巢湖市东环城河底泥释放特性研究

闵　文，黄　明

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院,安徽 合肥 230022)



巢湖市东环城河底泥释放特性研究

闵文，黄明

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院,安徽 合肥 230022)

摘要：本次实验在室内静态模拟条件下，研究不同的温度和溶解氧浓度水平下巢湖市东环城河底泥COD、NH3-N、TN和TP释放特性。结果表明：温度为20℃时，COD释放量最大，10℃时最小。厌氧状态下COD释放量远大于好氧状态；随着温度的升高，底泥NH3-N、TN、TP释放量不断增大，上覆水中溶解氧浓度逐渐降低，底泥NH3-N、TN、TP释放量逐渐增加；上覆水体NH3-N含量与TN浓度呈正相关。

关键词：东环城河；底泥；特性；释放量

0引言

巢湖市位于安徽省中部，临近长江，环抱巢湖，现已划归合肥市。巢湖市老城区，有一环城河在西南端的西安桥闸与巢湖相接，通过西安桥闸可以引水至环城河。环城河分东、西环城河。近年来，西环城河通过整治，水质有所好转，但东环城河处于严重富营养化。造成东环城河富营养化的原因主要为城区未截留生活污水的排放及河流底泥贮存营养盐的释放。

目前，我国环境科技工作者通过一系列的技术和方法，使得城市河流的外源污染得到了有效的控制，而在外源得到有效控制后，内源污染就变得更加突出。河流底泥是水体的重要组成部分，不仅是底栖生物的栖息之地，也是水体中微生物活动的场所，它在沉淀、沉积、分解以及污染物的释放方面起着重要作用[1]。河流中的大量营养物质积累于其中。所以它是河流内源污染的污染源。内源污染是指在一定的外界条件下，积累在底泥中的各种无机物和有机物通过一系列的物理、化学和生物作用，可以重新释放到上覆水中，从而对水体造成二次污染，内源污染是造成河流水体富营养化的重要因素[2]。因此，通过研究河流底泥中污染物质释放的特性，可以为巢湖市东环城河富营养化的治理提供科学的依据。

1实验材料和方法

1.1样品采集和处理

实验底泥：2014年11月，选取巢湖市东环城河S1、S2、S3、S4四个取样点(图1)，用KH0204型柱状采样器采集底泥表层样品，滤去其中的水分，同时将底泥中的木屑、碎石和塑料等杂物去除。再将四个取样点的样品混合均匀，用黑色塑料袋封存运回实验室，并放入4℃冰箱中贮存备用。

图1　采样点分布

实验水样：用有机玻璃采水器采集巢湖市东环城河底泥上覆的河水，并加入适量硫酸酸化。

实验测得巢湖东环城河水中COD浓度为18mg/L，NH3-N浓度为3.78mg/L ，TN浓度为5.46mg/L， TP浓度为0.45mg/L。根据地表水环境质量标准GB3838-2002可得，符合Ⅴ类水质标准。

1.2实验装置和方法

实验装置：选用直径为8cm，高度为42cm的1000ml量筒，并将量筒放在阴暗处，以免外界光照的影响。(图2所示)

图2　实验装置

实验方法：在量筒中加入200ml新鲜底泥，并用虹吸管沿容器壁缓慢注入水样，使上覆水的体积为600ml，整个过程对底泥无扰动，然后分别控制温度和上覆水中溶解氧浓度进行实验。

(1)温度控制：设置为10℃、20℃、30℃，并将实验装置放入生化恒温培养箱中培养。

(2)溶解氧浓度控制：设置为厌氧状态、自然状态和好氧状态。厌氧控制：向实验装置的上覆水中充入高纯度氮气，时间为1小时左右，充完后立即用保鲜膜封存。使上覆水DO<1(厌氧状态)，整个通气过程对底泥无扰动。好氧控制：开启电磁式空气泵，利用曝气装置向上覆水中通气，通过溶解氧仪控制上覆水DO>6(好氧状态)。自然状态即为常温状态。三种状态下均为静态培养，温度为25℃，pH=7。

