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 郭紅兵，  陳榮，  王曉昌

 （西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安710055）

 摘要：城市水體不同于流域水體，其補(bǔ)水來源與城市發(fā)展和水資源供給量密切相關(guān)，補(bǔ)水水源在一段時間內(nèi)發(fā)生變化是城市水體的典型特點(diǎn)。為r更好地揭示富營養(yǎng)化城市水體沉積物在不同補(bǔ)水方式（自來水、再生水和湖水）下內(nèi)源營養(yǎng)物的釋放特性，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬了靜態(tài)和動態(tài)（水體擾動）條件下的底泥釋放過程。結(jié)果表明：(1)自來水補(bǔ)給下的上覆水TN、TP濃度表現(xiàn)為初期快速上升，后期保持相對平穩(wěn)的趨勢；再生水與湖水補(bǔ)給的上覆水初期TN、TP濃度短時間內(nèi)快速下降到一定程度后處于動態(tài)平衡。(2)動態(tài)條件下底泥的TN、TP釋放量均高于靜態(tài)條件，水力擾動有助于底泥內(nèi)源營養(yǎng)物釋放。(3)采用物料平衡方法對底泥中營養(yǎng)物的釋放總量進(jìn)行計算，結(jié)果顯示，以自來水為補(bǔ)水的動態(tài)反應(yīng)器巾TN和TP的釋放量最大，TN在以再生水為補(bǔ)水的靜態(tài)反應(yīng)器巾釋放量最小，TP在以再生水為補(bǔ)水的動態(tài)反應(yīng)器中釋放量最小。研究成果對城市水體富營養(yǎng)化控制和補(bǔ)水水源的優(yōu)化配置具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：城市水體；底泥釋放；營養(yǎng)物(N、P)；不同補(bǔ)水方式；動態(tài)實(shí)驗(yàn)

 目前，內(nèi)源污染物釋放引起的水體富營養(yǎng)化已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。沉積物是水體多相生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程中起到非常重要的載體作用，具有釋放面積大、釋放量及釋放途徑不明確等特點(diǎn)。在富營養(yǎng)化水體外源污染得到有效控制的基礎(chǔ)上，沉積物向上覆水體釋放污染物（重金屬、營養(yǎng)鹽和難降解物）成為“源”，造成二次污染。營養(yǎng)物質(zhì)氮和磷的質(zhì)量濃度分別超過0.2 mg/1和0.02 mg/1，就會引起水體的富營養(yǎng)化。目前更多的研究關(guān)注于大型河湖沉積物中營養(yǎng)物的賦存形態(tài)與含量及遷移轉(zhuǎn)化特性以及不同環(huán)境條件下（DO、pH值、溫度、生物和水體擾動等）沉積物中營養(yǎng)物釋放規(guī)律特征。

 城市水體不同于大型流域水體，水體水質(zhì)特征受到人類活動最直接的影響，水體的補(bǔ)水水源也與城市的發(fā)展以及城市現(xiàn)有水資源的存量密切相關(guān)。伴隨著快速城市化進(jìn)程，大量城市尺度的水體在城市建設(shè)過程中得到新建或修復(fù)，與此相比，城市用水量增大，可用于水體補(bǔ)水的傳統(tǒng)水資源（地表水和地下水）存量逐漸減少，一些非傳統(tǒng)水資源，如雨水、再生水，正在逐漸成為傳統(tǒng)水資源的替代水源用于水體補(bǔ)水。因此，城市水體，尤其是已經(jīng)發(fā)生富營養(yǎng)化的水體，在補(bǔ)水方式發(fā)生變化的情況下，沉積物理化性質(zhì)的變化以及對水體水質(zhì)的影響是城市水體水環(huán)境整治過程中的一個重要科學(xué)問題，此方面的研究相對較少�；�于此，本研究開展了沉積物在不同補(bǔ)水方式下（自來水、再生水和天然補(bǔ)水）的釋放試驗(yàn)，揭示了不同補(bǔ)水水源對沉積物釋放特性的影響；同時，通過靜態(tài)和動態(tài)實(shí)驗(yàn)的比較，揭示了水力擾動的作用特征，為城市水體內(nèi)源污染源的控制和管理提供了依據(jù)。

