江阴城区河道沉积物氮磷吸附（解吸）特征分析

朱锐　李林泽　刘飞

摘要：以江阴城区河道沉积物为研究对象，选取6条河道，设置6个检测点，通过84组吸附（解吸）试验研究了沉积物的氮、磷吸附（解吸）等温线特征。结果表明：在试验浓度范围内，沉积物的氮、磷吸附（解吸）等温线，呈显著相关;沉积物对氨氮的吸附（解吸）平衡浓度为1.58～3.33mg/L，对磷的吸附（解吸）平衡浓度为0.02～0.58mg/L;沉积物对氨氮的本底吸附量为48.784～75.684mg/kg，对磷的本底吸附量为1.0706～37.270mg/kg;沉积物对氨氮的吸附效率为17.627～40.599L/kg，对磷的吸附效率为54.048～95.559Lkgo各河道沉积物对氮、磷的吸附能力均差别不大。

关键词：河道沉积物;吸附;解吸;氮;磷;江阴城区

中图法分类号：X52 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.011

水体富营养化是我国湖泊、河流、水库面临的重大环境问题，水体富营养化对水质产生影响，造成鱼类大量死亡，加速湖泊沼泽化发展。据统计，我国因氮、磷污染而导致水体富营养化的湖泊占56%[1]。因此，水体的富营养化治理十分必要。氮、磷是引起水体富营养化的重要因素，研究沉积物对氮、磷的吸附（解吸）特性对富营养化水体的治理有着不可忽视的作用。沉积物中的有机质在微生物作用下产生矿化作用，生成大量氨氮，聚集在间隙水中，并向上覆水体扩散;同时，沉积物中的颗粒会吸附一部分氨氮，抑制其向上覆水体的扩散，并影响氮在沉积物中的硝化和反硝化过程[2]。沉积物作为磷元素累积和再生的重要场所，在环境条件改变的情况下，可通过各种复杂的过程释放到上覆水中[3]。

随着城市化进程的加快，城市水环境问题越来越严重，水环境污染早已超过城市水体的环境容量及自净能力，导致水质恶化、水生态系统退化等诸多亟待解决的问题，部分河湖存在水体黑臭、水系不畅等问题，对城区居民的生活环境造成了很大影响，城市黑臭水体不仅给群众带来了极差的感官体验，也是直接影响群众生产生活的突出水环境问题。为了改善江阴市城区人居环境，江阴市政府决定实施江阴市水环境综合治理工程，拟采用底泥清淤等工程措施对江阴城区河湖水质及底泥进行处理。

本文研究了江阴城区河道底泥沉积物对氮、磷的吸附（解吸）特性，探讨各河道沉积物的“汇”“源”状况，可为江阴市城区水环境综合治理提供数据支撑。

1材料与方法

1.1研究区域

在江阴城区选择6条河道，设置6个底泥污染物检测点，具体点位信息见表1。

1.2样品采集与处理

2019年7月用柱状采样器采集表层样A和柱状样B，取样深度见表2。采样点点位用GPS进行定位。采集后的样品用冷冻保温装置保存，运回实验室，室温下置于通风千燥处风干备用。

13测定方法

1.3.1氨氮吸附（解吸）试验

分别称取各点污染层和过渡层风千土样7份，每份0.6go按水土比100：1向各土样中加入60mL浓度分别为0.0，0.2，1.0，1.5，2.0，4.0mg/L和8.0mg/L的氨氮系列溶液，于25C震荡2h后经0.45um混合纤维滤膜过滤，采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮浓度。在相同条件下做3个平行对照组试验，相对误差<5%。

1.3.2溶解性磷酸盐吸附（解吸）试验

分别称取各点污染层和过渡层风千土样7份，每份0.6g。按水土比100：1向各土样中分别加入60mL浓度为0.00，0.02，0.05，0.10，0.20，0.40mg/L和0.80mg/L的系列磷溶液，于25C震荡48h后经0.45um混合纤维滤膜过滤，采用磷钼蓝比色法测定溶解性磷酸盐浓度。在相同条件下做3个平行对照组试验，相对误差<5%。

