松花湖底泥氮磷有机质释放规律的模拟研究

松花湖底泥氮磷有机质释放规律的模拟研究

松花湖位于吉林省东南部。它是在1937年建成的。在丰清山脉的交汇处，大坝形成湖泊。松花湖是吉林市用水、包括长春市部分用水的水源地,是吉林市工农业发展的重要的水源地,在很大程度上影响着长春市饮用供水状态,对吉林省经济的可持续发展具有重要意义。近年来,根据松花湖历年断面的监测数据分析,水体中氮,磷及化学需氧量(COD)的含量超标,部分断面已达到Ⅴ类水体。研究表明,在外源污染得到明显控制的情况下,沉积物中的氮磷营养盐可向上覆水中释放,使水体长期保持富营养化水平,成为湖泊水体富营养化的重要原因之一。松花湖上下游水深不同,上游浅水处水深3~5m,下游深水处的水深可达70m左右。考虑到不同水深条件下,底泥受温度、溶解氧和扰动的影响差别较大,设置了温度、溶解氧浓度和扰动强度对底泥TN、TP和COD的室内模拟实验。通过对采样点底泥的理化性质分析之后发现,有机质对底泥中TN和TP的含量有一定的影响。以往对湖泊底泥释放的研究大多数集中在氮、磷及重金属释放规律方面,通过对松花湖不同深度处水样的COD测定之后,发现COD的变化差异较大。因此本文结合松花湖的具体情况,通过室内模拟实验,研究了松花湖底泥TN、TP以及COD的释放影响因素,为松花湖的综合治理提供科学依据。1试验材料和方法1.1试水及水样采集取松花湖底泥,经自然风干,剔出杂物和沙粒,研磨,过20目筛。试验用水:松花湖湖水,采回的水样在实验室4℃条件下保存。经分析测定,原水中TN为0.12mg/L,TP为0.21mg/L,COD为8.51mg/L,pH为6.9。1.2tn、tp、cod释放规律取50g风干后的底泥装入500mL锥形瓶,缓缓加入500mL湖水,水土比为10∶1。实验方案设置如下。(1)温度影响:设置5℃和20℃两种温度,对比不同温度条件下TN、TP和COD的释放规律。(2)溶解氧影响:设置两组实验,一组溶解氧(DO)质量浓度为3.13mg/L。另一组在不扰动底泥的条件下通入氮气,获得贫氧水,使DO的质量浓度控制在1mg/L。(3)有机质影响:设置两组实验,一组未经处理的底泥,其有机质含量为33.9mg/kg,另一组用30%的双氧水处理,有机质含量为7.2mg/kg。(4)扰动影响:共进行两组试验,一组静置,另一组放置在振荡器上以100r/min频率连续扰动。1.3测定分析方法及分析方法对于水质监测的法每天同一时间取样测定上覆水中TN,TP和COD的浓度,其中TN测定用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法,TP的测定用钼酸铵分光光度法,COD用重铬酸钾法,测定方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》。1.4污染物浓度v释放量计算公式如下所示:式中:Rn为第n天时污染物的释放量,mg/kg;V为锥形瓶中上覆水的体积,mL;Cn为第n天检测到的上覆水中污染物的浓度,mg/L;C为松花湖原水中COD的浓度,mg/L;M为锥形瓶中底泥的质量,g。2结果与分析2.1温度对底泥释放的影响不同温度下底泥TN释放曲线如图1所示,5℃时,TN、TP、COD分别在13、14、13d达到了释放平衡,对应的最大释放量分别为111.4、7.2、268.5mg/kg。20℃时,TN、TP、COD分别在12、12、10d达到了释放平衡,对应的最大释放量分别为210.3、15.6、504.3mg/kg。底泥在20℃条件下时,TN、TP、COD的最大释放量与5℃相比较,分别增加了88.8%、116.7%、87.8%。温度越高,底泥释放的氮越多,这与熊汉锋等的研究结果一致。温度影响着微生物的活性,温度升高可能促进了有机氮的分解加快了矿化作用和硝化作用,使底泥释放出更多的氮;底泥对总磷的释放情况表明,环境温度的升高,底泥对磷的释放作用增强。温度升高,底泥中微生物活性增强,消耗水中溶解氧,使水体从氧化状态向还原状态转变,Fe3+转变为Fe2+,促进沉积物中铁结合态磷的释放;不同温度下底泥对COD的释放情况不同,低温时有利于矿物质和有机质处于相对稳定的状态,而温度较高时,有机质大量释放到水体中。