1  材料與方法

1.1  沉積物采集及預(yù)處理

 沉積物樣品采自昆明翠湖(N25。03'5.08”，E102。42'3.24”)，典型的城市富營養(yǎng)化景觀水體。采用自制的有機(jī)玻璃柱狀采泥器采集5—10 cm的表層沉積物樣品，底泥含水率較高，呈流態(tài)，淺黑色泥，手感粘滑，夾雜少量植物殘體。采集后去除沙石及動植物殘體，立即用冰盒保存(4℃)送回實(shí)驗(yàn)室，密封靜置th后去除上覆水，充分混勻，備用。同時取采樣點(diǎn)上覆水51，以及進(jìn)水口再生水51（昆明市第四污水廠再生水，一級Auu），取回后經(jīng)0.45 ym玻璃纖維濾膜過濾后置冰箱內(nèi)4℃冷藏備用，作為實(shí)驗(yàn)補(bǔ)水。

1.2  實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)分為A組、B組2組，A組為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，B組為水力擾動實(shí)驗(yàn)，每組3個柱狀反應(yīng)容器（1#以自來水為補(bǔ)水、2#以再生水為補(bǔ)水和3#以湖水為補(bǔ)水）。按照底泥：上覆水=1:4，于反應(yīng)容器底部分別均勻鋪置預(yù)處理過的400 m1底泥，厚度約為26.76 mm，并分別小心緩慢加入1600 m1不同水質(zhì)作為上覆水，盡量避免底泥懸浮，上覆水與實(shí)驗(yàn)補(bǔ)給水一致。上覆水添后均先靜置，12 h后B組采用恒速攪拌機(jī)以120r/min轉(zhuǎn)速在上覆水表面進(jìn)行連續(xù)擾動，A組不受任何擾動，實(shí)驗(yàn)每隔12 h定時定位（水面下5 cm）采集上覆水樣35 m1測量TN、TP濃度，并立即補(bǔ)充等量相應(yīng)補(bǔ)給水。整個實(shí)驗(yàn)共計持續(xù)192 h。實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)室溫度為23.8—25.2℃。實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案見表1。

1.3  分析方法

  樣品采集后，總氮(TN)用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894-89)、總磷(TP)用鉬酸銨分光光度法(GB 11893_89)。見圖1。

1.4  計算方法

  底泥釋放量的計算公式如式(1)所示：

底泥釋放速率的計算公式如式(2)所示：

泥中營養(yǎng)物(N、P)含量，mg；G、Cn-，、CO、Cj-，分別為第n次、n-1次、初始和j-1次采樣時上覆水中營養(yǎng)物濃度，mg/1；G為補(bǔ)給水中營養(yǎng)物濃度，mg/1;y為反應(yīng)器中上覆水體積，1;k為每次采樣體積，1；r為底泥釋放速度，mg/(m．h)；A為反應(yīng)器中上覆水一沉積物接觸面積，rrf；f為底泥釋放時間，h。

2  結(jié)果與討論

2.1  實(shí)驗(yàn)用補(bǔ)水理化性質(zhì)

 底泥采集處水深1.39 m，沉積物厚11 cm，是典型的水上娛樂區(qū)，表層水氮磷污染嚴(yán)重，其TN、TP濃度分別為6.987、0.179 mg/1。如表2所示，水中的TN、TP濃度分別為水體富營養(yǎng)化臨界值(0.20和0.02mg/1)的35倍和9倍，處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。翠湖以昆明市第四污水處理廠再生水為補(bǔ)水，TN、TP濃度分別為10.79、0.218 mg/1。

2.2  沉積物TN釋放結(jié)果分析

圖2為不同補(bǔ)水方式下反應(yīng)器中上覆水TN濃度變化曲線。補(bǔ)給水來源的不同表現(xiàn)為各組曲線的起點(diǎn)各異。實(shí)驗(yàn)初期，以自來水補(bǔ)給的A1和BITN濃度上升，以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3TN濃度大幅下降。隨著時間的推移，A1和B1在實(shí)驗(yàn)24 h后上覆水TN濃度達(dá)到最大值平衡，分別為3.017 mg/1和3.165 mg/1，之后保持平穩(wěn)趨勢，并且B1 TN濃度高于A1。實(shí)驗(yàn)中期(12—120h)．A2、B2、A3和B3上覆水TN濃度均呈逐漸減小趨勢，分別減小了3.192、2.630、1.241和1.241 mg/1，A2和B2趨勢最為明顯，變化較大；實(shí)驗(yàn)后期(120—192 h)TN濃度在底泥的釋放與吸附動態(tài)變化過程中達(dá)到平衡。動態(tài)（B1、B2和B3）與靜態(tài)（A1、A2和A3）整體對比發(fā)現(xiàn)，動態(tài)實(shí)驗(yàn)TN濃度變化曲線總體處于靜態(tài)曲線上方。水力擾動有助于底泥與上覆水的交換強(qiáng)度，從而促進(jìn)底泥的釋放，抑制其吸附過程。

