化学物添加控制湖泊内源磷负荷的有效性研究

化学物添加控制湖泊内源磷负荷的有效性研究包先明1,2*，陈开宁2，范成新21.淮北煤炭师范学院生物系，安徽淮北235000；2.中国科学院南京地理与湖泊研究所，南京210008摘要：利用太湖五里湖湖水和未受破坏原柱状沉积物样组成的系统进行投加生石灰、铁盐和铝盐的湖水脱磷效果的实验室研究。分别一次性向各柱状样上覆水体中投加6种不同质量浓度的铝盐、钙盐和铁盐溶液，经过一段时间的观察和测定。结果表明，3种化学物的添加均能使实验上覆水体中总磷质量浓度大幅度降低，并且随着投加的生石灰、铁盐和铝盐的量的增加，上覆水体中总磷的质量浓度下降幅度越大，水体中总磷的去除率越高，同时这3种化学物的添加对湖泊沉积物内源磷的释放有一定的抑制作用。关键词：石灰；铝盐；铁盐；内源磷负荷；五里湖中图分类号：X524文献标识码：A文章编号：1672-2175（2007）01-0湖泊富营养化是一个全球性的问题。高营养盐负荷是湖泊富营养化的主要成因之一。控制、降低水体营养盐质量浓度是国内外湖泊生态管理者的共识。磷是湖泊富营养化最常见的限制因子，控制湖泊磷负荷成为湖泊富营养化治理的基本条件之一[1]。对于如何用铝、钙、铁盐有效控制内源磷负荷，以减缓湖泊富营养化的进程，国际上已做了大量的研究[2]。加入铝、钙、铁盐的目的不仅是通过沉淀来降低水体中磷的质量浓度，更重要的是长期有效地抑制底泥中磷的释放。美国1978年分别对威斯康星州的Mirror湖进行了投加明矾控制内源磷负荷的实验，实验结果表明，投加药品后总磷的释放速率分别从投加前的1978年的1.30mg·m-2·d-1下降到1990年的0.30mg·m-2·d-1，有效地控制了磷内源负荷，减少了在藻类过量繁殖而产生的水华的可能性；Prepas等[3-4]连续两个夏季对加拿大艾尔伯塔省的FigureEightLake湖进行投加碳酸钙和熟石灰的实验，结果表明水体总磷的质量浓度从1.9mg·L-1迅速下降。国内对这方面的报道不多。五里湖是太湖北部的一个湖湾，这里水流与外湖交换缓慢，是无锡市生活污水和某些工业废水的接纳场所。太湖北部的五里湖是无锡市城郊湖泊，该湖面积约5.6km2，平均水深2m，底泥深约1.3m，pH8.5左右，水体中NH4+-N和PO43-1材料与方法1.1样品的采集与准备1.2实验方法用虹吸法将每个柱状沉积物中的上覆水吸出，然后用25号浮游生物网进行过滤，用过滤后的原水样向每根柱状沉积物注入3L。投加铝、铁、钙盐分别是Al2(SO4)3、FeSO4不同序列和不同质量浓度铝、铁、钙盐投加量Al：0（过滤原水）、2、4、6、8、10mg·L-1;Fe：0（过滤原水）、5.0、10.0、20.0、40.0、80.0mg·L-1；Ca：0（过滤原水）、100、200、400、600、800mg·L-1，按每种化学添加物各6个质量浓度梯度添加量直接投入到水-沉积物系统中，共计18组。1.3测定项目分别抽取距沉积物-水界面5cm处上覆水100mL，测定pH、磷酸根磷和总磷，测定方法按《湖泊富营养化调查规范》进行[7]；取一根沉积物柱状样按照0~1、1~2、2~3、3~4、4~1.4磷形态分析对不同深度沉积物样品的磷形态按照溶解态磷（DP）、铝磷（AlP）、铁磷（FeP）、钙磷（CaP）、闭蓄态磷（O-P）以及有机磷（orgP）进行分类，以了解五里湖沉积物磷元素的形态组成。分析方法按《湖泊富营养化调查规范》进行[7]。2结果与分析2.1沉积物中磷的各种形态的含量表1沉积物中磷形态分布Table1Distributionofthephosophorusconformationinsedimentsµg·g-1深度/cmDPAlPFePCaPO-PorgP0~11.548.71186.55113.641137.282074.811~20.764.42173.75126.921028.611987.622~31.213.56129.84131.921014.571912.483~41.343.00145.72138.351098.412014.854~51.446.28120.62116.01994.721976.34ρ(总磷)/(mg·Lρ(总磷)/(mg·L-1)总磷去除率/%ρρ(投加生石灰)/(mg·L-1)图1石灰的投入对水体磷的去除效果Fig.1EfficiencyofphosphorusremovalfromwaterbodybyCalciumlime表1是实验沉积物中磷的各种形态在表层垂直方向上的含量，溶解态磷（DP）可以迅速地溶解进