水质分析：实验每隔一天测定底泥上覆水中COD、TN、NH3-N和TP。COD采用重铬酸钾法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；NH3-N采用纳氏试剂分光光度法；TP采用钼酸铵分光光度法[3]。

2结果和分析

2.1底泥COD释放特性研究

2.1.1温度对底泥释放COD的影响

从图3可以看出，温度为20℃时，COD释放量在第8天达到最大值648mg/L。30℃条件下第6天达到释放量最大值558mg/L。而在10℃时，COD释放量明显低于30℃和20℃，在第10天达到释放量最大值389mg/L；实验初期(实验开始至第四天)COD释放平均速率;20℃条件下为106.75mg/L·d，30℃条件下为96.25mg/L·d,而10℃条件下只有56.25mg/L·d。

图3　不同温度水平下COD释放曲线

当温度升高时，微生物活性增强，底泥中有机物释放速率加快，所以，在30℃时COD释放量最先达到最大值。微生物活性增强，可以将底泥中有机质分解，使其含量降低，则释放到上覆水中的COD减少。低温条件下，微生物活性较低，有利于底泥中矿物质和有机质之间作用力的形成，使底泥中的有机质处于相对稳定的状态[4]。所以温度为10℃时底泥释放量最小。在20℃时，微生物自身代谢不强，有机质分解量少，而且底泥中矿物质对有机质的吸附较弱，从而使上覆水中有机质含量升高，COD释放量不断增大。所以，温度在20℃时COD释放量最大。

2.1.2溶解氧对底泥释放COD的影响

从图4可以看出，厌氧状态下底泥释放COD量远大于好氧状态，厌氧状态下在实验第6天达到释放最大值618mg/L，之后COD出现下降的趋势，是由于出现了吸附作用。好氧状态下在第12天达到释放最大值293mg/L。自然状态下第8天达到最大值423mg/L；实验初期(实验开始至第四天)COD释放的平均速率：厌氧状态下为81.75mg/L·d，自然状态下为42.5mg/L·d，而好氧状态下只有20mg/L·d。

图4　不同溶解氧浓度水平下COD释放曲线

溶解氧不同，底泥中的微生物活性受到影响。当DO<1(厌氧状态)时，上覆水中氧含量极低，只有少量厌氧微生物进行厌氧分解消耗了部分有机质，大量有机质不能被分解，被释放到上覆水中，使COD含量不断增加[5]。当DO>6(好氧状态)，上覆水中氧含量充足，底泥中微生物代谢加强，大量有机质被分解，此时上覆水中COD也得到一定程度的分解，但底泥中还有部分有机质释放到上覆水中，最终导致上覆水体中COD含量增加。在自然状态下，水体中溶解氧不是很高，微生物代谢较低，只有部分微生物可以分解底泥中有机质，致使上覆水体中COD含量也不断升高。但释放量是处于厌氧状态和好氧状态之间。

2.2底泥NH3-N释放特性研究

2.2.1温度对底泥NH3-N释放的影响

图5　不同温度水平下Np-N释放曲线

从图5可以看出，温度升高，有利于底泥中NH3-N的释放。在30℃时，NH3-N的释放量明显大于10℃，释放量在第10天达到最大值23.76mg/L，是10℃时的2.1倍。随着时间的推移，前期底泥释放NH3-N逐渐增加，后期上覆水中NH3-N含量减少。实验初期(实验开始至第四天)NH3-N释放的平均速率：30℃条件下为2.75mg/L·d，10℃条件下只有0.6mg/L·d；而从图6中可以看出，温度升高促进了底泥中TN的释放。20℃和30℃条件下，底泥中TN释放量明显大于10℃，在30℃时达到最大值28.56mg/L。是10℃时的2.3倍。并且在前期释放量不断增加，后期含量在不断减少。实验初期(实验开始至第四天)TN释放的平均速率：30℃条件下为3.17mg/L·d，10℃条件下只有0.78mg/L·d。

