汤河水库底泥氨氮释放规律试验研究

李志萍，刘攀峰，韩 亚，翟江伟

(1.华北水利水电大学，河南 郑州450045;2.河南省有色地矿局，河南 郑州450016)

汤河水库位于辽宁省辽阳市的东南部，坐落于太子河支流汤河干流上.汤河水库是一座以防洪、灌溉、旅游、养殖、城市生活供水和工业供水为主，兼有发电任务的大Ⅱ型水利枢纽工程［1］. 但汤河水库近年来水体污染情况不断加剧，笔者以汤河水库水体和底泥为研究对象，通过室内模拟试验，研究底泥氨氮的释放规律.

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验用土:汤河水库的底泥，经自然风干、研磨，过20 目筛后的土样.试验用水:汤河水库原水.

1.2 试验方法

1)将30 g 试验用土加入到300 mL 锥形瓶中，同时加入300 mL 试验用水，确保试验水土比为10∶1.每天对上覆水进行氨氮的测定直到试验达到吸附－解吸平衡.

2)污染物浓度. 配置3 种浓度的试验用水，低浓度:汤河水库原水与蒸馏水按1∶1 配制;原浓度:汤河水库原水;高浓度:在原水中加入浓度为3.648 mg/L的NH4Cl 溶液配制，其污染物浓度为原水浓度的150%，研究不同污染物浓度下，水库底泥中氨氮的释放规律.

3)温度. 设置4，15，30 ℃3 种温度，研究不同温度下氨氮的释放规律.

4)溶解氧. 一组正常条件下放置，另一组在不扰动底泥的情况下冲入氮气，获得贫氧水，研究不同溶解氧条件下氨氮的释放规律.

5)pH 值.分别加入(1 +9)HCl 和20%的NaOH溶液调节试验用水pH 值为6 和10，研究不同pH 值下氨氮的释放规律.

6)扰动.一组静置，另一组每隔3 h 模拟人工扰动，研究扰动对氨氮释放规律的影响.

1.3 测定方法

每天同一时间用纳氏试剂分光光度法测定上覆水中氨氮的含量，测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》［2］.

1.4 释放量计算

释放量计算公式为

式中:Rn为第n 天时氨氮总的释放量，mg/kg;V 为锥形瓶中上覆水的体积，mL;Cn为第n 天检测到的上覆水中氨氮浓度，mg/L;C 为汤河水库原水中氨氮的浓度，mg/L;M 为锥形瓶中底泥的质量，g.

2 结果与分析

2.1 不同浓度下氨氮的释放规律

图1表示不同浓度条件下汤河水库底泥氨氮的释放规律.

图1 不同浓度下底泥氨氮释放量变化

由图1可知:在原浓度条件下，试验开始的1 ～6 d 底泥氨氮释放量整体呈上升趋势，在第6 天达到最大值8.553 mg/kg，在试验进行到7 ～8 d 时，氨氮的释放量突然下降，第8 天时开始出现吸附，之后逐渐趋于平衡.在低浓度和高浓度条件下，试验开始的1 ～5 d氨氮的释放量略高于原浓度条件下底泥氨氮的释放量，试验后期这两种条件下的底泥氨氮的释放量相差不大.3 种浓度条件下汤河水库底泥的氨氮释放量相差不大，经测定底泥中氨氮含量为80.368 mg/kg远远超过上覆水中氨氮的含量，从而使得浓度对于底泥氨氮的吸附－ 解吸试验影响较小.

2.2 不同温度下氨氮的释放规律

图2表示了在不同温度条件下汤河水库底泥氨氮的释放规律.由图2可以看出:在4 ℃和15 ℃条件下底泥氨氮的释放量变化幅度不大;在30 ℃条件下，试验开始的1 ～6 d，底泥氨氮的释放量整体呈上升趋势，在第6 天达到最大值，6 ～8 d 底泥氨氮释放量有所下降，出现了吸附，之后释放量又迅速升高.30 ℃条件下水库底泥氨氮的释放量明显要大于4 ℃和15 ℃条件下氨氮的释放量.说明温度越高越有利于水库底泥中氨氮的释放.

图2 不同温度下底泥氨氮释放量变化

2.3 不同pH 值条件下氨氮的释放规律

图3表示不同pH 值条件下汤河水库底泥氨氮释放量变化.