入上覆水体，但是从表1可以看出，在本实验沉积物中含量很少，对沉积物磷的释放影响不大。其余形态为结合态磷，可能通过天然水体中生物和化学的水解作用转化为溶解态无机磷[8]。其中铝磷（AlP）可以通过化学水解作用转化为溶解态磷，但是从表中可以看出，铝磷（AlP）在该沉积物表层含量很低，因此也不是影响沉积物磷释放的主要因素。有机磷可在水中磷酸酶的催化作用下转化为可溶性磷酸盐，而且在本实验沉积物中有机磷的含量是主要的，因此是影响沉积物内源磷负荷的主要因素之一[9]。铁磷（FeP）在本实验沉积物中含量比较高，很容易受氧化还原电位的改变而转化为溶解态磷，成为内源磷负荷的一个潜在因素。而其它形态的磷，如闭蓄态磷、钙磷等相对比较稳定。2.2生石灰的投加对水体磷的去除效果图1是投加不同量的CaO后水体中pH、总磷的质量浓度以及总磷去除率的变化。从图中可以看出，随CaO投入量的增加，水体pH迅速上升，随投加量的增加，pH也越高，当CaO的投加量为800mg·L-1时，pH达到11.97；水体的pH值决定磷酸根存在的形式，pH在10~12之间变化时，这时候磷主要以H2PO4-的形态存在，易与Ca盐生成Ca5(OH)(PO4)3，从而达到去除磷的目的，同时羟磷灰石对磷还有一定的吸附作用。水体总磷的质量浓度随投加量的增加迅速降低，去除率增加，5种不同CaO投加量使总磷的去除率分别达到25.2%、53.6%、63.3%、69.9%、84.3%。2.3铝盐的投加对水体磷的去除图2（下页）是添加不同量的铝盐后水体中pH、总磷的质量浓度以及磷的去除率的变化情况。由于上覆水体的pH在7.2~7.9之间变化，磷主要以PO43-的形式存在，磷酸根离子和铝盐生成磷酸铝沉淀，同时多余的铝盐水解生成氢氧化铝胶体，由于氢氧化铝是絮凝物，具有很强的凝聚性，对磷、悬浮颗粒有较强的吸附性，能使水体透明度增加，水体磷的质量浓度降低[12]，而且吸附的磷一般很难解吸，除非是在极高的pH值条件下。水体总磷的质量浓度随铝盐投入量的增加而降低，总磷去除率上升，五种不同的投加量使水体总磷的去除率分别达到了33.3%、38.2%、56.1%、59.3%、62.6%。总磷去除率/%总磷去除率/%ρρ(投加铝盐)/(mg·L-1)ρρ(总磷)/(mg·L-1)图2铝盐的投入对水体磷的去除效果Fig.2EfficiencyofphosphorusremovalfromwaterbodybyAluminiumsalt从图2看出，在投入Al2(SO4)3后，磷酸根离子和铝盐生成磷酸铝沉淀，同时由于铝的价态不受氧化还原电位的影响，还原也不会增强磷酸铝的溶解；铝盐不仅将水体中的磷沉淀到底泥中，并可以把沉积物中易释放的内源磷，包括间隙水中的磷、吸附态的磷以及对氧化还原电位敏感的Fe-P，重新以Al-P的形式稳定下来，抑制在厌氧、缺氧等还原下发生磷的释放[13]。铝盐对磷去除效果较好，同时部分藻类也会随之沉淀。在实际野外应用时，有些藻类会消耗大量混凝剂，因此选择在藻类较少时投加试剂，除磷效果会更好，例如春季解冻至藻类大量增殖前以及冬季冰封期间等[14]。总磷去除率/%ρ总磷去除率/%ρ(总磷)/(mg·L-1)铁盐投加量铁盐投加量/(mg·L-1)图3铁盐的投入对水体磷的去除效果Fig.3fficiencyofphosphorusremovalfromwaterbodybyFerrissalt

从上述分析中可以看出，铝盐有很好去除上覆水体中磷的能力，同时能有效控制内源磷的释放。但是在投加铝盐时要考虑到溶解性铝会对水生生物以及人体有毒性作用，在对酸性湖泊的处理中有可能会导致物种减少的问题[2]。2.4铁盐的投加对水体磷的去除效果磷能同铁盐生成不溶性的磷酸铁。加入铁盐过量时，多余的铁盐会水解生成氢氧化铁，而氢氧化铁又可以吸附那些不稳定的扩散状态的胶体而生成絮凝物，促进了水质净化，提高水的透明度，改善水质。由图3可以看出投加不同量的铁盐对水体pH、总磷的降低以及总磷去除率的变化趋势。在加入铁盐后水体的pH下降，pH将在6.6~7.9范围内变化，对水体的碱度影响不大。随投入铁盐量的增加，总磷去除率增加，五种不同投加量的总磷去除率分别达到4.4%、22.5%、41.1%、59.7%、71.1%。由于铁盐与磷酸根的反应受到氧化还原电位的影响，在氧化环境，Eh高时，Fe3+与磷酸盐结合成不溶的磷酸铁，可溶性磷也被氢氧化铁吸附而逐渐沉淀；当在厌氧、缺氧等还原条件下，Eh较低，Fe3+向Fe2+转化，使铁以及被吸附的磷酸盐转变成溶解态而析出，且不溶的氢氧化铁转化成可溶的氢氧化亚铁，磷释放出来[11]。因此投加铁盐一般要和沉积物氧化（如曝气）等配合使用。3结论通过上面的分析可知，通过对水-沉积物系统投加生石灰、铁盐和铝盐等化学添加物均能使水体中磷很好的去除，铝盐和铁盐还能使水体透明度变大。但是投加铝盐价格昂贵，而且由于溶解性铝对水生生物及人体有毒害作用，在对酸性湖泊处理中会导致物种减少。而投加铁盐，则需要保证沉积物的氧化状态，要同沉积物氧化配合使用，因此成本也较高。钙盐，虽然效果不如铝盐和铁盐，但是由于其来源广泛，成本低，对环境的潜在危害小，所以具有广泛的应用前景。所以在选择化学添加物时要根据湖泊水深、pH、水体的规模及复氧能力、内源磷释放的特点以及水文条件，结合水体的功能，选择经济合适的化学添加物。参考文献：[1]朱广伟，秦伯强，高光.浅水湖泊沉积物磷释放的重要因子：铁和水动力[J].农业环境科学学报，2003，22（6）：762-764.ZHUGuangwei,QINBoqiang,GAOGuang.HydrodynamicsandZron:TheKeyFactorsAffectingResuspensionofPhosphorusfromShallowLakeSediments[J].JournalofAgro-EnviromentScience,2003,22(6):[2]罗阳,刘敬.控制湖泊内源磷负荷的有效性研究[J].水资源保护，1996，12（2）：52-55.LUOYang,LIUJin.Effectivenessofcontrollinginternalphosphorusloading[J].WaterResourcesProtection,1996,12(2):52-55.