黑臭水體治理過程中富里酸對(duì)沉積物釋磷影響與控制

張友新

（重慶同豐工程管理咨詢有限公司，重慶 401122）

0 引言

在城鎮(zhèn)化的進(jìn)程中，大量的人口向區(qū)域中心集聚，居民生活生產(chǎn)導(dǎo)致大量的污水廢水排放。如果這些污水和廢水不進(jìn)行處理直接排入地表水體，就會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，影響有限的淡水資源[1]。其中，生活生產(chǎn)中產(chǎn)生的污水和廢水含有大量的各形態(tài)磷，這些磷元素作為水體富營(yíng)養(yǎng)化主要誘發(fā)因子，使自然水體中的藻類大量發(fā)育，水藻釋放的有毒物質(zhì)直接破壞了水生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)。另外，水體中的沉積物由于含有大量腐殖質(zhì)，這些腐殖質(zhì)中含有大量的腐殖酸、富里酸和胡敏素，酸類介質(zhì)能夠通過吸附、螯合等作用機(jī)理對(duì)磷元素進(jìn)行膠結(jié)，形成有機(jī)膠體，但這種過程受到許多因素的影響，例如環(huán)境溫度、沉積物受擾動(dòng)情況以及pH 值等，水體中的沉積物磷元素釋放和吸附過程失衡，甚至產(chǎn)生內(nèi)源性磷釋放供體，成為污染因子之一[2]。在黑臭水體和其沉積物中加入外源性的富里酸是降低水體磷元素的有效途徑之一，因此需要研究外源性富里酸對(duì)沉積物中各形態(tài)磷的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律[3]。

1 工程概況

重慶市渝北區(qū)某水系中，由于生活污水排放，水體出現(xiàn)不同程度的黑臭和富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，另外底泥有機(jī)質(zhì)含量高，取出的淤泥具有明顯的臭雞蛋味，顏色呈深黑色，腐殖質(zhì)含量高。水系長(zhǎng)度約5 km，由很多的天然排澇區(qū)、人工灌溉干渠以及人工養(yǎng)殖河塘組成。為了研究水體及沉積物中磷酸鹽的空間分布特征以及遷移吸附的演化過程，以便于對(duì)水環(huán)境治理決策提供有益的參考。該研究選取水系中污染貢獻(xiàn)比較高的1 條排澇區(qū)、1 條灌溉用灌區(qū)以及1個(gè)養(yǎng)殖河塘進(jìn)行研究，2022 年3－6 月選取12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)水體中采集水樣和沉積物以分析各形態(tài)磷的空間分布特征，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均取3 件試樣作為一組，3 件試樣的測(cè)試平均值作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)試值。水樣的試樣采集方法是在水面下20 cm 取300 mL，在水面下40 cm 取300 mL，在水面下150 mm（如果水體深度大于2m）取300 mL 進(jìn)行混合作為一個(gè)試樣，水樣采用干凈的玻璃瓶裝儲(chǔ)，并避光密封保存。沉積物的采集方法是在與水樣采集位置一致的地方，通過鐵勺對(duì)水底表層淤泥進(jìn)行抓取，避免淤泥的擾動(dòng)，同時(shí)去除泥中大顆粒砂粒、雜物等，用同樣用玻璃瓶裝儲(chǔ)，轉(zhuǎn)移至室內(nèi)試驗(yàn)中進(jìn)行各形態(tài)磷指標(biāo)測(cè)試。

