典型环境因子对沈阳北运河底泥总氮释放的影响

程志辉，徐婧文，张运德，张 毅，范 洋，姜 磊

(辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036)

0 引言

底泥是河流生态系统的重要组成部分，进入河流水体的各种污染物质在吸附、沉淀等过程的作用下，不断沉积于底泥中，底泥成为污染物的“汇”；环境条件发生变化时，底泥则会成为污染物的“源”，其中所含有的氮、磷和有机质等不断向水体释放，使上覆水中氮磷浓度长时间维持在较高水平，从而引起水体富营养化[1，2].城市黑臭水体治理进程中发现，外源污染的输入得到有效控制后，河流水质并未得到有效改善，底泥中氮、磷的释放成为水质恶化的主要因素[3，4].因此，研究河流底泥中营养盐的释放规律，对于彻底防治水体污染、改善水环境具有重要的意义.本研究采用静态模拟试验的方法，对沈阳北运河底泥污染物释放过程开展研究，探讨温度等典型环境因子对底泥氮的释放规律的影响，旨在为我国城市河流治理提供一定参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验用底泥来源于沈阳北运河，用采泥器采集河床表层15 cm左右厚度的底泥，置于阴凉干燥处自然风干，剔除动植物残体、石块、塑料等杂物，混合均匀后研磨，过18目筛，装入自封袋中备用.

1.2 试验设计

称取100 g风干底泥于烧杯中，铺平，轻压，在尽量不扰动底泥的条件下，沿烧杯壁缓慢加入1 000 mL上覆水(当天取自北运河的河水)，静置.每天用移液管吸取距离沉积物表层5 cm处的上覆水进行分析，采样时间共10 d，对所采水样立刻进行分析.实验过程中设定的上覆水中总氮浓度分别为0，1.0，2.0 mg/L；采用稀HCl溶液或NaOH溶液将上覆水pH分别调节为6，7和8；温度影响实验中，将烧杯放置于4 ℃，15 ℃和30 ℃的恒温培养箱中.

1.3 样品处理与数据分析

总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法[5]，pH的测定采用pH计(雷磁PHS-3C)，运用Excel 2003和SPSS 13.0软件对数据进行处理和统计分析.

2 结果与讨论

2.1 覆水总氮浓度对底泥中总氮释放的影响

上覆水总氮浓度对底泥中总氮释放过程及释放量的影响如图1所示.由图中可以看出，随着静置时间的延长，上覆水总氮浓度均逐渐增加，表明底泥中的氮不断通过扩散作用释放进入到水体中，底泥成为水体氮素污染的“源”.河流生态系统中的底泥-水界面上的氮平衡被破坏后，底泥和上覆水之间总氮浓度的差值作为氮素传质的主要推动力[6，7]，对底泥总氮的释放过程起着决定性作用.上覆水总氮浓度越低，系统中氮素传质推动力(浓度差)越大，传质速率越高，底泥总氮释放量越大.本研究中，上覆水总氮浓度不相同时，总氮释放量差异显著(P<0.05)(图1(b)).上覆水总氮初始浓度为0.0 mg/L时，在第1 d至第3 d时，水体中总氮浓度均保持在较低水平；第4 d时水体中总氮浓度达到了2.08 mg/L，大于2.0 mg/L(Ⅴ类水限值)(图1(a)).由此可见，底泥氮的释放是导致上覆水体总氮浓度较高的原因之一，因此，通过直接引入洁净水置换水体的方法，可以在短期内达到迅速减轻水体总氮浓度的目的，收效很快，但治标不治本.要从根本上解决河流污染的问题，亟需对河流底泥加以管理，有效抑制底泥污染物的释放[8].

图1 上覆水浓度对底泥总氮释放过程及释放量的影响

2.2 上覆水pH值对底泥中总氮释放的影响

上覆水pH值对底泥中总氮释放过程及释放量的影响如图2所示.由图中可以看出，偏酸性条件(pH=6)下底泥释放总氮量显著低于中性条件(pH=7)和偏碱性条件(pH=8)下的释放量(P<0.05)(图2(b)).上覆水初始pH可以改变水体中氮素的存在形态，也会通过底泥微生物在一定程度上影响底泥中氮素的释放，硝化细菌和氨化细菌的最佳适宜生长条件为中性或偏碱性环境(pH为7.5～8.2)[9].本研究中，偏酸性条件(pH=6)下，氨化细菌和硝化细菌的生物活性降低，使底泥中总氮的释放量较小.而在偏碱性条件(pH=8)下，相对于酸性条件和中性条件是比较适宜硝化细菌和氨化细菌的生长繁殖活动，因而总氮的释放量较大.同时，偏碱性条件的释放量大于中性条件，但差异不明显(P>0.05)(图2(b)).也有研究表明，偏酸性和偏碱性条件对底泥中氮的释放过程均起到促进作用[10].由此可见，底泥氮素的释放与pH值之间是一个比较复杂的过程关系，至今还没有统一的定论.氮的释放过程主要取决于底泥中氮化合物分解的难易程度，因此，后续研究中需进一步考察上覆水初始pH值对不同形态的氮素，包括蛋白质、氨基酸和有机胺等有机氮和铵态氮、硝态氮、亚硝态氮等无机氮的释放过程的影响，并综合分析氮素释放过程中水体pH值的变化情况.