基于公式(1)，圖3表示的是每12 h底泥中TN的釋放量與積累量對比結(jié)果。以自來水作為補(bǔ)水的A1和B1釋放趨勢基本相近，都可以分為2個階段：第一階段(0～48 h)TN大量釋放；第二階段(48—192 h)釋放與積累達(dá)到了動態(tài)平衡。以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3具有相近的變化趨勢，表現(xiàn)為前期(0—132 h)單位時間內(nèi)的釋放量與積累量都較大，后期(132—192 h)變化趨于平緩。

 有研究表明營養(yǎng)物的釋放與積累取決于表面上覆水與底泥間的濃度差。將不同補(bǔ)水方式下A1(B1)、A2 (B2)和A3 (B3)對比發(fā)現(xiàn)，以自來水補(bǔ)給的A1和B1表現(xiàn)出底泥TN釋放特征，以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3總體表現(xiàn)為TN吸附積累過程。

圖4為不同補(bǔ)水方式下底泥的TN的釋放或積累總量。以自來水補(bǔ)給的A1和B1底泥TN呈現(xiàn)釋放，且B1釋放量較A1大，釋放量分別為3.910、5.052mg，釋放速率分別為1.629和1.760 mg/(1．h)。以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3表現(xiàn)為吸附積累，積累量A2>B2>A3>B3，積累量分別為7.694、7.372、4.362、4.156 mg，積累速率分別為3.251、2.568、1.704、1.448 mg/(1．h)。補(bǔ)水對上覆水中TN濃度的稀釋或加重一定程度上取決于補(bǔ)水源中TN濃度的高低，而沉積物間隙水中氮與上覆水體中氮的濃度梯度是氮釋放的主要動力。補(bǔ)水中TN濃度低，補(bǔ)水量大，對上覆水具有一定的稀釋能力，降低了上覆水中TN濃度，導(dǎo)致沉積物間隙水中氮向上覆水界面解吸附，釋放至上覆水；相反，補(bǔ)水TN濃度高，上覆水TN濃度增大，沉積物表現(xiàn)為吸附積累。

 將同樣補(bǔ)水條件下的靜態(tài)反應(yīng)器( A1～A3)和動態(tài)反應(yīng)器(BI~B3)對比可以發(fā)現(xiàn)，水力擾動對TN釋放過程具有比較明顯的影響，表現(xiàn)為B1釋放量大于A1釋放量，但是對TN吸附積累過程沒有明顯的影響。水力擾動加快了補(bǔ)水與上覆水中氮的物理化學(xué)反應(yīng)，有助于上覆水與沉積物界面含氮顆粒的再懸浮、溶解態(tài)氮的吸附與解吸附行為。而氮的各形態(tài)間可以通過生物化學(xué)作用相互轉(zhuǎn)換。

2.3  沉積物TP釋放結(jié)果分析

圖5為不同補(bǔ)水方式下反應(yīng)器中上覆水TP濃度變化曲線。各曲線的變化趨勢與相應(yīng)TN濃度變化曲線相似。以自來水補(bǔ)給的A1和B1 TP濃度呈逐漸增大趨勢，72 h時A1達(dá)到底泥釋放最大值點(diǎn)(0.094mg/1)后略微減小至96 h保持平穩(wěn)動態(tài)變化；B1曲線位于A1上方，且B1整個過程為緩慢上升的趨勢。A2、B2、A3和B3 TP濃度變化可以分為2個階段：第一階段(0—24 h)TP濃度大量減�。坏诙�階段(24—192h)TP濃度保持動態(tài)變化的過程。動態(tài)（B1和B3）與靜態(tài)（A1和A3）整體對比發(fā)現(xiàn)，動態(tài)實(shí)驗(yàn)TP濃度變化曲線總體處于靜態(tài)曲線上方。水力擾動有助于底泥與上覆水的交換強(qiáng)度，從而促進(jìn)底泥的釋放，抑制其吸附過程。B2與A2對比發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)實(shí)驗(yàn)TP濃度變化曲線總體處于動態(tài)曲線上方。上覆水濃度對底泥的釋放與積累具有重要影響。