图6　不同温度水平下TN释放曲线

氮循环主要方式有氨化作用、硝化作用和反硝化作用。底泥中的氮以有机氮为主。微生物利用氧，可进行氨化作用，将有机氮转化为氨氮，释放到上覆水中[6]。温度升高，微生物代谢加强，氨化作用增强，底泥中有机氮化物分解速率加快，使上覆水中NH3-N含量增加。同时在底泥与上覆水接触的表面，微生物可利用氧进行硝化作用，将NH3-N转化为NO2-，进而转化为NO3-。温度升高，溶解氧浓度降低，硝化作用减弱，使氨氮浓度增加[7]；温度下降，微生物代谢降低，氨化作用减弱，致使氨氮浓度降低。而且水中溶解氧浓度增加，硝化作用加强，使部分氨氮转化为硝态氮，致使NH3-N浓度降低[8]。并且从上述的分析中以及结合图形可以看出，NH3-N浓度升高，会导致上覆水中TN浓度上升，相反，NH3-N浓度减少，会使上覆水中TN浓度降低，即上覆水体中NH3-N含量与TN浓度呈正比。所以，夏季时巢湖市东环城河的富营养化程度有所加强，也是蓝藻爆发最严重的时期。

2.2.2溶解氧对底泥释放NH3-N的影响

从图7可以看出，厌氧状态下能促进底泥NH3-N的释放，最大释放量为22.46mg/L，好氧状态下抑制了NH3-N的释放，出现了底泥吸附的现象[9]，实验初期(实验开始至第四天)NH3-N释放的平均速率：厌氧状态下为0.74mg/L ·d，自然状态下为0.49mg/L ·d，而好样状态下则抑制了释放；而从图8可以看出，厌氧状态下底泥TN的释放量远大于好氧状态，厌氧状态下在第10天释放量达到最大值28.14mg/L。是好养状态下的2.9倍，实验初期(实验开始至第四天)TN释放的平均速率：厌氧状态下为1.8mg/L·d，自然状态下为1.2mg/L·d，好氧状态下只有1mg/L·d。

图7　不同溶解氧浓度水平下Np-N释放曲线

图8　不同溶解氧浓度水平下TN释放曲线

当DO<1(厌氧状态)，底泥与上覆水接触的表面溶解氧浓度极低，处于还原状态，硝化作用被抑制，进行反硝化作用，将水体中硝态氮转化为N2O和N2，使上覆水体中硝态氮浓度下降，而此时底泥向上腹水中释放NH3-N，使氨氮浓度上升[10]。当DO>6(好氧状态)。此时好氧微生物代谢加强，利用氧气将底泥中有机氮大量分解，释放出NH3-N，使上覆水中NH3-N浓度升高，时间到达12天时，水体中NH3-N含量不断减少，因为氧气量充足时，硝化作用加强，大量NH3-N被转化为硝态氮[11]。此时硝化作用所消耗的NH3-N含量大于底泥向上覆水体中释放的NH3-N含量，导致NH3-N量减少。自然状态下释放量介于厌氧状态和好养状态之间。并且从上述的分析中以及结合图形可以得出，NH3-N含量增加会使上覆水中TN浓度上升，反之，NH3-N含量减少会使上覆水中TN浓度降低，即上覆水体中NH3-N含量与TN浓度呈正比。

2.3底泥TP释放特性研究

2.3.1温度对底泥释放TP的影响

从图9可以看出，随着温度的升高，底泥中TP的释放量逐渐增大。30℃时TP释放量最大值为2.47mg/L，10℃时只有0.92mg/L；实验初期(实验开始至第四天)TP释放的平均速率：30℃条件下为0.24mg/L ·d，10℃条件下只有0.04mg/L ·d。

图9　不同温度水平下TP释放曲线

底泥中的磷分为有机磷和无机磷，温度升高，微生物代谢增强，有机物分解速率加快，能将底泥中有机磷转化为无机磷释放到上覆水中，使磷含量增加。而且分解得到大量的CO2溶解于水体中，导致水体中钙磷溶解性增大，PO43-增多，使上覆水中磷含量增大[12]；微生物代谢增强，耗氧量增多，水体中DO浓度减小，致使底泥表面处于还原状态，促进了Fe3+转化为Fe2+，形成的磷酸铁沉淀减少，使上覆水中PO43-增多[13]。温度降低，微生物代谢减弱，释放到上覆水体中的无机磷量减少，底泥表层处于氧化状态，使Fe2+转化为Fe3+，形成的磷酸铁沉淀增多，使上覆水中磷含量减少。