2 黑臭水體磷及沉積物中各形態(tài)磷分布特征

在黑臭水體治理過程中，需要對(duì)水體中的各形態(tài)磷及沉積物中的各形態(tài)磷進(jìn)行采樣分析，研究其分布特征，有針對(duì)性地采取治理方案[4]。為研究水體中的磷形態(tài)空間分布特征，對(duì)12 個(gè)監(jiān)測(cè)的黑臭水體取樣測(cè)試結(jié)果見表1。從表1 中可以看出，各形態(tài)磷在空間分布上表現(xiàn)為明顯的各異性。在各形態(tài)磷中，總磷TP 的質(zhì)量濃度最大，變化范圍1.05 mg/L～2.53 mg/L，最大值出現(xiàn)在S6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DL干渠），最小值出現(xiàn)在S2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（JK 排洪渠），其中DL干渠中的總磷TP 的質(zhì)量濃度明顯比JK 排澇渠和KLD 河塘的總磷TP 質(zhì)量濃度高；溶解態(tài)總磷TDP 質(zhì)量濃度變化范圍為0.17 mg/L～1.15 mg/L，而KLD 河塘的溶解態(tài)總磷TDP 質(zhì)量濃度相對(duì)較高；總顆粒態(tài)磷TPP 質(zhì)量濃度變化范圍為0.77mg/L～1.54mg/L，其中DL 干渠中的總顆粒態(tài)磷TPP 質(zhì)量濃度明顯高于JK 排澇渠和KLD 河塘的總顆粒態(tài)磷TPP 質(zhì)量濃度；可溶性活性磷SRP 質(zhì)量濃度范圍為0.11mg/L～1.33mg/L，其中DL 干渠中的可溶性活性磷SRP 質(zhì)量濃度明顯高于JK 排澇渠和KLD 河塘的可溶性活性磷SRP 質(zhì)量濃度；溶解有機(jī)磷DOP 質(zhì)量濃度范圍為0.03mg/L～0.64mg/L，其中KLD 河塘中的溶解有機(jī)磷DOP質(zhì)量濃度明顯高于JK 排澇渠和DL 干渠中的溶解有機(jī)磷DOP 質(zhì)量濃度。以上分析表明，KLD 河塘、JK 排澇渠和DL 干渠中的水體均為劣V 類水質(zhì)，為研究其內(nèi)源性磷污染的可能性，需要進(jìn)一步對(duì)水底沉積物進(jìn)行磷形態(tài)指標(biāo)分析。

表1 黑臭水體中各形態(tài)磷的分布特征

水體沉積物中的各形態(tài)磷含量反映了水體富營(yíng)養(yǎng)化的內(nèi)在機(jī)理，同時(shí)也在一定程度上反映了人類活動(dòng)對(duì)水體污染過程的影響[5]。對(duì)水系中12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1～S15 的沉積物試樣進(jìn)行各形態(tài)磷進(jìn)行質(zhì)量濃度測(cè)試，結(jié)果如圖1 和表2 所示。從圖1 中可以看出，沉積物中的總磷含量以及7 種形體磷在不同區(qū)域取樣測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大，表現(xiàn)為顯著的空間變異性。其中沉積物中總磷TP 質(zhì)量濃度最大，其變化范圍為680 mg/L～2481 mg/L，最大值出現(xiàn)在S10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DL干渠），最小值出現(xiàn)在S13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)（KLD 河塘）；其次為鐵磷（Fe-P），其質(zhì)量濃度變化范圍為262 mg/L～1628 mg/L；沉積物中有機(jī)磷（OP）的質(zhì)量濃度最小，變化范圍為3.2 mg/L～19.7 mg/L；其余個(gè)形態(tài)磷的質(zhì)量濃度較小，但變異系數(shù)均大于35%。

表2 不同取水點(diǎn)的各形態(tài)磷質(zhì)量濃度分布

圖1 沉積物中各形態(tài)磷的分布特征

3 富里酸對(duì)沉積物磷釋放規(guī)律影響

為了研究外源性富里酸對(duì)沉積物釋磷規(guī)律的影響，對(duì)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采取的沉積物試樣在室內(nèi)試驗(yàn)中通過投入富里酸的方法，觀測(cè)沉積物中的磷形態(tài)的吸附和釋放演變過程，以模擬實(shí)際黑臭水體治理中富里酸作用機(jī)理。具體的操作方法是對(duì)12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉積物進(jìn)行風(fēng)干研磨，去除動(dòng)植物殘骸，每個(gè)試樣取10g，放入燒杯中，并加入經(jīng)過過濾的水樣（水樣與沉積物的位置一致），定容至200mL，為更好地對(duì)比富里酸濃度對(duì)釋磷的影響，采用控制變量法，每組試驗(yàn)設(shè)置4 種不同的工況對(duì)照，分別加入0.5mg/L 富里酸溶液0mL、15mL、35mL 和85mL，在室內(nèi)弱光條件下培養(yǎng)20d 進(jìn)行離心機(jī)處理和各形態(tài)磷質(zhì)量濃度測(cè)試。