图2 上覆水pH值对底泥总氮释放过程及释放量的影响

2.3 温度的影响对底泥中总氮释放的影响

温度对底泥中总氮释放过程及释放量的影响如图3所示.由图中可以看出，环境温度越高，底泥总氮的释放量越大，且差异显著(P<0.05)(图3(b)).30 ℃条件下总氮的释放量为38.66 mg，是15 ℃条件下总氮释放量的1.44倍，更是达到了4 ℃条件下总氮释放量的21.34倍(图3(b)).在30 ℃的条件下，第3 d到第6 d内，上覆水中总氮浓度呈线性增长；在第6 d以后，上覆水中总氮浓度变化不大，趋于稳定；而在4 ℃的条件下，上覆水总氮浓度变化不大(图3(a)).温度的变化主要影响沉积物中有机氮的氨化、硝化、反硝化速率和水体中的溶解氧含量[11].一方面，底泥中微生物的活性随温度的升高而相应地提高，活性的增加会对底泥中有机氮的分解产生促进作用[12]，促使上覆水中底泥氮的释放量增加；另一方面，静止状态下底泥中各形态氮的释放过程遵循分子扩散定律(费克定律)，分子扩散系数是随着温度升高而升高的[13].

图3 温度对底泥总氮释放过程及释放量的影响

2.4 底泥总氮释放的动力学过程分析

利用Lagergren一级动力学模型、Lagergren二级动力学模型[14]和Elovich模型[15]对试验数据进行了拟合分析.本研究中，Lagergren一级动力学模型和Elovich模型对河流底泥总氮释放的拟合效果较好(r>0.9)，且Elovich模型略优于Lagergren一级动力学模型，而Lagergren二级动力学模型拟合效果较差.底泥总氮释放过程的Lagergren一级动力学模型和Elovich模型拟合结果见表1.由表中数据可以看出，上覆水总氮原始浓度越低，释放速率常数越大，依据Lagergern一级动力学模型，上覆水总氮浓度为0.0 mg/L时，总氮释放速率最大，是1.0 mg/L时的1.22倍，是2.0 mg/L时的1.30倍；依据Elovich模型，上覆水总氮浓度为0.0 mg/L时，总氮释放速率是1.0 mg/L时的1.03倍，是2.0 mg/L时的1.04倍.温度越高，释放速率常数越大，依据Lagergern一级动力学模型，温度为30 ℃时，总氮释放速率最大，是15 ℃时的1.96倍；依据Elovich模型，温度为30 ℃时，总氮释放速率是15 ℃时的1.21倍.pH值越高，释放速率常数越大，依据Lagergern一级动力学模型，pH=8时，总氮释放速率最大，是pH=7时的1.12倍，是pH=6时的2.38倍；依据Elovich模型，pH=8时，总氮释放速率是pH=7时的1.01倍，是pH=6时的1.48倍.

表1 底泥总氮释放的动力学过程分析结果

3 结论

1)沈阳北运河底泥成为水体氮素污染的“源”，静置条件下，底泥总氮不断通过扩散作用释放进入到水体中.随着时间延长，底泥总氮释放量逐渐增加，到第6 d 以后基本达到平衡.

2)上覆水总氮浓度、pH值及温度等条件对底泥总氮释放产生不同程度的影响.上覆水总氮浓度分别为0.0，1.0，2.0 mg/L时，总氮释放量为32.90，28.96，26.93 mg，且差异显著(P<0.05).pH值分别为6，7，8时，总氮释放量为16.25，26.39，29.45 mg，中性和偏碱性条件下总氮释放量显著高于偏酸性条件(P<0.05).温度为4 ℃，15 ℃，30 ℃时，总氮释放量分别为1.80，26.93，38.66 mg，且差异显著(P<0.05)

3)底泥总氮释放动力学研究结果发现，采用Lagergren一级动力学模型和Elovich模型拟合效果较好(r>0.9).