太湖竺山灣污染底泥環保疏浚深度的推算

王雯雯,姜 霞,王書航,金相燦 (中國環境科學研究院湖泊生態環境創新基地,北京 100012)

太湖竺山灣污染底泥環保疏浚深度的推算

王雯雯,姜 霞*,王書航,金相燦 (中國環境科學研究院湖泊生態環境創新基地,北京 100012)

根據顏色、氣味、粒徑、黏稠度等理化指標,將太湖竺山灣柱狀底泥樣品由上至下依次分為氧化層(A)、污染層(B)、污染過渡上層(C1)、污染過渡下層(C2)和健康層(D).通過對底泥中氨氮、總磷、總氮和燒失量垂直分布規律的分析,結合柱狀底泥各分層氮、磷吸附/解吸實驗,推算出竺山灣污染底泥環保疏浚層及其深度.結果表明,底泥中氨氮、總磷、總氮和燒失量含量隨深度的增加呈下降趨勢.A層和B層中污染物含量明顯高于其他層;無機磷吸附/解吸平衡濃度隨深度的增加而下降,在C1層與C2層間出現拐點;而氨氮的吸附/解吸平衡濃度變化趨勢較復雜.結合上覆水中無機磷與氨氮濃度,推算出竺山灣底泥環保疏浚層次為C1層,疏浚平均深度為0.40～0.70m.

垂直分布；吸附/解吸平衡濃度；環保疏浚深度

湖泊富營養化是目前世界范圍內面臨的主要水環境問題[1].底泥作為陸源性入湖污染物的主要蓄積場所,是湖泊水體內源污染的源頭.研究表明[2-4],當外源污染物得到有效控制后,底泥成為影響上覆水體水質的重要因素.特別是在風浪作用下,底泥極易發生再懸浮,從而加速營養鹽等污染物向上覆水體中的釋放,導致湖體富營養化.因此,有效控制內源污染對湖泊富營養化治理意義重大.環保疏浚是通過去除富含污染物的表層底泥來控制污染物的釋放或減少污染物生物有效性[3-5],已被廣泛應用于水環境治理中.疏浚深度是環保疏浚的關鍵參數之一[6-8],疏浚深度過小,達不到有效去除污染物的目的;疏浚深度過大,則會對湖泊底部的生態及環境修復造成困難,且工程費用昂貴.目前國內外尚無確定環保疏浚深度的成熟技術和規范[1,6,9].以往研究對于湖泊底泥的分層大都是簡單的等距離劃分[10-14],但由于湖泊各區域受湖流、水土流失、污染負荷和地質條件的影響,污染底泥分布及污染厚度都極不均勻,常規等厚度采集的方法不能準確反映底泥的實際分層特征,在施工中存在一定的局限性.鑒于此,本研究根據太湖竺山灣底泥的顏色、氣味、粒徑、黏稠度等理化指標,對底泥柱樣進行了科學分層,并將柱狀底泥中污染物垂直分布規律與底泥氮、磷吸附/解吸實驗相結合,推算出疏浚層次及疏浚深度,為太湖污染底泥治理提供依據.

1 材料與方法

1.1 研究區域

竺山灣為太湖西北部的半封閉性富營養湖灣,北起百瀆口,南至馬山咀一線,面積57.2km2.該區域涉及無錫馬山區、宜興市和常州武進區,是太湖北部水質污染最嚴重且惡化速率最快的湖灣之一,常年水質劣于Ⅴ類[15].受太滆運河、殷村港等河道污水匯入影響,底泥污染嚴重,是太湖治理的重點湖區.本實驗選取的8個采樣點位于殷村港入竺山灣的湖口,底泥淤積厚度較大,營養鹽污染較為嚴重.

1.2 樣品的采集和處理

2010年4月,用柱狀采泥器(BEEKER, Eijkel kamp, 直徑12cm)在太湖竺山灣采集8個點位的柱狀底泥樣品,采樣點位采用GPS進行定位導航,采樣點分布如圖1所示.

圖1 竺山灣采樣點分布示意Fig.1 Location of sampling sites of Zhushan Bay

根據底泥的顏色、氣味、粒徑和黏稠度等理化指標將底泥由上至下依次分為氧化層(A)、污染層(B)、污染過渡層(C)和正常湖泥層(D).將污染過渡層劃分為污染過渡上層(C1)和污染過渡下層(C2),底泥分層特征見表1.

表1 柱狀底泥的分層特征Table 1 Characteristics of columnar sediment layers

底泥樣品現場分割,用聚乙烯封口袋密封后,冷凍保存.經冷凍干燥后,過 100目篩儲存備用.

