河湖沉积物中污染物迁移规律研究进展

陈美丹

【摘要】平原河网地区，水流流速缓慢，河流水质恶化，底泥淤积严重。底泥中的污染物质释放到水体，会造成二次污染。笔者系统的描述了底泥中氮、磷营养物释过程及其众多的影响因素。

【关键词】沉积物 污染物 迁移

1前言

太湖流域是典型的碟型洼地平原，流域内河道交错纵横，湖泊星罗棋布；河道坡降小，流速平缓，水体更换周期长，受污染的水体长期回荡滞留于河网之间；同时，由于闸坝等人为因素的影响，更增加了水环境保护的复杂性。

自20世纪80年代起，我国的经济进入了持续高速发展阶段。大量工业废水和生活污水就近直排入河。底泥中积累了大量耗氧性有机污染物、重金属、氮磷和各类优先有机污染物，其含量往往比背景值高出一至几个数量级。马梅等[1]已通过实验证实底泥具有生物毒性，底泥会发生吸附-解吸、溶解-沉淀等一系列生物化学反应，直接或间接影响水环境的质量。尤其是当外部污染源得到有效控制以后，底泥的影响作用就突显出来，成为水体不容忽视的潜在污染源。韩伟明等[2]通过研究发现杭州西湖底泥释放的磷占外源输入磷负荷的41.5%。氮和磷是水生生态系统的重要组成要素，但过量输入会导致水体富营养化。水体的营养物质很大一部分来源于底泥，沉积物-水界面间氮、磷营养元素的交换对水体水质影响很大。

2沉积物-水界面氮素迁移转化规律研究

硝化和反硝化作用是沉积物-水界面上氮素迁移转化的主要形式。底泥中的氮循环主要发生在底泥表层0～2cm内。底泥中的有机氮经矿化作用，生成NH4+、NO3-等无机离子扩散进入水体，增加水体氮素浓度和营养水平；而水中的NO3-等也能反向扩散进入底泥的厌氧层，经反硝化还原成N2O，N2等散逸进入大气。这种脱氮过程是清除水体氮负荷最彻底的有效机制。周灵辉等[3]通过实验证实河道中通过反硝化作用去除的内源氮负荷可达外源性氮输入总量的一半以上，且反硝化强度与沉积物-水界面微环境有关。当水体中NO3-浓度增加时，底泥厌氧层的反硝化作用加剧，较多的NO3-进入底泥厌氧层，水体NO3-浓度下降；而当水中NO3-浓度变低时，底泥厌氧层的反硝化作用减缓，水中NO3-扩散进入底泥的数量减少，从而维持水体生态系统的营养水平。

氮素在沉积物-水界面上交换的影响因素很多，比如有機物的补充，温度和氧化还原条件，水动力条件，水体营养盐的浓度，底栖生物活动和底泥的物理性质等。

尹大强等通过实验发现底栖生物能显著促进底质中可溶性氨氮的释放，且释放量与底栖生物数量成正比。邹华认为硝酸盐具有作为电子受体进行生物除磷的作用，在缺氧的条件下磷的摄取速率与硝酸盐的浓度有关，浓度越高摄取速度越快。T. Usui等采用15N作为示踪剂进行实验，通过比较硝化和反硝化过程中N2O产物变化，对河口底泥中的N2O产生控制进行了研究，结果表明NO3- 的增加和上覆水的O2的增加会刺激硝化和反硝化作用。Sondergaard M等[7]对丹麦Arreso 湖的野外调查发现，动力悬浮产生的氮浓度增加可以达到静止状态下的20～30倍，说明水动力条件对湖泊内源氮循环影响很大。

3沉积物-水界面磷素迁移转化规律研究

对于大多数外源磷得到控制的水体来说，底泥磷的释放对长期维持藻类的生长，促进富营养化的发生具有举足轻重的作用。水体底部存在的活性有机碎屑层在细菌等微生物的作用下，释放出较高的PO43-，在表层底泥间隙水中形成高于上覆水的PO43-浓度，在浓度梯度的作用下间隙水中的PO43-向水体扩散。

Chang SC早在20世纪50年代就开始研究湖泊底泥中磷的分布规律。在此之后，中外学者对底泥中不同形态的磷分别进行了研究。磷在沉积物-水界面的扩散过程是由内部因素和外部因素决定的，且在一定条件下是可逆的。

