河道底部沉積物磷污染釋放規(guī)律特征研究

摘要：此研究旨在探究不同水體狀況與環(huán)境條件下河道底部沉積物磷污染釋放的特性。通過采集研究區(qū)水體及沉積物樣本，運用標準化實驗裝置與方法，分析靜態(tài)條件、溫度及pH值變化對磷釋放的影響。結(jié)果表明，靜態(tài)環(huán)境下磷釋放量增加，且隨總磷（TP）濃度上升釋放速率減緩；酸堿極端環(huán)境及低溫均加速磷釋放。特別指出，TP濃度超過15 mg/L時，磷釋放量減少但顆粒態(tài)磷比例增加，對生態(tài)構(gòu)成潛在威脅。此外，酸性環(huán)境（pH=4）對磷釋放促進效果最顯著，其后依次為堿性（pH=12，10）及中性（pH=7）。水體溫度升高則增強微生物活性，促進有機磷轉(zhuǎn)化與釋放，加劇磷污染風險。

關(guān)鍵詞：沉積物；磷污染；釋放規(guī)律；特征分析

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A

前言

河道底泥是城市河道生態(tài)系統(tǒng)中最主要的有機碳源和氮磷營養(yǎng)物，同時也是城市河道水環(huán)境系統(tǒng)中的主要污染源之一，磷元素動態(tài)對維持水環(huán)境健康至關(guān)重要。水體中磷元素的積累會引起水體富營養(yǎng)化，對人類的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響，顯著影響人類活動與自然生態(tài)平衡。沉積物中磷元素的釋放是水環(huán)境富營養(yǎng)化最主要的因素，不僅影響著水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)健康和安全，而且對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動也具有重要意義。隨著城市河道水質(zhì)環(huán)境綜合治理工程的實施，大量外源污染物質(zhì)被輸送到河道中，因此，深入解析底泥中磷的遷移轉(zhuǎn)化機制及實施有效調(diào)控策略具有重要意義，這也是城市河道水質(zhì)管理的關(guān)鍵。

此研究聚焦于磷元素在河道底泥與水體界面間的釋放行為，設(shè)計并構(gòu)建一套磷污染釋放模擬實驗體系，采用靜態(tài)連續(xù)浸提技術(shù)，系統(tǒng)探究不同磷濃度背景及水力擾動條件下底泥磷的釋放特征，研究底泥在不同濃度、不同水力條件下的磷釋放行為。通過實驗，闡明底泥磷釋放與環(huán)境因素（如磷濃度、水力條件）之間的復(fù)雜關(guān)系，此次實驗結(jié)果將有助于研究城市河道底泥中磷元素在河流中的遷移轉(zhuǎn)化過程，為城市河道底泥中磷元素的有效控制提供理論依據(jù)，為城市河道綜合治理工程提供技術(shù)支撐。

1研究區(qū)地理位置概況

此研究聚焦于氣候多變、降雨不均的流域，采樣河流受降水顯著影響，干流長157km，彎曲度高。長江口南支作為重要漁場及水源地，濕地生態(tài)系統(tǒng)廣袤，對生態(tài)安全和水質(zhì)至關(guān)重要。然而，隨經(jīng)濟發(fā)展，污染排放增加，導(dǎo)致濕地退化、生物多樣性減少。特別是下游段，污染負荷重，磷釋放引發(fā)富營養(yǎng)化問題。因此，探究南支沉積物磷釋放規(guī)律具有重大意義。

2材料與方法

2.1樣品采集與處理

實驗于2015年5月中旬采集A村邊界混凝土溝渠底泥與上覆水樣，底泥深70cm，泥漿層約15cm。采用靜態(tài)連續(xù)浸提法，以HNO₃-HClO₄消解沉積物磷，TB-399P與考馬斯亮藍G-250分別提取上覆水磷，離心烘干后，經(jīng)TG-DSC評估熱穩(wěn)定性并量化釋磷量。結(jié)合Lowry定律與Pearson/Fisher分析，探討上覆水磷濃度變化對沉積物磷釋放的影響機制。

2.2設(shè)計實驗裝置

實驗設(shè)計自制模擬裝置，涵蓋上覆水容器、底泥容器及沉積物，旨在模擬水體與沉積物交互下的磷釋放過程。上覆水與底泥均經(jīng)實驗室配制，以反映自然磷濃度與沉積物狀態(tài)。實驗裝置分五部分，核心在于通過調(diào)控上覆水磷濃度及流動狀態(tài)，探究對沉積物磷釋放的影響，從而理解水體富營養(yǎng)化機制。

2.3儀器與試劑

主要儀器設(shè)備包括：超聲波清洗器、電熱恒溫振蕩器、磁力攪拌器、恒溫水浴鍋、電熱恒溫干燥箱、分析天平等。

試劑：硝酸溶液、硫酸溶液均為優(yōu)級純，其余試劑均為分析純。磷標準溶液濃度1.00mg/L，加標回收率為95.0～100.8%。AR級的硫酸、鹽酸、磷酸二氫鉀、酒石酸銻氧鉀、氯化鉀、氯化銨、鉬酸鹽及抗壞血酸等，GR級的氫氧化鈉及過硫酸鉀。

儀器設(shè)備：BSM系列電子分析天平，SHA-B氣浴恒溫振蕩器，GX-2050數(shù)控恒溫水浴鍋，101-3DB電熱古風干燥箱與DZ-F真空干燥箱，JC-MF10馬弗爐，754N紫外可見分光光度計與723PC可見光分光光度計。