在采集底泥樣品的同時,采集上覆水,水樣運回實驗室后立即用0.45μm的微孔濾膜過濾,每L過濾水中加入3mL氯仿,冷藏保存備用.

1.3 實驗方法

1.3.1 磷的吸附熱力學實驗 參照文獻[16],稱取0.5g底泥干樣置于用鹽酸洗過的100mL離心管中,按水土比 100:1加入用磷酸二氫鉀配制的磷的系列濃度為0,0.010,0.020,0.025,0.050,0.100, 0.200,0.400,0.800mg/L的含磷溶液,恒溫振蕩[(25±1)℃,220r/min]]48h至吸附平衡,離心(5000r/min)5min,上清液過0.45μm纖維濾膜后用鉬銻抗分光光度法[17]測定可溶性無機磷(DIP)濃度.以上處理設3個平行,相對離均差＜5%.

1.3.2 氨氮的吸附熱力學實驗 參照文獻[18],用氯化銨配制氮的系列濃度:0,0.15,0.20, 0.50, 1.00,1.50,2.00,4.00,8.00mg/L,按水土比 100:1加入底泥和不同濃度的含氮溶液,恒溫振蕩[(25±1)℃,220r/min]2h至吸附平衡,離心(5000r/min)5min,上清液過 0.45μm 纖維濾膜后用納氏試劑法[17]測定NH4+-N濃度.以上處理設3個平行,相對離均差＜5%.

1.4 分析測定方法

單位質量底泥吸附量Q(g/kg)按式(1)計算:

式中:V為加入樣品中的溶液體積L;W為底泥干樣的重量g;C0為原溶液中氮(磷)濃度,mg/L;Ce為實驗結束后溶液中氮(磷)濃度,mg/L.利用回歸法即可計算出吸附/解吸平衡濃度(底泥對氮(磷)的吸附量為零時溶液中NH4+-N或DIP的濃度,用EC0表示).

上覆水中 DIP采用鉬銻抗分光光度法[17]測定,NH4+-N采用納氏試劑光度法[17]測定.

圖2 竺山灣底泥中TP、TN、NH4+-N和LOI的垂直分布Fig.2 Vertival distributions of TP, TN, NH4+-N and LOI in the sediments of Zhushan Bay

底泥中NH4+-N的測定:稱取2g冷凍干燥后底泥于 100mL聚乙烯離心管中,加入 50mL 2mol/L KCl管中,振蕩(200r/min) 30min后離心(5000r/min)20min,上清液過0.45μm濾膜.提取液中NH4+-N的含量采用納氏試劑光度法[17]測定;燒失量(LOI)代表有機質,采用灼燒法(550℃, 5h)[19]測定;總氮(TN)采用半微量法[17]測定;總磷(TP)采用高氯酸消解鉬銻抗分光光度法[17]測定.

2 結果與討論

2.1 TN、TP、NH4+-N、有機質的垂直分布特征

底泥營養鹽的釋放是維持湖泊富營養狀態的重要因素,分析底泥中氮磷含量的變化,有助于了解底泥中營養鹽的遷移轉化過程[20-22].

由圖2可見,竺山灣氧化層中TP的含量為984.19～1512.36mg/kg,平均1171.26mg/kg;污染層中 TP的含量為 514.79～1429.53mg/kg,平均804.78mg/kg;過渡上層和過渡下層中 TP的平均含量分別為672.37,466.72mg/kg;而健康層中TP平均含量僅為361.23mg/kg.各點位TP含量在底泥中隨深度的變化趨勢相似,即隨著深度的增大,TP的含量呈下降趨勢,在氧化層、污染層、過渡層 TP含量的下降速度較快,在健康層及下層TP的含量基本達到穩定,這與周小寧等[23]、范成新等

[24]的研究結果相似.

底泥氧化層中 TN 含量為 1268.58～2160.50mg/kg,平均 1736.13mg/kg;污染層中 TN含量為 1035.15～2061.28mg/kg,平均 1339.38mg/ kg;過渡上層、過渡下層、健康層中 TN平均含量分別為 1015.25,882.94,639.64mg/kg.各采樣點TN垂直變化趨勢與TP相似.

從圖 2(c)可見,底泥中 NH4+-N含量隨著深度的增大而呈下降趨勢,但在氧化層中 NH4+-N含量小于污染層.主要是因為在富氧條件下,表層底泥中微生物活動頻繁,氨化細菌的礦化作用可將大分子的有機含氮污染物轉變為 NH4+-N[25].同時,由于氧化層與上覆水接觸充分,底泥中NH4+-N在濃度差的影響下不斷向上覆水擴散, NH4+-N的硝化作用導致氧化層中NH4+-N含量明顯小于污染層.研究區域各采樣點 NH4+-N含量在污染層平均值為 112.22mg/kg,而在健康層僅為67.21mg/kg.