表3 和圖2 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)S13 中加入不同體積富里酸溶液后的各個(gè)形態(tài)磷測(cè)試結(jié)果。從圖2 中可以看出，加入富里酸后，各形態(tài)的磷呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，隨著富里酸溶液體積的增加，總磷TP 質(zhì)量濃度、鐵磷（Fe-P）質(zhì)量濃度變化最大，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，總磷TP 質(zhì)量濃度從679.90 mg/L增至1873.55 mg/L，增幅為175%，而鐵磷（Fe-P）質(zhì)量濃度從484.39mg/L 增至1179.20mg/L，增幅為143%。隨著富里酸溶液體積的增加，閉蓄態(tài)磷（Oc-P）、鋁磷（Al-P）、碎屑磷（De-P）和有機(jī)物磷（OP）呈現(xiàn)不同程度的增加，增加幅度順序依次為有機(jī)物磷（OP）＞鋁磷（Al-P）＞閉蓄態(tài)磷（Oc-P）＞碎屑磷（De-P）。隨著富里酸溶液體積的增加，交換態(tài)磷（Ex-P）和鈣磷（Ca-P）相同幅度地減少，交換態(tài)磷（Ex-P）質(zhì)量濃度從98.16 mg/L 增至68.0 mg/L，降低幅度為30.7%，鈣磷（Ca-P）質(zhì)量濃度從91.60 mg/L 增至62.52 mg/L，降低幅度為31.7%。

圖2 加入不同體積富里酸溶液后各形態(tài)磷的釋放過程

表3 加入不同體積富里酸溶液后各形態(tài)磷的測(cè)試結(jié)果

圖3 為加入不同體積富里酸溶液后，沉積物總磷TP 質(zhì)量濃度比例以及鐵磷Fe-P 質(zhì)量濃度比例的變化。從圖中可以看出，隨著富里酸溶液體積的增加，總磷TP 和鐵磷Fe-P的比例均呈現(xiàn)明顯增加，兩者具有較好的相關(guān)性。加入富里酸對(duì)沉積物吸附鐵磷Fe-P 有明顯的增強(qiáng)效果，使二價(jià)Fe 被氧化呈三價(jià)Fe，鐵磷Fe-P 比例增加，氧化反應(yīng)過程如公式（1）所示。

圖3 加入不同體積富里酸溶液后對(duì)總磷和鐵磷的影響

4 結(jié)論

該文以重慶市渝北區(qū)某水系為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及室內(nèi)試驗(yàn)的方法對(duì)黑臭水體和沉積物進(jìn)行取樣測(cè)試，分析兩者的各形態(tài)磷的分布特征，并在室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究外源富里酸對(duì)各形態(tài)磷的吸附速率，得到以下2 個(gè)結(jié)論：1）從12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水樣和沉積物試樣測(cè)試表明，研究水系中的各形態(tài)磷質(zhì)量濃度存在顯著的空間變異性，在各形態(tài)磷中，黑臭水體和沉積物中總磷TP 質(zhì)量濃度均為最大。2）加入富里酸后，各形態(tài)的磷呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，隨著富里酸溶液體積的增加，總磷TP 質(zhì)量濃度、鐵磷（Fe-P）質(zhì)量濃度變化最大，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，總磷TP 和鐵磷Fe-P 的比例均呈現(xiàn)明顯增加，兩者具有較好的相關(guān)性。