;磷;江陰城區(qū)

中圖法分類號：X52 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.011

水體富營養(yǎng)化是我國湖泊、河流、水庫面臨的重大環(huán)境問題，水體富營養(yǎng)化對水質(zhì)產(chǎn)生影響，造成魚類大量死亡，加速湖泊沼澤化發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，我國因氮、磷污染而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的湖泊占56%[1]。因此，水體的富營養(yǎng)化治理十分必要。氮、磷是引起水體富營養(yǎng)化的重要因素，研究沉積物對氮、磷的吸附（解吸）特性對富營養(yǎng)化水體的治理有著不可忽視的作用。沉積物中的有機質(zhì)在微生物作用下產(chǎn)生礦化作用，生成大量氨氮，聚集在間隙水中，并向上覆水體擴散;同時，沉積物中的顆粒會吸附一部分氨氮，抑制其向上覆水體的擴散，并影響氮在沉積物中的硝化和反硝化過程[2]。沉積物作為磷元素累積和再生的重要場所，在環(huán)境條件改變的情況下，可通過各種復(fù)雜的過程釋放到上覆水中[3]。

隨著城市化進程的加快，城市水環(huán)境問題越來越嚴重，水環(huán)境污染早已超過城市水體的環(huán)境容量及自凈能力，導(dǎo)致水質(zhì)惡化、水生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多亟待解決的問題，部分河湖存在水體黑臭、水系不暢等問題，對城區(qū)居民的生活環(huán)境造成了很大影響，城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感官體驗，也是直接影響群眾生產(chǎn)生活的突出水環(huán)境問題。為了改善江陰市城區(qū)人居環(huán)境，江陰市政府決定實施江陰市水環(huán)境綜合治理工程，擬采用底泥清淤等工程措施對江陰城區(qū)河湖水質(zhì)及底泥進行處理。

本文研究了江陰城區(qū)河道底泥沉積物對氮、磷的吸附（解吸）特性，探討各河道沉積物的“匯”“源”狀況，可為江陰市城區(qū)水環(huán)境綜合治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

在江陰城區(qū)選擇6條河道，設(shè)置6個底泥污染物檢測點，具體點位信息見表1。

1.2樣品采集與處理

2019年7月用柱狀采樣器采集表層樣A和柱狀樣B，取樣深度見表2。采樣點點位用GPS進行定位。采集后的樣品用冷凍保溫裝置保存，運回實驗室，室溫下置于通風千燥處風干備用。

13測定方法

1.3.1氨氮吸附（解吸）試驗

分別稱取各點污染層和過渡層風千土樣7份，每份0.6go按水土比100：1向各土樣中加入60mL濃度分別為0.0，0.2，1.0，1.5，2.0，4.0mg/L和8.0mg/L的氨氮系列溶液，于25C震蕩2h后經(jīng)0.45um混合纖維濾膜過濾，采用納氏試劑分光光度法測定氨氮濃度。在相同條件下做3個平行對照組試驗，相對誤差<5%。

1.3.2溶解性磷酸鹽吸附（解吸）試驗

分別稱取各點污染層和過渡層風千土樣7份，每份0.6g。按水土比100：1向各土樣中分別加入60mL濃度為0.00，0.02，0.05，0.10，0.20，0.40mg/L和0.80mg/L的系列磷溶液，于25C震蕩48h后經(jīng)0.45um混合纖維濾膜過濾，采用磷鉬藍比色法測定溶解性磷酸鹽濃度。在相同條件下做3個平行對照組試驗，相對誤差<5%。

分析方法

1.4沉積物中氮磷吸附量計算公式為

式中，Q為吸附量，mg/kg;co為氮磷原液濃度，，mg/L;Ce為樣品濃度，mg/L;V為加人樣品中的溶液體積，mL;m為土樣質(zhì)量，g。

用Henrry方程4擬合不同濃度下沉積物對氮、磷的吸附量。

2結(jié)果與分析

2.1沉積物中氨氮的吸附（解吸）

在試驗設(shè)定的濃度范圍（0～8.0mg/L）內(nèi)，各個檢測點的表層和過渡層沉積物對氨氮的吸附量與初始溶液濃度的等溫吸附曲線結(jié)果見圖1。

從圖1可看出，氨氮原始溶液濃度與試驗所得的吸附量呈很好的線性關(guān)系。在水體氨氮初始濃度較低的情況下，各點沉積物都表現(xiàn)出對氨氮不同程度的解吸現(xiàn)象;隨著氨氮初始溶液濃度的增大，沉積物逐漸吸附上覆水體中的氨氮，且吸附量隨水體氨氮濃度的增大而增大。

對沉積物吸附氨氮的量與初始溶液濃度進行線性擬合，得到吸附等溫線方程，擬合結(jié)果見表3。當吸附量為0時，曲線與x軸的交點如o表示沉積物與水體達到吸附（解吸）平衡時溶液中氨氮的濃度（ECo），斜率h表示沉積物吸附氨氮的效率。由擬合結(jié)果可知，沉積物氨氮的等溫吸附擬合均達顯著水平，沉積物對氨氮的吸附（解吸）平衡濃度最小為1.58mg/L，最大為3.33mg/L。沉積物對氨氮的吸附效率最小為17.627L/kg，最大為40.599L/kg，平均吸附效率為28.577Lkg，可看出各河道沉積物對氨氮的吸附能力差別不大。