分析方法

1.4沉积物中氮磷吸附量计算公式为

式中，Q为吸附量，mg/kg;co为氮磷原液浓度，，mg/L;Ce为样品浓度，mg/L;V为加人样品中的溶液体积，mL;m为土样质量，g。

用Henrry方程4拟合不同浓度下沉积物对氮、磷的吸附量。

2结果与分析

2.1沉积物中氨氮的吸附（解吸）

在试验设定的浓度范围（0～8.0mg/L）内，各个检测点的表层和过渡层沉积物对氨氮的吸附量与初始溶液浓度的等温吸附曲线结果见图1。

从图1可看出，氨氮原始溶液浓度与试验所得的吸附量呈很好的线性关系。在水体氨氮初始浓度较低的情况下，各点沉积物都表现出对氨氮不同程度的解吸现象;随着氨氮初始溶液浓度的增大，沉积物逐渐吸附上覆水体中的氨氮，且吸附量随水体氨氮浓度的增大而增大。

对沉积物吸附氨氮的量与初始溶液浓度进行线性拟合，得到吸附等温线方程，拟合结果见表3。当吸附量为0时，曲线与x轴的交点如o表示沉积物与水体达到吸附（解吸）平衡时溶液中氨氮的浓度（ECo），斜率h表示沉积物吸附氨氮的效率。由拟合结果可知，沉积物氨氮的等温吸附拟合均达显著水平，沉积物对氨氮的吸附（解吸）平衡浓度最小为1.58mg/L，最大为3.33mg/L。沉积物对氨氮的吸附效率最小为17.627L/kg，最大为40.599L/kg，平均吸附效率为28.577Lkg，可看出各河道沉积物对氨氮的吸附能力差别不大。

当上覆水体中氨氮浓度小于沉积物中氨氮浓度时，水体中的微生物对沉积物中的有机氮产生矿化作用，分解为氨氮，并通过交换作用进入水体，此时沉积物起到“源”的作用;反之，当上覆水体中氨氮浓度大于沉积物中氨氮浓度时，上覆水体中的氨氮反向进人沉积物，在沉积物中积累，此时沉积物起到“汇”的作用5。由表3可知，东横河表层、东横河过渡层北潮河表层、葫桥中心河表层、葫桥中心河过渡层的氨氮ECo大于上覆水体氨氮浓度，处于“源”的角色，存在释放风险;其余监测点的氨氮EC0均小于上覆水体氨氮浓度，發挥“汇”的作用。当湖泊上覆水浓度大于0.20mg/L时，被视为富营养化水体。龙泾河、南新河、澄塞河北潮河上覆水体氨氮浓度远大于0.2mg/L，因此当上覆水体达到富营养化时，沉积物将起到“汇”的作用，这与王娟等[5研究的结果一致。

吸附（解吸）试验中得到的氨氮吸附量实际上仅是表观吸附量，沉积物对氨氮的吸附应是本来结合在沉积物中可被解吸的氨氮（本底吸附量）与在吸附实验中被吸附的氨氮的总和l。由表3线性拟合结果可以得到沉积物对氨氮的本底吸附量Qa，结果见表4。其中，澄塞河表层的本底吸附量最小，为48.784mg/kg;澄塞河过渡层的本底吸附量最大，为75.684mg/kg。

2.2沉积物中可溶性磷酸盐（DP）的吸附（解吸）

在试验设定的浓度范围（0～0.80mg/L）内，各个检测点的表层和过渡层沉积物对磷的吸附量与初始溶液浓度的等温吸附曲线结果见图2。

从图2可以看出，与氨氮相似，磷原始溶液浓度与试验所得的吸附量呈很好的线性关系。当水体的磷初始溶液浓度较低时，沉积物无一例外地表现出对磷的解吸;随着磷初始溶液浓度的增大，沉积物逐渐由解吸转变为吸附过程，且吸附量随水体磷浓度的增大而增大。

