上覆水环境变化对底泥释氮强度影响模拟研究

卢俊平,贾永芹,张晓晶,马太玲,梅小乐,杨 红

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古 呼和浩特 010018)

受上覆水环境条件变化的影响,底泥会发生氮磷营养盐汇、源角色的转变,营养盐会重新向上覆水体逐时释放,成为湖库水体富营养的主导污染源[1-2]。氮磷在泥-水界面迁移转化受水温[3]、pH值[4]、水体扰动[5]和溶解氧[6]多种环境因子的影响与制约,底泥氮磷营养盐形态、吸附-解吸行为、释放时间和释放量具有随机性[7-8]。因此,底泥氮磷内源释放引发的二次污染引发诸多学者的关注和重视[9-11]。当前国内对湖库水体底泥的磷营养盐含量、赋存形态、浓度梯度、空间分布以及对水体的贡献有较多研究[12-16],对底泥受上覆水外界环境变化引起的氮释放影响研究成果甚少,尤其对底泥氮释放强度与环境因子的拟合回归方面的研究成果鲜有报道。因此,研究影响底泥氮释放水的上覆水环境因素,探求底泥释氮强度与上覆水环境因子之间的定量拟合关系,对于通过改变上覆水环境调控防治底泥内源释氮污染具有一定指导意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在GPS导航下乘气垫船至各采样点,用奥地利日溪开闭式不锈钢分层采样器,采集锡林郭勒盟多伦县大河口水库18个监测点(A1、A2、B1、B2、C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E2、E3、F1、F2、F3、L、T,图1),泥深为15 cm处的库底底泥[8],标记好放在低温密封装置中运回实验室。采样点布置见图1。

1.2 供试材料

底泥:将采集的18个底泥样品混合,底泥的主要理化指标为pH=7.63,w(有机质)为4.2%,w(NH4+-N)为229 mg·kg-1,w(TN)为2 246 mg·kg-1,剔除底泥中的杂质待用。

上覆水:用分层采水器从水库18个底泥采样点对应库底以上0.5 m处采集混合水样,带回实验室, 4 ℃条件下保存备用。底泥上覆水ρ(TN)为3.50 mg·L-1。

图1 大河口水库底泥采样点示意Fig.1 Layout scheme of monitoring points in the Dahekou Reservoir

1.3 试验方案

依据水库年内各季节上覆水温度、pH值、水动力和溶解氧4项环境因素实际变化幅度,选定不同水平条件进行底泥模拟实验。因沉积物和水之间存在着吸收和释放的动态平衡,试验初期底泥中氮含量较大,会形成一个向上的浓度梯度,造成氮的释放。试验开始后每隔2 d用移液管从沉积物样品上覆水中段取样10 mL,测定TP浓度。同时,再用10 mL原水库地表水补充至玻璃瓶原始刻度。第18天底泥与上覆水中氮浓度基本接近,吸附与释放达到动态平衡,室内底泥释氮模拟试验结束。

(1)调节反应器上覆水体pH值为7.0,采用生化恒温培养箱设置温度为5、10、15、20和25 ℃,每隔48 h取样测定其上覆水体TN浓度。

(2)用浓度为1 mol·L-1的Na2CO3和V(H2SO4)∶V(水)=1∶5溶液调节反应器底泥,设置上覆水起始pH值分别为5.5、6.0、7.0、8.0和9.5,每隔48 h取样测定其上覆水体TN浓度。

(3)调节反应器上覆水pH值为7.0,采用无极调速搅拌器设定水动力条件0、15、30、60和100 r·min-1,每隔48 h测定其上覆水体TN浓度。

(4)调节反应器上覆水pH值为7.0,通过氧气瓶和氮气瓶上安装的气体流量计控制底泥上覆水体ρ(溶解氧)为2.0、3.5、4.0、5.0和6.5 mg·L-1,每隔48 h测定其上覆水体TN浓度。