整体上来看,温度对TN,TP和COD的释放影响程度为COD>TP>TN,因为温度主要影响着微生物的活性,进而影响着微生物对有机物的分解速率。同时,温度也影响水体中的溶解氧含量和氧化还原电位,进而影响着TN和TP的释放。2.2do对底泥磷释放的影响DO在3.13mg/L条件下时,TN、TP、COD分别在14、13、14d达到了释放平衡,对应的最大释放量分别为155.4、8.7、455.1mg/kg。DO在1mg/L条件下时,TN、TP、COD分别在13、12、13d达到了释放平衡,对应的最大释放量分别为214.3、18.8、553.6mg/kg。底泥在DO为1mg/L条件下时,TN、TP、COD的最大释放量较DO为3.13mg/L条件下,分别增加了37.9%、116.1%、21.6%。在DO较低时,有机质多为贫氧分解,矿化作用较强,释放出的NH3-N可稳定较长时间,而在DO较高时,矿化作用可能受到一定程度的抑制,使释放出的NH3-N减少,所以在低溶解氧条件下底泥TN的释放量较高;不同DO条件下,底泥对TP的释放量不同。相关研究表明,通常状态下,DO较低时会加速底泥磷的释放,因为在水中溶解氧会影响底泥的氧化还原电位,使Fe3+转化为Fe2+,使得铁氢氧化物和氧化物结合的磷得到释放;DO对底泥释放COD也有着重要的影响,底泥COD的释放与微生物有关,溶解氧浓度较低时,好氧微生物无法利用底泥中的有机物进行代谢,大量有机物释放到水体中,造成水体中COD的浓度较高。而在溶解氧浓度较高时,底泥好氧微生物将有机物分解为CO2和H2O,使底泥释放COD减少。溶解氧对TN、TP和COD的释放影响程度为TP>TN>COD,因为溶解氧含量的多少与氧化还原电位密切相关,同时影响着微生物的活性,进而影响着微生物的硝化作用和对有机物的分解。2.3底泥有机质含量和释放量底泥有机质含量为33.9mg/kg条件下,TN和TP都在21d达到了释放平衡状态,对应的最大释放量分别为160.1和18.5mg/kg。有机质含量为7.2mg/kg条件下时,TN和TP都在21d达到了释放平衡状态,对应的最大释放量分别为171.1和22.4mg/kg。有机质含量较高时,底泥TN的释放增多,有机物能够促进微生物的生长,从而分解大量的有机物,引起氨氮的大量释放;底泥的有机质含量较高时,底泥TP的最大释放量降低,可能是由于有机质对磷的吸附有促进作用。Gerke等研究认为,由于腐殖质能和铁、铝形成有机无机复合体,提供了重要的无机磷吸附点位,从而增强了对磷的吸附。2.4扰动条件对底泥释放的影响非扰动条件下,TN,TP和COD分别在13、13、14d达到了释放平衡状态,对应的最大释放量分别为152.4、8.2、388.4mg/kg。扰动条件下,TN、TP、COD分别在10、12、11d达到了释放平衡状态,对应的最大释放量分别为241.3、17.8、488.3mg/kg。扰动条件较非扰动条件下时,TN、TP、COD的最大释放量分别增加了58.3%,117.1%和25.7%,扰动对底泥TN的释放影响的原因是扰动增加了泥-水界面的氮交换,打破了水中氮的平衡,进而使氮的释放量增加;扰动条件下,底泥TP的释放量峰值较非扰动条件下要高,因为在扰动条件下时,加速了底泥间隙水中磷的扩散,导致间隙水中高浓度磷释放到上覆水中;扰动条件对底泥释放COD有重要的影响,扰动条件下时,底泥处于悬浮状态,增大了底泥与上覆水的接触面积,使底泥中的污染物大量释放进入水体中,造成水质变差。扰动对TN,TP和COD的释放影响程度为TP>TN>COD,扰动促进了氮、磷的扩散,同时使底泥中的有机物进入水体中。3底泥有机质含量的影响(1)随着温度的升高,TN、TP和COD的释放量均会增加。其中影响程度的大小为COD>TP>TN。随着环境温度的升高,底泥中的微生物活性增强,促进了有机氮的分解及硝化作用,促使有机磷向无机态转化,将不溶性磷化物转化为可溶性磷,同时加强了有机质的释放。一般来说,温度升高会加重底泥污染物的释放强度。(2)不同溶解氧条件下,TN、TP和COD的释放量均随着溶解氧的降低而增加。其影响程度的大小顺序为TP>TN>COD。在贫氧条件下,不利于进行硝化反应的进行;与铁氢氧