竺山灣底泥氧化層中 LOI平均含量為5.96%,污染層、過渡層上部和下部平均含量分別為4.99%、4.32%和3.71%,而健康層中LOI平均含量僅為3.27%.各點位底泥的LOI的垂直變化趨勢大致相同,即隨深度的增大呈下降趨勢,在健康層及下層達到穩定,見圖2(d).

2.2 底泥吸附磷熱力學

在淺水湖泊中,泥-水界面一直在不斷進行著物質交換[26].而磷在天然土壤或底泥上的吸附等溫線是穿過濃度坐標而不是通過原點的“交叉式”[27],當溶液中磷濃度為某一適當值時,底泥對磷既不發生吸附也不發生解吸,稱此時溶液中磷的質量濃度為吸附-解吸平衡質量濃度(EPC0). EPC0可以反映底泥對內源磷固定能力的強弱,當上覆水中磷的濃度大于 EPC0時,底泥會吸附上覆水體中的磷,充當“匯”;反之,底泥表現出釋放磷的特征[18,28].因此應用沉積物吸附磷熱力學實驗確定底泥的EPC0對于確定合理的底泥環保疏浚深度具有指導意義.

竺山灣地區氧化層EPC0為0.052～ 0.197mg/ L,平均 0.120mg/L;污染層 EPC0為 0.012～0.123mg/L,平均0.065mg/L;過渡上層、過渡下層、健康層 EPC0平均值分別為 0.046,0.049, 0.064mg/L.各點位 EPC0隨深度的垂向變化趨勢基本相似,即在氧化層、污染層和過渡上層隨深度的增大而迅速變小,而在過渡下層及下層EPC0隨深度的增大而趨于平衡,整體呈下降趨勢.

研究表明[29],底泥對磷酸鹽的吸附-解吸平衡濃度與其總磷含量顯著正相關.本研究中,底泥中總磷垂直變化趨勢與EPC0的垂直變化趨勢相似.因此,底泥磷含量增大,其EPC0也相應增大.

圖3 底泥無機磷吸附-解吸平衡濃度隨深度的變化Fig.3 EPC0 Changes of inorganic phosphorus in sediments with depths

磷釋放機制與其化學沉淀形態有關[19].研究表明[30-31],鐵結合態磷與磷潛在釋放間具有較好的相關系數.分析圖3曲線變化的原因可能是在氧化層及污染層中氧氣濃度較高,尤其是氧化層處于富氧狀態,因此Fe2+被氧化為Fe3+,上覆水及間隙水中的磷極易與Fe3+反應生成FePO4沉淀,從而在底泥層中累積,導致其中磷的濃度較高,進而達到吸附/解吸平衡時的濃度也較深層高.在深部厭氧狀態,氧化還原電位高,Fe3+被還原并溶解,磷被釋放出來,通過間隙水向上擴散,向上遷移的DIP被表層、氧化層中的鐵氧化物強烈吸附,表現為可還原態磷(BD-P)在表層的富集[20],這也可能導致表層及氧化層EPC0較高.

2.3 底泥吸附NH4+-N熱力學

氮素在底泥-水界面上的轉化和交換是一個復雜的生物學過程,且在整個交換過程中,氮素主要以NH4+-N形式存在[32].NH4+-N在泥-水界面的吸附/解吸作用對底泥中氮素的循環會產生重要的作用.

圖4 底泥NH4+-N吸附-解吸平衡濃度隨深度的變化Fig.4 ENC0 Changes of ammonia nitrogen in sediments with depths

竺山灣氧化層ENC0為0.03～2.44mg/L,平均1.40mg/L;污染層 ENC0為 1.33～2.09mg/L,平均1.71mg/L;過渡上層和過渡下層 ENC0平均值分別為 1.49,1.42mg/L;而健康層 ENC0平均值為1.72mg/L.各點位ENC0在氧化層、污染層和過渡層中變化差異較大,但在健康層以下 ENC0變化不大且基本達到平衡.

2.4 討論

湖泊中污染底泥的分布極不均勻,主要聚集在入湖河口或滯水區,因此采用等尺度分層采樣來確定疏浚深度的方法繁瑣、工作量大,難以科學快速確定環保疏浚深度.同時含量拐點法沒有考慮疏浚后新生底泥層對上覆水體的影響.本研究分析了柱狀底泥中 TP、TN、NH4+-N和LOI的垂直分布規律,模擬了疏浚后新生表層底泥對磷和 NH4+-N的吸附/解吸,考察了各底泥層釋放氮、磷的風險大小,一定程度彌補了先有方法的不足.