當上覆水體中氨氮濃度小于沉積物中氨氮濃度時，水體中的微生物對沉積物中的有機氮產(chǎn)生礦化作用，分解為氨氮，并通過交換作用進入水體，此時沉積物起到“源”的作用;反之，當上覆水體中氨氮濃度大于沉積物中氨氮濃度時，上覆水體中的氨氮反向進人沉積物，在沉積物中積累，此時沉積物起到“匯”的作用5。由表3可知，東橫河表層、東橫河過渡層北潮河表層、葫橋中心河表層、葫橋中心河過渡層的氨氮ECo大于上覆水體氨氮濃度，處于“源”的角色，存在釋放風險;其余監(jiān)測點的氨氮EC0均小于上覆水體氨氮濃度，發(fā)揮“匯”的作用。當湖泊上覆水濃度大于0.20mg/L時，被視為富營養(yǎng)化水體。龍涇河、南新河、澄塞河北潮河上覆水體氨氮濃度遠大于0.2mg/L，因此當上覆水體達到富營養(yǎng)化時，沉積物將起到“匯”的作用，這與王娟等[5研究的結(jié)果一致。

吸附（解吸）試驗中得到的氨氮吸附量實際上僅是表觀吸附量，沉積物對氨氮的吸附應(yīng)是本來結(jié)合在沉積物中可被解吸的氨氮（本底吸附量）與在吸附實驗中被吸附的氨氮的總和l。由表3線性擬合結(jié)果可以得到沉積物對氨氮的本底吸附量Qa，結(jié)果見表4。其中，澄塞河表層的本底吸附量最小，為48.784mg/kg;澄塞河過渡層的本底吸附量最大，為75.684mg/kg。

2.2沉積物中可溶性磷酸鹽（DP）的吸附（解吸）

在試驗設(shè)定的濃度范圍（0～0.80mg/L）內(nèi)，各個檢測點的表層和過渡層沉積物對磷的吸附量與初始溶液濃度的等溫吸附曲線結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，與氨氮相似，磷原始溶液濃度與試驗所得的吸附量呈很好的線性關(guān)系。當水體的磷初始溶液濃度較低時，沉積物無一例外地表現(xiàn)出對磷的解吸;隨著磷初始溶液濃度的增大，沉積物逐漸由解吸轉(zhuǎn)變?yōu)槲竭^程，且吸附量隨水體磷濃度的增大而增大。

對沉積物吸附磷的量與初始溶液濃度進行線性擬合，得到吸附等溫線方程，擬合結(jié)果見表5。當吸附量為0時，曲線與x軸的交點xo表示沉積物與水體達到吸附（解吸）平衡時溶液中磷的濃度（EPC.），斜率h表示沉積物吸附磷的效率。由擬合結(jié)果可知，沉積物磷的等溫吸附擬合均達顯著水平，且沉積物對磷的吸附（解吸）平衡濃度變化較大，最小為0.02mg/L，最大為0.58mg/L;沉積物對磷的吸附效率最小為54.048L/kg，最大為95.559L/kg，平均吸附效率為73.465L/kg，可以看出各河流道沉積物對磷的吸附能力差別不大。

由表5可知，龍涇河表層、龍涇河過渡層、南新河過渡層、葫橋中心河過渡層的EPCo小于上覆水體DIP，沉積物起到“匯”的作用，無釋放風險;其余監(jiān)測點的EPCo均大于，上覆水體DIP，是上覆水體中磷的“源”，存在釋放風險。

底泥沉積物吸附磷的等溫線方程及吸附（解吸）平衡濃度與氨氮相似，沉積物對磷的吸附應(yīng)是本來結(jié)合在沉積物中可被解吸的磷（本底吸附量）與在吸附試驗中被吸附的磷的總和。由表5線性擬合結(jié)果可以得到沉積物對磷的本底吸附量O，結(jié)果見表6。其中，龍涇河過渡層的本底吸附量最小，為1.0706mg/kg;北潮河表層的本底吸附量最大，為37.270mg/kg。結(jié)合表5、表6可以看出，沉積物對磷的本底吸附量變化與沉積物對磷的吸附（解吸）平衡點濃度變化基本一致。

3結(jié)論

本文研究了江陰市城區(qū)6條河道表層、過渡層沉積物對氨氮、可溶性磷酸鹽的吸附熱力學特征，得出如下結(jié)論：

（1）用Henry方程擬合不同濃度下沉積物對氮、磷的吸附，效果均較好，由擬合結(jié)果可得到沉積物對氮磷的吸附（解吸）平衡濃度、本底吸附量和吸附效率。

（2）沉積物對氨氮的吸附（解吸）平衡濃度ECo為1.58～3.33mg/L，對可溶性磷酸鹽的吸附（解吸）平衡濃度EPCo為0.02～0.58mg/L。

沉積物對氨氮的本底吸附量Qau為48.784～75.684mg/kg，對磷的本底吸附量Qz為1.0706～37.270mg/kg。

沉積物對氨氮的吸附效率為17.627～40.599L/kg，對磷的吸附效率為54.048～95.559L/kg，且各河道沉積物對氮、磷的吸附能力均差別不大。

將沉積物對氮磷的吸附（解吸）平衡濃度與上覆水體氮磷濃度比對可知，東橫河表層、東橫河過渡層北潮河表層、葫橋中心河表層、葫橋中心河過渡層存在氮釋放風險;南新河表層、東橫河表層、東橫河過渡層、澄塞河表層、澄塞河過渡層北潮河表層、北潮河過渡層、葫橋中心河表層存在磷釋放風險。參考文獻：

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（編輯：李慧）