内部因素主要是指底泥组成，如底泥的性质及主要的结合形式——是以与铁还是以钙结合为主。一般认为，与铁结合的磷较易释放，而与钙结合的磷不易释放。

外部因素包括溶解氧、温度、pH、微生物、水体扰动等。

3.1溶解氧

溶解氧和氧化还原电位主要是通过影响铁、锰氧化物和硫的氧化还原以及微生物的新陈代谢来改变磷在沉积物-水界面上的迁移转化过程。在厌氧条件下，表层底泥及底泥表面还原电位低，铁、锰氧化物易被还原而使溶解度增大，其吸附固定的磷被释放出来。而且厌氧微生物对磷的需求量少，有更多的磷可以解吸出来释放到上覆水层。对于溶解氧来说，一般认为溶解氧降低会导致三价铁还原成二价铁，与铁氢氧化物结合的磷被释放出来。

3.2温度

Berlcheiser等研究发现，温度升高有利于提高物质活性，有利于加快各种物理、化学、生物反应（如扩散、有机质降解等）。因此，在其它条件相同的情况下，底泥释磷速率随温度升高而增大。王庭健等对南京玄武湖底泥释磷的模拟实验表明，35℃时磷的释放速率比25℃时磷的释放速率提高了1倍。温度升高，微生物活力增强，有机物质分解加速，导致氧气的损耗和氧化还原电位的降低，使Fe3+还原为Fe2+，磷从正磷酸铁和氢氧化铁沉淀物中释放出来。因此，夏季磷的释放量要比冬季高。

3.3pH

研究表明在没有其它因素影响的情况下，pH为7.0左右时底泥磷的释放量最小。pH降低和升高都能促进磷的释放。降低pH，磷酸盐以溶解为主，铝盐释放；升高pH，以离子交换为主，OH-与被束缚的磷酸盐阴离子发生竞争，磷的释放增强。

3.4微生物

在有微生物作用的底泥中内源磷的释放量明显高于没有微生物作用底泥内源磷的释放量。细菌等微生物在磷酸盐矿化的过程中，代谢产生的H2CO3，HNO3及有机酸等可使不溶性磷酸盐中的PO43-游离出来。吴根福等人通过杭州西湖底泥释磷的实验发现，培养初期总磷和磷酸根浓度均有所下降，但随着培养时间的延长磷的释放量逐渐增大，说明微生物对底泥释磷具有促进作用。

3.5水体扰动

专家在太湖底泥释放动力学研究中发现，底泥中TP的释放速率与水体流速呈指数增长关系。当流速较小时，底泥释磷速率的变化幅度不大；而当流速较大时，底泥释磷速率的变化幅度较大。

3.6藻类

国内外研究表明，湖泊底部的藻类物质会加速底泥中磷向水相迁移。徐俊等[12]发现，DO、pH、温度、扰动等环境因素对底泥释磷的速率和数量有较大。它们对释磷的影响一方面是通过改变PO43-/ HPO42-/ H2PO4-体系之间的平衡与离子交换来实现，另一方面也通过微生物的作用来实现。

4小结

河湖中的有机污染是现在国内外环境污染的重要问题之一，这一点在我国尤为突出。水环境中底泥在有机污染物的迁移、化学形态和及其生物学归宿等方面都起重要的作用。而污染物一旦与固体颗粒物结合，其迁移过程中的归宿就又要受许多因素的影响。只有综合的研究污染物、水流、底泥及颗粒物的相互作用才能很好地揭示出其中的机理，为污染的控制、防止与治理提供了理论的依据，同时也为系统地分析和环境的规划奠定基础。

参考文献：

[1]马梅，童中华等乐安江水和底泥样品的生物毒性评估[J].环境化学.1997， 16（2）：167～171.

[2]韩伟明，张国勋.杭州西湖底泥释磷的模拟研究[J].西湖环境研究论文集，1990：83-89.

[3]周灵辉.外秦淮河底泥释放对上覆水水质的影响[J]. 环境监测管理与技术， 2003.15（5）： 41～42.

[4]尹大强，覃秋荣，阎航.环境因子对五里湖沉积物磷释放的影响[J]. 湖泊科学， 1994，6（3）：240～244.