城市河流底泥污染負(fù)荷研究

劉方照，陳 捷，李君菲

（廣州市璞境生態(tài)保護(hù)技術(shù)有限公司，廣州 510535）

內(nèi)源污染是城市河流的重要污染源之一。城市河流的內(nèi)源污染主要包括河道底泥釋放的污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染以及水生動(dòng)植物釋放的污染[1-3]。其中，河道底泥的污染影響較大。水體中的有機(jī)物、重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽在河底沉積，匯集到底泥中。河流底泥是污染物的匯集場(chǎng)所，污染物沉積在河流底泥中，隨著水環(huán)境條件的變化，它又持續(xù)釋放至水體中，造成水體污染，危害河流生態(tài)系統(tǒng)[4-5]。在水環(huán)境整治工作中，為達(dá)到預(yù)期治理效果，除了外源污染控制，還要重視內(nèi)源污染治理。本文選擇受生活污染源影響的城市河流，研究其底泥污染負(fù)荷，為城市河流污染源貢獻(xiàn)分析和整治工作提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考。

1 研究方法

本研究選取的城市河流位于廣東省某城市。河流全長(zhǎng)為13.95 km，流域面積為48.25 km2，平均河寬為10 m，多年平均水深約為1 m，多年平均流量為0.83 m3/s。河流水主要來(lái)自上游水庫(kù)。水庫(kù)的主要功能為防洪、供水和灌溉。但是，由于水庫(kù)供水緊張，不能保證長(zhǎng)時(shí)間水體下泄，因此河流流量較小，流速緩慢。河流周邊的用地類(lèi)型主要為居住用地及商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地。2019年，沿河兩岸已敷設(shè)截污管網(wǎng)，但存在管網(wǎng)破損、污水直排入河的情況。沿河無(wú)工業(yè)企業(yè)排水，外源污染以生活污染源為主。因河流流速緩慢，外源污染持續(xù)輸入，河流溶解氧含量降低，形成缺氧環(huán)境，厭氧微生物產(chǎn)生的甲烷、硫化氫等氣體在上升過(guò)程中將表層輕質(zhì)底泥攜帶到水體中，底泥中的污染物釋放，導(dǎo)致河流水質(zhì)變差。2019年，該河流氨氮、總磷、溶解氧等指標(biāo)存在不達(dá)標(biāo)情況。

2020年3月，在中下游河段選取2 個(gè)采樣點(diǎn)，使用抓泥斗和亞克力管采集河底0～20 cm 深的表層底泥。同時(shí)，采集采樣點(diǎn)處的河水，作為試驗(yàn)上覆水。采集的底泥呈黑灰色軟泥狀，有明顯臭味，含水量大。采集后的樣品運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室4 ℃低溫避光保存。河流底泥與上覆水體形成直接的污染物交換通道。水深較小或者上覆水體流動(dòng)速度較大時(shí)，水流會(huì)影響泥-水界面結(jié)構(gòu)，引起底泥中污染物的再懸浮釋放[6-8]。在上覆水體靜止和流動(dòng)情況下，本試驗(yàn)通過(guò)分析不同時(shí)間段上覆水體的各指標(biāo)變化規(guī)律，研究底泥內(nèi)部污染物的釋放情況。將采集的底泥分為2 組，加入上覆水后，1 組靜置，1 組攪拌，連續(xù)采集7 d 上覆水樣，分析污染物含量，并以此計(jì)算內(nèi)源污染負(fù)荷。

1.1 樣品分裝

將采集的底泥分為2 組，每組試驗(yàn)稱(chēng)取等量的4 份供試底泥樣品，將底泥均勻鋪在燒杯底部。燒杯容積為1 000 mL，內(nèi)徑為105 mm，往其中緩慢加入上覆水，上覆水水深與底泥厚度基本模擬原場(chǎng)地特征，泥水體積比設(shè)置為1∶4。本試驗(yàn)使用的上覆水為采自底泥樣品采樣點(diǎn)位的河水。

1.2 模擬擾動(dòng)

裝填好底泥并加入上覆水樣后，將燒杯置于六聯(lián)攪拌器中，將攪拌槳深入上覆水體中，并保持?jǐn)嚢桀^與底泥有一定的距離，避免攪拌頭直接作用于底泥而對(duì)其造成直接擾動(dòng)。攪拌槳轉(zhuǎn)速設(shè)為250 r/min。

1.3 水質(zhì)分析

靜置及擾動(dòng)模擬共持續(xù)7 d，每天相同時(shí)間采集各試驗(yàn)組的足量上覆水體樣品，分別測(cè)定水樣的氨氮、總磷含量。氨氮檢測(cè)采用納氏試劑分光光度法，總磷檢測(cè)采用鉬酸銨分光光度法。

2 內(nèi)源污染負(fù)荷分析

試驗(yàn)期間，兩個(gè)采樣點(diǎn)的上覆水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。與靜置相比，攪拌條件下水體中污染物含量明顯升高，說(shuō)明水體的擾動(dòng)將導(dǎo)致底泥污染物釋放量增加。

表1 點(diǎn)位1 上覆水中氨氮與總磷濃度

表2 點(diǎn)位2 上覆水中氨氮與總磷濃度

2.1 點(diǎn)位1 上覆水水質(zhì)