竺山湖底泥中DP、DN、NH4+-N和LOI的含量均隨深度的增大而下降,且在氧化層和污染層含量較高,變化速度較快,在過渡層和健康層含量較小,且變化較為平緩.從環保疏浚的目的考慮,應該將污染物含量較高的氧化層和污染層疏浚掉,但對過渡層是否疏浚還有待進一步分析.

表2 上覆水中NH4+-N、DIP含量及底泥中EPC0、ENC0含量(mg/L)Table 2 Concentrations of NH4+-N and DIP in the overlying water, and their equilibrium concentrations in sediments (mg/L)

由表2可見,底泥EPC0隨深度的增大呈下降趨勢,氧化層和污染層 EPC0均大于上覆水體中磷的平均濃度(0.06mg/L),即存在較高的釋放風險,必須予以疏浚.過渡上層 EPC0平均值小于上覆水體中磷的平均濃度,但隨深度的變化仍有部分底泥 EPC0大于上覆水體中磷的平均濃度,存在一定的釋磷風險,建議疏浚;過渡下層 EPC0均小于上覆水體中磷的平均濃度,即不存在釋磷風險,可能成為磷的匯.對于氨氮,過渡上層和過渡下層ENC0分別為1.49～1.70,1.42～1.49mg/L,過渡下層中 ENC0小于上覆水中氨氮的平均濃度(1.58mg/L),氨氮的釋放風險較小,且有吸附上覆水中的氨氮的能力.因此,從環保疏浚效果和工程經濟學角度綜合考慮,推測竺山灣地區底泥環保疏浚層次為過渡上層,疏浚深度為0.40～0.70m.

3 結論

3.1 竺山灣地區底泥由上至下依次分為氧化層、污染層、過渡上層、過渡下層、健康層.各層的平均厚度為0.06,0.33,0.27,0.34,0.50m.

3.2 底泥中TP、TN、NH4+-N、LOI隨深度增大呈下降趨勢,且在氧化層及污染層中含量較下層高.EPC0在氧化層、污染層和過渡上層隨深度的增大呈下降趨勢,且下降速度較快,在過渡下層以下基本達到平衡.

3.3 根據竺山灣底泥中 TP、TN、NH4+-N及LOI隨深度的垂直分布規律,結合不同底泥層磷及氨氮吸附/解吸濃度與上覆水中磷與氨氮的平均濃度的對比分析,推算出竺山灣底泥環保疏浚層為過渡上層,疏浚平均深度為0.40～ 0.70m.

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Calculation of environmental dredging depth of contaminated sediments in Zhushan Bay of Taihu Lake.

WANG Wen-wen, JIANG Xia*,WANG Shu-hang, JIN Xiang-can(Research Center of Lake Eco-environment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2011,31(6)：1013～1018

According to physical and chemical indexes of sediment, such as color, odor, particle size and viscosity, column sediments of Zhushan Bay were divided into oxide layer(A), polluted layer(B), upper polluted transition layer(C1), lower polluted transition layer(C2)and healthy mud layer(D) from top to bottom. To calculate the environmental dredging layer and depth of Zhushan Bay, vertical distributions of ammonia nitrogen(NH4+-N), total phosphorus(TP), total nitrogen(TN) and loss of ignition(LOI) were analyzed.Nitrogen and phosphorus adsorption/desorption experiments about every layer were also conducted. Concentrations of NH4+-N, TP, TN and LOI decreased with depths, and concentrations of contaminants in layer A and layer B were significantly higher than those in other layers. Adsorption/desorption equilibrium concentrations of inorganic phosphorus(IP) in sediment decreased with depths, and there was an inflection point between C1 layer and C2 layer. Changes of adsorption/desorption equilibrium concentrations of NH4+-N with depths were complex. Combined with concentrations of IP and NH4+-N in overlying water, environmental dredging (env-dredging) layer of Zhushan Bay was layer C1 and environmental dredging depth range from 0.4 to 0.7m.

vertical distribution；adsorption/desorption equilibrium concentration；environmental dredging depth

X524

A

1000-6923(2011)06-1013-06

2010-10-19

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07101-010)

* 責任作者, 研究員, jiangxia@ craes. org. cn

王雯雯(1987-),女,黑龍江哈爾濱人,中國環境科學研究院碩士研究生,研究方向為湖泊水環境.