环境因子对南水北调泵站调节池沉积物氮释放特征的影响研究*

田 丰 邱春生,2# 冯 涛 姚 慧 王晨晨,2 王少坡,2 孙力平,2

(1.天津城建大学环境与市政工程学院,天津 300384;2.天津市水质科学与技术重点实验室,天津 300384;3.天津水务集团有限公司引江市区分公司,天津 300312)

沉积物是地表水体中污染物的重要蓄积库,在营养盐转化和水体水质变化过程中起着重要作用[1]。沉积物中的氮磷等污染物随着环境因子的变化可通过扩散、对流、再悬浮等过程释放到上覆水体[2]。有研究表明,在外源污染得到控制的情况下,沉积物污染物内源释放是引起上覆水体水质恶化的主要原因[3-5]。

氮是维持水体中初级生产者生长必须的营养元素,其含量对水生态环境、水体富营养化情况乃至供水安全等有重要影响[6]。研究显示,表层沉积物污染释放主要受到上覆水理化性质(温度、pH、DO)、沉积物理化性质(颗粒物粒径、组分)、生物(微生物、植物)代谢、水位水量变化和扰动作用的影响[7-14]。其中,上覆水环境条件、沉积物氮含量和形态是决定氮释放强度的关键因素。张茜等[15]研究发现上覆水环境条件对水库沉积物总氮释放的影响大小表现为温度>DO>pH,史静等[16]针对富营养化湖泊的研究也发现水体酸碱度和温度是影响氮释放的主要因素。不同形态的氮对沉积物-上覆水界面氮的释放强度贡献有显著差别,王禄仕等[17]的研究结果表明水库沉积物中4种形态的可转化态氮(TTN)对氮界面循环的贡献大小表现为:强氧化剂可提取态氮(SOEF-N)>弱酸可提取态氮(WAEF-N)>离子交换态氮(IEF-N)>强碱可提取态氮(SAEF-N)。不同形态氮的释放与互相转化也对沉积物营养盐向上覆水的释放过程具有重要影响[18-20],而不同环境因子对氮形态转化影响的相关研究却较少。泵站调节池是南水北调中线工程末端配套设施,承担协调上游原水与下游水厂的作用,上游原水中的悬浮物质进入调节池后因水流减缓大量沉积,沉积物内源污染物释放对供水安全产生潜在威胁。考察不同环境因子和沉积物氮形态分布对氮释放的影响,对饮用水供水安全保障有重要意义。

本研究以南水北调泵站调节池表层沉积物为研究对象,通过室内模拟实验,考察温度、pH和DO等环境因子对沉积物-上覆水界面氮释放的影响,并结合连续分级提取法对释放前后表层沉积物氮形态进行分析,考察环境因子对氮形态转化的影响,以期为调节池表层沉积物内源污染释放控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

沉积物取自南水北调中线工程天津段某泵站调节池,采样于2021年4月进行,采样点水深5.8 m,水温10.4 ℃。用抓斗式采样器采集表层沉积物,装入铝箔袋密封运回实验室,过筛去除杂物后4 ℃保存备用。同时采用同一点位上覆水水样,置于聚乙烯桶密封,12 h内运回实验室,0.45 μm微孔滤膜过滤后于4 ℃保存备用。沉积物样品理化性质见表1。

表1 表层沉积物理化性质与不同形态氮质量浓度Table 1 Physicochemical properties and the concentrations of various forms of nitrogen in the surficial sediment

1.2 实验设计

实验装置为直径10 cm、高35 cm圆柱状有机玻璃容器,将沉积物混合均匀后铺在柱底部,将原水沿器壁缓慢注入玻璃柱,体积为沉积物的5倍,铝箔纸包裹后置于恒温培养箱。温度通过恒温培养箱控制,pH通过投加NaOH和HCl溶液控制,DO通过调节曝气强度控制。

实验方案:控制上覆水pH为7.0,DO为9 mg/L,设定温度分别为10、20、30 ℃;控制上覆水温度为20 ℃,DO为9 mg/L,调节pH分别为5.0、7.0和9.0;控制上覆水温度为20 ℃,pH为7.0,调节上覆水DO分别为4 mg/L和9 mg/L,每组实验设置两个平行样。采集每个实验方案0、12、24、48、72、96、120、144、168、192、216、240 h时的水样测定总氮与氨氮含量,每次取样200 mL,并用上覆水补充。

1.3 分析方法

有机质的测定采用烧失量法[21],上覆水pH、DO、总氮和氨氮含量测定方法参照《水和废水监测分析方法》[22],采用连续分级提取法测定静态释放实验前后沉积物不同形态氮含量[23]。氮释放强度计算见式(1)[24]:

(1)

式中:R为释放强度,mg/m2;v为容器中上覆水体积,L;cn为第n次取样营养盐质量浓度,mg/L;c0为初始营养盐质量浓度,mg/L;vj-1为第j-1次取样时取样体积,L;cj-1为第j-1次取样时营养盐质量浓度,mg/L;A为容器中水-沉积物接触面积,m2。

2 结果与讨论

2.1 温度对沉积物氮释放及形态的影响

从图1可以看出,温度对氮的释放量影响明显,30 ℃时氨氮和总氮释放量比在10 ℃时明显增加。温度升高,沉积物氨氮释放强度增大。温度为30 ℃时氨氮释放强度是温度10 ℃时的2.17倍。沉积物中总氮的释放与氨氮的释放具有相似性,总氮的释放强度随着温度的升高而增加,30 ℃下沉积物总氮释放强度是10 ℃下的1.98倍。