由圖1 可知，靜置條件下，點(diǎn)位1 上覆水中氨氮濃度逐日升高，第4 天濃度達(dá)到最高（20.64 mg/L），隨后濃度逐漸下降，7 d 平均濃度為19.18 mg/L；攪拌條件下，上覆水中氨氮濃度第2 天達(dá)到最高（24.63 mg/L），7 d 平均濃度為20.54 mg/L。由圖2 可知，靜置條件下，點(diǎn)位1 上覆水中總磷濃度逐日升高，第7 天濃度達(dá)到最高（0.41 mg/L），7 d 平均濃度為0.33 mg/L；攪拌條件下，總磷濃度第2 天達(dá)到最高（1.88 mg/L），7 d 平均濃度為0.84 mg/L。

圖1 點(diǎn)位1 上覆水中氨氮濃度變化

圖2 點(diǎn)位1 上覆水中總磷濃度變化

2.2 點(diǎn)位2 上覆水水質(zhì)

由圖3 可知，靜置條件下，點(diǎn)位2 上覆水中氨氮濃度第6 天達(dá)到最高（26.68 mg/L），7 d 平均濃度為24.46 mg/L；攪拌條件下，氨氮濃度第2 天達(dá)到最高（40.93 mg/L），7 d 平均濃度為32.59 mg/L。由圖4 可知，靜置條件下，總磷濃度第3 天達(dá)到最高（0.84 mg/L），7 d 平均濃度為0.7 mg/L；攪拌條件下，總磷濃度第3 天達(dá)到最高（6.09 mg/L），7 d 平均濃度為2.87 mg/L。

圖3 點(diǎn)位2 上覆水中氨氮濃度變化

圖4 點(diǎn)位2 上覆水中總磷濃度變化

2.3 污染物釋放速率

根據(jù)上覆水水質(zhì)變化情況，試驗(yàn)期間利用式（1）計(jì)算底泥中污染物釋放速率[9-10]，并取7 d 平均值。各點(diǎn)位底泥樣品的7 d 平均污染負(fù)荷數(shù)據(jù)如表3、表4 和表5所示。數(shù)據(jù)顯示，靜置條件下，點(diǎn)位1 底泥樣品氨氮平均污染負(fù)荷為9.99 mg/（kg·d），點(diǎn)位2氨氮平均污染負(fù)荷為11.06 mg/（kg·d）；擾動(dòng)條件下，點(diǎn)位1 氨氮平均污染負(fù)荷為13.20 mg/（kg·d），點(diǎn)位2 氨氮平均污染負(fù)荷為21.29 mg/（kg·d）。

表3 點(diǎn)位1 底泥污染負(fù)荷

表4 點(diǎn)位2 底泥污染負(fù)荷

表5 點(diǎn)位1 和點(diǎn)位2 的底泥污染負(fù)荷平均值

式中：R為底泥污染物氨氮、總磷釋放速率，單位為mg/（kg·d）、mg/（m2·d）或mg/（m3·d）；V為試驗(yàn)柱中上覆水體積，L；cn為上覆水第n次采樣中污染物濃度，mg/L；c0為上覆水中污染物初始濃度，mg/L；cj-1為上覆水第j-1 次采樣中污染物濃度，mg/L；Vj-1為第j-1 次采樣體積，L；m為底泥樣品質(zhì)量（kg），可替換為接觸面積A（m2）或底泥體積Vs（m3）；t為時(shí)間，d。

靜置條件下，以底泥質(zhì)量、接觸面積和底泥體積計(jì)，氨氮7 d 平均污染負(fù)荷為10.52 mg/（kg·d）、304.08 mg/（m2·d）、13 227.34 mg/（m3·d），總磷7 d 平均污染負(fù)荷為0.05 mg/（kg·d）、1.42 mg/（m2·d）、61.57 mg/（m3·d）；擾動(dòng)條件下，以底泥質(zhì)量、接觸面積和底泥體積計(jì)，氨氮7 d 平均污染負(fù)荷為17.25 mg/（kg·d）、504.41 mg/（m2·d）、21 941.78 mg/（m3·d），總磷7 d 平均污染負(fù)荷為1.33 mg/（kg·d）、39.01 mg/（m2·d）、1 696.77 mg/（m3·d）。擾動(dòng)條件下，污染物釋放量較靜置條件下增長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，對(duì)底泥的擾動(dòng)越大，底泥中污染物釋放量也越大。

3 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)源污染是影響城市河流水質(zhì)的重要因素，尤其是處于黑臭狀態(tài)的城市河流，底泥持續(xù)向上覆水體釋放污染物，造成水質(zhì)惡化。在控制外源污染的輸入后，要進(jìn)一步調(diào)查內(nèi)源污染的影響程度，必要時(shí)開(kāi)展內(nèi)源污染控制與治理工作。擾動(dòng)條件下，底泥中污染物的釋放量將較靜置條件下增長(zhǎng)。在水動(dòng)力的作用下，底泥再懸浮將使其中的污染物釋放到水體中，在內(nèi)源污染治理中，要因地制宜，注意水動(dòng)力條件變化對(duì)內(nèi)源污染變化的影響，科學(xué)施策。