对沉积物吸附磷的量与初始溶液浓度进行线性拟合，得到吸附等温线方程，拟合结果见表5。当吸附量为0时，曲线与x轴的交点xo表示沉积物与水体达到吸附（解吸）平衡时溶液中磷的浓度（EPC.），斜率h表示沉积物吸附磷的效率。由拟合结果可知，沉积物磷的等温吸附拟合均达显著水平，且沉积物对磷的吸附（解吸）平衡浓度变化较大，最小为0.02mg/L，最大为0.58mg/L;沉积物对磷的吸附效率最小为54.048L/kg，最大为95.559L/kg，平均吸附效率为73.465L/kg，可以看出各河流道沉积物对磷的吸附能力差别不大。

由表5可知，龙泾河表层、龙泾河过渡层、南新河过渡层、葫桥中心河过渡层的EPCo小于上覆水体DIP，沉积物起到“汇”的作用，无释放风险;其余监测点的EPCo均大于，上覆水体DIP，是上覆水体中磷的“源”，存在释放风险。

底泥沉积物吸附磷的等温线方程及吸附（解吸）平衡浓度与氨氮相似，沉积物对磷的吸附应是本来结合在沉积物中可被解吸的磷（本底吸附量）与在吸附试验中被吸附的磷的总和。由表5线性拟合结果可以得到沉积物对磷的本底吸附量O，结果见表6。其中，龙泾河过渡层的本底吸附量最小，为1.0706mg/kg;北潮河表层的本底吸附量最大，为37.270mg/kg。结合表5、表6可以看出，沉积物对磷的本底吸附量变化与沉积物对磷的吸附（解吸）平衡点浓度变化基本一致。

3结论

本文研究了江阴市城区6条河道表层、过渡层沉积物对氨氮、可溶性磷酸盐的吸附热力学特征，得出如下结论：

（1）用Henry方程拟合不同浓度下沉积物对氮、磷的吸附，效果均较好，由拟合结果可得到沉积物对氮磷的吸附（解吸）平衡浓度、本底吸附量和吸附效率。

（2）沉积物对氨氮的吸附（解吸）平衡浓度ECo为1.58～3.33mg/L，对可溶性磷酸盐的吸附（解吸）平衡浓度EPCo为0.02～0.58mg/L。

沉积物对氨氮的本底吸附量Qau为48.784～75.684mg/kg，对磷的本底吸附量Qz为1.0706～37.270mg/kg。

沉积物对氨氮的吸附效率为17.627～40.599L/kg，对磷的吸附效率为54.048～95.559L/kg，且各河道沉积物对氮、磷的吸附能力均差别不大。

将沉积物对氮磷的吸附（解吸）平衡浓度与上覆水体氮磷浓度比对可知，东横河表层、东横河过渡层北潮河表层、葫桥中心河表层、葫桥中心河过渡层存在氮释放风险;南新河表层、东横河表层、东横河过渡层、澄塞河表层、澄塞河过渡层北潮河表层、北潮河过渡层、葫桥中心河表层存在磷释放风险。参考文献：

[1]胡智弢，孙红文，谭媛.湖泊沉积物对N和P的吸附特性，及影响因素研究[J].农业环境科学学报，2004，23（6）：1212-1216.

[2]马宁，王宇，史春梅，等.氨氮在底泥中的吸附-解吸行为研究进展[J].现代农业科技，2010（24）：273-274.

[3]王圣瑞，金相灿，赵海超，等.长江中下游浅水湖泊沉积物对磷的吸附特征[J].环境科学，2005，26（3）：38-43.

[4]姜桂华.铵态氮在土壤中吸附性能探讨[J].长安大学学报，2004，21（2）：32-38.

[5]姜霞，王秋娟，王书航，等.太湖沉积物氮磷吸附/解吸特征分析[J].环境科学，2011，32（5）：1285-1291.

[6]王娟，王圣瑞，金相燦，等.长江中下游浅水湖泊表层沉积物对氨氮的吸附特性[J].农业环境科学学报，2007，26（4）：1224-1229.

（编辑：李慧）