试验装置如图2所示。

1.4 分析方法

参照《水和废水监测分析方法》[17],采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定底泥上覆水TN浓度。

图2 底泥总氮释放模拟试验装置Fig.2 Equipment of test on nitrogen release from sediment

1.5 数据处理方法

取3次检测值的平均值作为试验结果,对试验数据(表1)整理后用Excel 2013和SPSS 19.0软件作图。底泥释氮强度计算公式[18]为

(1)

式(1)中，M为释氮强度,mg·m-2;V为水样体积,L;Cn为第n次采样底泥上覆水TN质量浓度,mg·L-1;C0为初始TN质量浓度,mg·L-1;Vi为每次采样体积,L;Ci-1为第i-1次采样时水中TN质量浓度,mg·L-1;Ca为添加水体中TN质量浓度,mg·L-1;A为与水接触的沉积物表面积,m2。

表1几种环境条件下底泥上覆水总氮浓度检测结果

Table1Thechangeofthetotalnitrogenreleaseconcentrationfromsedimentindifferentconditions

时间/d温度/℃pH值转速/(r·min-1)ρ(DO)/(mg·L-1)5101520255.56.07.08.09.501530601002.03.54.05.06.5 05.886.766.518.547.916.465.615.865.066.516.327.328.629.049.426.305.705.265.265.18 27.867.089.1412.6113.727.956.553.654.939.275.066.528.569.9513.248.998.197.836.535.49 48.017.929.9612.8813.7610.528.425.367.3212.367.009.2510.6811.9415.0410.149.347.916.917.00 610.557.1613.4516.3218.4411.819.987.478.4113.628.7510.6412.1514.5016.319.568.768.387.387.16 89.3110.5112.3614.1017.0515.6212.9910.8812.9214.717.568.8210.0813.2114.9211.4010.608.698.697.26 109.5711.3611.5514.6817.7512.289.818.418.8614.156.239.037.219.5211.1212.1211.329.869.068.49 1210.9612.0514.7116.7917.7514.2212.299.847.8615.626.517.497.5611.1311.6911.1711.3710.628.298.90 1411.5811.9815.6215.4317.0212.3811.217.229.1913.555.325.885.678.617.9111.2110.418.307.306.93 1611.3014.0915.6517.0517.5213.3111.369.3511.3614.715.606.306.027.638.2610.139.337.816.616.51 189.4910.7913.1514.3215.4212.2210.027.9510.0212.924.555.124.765.535.749.578.777.206.215.30

试验用水初始ρ(TN)为3.50 mg·L-1。

根据式(1),计算得出温度为5、10、15、20、25 ℃条件下底泥总氮释放强度分别为852.65、899.07、1 171.28、1 441.35和1 606.40 mg·m-2,pH值为5.5、6.0、7.0、8.0和9.5条件下底泥总氮释放强度分别为1 117.75、892.05、622.32、738.26和1 248.06 mg·m-2,水动力条件为0、15、30、60和100 r·min-1条件下底泥总氮释放强度分别为497.18、671.04、749.58、988.78和1 160.74 mg·m-2,ρ(溶解氧)为2.0、3.5、4.0、5.0和6.5 mg·L-1条件下底泥总氮释放强度分别为936.79、851.94、712.21、597.45和547.35 mg·m-2。