沉積物模擬液由天津大學(xué)環(huán)境學(xué)院實驗室提供，試劑均為分析純。

2.4實驗方法

此研究采用集成精密上覆水控制的靜態(tài)連續(xù)浸提系統(tǒng)，結(jié)合DCA-300水質(zhì)監(jiān)測與水位傳感技術(shù)，實時監(jiān)控實驗條件。實驗前增強上覆水擾動以加速磷釋放，期間通過電磁閥靈活調(diào)控出水，維持穩(wěn)定環(huán)境。周期內(nèi)，水樣經(jīng)預(yù)處理后，采用原子吸收法精確測定磷含量；沉積物則經(jīng)KMnO₄處理、離心分離，分析底泥磷分布。實驗持續(xù)28天，定期采樣，測得底泥總磷及各形態(tài)磷濃度，揭示復(fù)雜分布特征，其中TP為1.65g/kg，弱吸附態(tài)至鈣結(jié)合態(tài)磷濃度依次為14.98至450.28mg/kg。

2.5數(shù)據(jù)處理

實驗中運用到的數(shù)據(jù)公式如式（1）：

2.5.1底泥釋放通量

式（1）中，V代表水體體積；C為不同采樣時間對應(yīng)的TP質(zhì)量濃度；V_s為水樣體積；C。為去離子水TP濃度；A為底泥與水體接觸面積，t為底泥釋放時間。

當計算結(jié)果為+時表示磷的走向由底泥進入水體；當結(jié)果為一時則代表磷的走向由水體進入底泥。

2.5.2底泥吸附效率

式（2）中，C₂₈代表實驗進行第28日水樣中TP對應(yīng)的質(zhì)量濃度。當結(jié)果變化與TP濃度相反時則判定為化學(xué)吸附；當結(jié)果變化與TP濃度一致時則判定為物理吸附。

3河道底部沉積物磷污染釋放規(guī)律特征研究結(jié)果討論

3.1環(huán)境對磷釋放的影響

3.1.1不同pH值對磷釋放的影響

在實際自然環(huán)境中，上覆水的pH值對沉積物中磷的釋放存在較大的影響，對比不同的pH值上覆水體中TP濃度及沉積物分布情況，實驗結(jié)果如圖1所示：

初期6天，上覆水TP濃度急升后穩(wěn)定，酸性峰值達3.42mg/L，中性最低。形態(tài)分析顯示，Ex-P顯著減少，F(xiàn)e/Al-P在酸堿下均勻釋放，Ca-P酸性釋放更多。連續(xù)浸提模擬顯示，沉積物有機酸致酸化，pH調(diào)控磷濃度顯著。

3.1.2不同溫度對磷釋放的影響

溫度是調(diào)控沉積物磷釋放的關(guān)鍵因子，通過影響環(huán)境物理化學(xué)反應(yīng)及微生物活性，促進磷向上覆水遷移。實驗設(shè)定初始與升溫2h后磷濃度，旨在探究溫升對沉積物溶解態(tài)磷濃度變化的直接影響，進而解析溫度驅(qū)動下的磷釋放機制。結(jié)果見圖2。

如圖2所示，溫升正相關(guān)促進沉積物溶解態(tài)磷釋放，機制為加速有機質(zhì)分解、減弱吸附及增強微生物活性。高溶解態(tài)磷削弱沉積物吸附，上覆水高磷濃度加劇釋放，總體溫升加劇磷向水體遷移。

3.1.3不同催化劑對磷釋放的影響

通過調(diào)控微環(huán)境氧化還原態(tài)、加速反應(yīng)或重塑磷形態(tài)，影響磷遷移。在25℃、pH7.0條件下，向沉積物反應(yīng)器等量添加各催化劑，定期采樣，運用化學(xué)提取與分光光度法精確測定磷形態(tài)變化。得到結(jié)果見表1。

研究表明，催化劑顯著影響河道沉積物磷釋放。過氧化鈣通過增強氧化性和pH值，有效促進各形態(tài)磷釋放，尤其是弱吸附態(tài)等。氧化鐵與錳也有催化作用，而硫酸亞鐵效果有限?；钚蕴客ㄟ^吸附間接調(diào)控。過氧化鈣因其高效性，在河道治理中潛力顯著。

3.2磷最大釋放量相關(guān)性分析

在動態(tài)培養(yǎng)實驗中，不同水力條件下磷的釋放量也存在較大差異，而且不同介質(zhì)中磷的釋放量也不一樣。水體沉降物中磷的最大釋放量和初始釋放速率以及多形態(tài)磷的相關(guān)性分析結(jié)果見表2。但增速遞減，上覆水磷濃度在0.5～2mg/L時釋放達峰值，受濃度效應(yīng)與飽和機制調(diào)控。動態(tài)條件加劇水-固交互，促進磷釋放，且磷遷移受水質(zhì)與濃度雙重影響。

4結(jié)束語

文章深入探討了河道底部沉積物磷污染釋放的規(guī)律特征，通過系統(tǒng)的樣品采集、實驗裝置設(shè)計、環(huán)境因子調(diào)控及數(shù)據(jù)分析，揭示了不同水體狀態(tài)、pH值、溫度及潛在催化劑對磷釋放的顯著影響。對于的磷主要以溶解態(tài)形式存在，同時也會隨著上覆水中磷濃度的升高而不斷發(fā)生垂向遷移。研究表明，靜態(tài)條件下磷釋放加劇，受上覆水TP濃度、酸堿環(huán)境及溫度變化的復(fù)雜調(diào)控。極端pH條件及適宜溫度顯著促進了磷的釋放，催化劑的選擇對于調(diào)控河道底部沉積物中磷的釋放具有重要意義，過氧化鈣在河道治理中具有更強的高效性。工作不僅為理解河道磷循環(huán)提供了實證基礎(chǔ)，也為制定有效的磷污染防控策略提供了科學(xué)依據(jù)。