河道水体水质对底泥污染物释放的影响

吴 比，黄毅华，马君妍，朱南文,3，袁海平

(1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；2.闵行区江川路街道水务管理站，上海 200240；3.上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092)

污染河道治理是《水污染防治行动计划》(“水十条”)的重要工作方向之一，入河污水的截污纳管、入河垃圾清理是各地污染河道治理的工作基础。当河道污染源被截断后，河道底泥污染物释放对水体水质的影响开始逐步显现，并成为某些河道污染的主因。河道底泥污染物主要来源于河道水体悬浮物的长期沉降，对于大部分河道而言，其底泥中均含有较高含量的有机物、氮、磷等污染物[1-4]，因此，对底泥污染物释放规律的探究已逐步成为当前研究的热点[5-6]。

当前对底泥污染物释放规律的研究主要集中在上覆水体pH、扰动及流速等因素的影响。Jin[7]等发现pH为中性时可抑制湖泊磷的释放；蒋小欣[8]等研究发现上覆水体氮营养盐浓度的提高可促进底泥氮元素，特别是氨氮的释放；程香菊[9]等研究了扰动对底泥氮磷释放的影响，发现搅拌速率的增大可促进底泥硝态氮和溶解性磷酸盐的释放；钟小燕[10]等发现上覆水体流速加快可提高底泥溶解性氮、磷元素的释放量。然而，到目前为止，少有文献探究上覆水体中有机物浓度对底泥污染物释放规律的影响，且对影响底泥污染物释放的主要影响因素缺乏系统性的分析对比。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

试验用底泥采自上海市闵行区淡水河(年均水位1.3 m)，表层底泥(30 cm)采集后立即运回试验室。剔除泥样中粗石块和枯枝等杂物，滤除水分、混合均匀后用于后续试验。同时，采集河道表层水体(10 cm)，用去离子水稀释(1∶8，V/V)后作为试验用水(该水体污染物浓度较低，与底泥污染物形成浓度差，以便探究底泥污染物的释放规律)。底泥和试验用水的基本理化特性如表1和表2所示。

表1 底泥基本理化特性Tab.1 Physical and Chemical Characteristics of the Sediment

表2 水样基本理化特性Tab.2 Physical and Chemical Characteristics of the Water

试验装置为自制玻璃圆柱筒，内径18 cm，高100 cm，侧面等距离布置2个取样口，并设有水浴夹层以保持装置恒温(20 ℃)。先往玻璃柱底注入5.0 kg新鲜底泥，接着以虹吸方式小心加入上覆水体(10 L)，泥水高度比控制在1∶3。

1.2 试验设计

1.2.1 pH控制

用稀H2SO4(3 mol/L)和NaOH(6 mol/L)调节上覆水体初始pH，分别调节pH值至4.0、5.5、7.0、8.5和10.0。

1.2.2 有机物浓度控制

分别在每升水中投加0、20、40、60 mg和80 mg葡萄糖调节上覆水体中有机物浓度，得到其初始CODCr分别为3.60、12.96、29.15、47.37 mg/L和65.18 mg/L。

1.2.3 溶解氧控制

将试验用水用氮气进行吹脱30 min，使水体溶解氧含量低于0.5 mg/L，将曝气器置于上覆水体中心位置，通过曝气量的大小调上覆水体中的溶解氧范围分别为：0～2、2～4、4～6、6～8、8～10 mg/L(与泥水界面距离25 cm，且曝气量较小，曝气造成底泥扰动的影响可忽略)。

1.3 分析方法

1.4 底泥污染物累积释放量计算

底泥各指标累积释放量的估算方法[11]如式(1)。

(1)

其中：M—底泥某污染物的累积释放量，mg/kg；

V—试验装置中上覆水体的体积，L；

Vi—每次取样体积，L；

ci和cn—第i天(原水)和第n天取样时污染物的浓度，mg/L；

Ws—装置内底泥的湿重，kg。

2 试验结果与讨论

2.1 上覆水体pH对底泥污染物释放的影响

上覆水体中pH值对底泥CODCr释放的影响情况如图1(a)所示。各处理组的CODCr浓度呈现先升高后降低的趋势，并在第3 d达到峰值。这是因为上覆水体水质较好，与底泥间隙水中有机污染物形成浓度差，使得有机物释放到水体。此外，随着上覆水体pH的升高，底泥释放CODCr呈下降趋势，当pH值为4.0时CODCr的最大浓度为14.87 mg/L，而pH值为10.0时仅为7.03 mg/L。其原因是偏碱性条件有利于底泥中矿物质与有机质的结合，可抑制底泥中与矿物质结合的有机污染物的释放，而酸性条件可促进底泥中矿物质与有机污染物的分离，进而促进了底泥污染物的释放[12]。试验进行到第3 d后，上覆水体可溶性有机物在异养型微生物的作用下开始降解，CODCr呈下降趋势。