2 结果与讨论

2.1 上覆水温变化对水库底泥释氮的影响

由图3可见,不同的温度条件下,底泥总氮释放过程均具有明显的波浪式变化趋势,在反应初始阶段的6 d内,底泥与上覆水总氮浓度梯度差较大,底泥释氮强度变化曲线呈直线上升,随后从第6至18天内,受上覆水总氮浓度增大的影响,底泥总氮释放强度增幅变缓。可见，总氮在底泥和上覆水中的分配过程是一个动态平衡过程,上覆水温度的变化直接决定了底泥总氮释放强度的变幅。试验结果表明,温度上升明显增强了底泥氮释放强度,25 ℃下底泥氮释放强度为1 606.40 mg·m-2,是5 ℃条件下的1.9倍。温度每升高10 ℃,释放强度增加将近1.37倍。温度升高会加快物理、化学、生物反应进程,促进有机氮的快速分解,增大其向上覆水体的释放量。这与ALLER[19]用数学模型模拟海湾沉积物间隙水中营养盐浓度,得出随温度升高营养盐产出率也升高的结论相一致。温度升高也有助于上覆水中有机氮分解而加速溶解氧消耗,导致贴近底泥释放层水体中氧化层的深度减小,从而减缓或阻止硝化作用,使得底泥中氨氮遵循分子扩散规律向上覆水体扩散[20]。

试验中底泥氮释放强度与温度变量之间的关系往往不是简单的线性关系,而可能呈现某种曲线或非线性的关系。应用SPSS 19.0软件对温度(T)变量与底泥TN释放强度(RTN)进行线性、对数、二次函数、三次函数、复合函数、幂函数等多种函数曲线拟合,在上覆水温度范围为5～25 ℃环境条件下,底泥TN释放强度与温度的拟合关系以二次函数曲线拟合为最优,线性次之。二次函数拟合回归方程为RTN=0.672T2+20.842T+696.776(R2=0.974)。

图3 不同温度条件下底泥总氮释放强度随时间的变化特征Fig.3 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different temperature

2.2 上覆水pH值变化对水库底泥释氮的影响

由图4可见,试验初期(0～8 d)在底泥与上覆水之间含氮营养盐浓度梯度的驱动作用下,底泥含氮营养盐迅速向上覆水体扩散释放[21]。第8天后底泥与上覆水之间含氮营养盐浓度差变小,扩散释放作用明显减弱,含氮营养盐进一步释放就需要底泥中含氮有机质持续矿化,当含氮有机质的矿化速率较小而每天加入的上覆水的稀释速率较大时,底泥总氮释放强度减弱。底泥总氮释放与氨氮释放具有相似特征,在偏酸碱性环境条件下,均高于中性条件下总氮释放强度,底泥释氮强度与pH值呈现抛物线型变化趋势,与梁淑轩等[22]、沙茜等[23]对不同pH值条件下沉积物氮磷释放影响规律相吻合。这归因于偏碱性环境下氨化菌比较活跃,可促进沉积物中氮的释放,水溶液中H+浓度越大,沉积物胶体中NH4+同H+竞争吸附位置,被释放出来[24]。

对pH值(x)与底泥TN释放强度(RTN)进行线性、对数、二次函数、三次函数、复合函数、幂函数等多种函数曲线拟合,确定两者之间的最优拟合曲线及回归方程。结果表明,在上覆水pH值范围为5.5～9.5条件下底泥TN释放强度与pH值的拟合函数关系呈开口向上的抛物线,且以二次函数曲线拟合为最优,三次函数次之,线性最差。二次函数拟合回归方程为RTN=134.03x2+1 972.963x+7 904.791(R2=0.976)。

图4 不同pH值条件下底泥总氮释放强度随时间的变化特征Fig.4 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different pH conditions

2.3 上覆水动力变化对水库底泥释氮的影响

由图5可见,加速水体扰动可增强底泥总氮释放强度,且不同水动力条件下,底泥总氮释放强度达到最大值的时间基本一致,均出现在试验开始后第6天。高强度扰动下(R=100 r·min-1)底泥最大释氮强度为1 469.5 mg·m-2,是静置条件下的2.1倍。REDDY等[25]和SONDER-GAARD等[26]分别在对Apoka湖和Arreso湖的调查中也发现,水动力悬浮作用造成上覆水营养盐浓度增加是单纯静态扩散条件下的数十倍,证实水动力作用在湖库内源营养盐释放中发挥着极其重要的作用,增大水体扰动强度不仅可以促使底泥中颗粒氮再悬浮,加速底泥间隙水氮扩散,而且有助于增加底泥和上覆水之间营养盐物质的交换通量,从而促进底泥氮释放。

