河道底泥營養(yǎng)物質生態(tài)風險及其吸附/解吸特征研究

王承剛，肖 瀟，紀智慧，劉向榮

（湖南新九方科技有限公司，湖南 株洲 412007）

城市黑臭河道治理是水環(huán)境保護的重要內容，河底淤積的底泥作為河道黑臭污染的主要內源，其中沉積著大量的有機質、氮、磷等污染物質，使河道水質不斷下降，因此，研究底泥的污染狀況、評價其生態(tài)風險對于水環(huán)境控制和治理來說尤為重要。白石港是湘江株洲段最大的支流，總長約為10.5 km。河道曲折，一直未進行清淤疏浚，河道內整體淤積比較嚴重，加之河道位于城區(qū)，城市的迅速發(fā)展加劇了河道的環(huán)境惡化。

1 試驗方法

1.1 樣品采集與處理

本研究在白石港每間隔200 m 布置一個點位，共布設53 個點位，全柱狀采樣的底面至正常層下20 ～50 cm，分層取樣，取樣深度為160 ～260 cm，共取樣210 個，樣品裝入聚乙烯密封袋后送實驗室自然風干處理，去除雜質，研缽研磨后過200 目篩并保存。

1.2 分析方法

依據《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術指南》，選取同一點位0.00 ～0.15 m、0.15 ～0.65 m 以及0.65 ～1.15 m 三個深度的樣品進行底泥氮磷吸附/解吸試驗，其計算公式為：

式中：為單位質量沉積物的氮磷吸附量，mg/kg；為原溶液中氮磷濃度，mg/L；C為試驗結束后溶液中氮磷濃度，mg/L；為加入樣品中的溶液體積，L；為沉積物干樣的質量，g。

利用回歸法，可計算出吸附/解吸平衡濃度。分析檢測全部采用國家標準推薦方法，有機質（OM）采用非分散紅外吸收法，氨氮（NH-N）采用納氏試劑分光光度法，總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法。

1.3 評價方法

底泥中污染物質解吸進入河道中會造成水體富營養(yǎng)化，具有潛在和持久的危害，其含量決定了對水生生物的危害程度和性質。采用單因子指數法，將評價指標的實測值與基準值進行比較，計算公式如下：

式中：P為指標的單因子指數；C為指標的實測值；K為指標的基準值。

經潛在生態(tài)風險評價，有機質、總氮、總磷的含量分別為1.724%、550 mg/kg、600 mg/kg。

2 結果與討論

2.1 生態(tài)風險分析

由表1、圖1 可知，白石港底泥污染程度的排序為：有機質＞總氮＞總磷。從垂直分布來看，三種營養(yǎng)鹽在160 ～260 cm 的底泥深度內均有分布，主要集中于1 m 以內，隨著深度加大，整體污染情況有所減弱。單因子評價結果顯示，白石港底泥營養(yǎng)鹽污染十分嚴重，各層超出基準值的現象十分突出，應該引起足夠的重視。

圖1 底泥單因子指數分析結果

表1 底泥的單因子指數

2.2 吸附/解吸試驗結果分析

白石港沉積物對磷及氨氮的等溫吸附曲線如圖2所示。

圖2 不同深度底泥對磷、氨氮的等溫吸附曲線

沉積物對磷、氨氮的吸附/解吸規(guī)律較為一致，在初始濃度較低的情況下，首先是磷、氨氮的解吸過程，且解吸量隨著溶液中營養(yǎng)鹽濃度的增加而減??；隨著營養(yǎng)鹽濃度的繼續(xù)增加，底泥逐漸進入吸附區(qū)，且吸附量隨營養(yǎng)鹽濃度的增大而增大。底泥對磷及氨氮的解吸量或吸附量基本與營養(yǎng)鹽的平衡濃度呈線性關系。

利用沉積物對磷、氨氮的吸附量與溶液初始濃度進行線性回歸，溶液初始濃度與試驗所得的吸附量可以用Henry 方程擬合。

式中：為磷、氨氮的平衡吸附量，mg/kg；為沉積物本體吸附態(tài)磷、氨氮，mg/kg；為斜率（L/kg），可用來衡量沉積物對磷、氨氮的吸附效率；為吸附平衡時溶液的磷、氨氮濃度（mg/L），即=0 mg/kg 時吸附/解吸平衡點濃度，=/。

由表2 可知，擬合結果具有較高的顯著水平（概率＜0.05），計算得到的磷吸附/解吸平衡濃度為0.103 ～0.229 mg/L，氨氮吸附/解吸平衡濃度為2.126 ～2.576 mg/L。研究發(fā)現，沉積物可與上覆水交換氮磷，這種源匯的角色可通過氮磷的來判別。當河水中氮磷濃度低于沉積物中氮磷濃度時，沉積物就會起到“源”的作用，反之就會起到“匯”的作用。對比及《地表水環(huán)境質量標準》 （GB 3838—2002）V 類水質的磷（0.4 mg/L）、氨氮（2 mg/L）標準可知，現狀條件下，白石港的底泥會吸附溶解性磷，降低水體營養(yǎng)成分，同時會提高自身的平衡吸附量，本底值增加，此時底泥充當“匯”的角色；但是對于氨氮，底泥將逐漸釋放其吸附態(tài)氮，本低值降低，它充當“源”的角色，造成水質惡化。

表2 底泥吸附/解吸試驗結果

3 結論

白石港底泥中有機質污染最為嚴重，總氮、總磷次之，污染物的垂直分布主要集中在1 m 以內。白石港底泥中高含量的有機質使得底泥易吸附營養(yǎng)物質，會加快底泥的黑臭，環(huán)保疏?？梢越档推渖鷳B(tài)風險。底泥對磷、氨氮的等溫吸附符合Henry 吸附模型，其與上覆水交換氮、磷營養(yǎng)鹽的過程中會有營養(yǎng)鹽釋放的潛在危害。