图1 不同pH值条件下和TP(d)浓度的变化Fig.1 Changes of CODCr (a), (b), TN (c) and TP (d) under Different pH Values

图2 不同有机物浓度条件下和TP(d)浓度的变化Fig.2 Changes of CODCr(a), (b), TN (c) and TP (d) under Different Concentrations of Organic Matter

pH对底泥TN释放的影响如图1(c)所示，底泥向上覆水体释放出TN现象明显，在前4 d，TN释放量达到最高值，此后保持稳定状态；随着上覆水体pH值增加，TN的释放量加大，稳定后pH值为4.0和10.0时，上覆水体的TN含量分别为6.26 mg/L和10.88 mg/L。TN这种变化规律可能的原因是：一般情况下，微生物生长的最适pH值条件为中性或偏碱性(pH值为6.5～7.5)，酸性条件不利于氨化细菌及硝化细菌的生长，TN的释放量仅由上覆水体与底泥的浓度差决定，释放量相对较小；而有机物的分解是一个产酸的过程[14]，pH值较高时能中和底泥有机物分解产生的H+，从而促进氨化及硝化细菌的生长，导致TN释放量的增加。

2.2 上覆水体有机物浓度对底泥污染物释放的影响

上覆水体有机物浓度影响下CODCr的变化如图2(a)所示。由于上覆水体模拟的有机物污染程度不同，CODCr的初始值形成了明显的差异(分别为3.60、12.96、29.15、47.37 mg/L和65.18 mg/L)。随着试验时间的延长，上覆水体CODCr的浓度除了有机物投加量为0 mg/L的有所上升外，其他处理组都呈下降趋势；在第6 d左右达到平稳，且上覆水体的有机物含量越高，CODCr的下降速率越快，这是因为高浓度的有机物给微生物提供了充足的碳源，促进其生长和代谢，同时快速降解有机物[17]。

图3 不同溶解氧条件下和TP(d)浓度的变化Fig.3 Changes of CODCr(a), (b), TN (c) and TP (d) under Different DO

由图2(d)可知，上覆水体中TP呈现缓慢上升的趋势，随有机物浓度的升高，TP的释放量也随之增加，释放稳定时有机物浓度最低的试验组上覆水体TP含量仅为0.55 mg/L，而有机物浓度最高的试验组可达0.91 mg/L。这可能是因为高浓度有机物的分解可产生大量的有机酸，而酸度的增加可促进底泥TP的释放。

2.3 上覆水体溶解氧对底泥污染物释放的影响

在各个溶解氧条件下，上覆水体CODCr浓度的变化如图3(a)所示，均呈现先升高后缓慢下降的趋势，溶解氧较高的的两个试验组(6～8 mg/L和8～10 mg/L)CODCr释放速率更快，出现峰值的时间为第4 d，CODCr的最大浓度分别为12.71 mg/L和15.34 mg/L；而溶解氧较低的试验组CODCr释放量较小，出现峰值的时间有所减慢，为第6 d左右，且此时CODCr浓度的最大值低于高溶解氧试验组；溶解氧0～2 mg/L的试验组CODCr释放量最小，其在上覆水体的最大浓度为6.65 mg/L。CODCr释放量达到最大后其浓度开始下降，且溶解氧含量越高的试验组下降速率越快；整个试验过程可总结为：随着溶解氧含量的增高，CODCr释放速率加快，释放量增大，其浓度下降速率也加快；这是因为上覆水体的含氧量的升高增强了底泥和水体中好氧微生物的活性，使底泥中一些难降解有机物也能被生物利用，并分解为小分子的可溶性有机物质扩散到上覆水体中[19]；当底泥中可降解有机物释放殆尽时，释放到上覆水体中的有机物在充足的氧气环境下开始迅速分解。

2.4 不同因素对各污染物释放量的影响

在各因素试验中，各水平中某污染物最大累积释放量的最大值与最小值的差的大小可表征此因素对该污染物影响的大小，如表3所示。

表3 不同因素对和TP最大累积释放量的影响Tab.3 Effects of Different Factors on the Maximum Cumulative Releases of CODCr, TN and TP

3 结论