图1 不同温度下总氮、氨氮质量浓度及释放强度的变化Fig.1 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different temperature

由图2可知,不同温度条件下氮静态实验释放后,沉积物TTN含量降低,沉积物中氮释放到上覆水中,相应沉积物中的氮含量减少。20 ℃ 组TTN减少量>10 ℃组TTN减少量,说明温度越高,TTN向上覆水中的释放越明显。而20 ℃组TTN减少量>30 ℃组TTN减少量,原因可能是温度升高时,沉积物中的非转化态氮(NTN)向TTN发生转化,导致释放后30 ℃ 组TTN含量上升。

图2 不同温度下TTN中氮形态的变化Fig.2 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different temperatures

与原泥相比,不同温度条件下沉积物中的IEF-N、WAEF-N、SOEF-N占比均减少,SAEF-N占比增加。IEF-N与WAEF-N是沉积物中最主要参与释放的形态,因此在释放后占比下降,SOEF-N占比减少的原因可能是上覆水的环境条件发生改变,SOEF-N也向水体释放,且20 ℃时不利于沉积物中的矿物质吸附有机质,同时也不利于微生物的生长,会使得沉积物中的有机氮释放至水体,导致20 ℃时SOEF-N占比下降最大。而在30 ℃时,可能是由于NTN向TTN转化,NTN中的部分有机氮向SOEF-N转化,导致30 ℃时沉积物中SOEF-N的减少量最低。IEF-N在20 ℃与30 ℃占比略高于10 ℃,一方面可能是由于NTN的转化,另一方面是其他氮形态在向水体释放的同时,也在向IEF-N转化。

图3 不同pH下总氮、氨氮质量浓度及释放强度的变化Fig.3 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different pH

2.2 pH对沉积物氮释放及形态的影响

从图3可以看出,环境条件为酸性(pH=5.0)或碱性(pH=9.0)时,沉积物中总氮与氨氮释放强度均高于中性(pH=7.0)条件。酸性和碱性条件下,总氮和氨氮释放量均在前75 h急剧增加,之后缓慢增加最终趋于平稳。酸性条件下与碱性条件下沉积物氨氮的释放强度分别是中性条件的1.37、1.09倍。沉积物中总氮的释放与氨氮的释放相似,酸性条件下与碱性条件下沉积物总氮的释放强度分别是中性条件的1.40、1.13倍。

由图4可以看出,不同pH条件下氮释放实验期间,沉积物中TTN减少量表现为酸性>碱性>中性,由此可以推断,上覆水中氮浓度表现为酸性>碱性>中性。释放实验后,沉积物TTN中的含量为中性>碱性>酸性,中性条件下,沉积物TTN的减少量低于酸性和碱性条件。

图4 不同pH下沉积物TTN中氮形态的变化Fig.4 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different pH

图5 不同DO下总氮、氨氮质量浓度及释放强度的变化Fig.5 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different DO

2.3 DO对沉积物氮释放及形态的影响

从图5可以看出,低DO的厌氧状态下(DO=4 mg/L),氨氮和总氮的释放量呈上升趋势且高于较高DO的好氧状态(DO=9 mg/L)。沉积物氨氮的释放强度随DO的升高而降低。低DO状态下氨氮的释放强度高,是较高DO状态下沉积物氨氮释放强度的1.32倍。沉积物中总氮的释放与氨氮相似,DO越高,总氮的释放强度越低,低DO状态下总氮的释放强度是较高DO状态下总氮释放强度的1.42倍。

低DO水平下,微生物的硝化作用减弱,同时将会促进氨氮从沉积物释放到上覆水中,导致水体中氨氮浓度升高。而在较高DO水平下水体呈现出好氧状态,硝化细菌能够进行硝化作用,将水体中大部分氨氮转化为硝态氮,沉积物向上覆水体释放氨氮的作用受到一定的抵消,水体中氨氮浓度升高相对不明显[29]。总氮浓度在厌氧条件下后期波动的原因可能与厌氧氨化有关[30],在厌氧条件下,水体微环境中发生了短程硝化厌氧氨氧化过程,氮转化成气态氮逸出水体。从而引起总氮浓度上下波动。

由图6可知,较高DO环境沉积物TTN含量高于低DO环境,说明低DO环境更有利于氮的释放。在低DO条件下,IEF-N为氮释放的主要贡献形态,较高DO条件下,WAEF-N为主要贡献形态。释放后,IEF-N含量为好氧>厌氧,WAEF-N为厌氧>好氧,SAEF-N为好氧>厌氧,SOEF-N为好氧>厌氧。

图6 不同DO下沉积物TTN中氮形态的变化情况Fig.6 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different DO

3 结 论

(1) 沉积物总氮和氨氮释放强度随温度升高不断增大,温度升高有利于WAEF-N的释放,而低温时IEF-N为主要释放形态。

(2) 环境条件为酸性或碱性时,沉积物中总氮和氨氮释放强度均高于中性条件,在中性、酸性、碱性条件下IEF-N均为主要的释放形态。

(3) 低DO条件有利于沉积物中氮的释放,且主要释放形态为IEF-N。