基于公式(1)，圖6表示的是每12 h底泥中TP的釋放量與積累量對比結(jié)果。以自來水作為補(bǔ)水的A1和B1釋放趨勢基本相近，都可以分為2個階段：第一階段(0—72 h)TP大量釋放；第二階段( 72—192 h)釋放與積累達(dá)到了動態(tài)平衡。A2和A3變化趨勢基本相近，表現(xiàn)為前期(0—48 h)以TP積累為主，后期(48—192 h)處于動態(tài)平衡狀態(tài)。B2和B3在整個實(shí)驗(yàn)過程呈現(xiàn)吸附積累特性。

 將不同補(bǔ)水方式下A1(B1)、A2(B2)和A3(B3)對比發(fā)現(xiàn)，以自來水補(bǔ)給的A1和B1表現(xiàn)出底泥TP釋放特征，以再生水作為補(bǔ)水的A2、B2和以湖水作為補(bǔ)水的A3、B3總體表現(xiàn)為TP吸附積累過程。這一結(jié)果表明，不同濃度上覆水對底泥的釋放與積累具有重要影響。

圖7所示為整個實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束后不同反應(yīng)器中底泥的TP釋放或積累總量大小。A1和B1的底泥TP均表現(xiàn)為明顯的釋放特點(diǎn)，并且B1的釋放量比A1大，釋放量分別為0.119、0.181 mg，釋放速率分別為0.050和0.063 mg/(1-h)。而A2、B2、A3和B3呈現(xiàn)為吸附積累特點(diǎn)，并且B2>B3>A3>A2．積累量分別為0.083、3.492、0.134、2.058 mg，積累速率分別為0.035、0.036、0.040、0.032 mg/(1．h)。補(bǔ)水對上覆水體中TP濃度的稀釋或加重取決于補(bǔ)水源中TP濃度的高低，而沉積物間隙水中磷與上覆水體中磷的濃度梯度是磷釋放的主要動力，且分子擴(kuò)散是其釋放至水體中的主要機(jī)制。補(bǔ)水中TP濃度低，對上覆水具有一定的稀釋能力，降低了上覆水中TP濃度，沉積物表現(xiàn)為釋放過程，在沉積物間隙水一上覆水界面發(fā)生磷解吸附，釋放至上覆水體；相反，補(bǔ)水TP濃度高，上覆水TP濃度增大，沉積物表現(xiàn)為吸附積累。

  將同樣補(bǔ)水條件下的靜態(tài)反應(yīng)器( AI—A3)和動態(tài)反應(yīng)器(B1—B3)對比可以發(fā)現(xiàn)，水力擾動對TP釋放和積累過程都具有很顯著的影響，表現(xiàn)為B1釋放量大于A1釋放量，B2和B3吸附積累量明顯大于A2和A3。這一結(jié)果表明，水力擾動加快了補(bǔ)水與上覆水中磷的交換，加大了沉積物與上覆水之間磷物質(zhì)的交換強(qiáng)度，有助于上覆水與沉積物界面含磷顆粒的再懸浮、溶解態(tài)磷及磷酸鹽的吸附與解吸附行為。

3  結(jié)論

  本文研究了不同補(bǔ)水方式和動態(tài)及靜態(tài)條件下城市水體沉積物中TN、TP的釋放特眭，得到以下結(jié)論。

  (1)沉積物中營養(yǎng)物(N、P)的釋放與積累是一個動態(tài)的過程，它們之間的交替取決于上覆水與沉積物間的濃度差，存在一個臨界濃度，當(dāng)上覆水營養(yǎng)物濃度高于該臨界濃度，營養(yǎng)物總體表現(xiàn)為吸附積累過程；相反，表現(xiàn)為釋放過程。

  (2)處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的水體，通過置換改變補(bǔ)水可以短期降低水中營養(yǎng)物濃度，但是沉積物的持續(xù)釋放，又將維持較長一段時間的水體富營養(yǎng)狀態(tài)。

  (3)不同補(bǔ)水方式對營養(yǎng)物的釋放特性影響較大，以自來水為補(bǔ)水條件下，營養(yǎng)物總體呈現(xiàn)釋放特性，以再生水和湖水為補(bǔ)水條件下，營養(yǎng)物總體呈現(xiàn)積累特性，且再生水補(bǔ)水的積累量大于湖水補(bǔ)水。

  (4)水力擾動是影響營養(yǎng)物釋放特性的又一個重要因素，對于TN而言，水力擾動對釋放過程影響較大，對積累過程影響較��；對于TP而言，水力擾動對釋放和積累過程都有明顯的影響。