[3]PREPASEE,MURPHYRP,CROUSBYJM,etal.ReductionofphosphorusandchlorophyllaconcentrationsfollowingCaCO3andCa(OH)2additionstohypereutrophicFigureEightLake[J].AlbertaErrvSciTechnol,1990(24):1252-1258.[4]BABINJ,EEPREPAS,TPMURPHY,etal.AtestoflimeonalgalbiomassandtotalphosphorusconcentrationsinEdmontonstommaterretetionLakes[5]李文朝，杨清心，周万平.五里湖营养状况及治理对策探讨[J].湖泊科学，1994，6（2）：136-143.LIWenchao,YANGQingxin,ZHOUWanping.StudiesonEutrophicationofWuliLakeandPossibleRestorationStrategies[J].JournalofLakeSciences[6]太湖环境质量调查研究协作组.太湖环境质量调查研究[J].上海师范学院学报,1983(增刊):32-34.CooperationGroupforTaihuLakeEnvironmentalQualityInvestigationandStudy.TaihuLakeEnvironmentalQualityInvestigationandStudy[J].JournalofShanghaiNormal[7]金相灿，屠清英.湖泊富营养化调查规范[M].2版.北京：中国环境科学出版社,1990.JINXiangcan,TUQinying.Lakeeutrophicationinvestigationstandard[M].2nded.Beijing:ChineseEnvironmentSciencePublishingCompany,1990.[8]宴维金，亢宇，章申,等.磷在土壤中的解吸动力学[J].中国环境科学,2000，20（2）：97-101.YANWeijin,KANGYu,ZHANGShen,etal.ThedesorptionkineticsphosphorusfromcalcareoussoilinChina[J].ChineseEnvironmentScience,2000，20（2）：97-101.[9]周易永，付永清.水体磷酸酶：来源、特征及其生态学意义[J].湖泊科学，1999，11（3）：274-282.ZHOUYiyong,FUYongqing.PhosphatasesinnaturalWater:Origin,CharacteristicsandEcologicalSignificance[J].JournalofLakeSciences,1999，11（3）：274-282.[10]BOSTROMB,JANSSONM,FORSBERGC.Phosphorusreleasefromlakesediment[J].ArchHyarobiol,1982,18:55-59.[11]高丽，周建民.磷在富营养化湖泊沉积物-水界面的循环[J].土壤通报，2004，35（4）：512-515.GAOLi,ZHOUJianmin.PhosphorusCyclebetweenSedimentsandWaterinEutrophicLakes[J].ChineseJournalofSoilScience,2004,35(4):512-515.[12]DARKEA,MARKR,WALBRIDGE.AlandFebiogeochemistryinafloodplainforest:ImplicationsforPretention[J].Biogeochemistry,2000,51:1-32.[13]KLAPPERH.ControlofEutrophicationinInlandWaters[M].TranslatedbyBernardHemmings.NewYork:EllisHorwood,1991.[14]PANTHK,REDDYKR.Phosphorussorptioncharacteristicsofestuarinesedimentsunderdifferentredoxconditions[J].JEnvironQual,2001,30:1474-1480.EffectivenessofcontrollinginternalphosphorusloadingbyusingchemicalsubstanceBAOXianming,CHENKaining,FANChengxin1.DepartmentofBiology,HuaibeiCoalNomalCollege,Huaibei235000,China;2.NanjingInstituteofGeography&limnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,ChinaAbstract:Thepossibilityofreducingphospho