2.3.2溶解氧对底泥释放TP的影响

从图10可以看出，厌氧状态下促进了磷的释放，最大释放量达到2.15mg/L，好氧状态下，磷的释放受到抑制，出现了吸附现象；实验初期(实验开始至第四天)TP释放的平均速率：厌氧状态下为0.27mg/L ·d，自然状态下为0.06mg/L ·d，好氧状态则为抑制状态。

图10　不同溶解氧浓度水平下TP释放曲线

上覆水中溶解氧浓度不同，导致底泥释放磷程度不同，当水体中氧含量充足时，Fe3 +与PO43-结合, 以磷酸铁形式沉积到底泥中[14]。水体中溶解氧浓度高低，导致表层底泥的氧化还原电位发生变化，影响水中Fe3+与Fe2+之间的转换。当DO<1(厌氧状态)，底泥表面处于还原状态，使Fe3+转化为Fe2+，磷酸铁沉淀减少，从而使水中磷的浓度变大；当DO>6(好氧状态)，底泥表面处于氧化状态，促使水体中Fe2+转化为Fe3+，与磷酸根离子结合后生成磷酸铁沉淀。而且Fe3+可与(OH)1-生成Fe(OH)3胶体，吸附水中磷，从而使水体中磷含量降低[15]；自然状态下释放量介于厌氧状态和好养状态之间。

3结论

研究表明，温度对底泥释放COD的影响程度为20℃>30℃>10℃。20℃时最大释放量为10℃的1.67倍；厌氧状态下底泥COD释放量远大于好氧状态，是其好氧状态下的2.11倍。

随着温度的升高，底泥中NH3-N、TN、TP释放量也不断增加；当溶解氧浓度逐渐降低时，底泥NH3-N、TN、TP释放量却在逐渐增加。

从实验中还可以得出，NH3-N含量增加会使上覆水中TN浓度上升，相反，NH3-N含量减少会使上覆水中TN浓度降低，即上覆水体中NH3-N含量与TN浓度呈正比。

所以，当水体中溶解氧浓度一定时，温度越高，水体受污染的程度会加剧。也就是说夏季时巢湖东环城河水体污染的程度比冬季严重。当温度为一定时，水体中溶解氧高时，可以抑制底泥营养盐的释放，水体的缺氧促进底泥营养盐的释放。

针对巢湖市东环城河底泥营养盐释放的研究结果，可为巢湖市东环城河的清淤提供资料，也可为巢湖市东环城河富营养化的治理提供理论依据。

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Study on Characteristics of the Sediment Release in the East of the Round-the-city River in Chao Hu

MIN Wen，HUANG Ming

(School of Environment and Energy Engineering,Anhui Jianzhu University，hefei ,230022,China)

Abstract:Under the condition of indoor static simulation，this experiment researches the properties of sediment in the east of the round-the-city river in Chao Hu release COD、NH3-N、TN and TP，at different temperatures and dissolved oxygen concentration levels. Results show that: when the temperature is 20℃，the quantity of sediment release COD reaches a maximum，the 10℃ is minimum. And the quantity of releasing COD in anaerobic condition is far greater than the aerobic condition. With the increase of temperature，the release of NH3-N、TN、TP in sediment continuously increased，and when the overlying water dissolved oxygen concentration decreases gradually，the quantity of Sediment release NH3-N、TN、TP is gradually increasing. The correlation with NH3-N content and concentration of TN are positively significant.

Key words:the east of the round-the-city river；sediment；characteristics；the quantity of releasing

中图分类号：X522

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2016)01-065-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160114

作者简介：闵文(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为城市给水排水管网系统设计与优化。

基金项目：国家科技重大专项(2014ZX07303003)

收稿日期：2015-06-26