图5 不同水力扰动下底泥总氮释放强度随时间的变化特征Fig.5 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different hydrodynamic conditions

对上覆水水动力变量(K)与底泥总氮释放强度(RTN)进行线性、对数、二次函数、三次函数、复合函数、幂函数等多种函数曲线拟合,确定两者之间的最优拟合曲线及回归方程。结果表明,在水动力范围为0～100 r·min-1环境条件下,底泥TN释放强度与水动力条件的拟合情况,以二次函数曲线拟合为最优,三次函数次之。水动力条件与底泥TN释放强度的二次函数拟合回归方程为RTN=-0.034K2+9.991K+504.423(R2=0.996)。

2.4 上覆水溶解氧变化对水库底泥释氮的影响

由图6可见,在试验初期的10 d内底泥总氮释放强度呈线性增大,10 d后底泥总氮释放强度趋于稳定,并呈下降趋势。底泥总氮释放强度与上覆水体溶解氧浓度密切相关,随溶解氧浓度提高,总氮释放强度降低。底泥总氮释放强度取决于底泥中含氮化合物的主要存在形态及其在溶解氧和细菌相互作用下的转化。在好氧条件下上覆水体中硝化菌将氨氮分解转化为硝态氮,使得底泥释放氨氮的作用被抵消,上覆水体中氨氮浓度升高不明显,而底泥也会同时释放硝态氮,导致上覆水体中硝态氮浓度持续增加,氮的释放以NO3--N溶出为主。在缺氧条件下,底泥释放氨氮的水平显著提高,上覆水体中氨氮浓度会迅速增加,且释放强度远高于好氧条件下NO3--N释放速率。总体而言,在低溶解氧浓度水平或缺氧条件下底泥释氮强度较大,有利于底泥氮释放,随着溶解氧浓度上升或好氧条件下底泥释放强度会明显减弱,不利于底泥氮释放。

图6 不同溶解氧条件下底泥总氮释放强度随时间的变化特征Fig.6 The change curve of total nitrogen release intensity from sediment in different dissolve oxygen conditions

将溶解氧浓度(r)与底泥TN释放强度(RTN)进行线性、对数、二次函数、三次函数、复合函数、幂函数等多种函数曲线拟合。结果表明,在ρ(DO)为2.0～6.5 mg·L-1条件下,底泥TN释放强度与溶解氧浓度以三次函数曲线拟合为最优,二次函数次之。溶解氧浓度与底泥TN释放强度拟合三次函数回归方程为RTN=-661.174r3-204.095r2+16.658r+299.572 (R2=0.988)。

3 结论

(1)湖库底泥与上覆水环境界面氮磷营养盐分配是一个受多重环境因子影响而引发的动态过程。环境因子的改变会影响底泥含氮有机质发生物理、化学、生物反应,促进有机氮的分解转化,增大向上覆水体的释放量。

(2)底泥释氮强度受上覆水温度、pH值、水动力、溶解氧环境因子的变化影响显著。温度升高和加强水力扰动会增强微生物的新陈代谢作用和促进底泥颗粒的再悬浮,增强底泥氮的释放和向上覆水的扩散特性;溶解氧浓度升高会明显抑制底泥氮释放,底泥释放强度明显减弱;偏酸碱环境条件均有利于底泥氮释放,中性条件下总氮释放特征不明显。

(3)通过采用多种曲线类型对底泥TN释放强度与温度、pH值、水动力和溶解氧浓度拟合关系比较可知,底泥总氮释放强度与温度、pH值、水动力环境因素以二次函数曲线拟合为最优,三次函数次之,而与溶解氧因素以三次函数曲线拟合为最优,二次函数次之。底泥释氮强度与环境变量pH的拟合函数关系呈开口向上的抛物线。