图3 不同pH 值下底泥氨氮释放量变化

从图3可以看出:在pH =8 条件下，试验开始的1 ～6 d 底泥氨氮的释放量整体呈上升趋势，变化量明显;7 ～8 d，由于出现了一定程度的吸附导致释放量有所下降，之后又有所上升;在第10 天氨氮的释放量达到峰值，10 d 之后氨氮的释放慢慢趋于平衡.在pH=6 条件下，水库底泥氨氮的释放量整体呈上升趋势，在第11 天达到了峰值. 在pH =10 条件下，氨氮的释放整体呈上升趋势，在第12 天达到峰值.在试验开始的1 ～6 d，pH=8 条件下氨氮的释放量明显高于其他的两种情况.

在试验后期，不同pH 值下水库底泥的氨氮释放量相差不大.

2.4 扰动条件下氨氮的释放规律

图4显示了正常和扰动条件下底泥氨氮的释放量变化.

图4 正常和扰动下底泥氨氮释放量变化

由图4可知:在正常条件下，试验开始的1 ～6 d，氨氮的释放量变化明显，整体呈上升趋势，7 ～8 d氨氮释放量降低，出现了吸附，第10 天的时候释放量达到最大值，从第12 天开始，氨氮释放量基本达到平衡状态.在扰动条件下，底泥氨氮的释放量整体呈上升趋势，在第12 天的时候达到最大值98.449 mg/kg.

试验初期，扰动和正常条件下氨氮的释放量差别不大，甚至在扰动条件下氨氮的释放量低于正常条件，这是因为在扰动时带入大量空气，使上覆水溶解氧高于正常条件，硝化细菌将氨氮转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，发生了硝化反应，使上覆水中氨氮浓度减小，从而使氨氮的释放量也减小［3］. 试验后期，扰动条件下氨氮的释放量和正常条件下氨氮的释放量相差不大，这是因为试验结束时水库底泥氨氮的释放量还处于上升状态，没有达到吸附－解吸平衡，随着时间的推移，扰动条件下氨氮的释放量也可能高于正常条件下的释放量.

2.5 不同溶解氧下氨氮的释放规律

图5表示了不同溶解氧条件下氨氮的释放规律.

图5 不同溶解氧下底泥氨氮释放量变化

由图5可知:在正常条件下，试验开始的1 ～6 d底泥氨氮释放量整体呈上升趋势，第6 天出现峰值81.901 mg/kg，7 ～8 d 时氨氮释放量出现大幅度下降，说明氨氮发生了一定程度的吸附.这是因为在正常条件下，上覆水与空气充分接触，溶解氧充足，硝化反应使上覆水中氨氮浓度减小，从而导致氨氮的释放量减少，甚至有吸附现象，随后有一定的波动，在第12 天的时候，氨氮释放量基本趋于稳定状态.在贫氧条件下，底泥氨氮释放量一直处于上升状态，在第11 天达到最大值115.276 mg/kg，之后趋于稳定.试验开始的1 ～6 d 正常和贫氧条件下氨氮的释放量差别不大，是因为试验初期，锥形瓶中存在的溶解氧并没有消耗完.而在试验后期，贫氧条件下氨氮释放量明显高于正常条件下，这是因为试验后期随着溶解氧的消耗，真正达到了贫氧状态，反硝化细菌将硝酸盐氮和亚硝酸盐氮转化为氨态氮，反硝化反应使上覆水中氨氮浓度升高，氨氮释放量也随之升高［3］.说明贫氧条件有利于底泥中氨氮的释放.

3 结 语

1)3 种浓度条件下，试验过程中氨氮释放量相差不大，是因为沉积物中氨氮含量远远超过上覆水中氨氮含量，从而使浓度对氨氮吸附－解吸试验影响较小.

2)温度对底泥吸附－解吸试验影响较大，温度越高，越有利于底泥中氨氮的释放;30 ℃条件下，水库底泥氨氮的释放量均明显高于4 ℃和15 ℃条件下的释放量.

3)在试验开始的1 ～6 d，pH =8 条件下有利于水库底泥氨氮的释放，在试验后期，不同pH 值条件下水库底泥氨氮的释放量相差不大.

4)扰动条件下水库底泥氨氮的释放量基本上都高于正常条件下氨氮的释放量，即扰动有利于沉积物中氨氮的释放.所以，避免汤河水库底泥大幅度扰动可有效改善水库水体水质.

5)贫氧条件有利于沉积物中氨氮的释放. 增加水库水体中溶解氧的含量对于改善水库水体水质具有重要作用.

［1］李广波.汤河水库水环境质量评价及水质保护对策［J］.沈阳农业大学学报，2003，34(2):135－137.

［2］国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］.4 版.北京:中国环境科学出版社，2002.

［3］钟秋娟.汤河水库水源保护对策探讨［J］.科学与财富，2011(4):87.