沉積物-水界面研究在水環境治理中的應用

張逸飛，靳宇揚，劉佳佳，李文潤，顧珉嘉

（南京科技職業學院 環境工程學院，江蘇 南京 210048）

沉積物-水界面既是水環境生態系統中的重要組成部分，也是底棲動物和沉水植物的重要生長場所，是自然水體與周圍環境差異性最顯著的邊界，在物理特征、化學特征以及生物特征方面都有明顯差異[1]。水體和沉積物之間存在大量物質交換，主要發生在沉積物-水界面及其附近，這一系列物理化學反應包括吸附和解吸、遷移和轉化、氧化和還原、溶解和沉淀等[2]。因此，沉積物-水界面是水環境化學循環與生態系統相互影響的重要場所，也被認為是影響水體中內源釋放的重要因素[3]。水體中的上覆水通過沉降作用、物化作用和擴散作用等給沉積物-水界面提供物質交換基礎；間隙水是沉積物和上覆水中溶解性物質遷移轉化的中介[4]。除了物質自身的交換，沉積物-水界面還發生了不同相物質的傳輸[5]。有研究表明，溶解氧條件與水體中營養物質的釋放有明顯的相關性，好氧和厭氧條件對營養物釋放速率的影響差異也較大[6]。在富營養化水體中，各類污染物質同時存在、互相影響，比如氮磷營養鹽和重金屬等污染物質在沉積物-水界面的遷移轉化行為密切相關[7]。營養物質的持續輸入、外界環境條件的改變等因素是造成沉積物-水界面表面環境微生物群落變化的主要原因[8]。認識和了解沉積物-水界面的研究方法以及污染物在沉積物-水界面的遷移轉化過程，對探討應該如何治理被污染的水環境具有重要的意義。

1 沉積物-水界面物質交換的影響因素

沉積物-水界面是指兩個或多個物體之間的分界面，是一個既具體又抽象的概念。從宏觀角度來看，沉積物-水界面是水體和沉積物兩者之間有形的過渡區；從微觀角度來看，兩者相互融合，沒有明顯分界，如圖1所示。

圖1 沉積物-水界面示意

1.1 氧氣含量

董慧[3]在水界面營養鹽交換通量研究中表明，溶解氧不僅是調節沉積物-水界面氧化和還原環境的主要因素，也是影響沉積物中硝化與反硝化作用的重要因素。龔春生等[9]研究了沉積物-水界面在不同溶解氧條件下營養鹽的交換，也得到了類似的結果，氮磷是由沉積物向上覆水釋放還是由上覆水向沉積物釋放取決于溶解氧的含量。間隙水和上覆水中溶解氧含量都會直接影響沉積物-水界面營養鹽等物質的交換。

1.2 溫度

隨著季節的交替、溫度的變化，上覆水體的物理化學參數也呈現出明顯的變化。溫度可以改變污染物質的水溶性和吸附活性，影響污染物在沉積物上的吸附特性。一般沉積物的吸附能力隨溫度的升高而降低，因為吸附過程是一個放熱過程（分子內能轉化為熱能）。當溫度升高時，沉積物對有機化合物和無機化合物的吸附能力均有所降低。溫度對沉積物-水界面的物質交換有諸多影響，如影響物質的吸附能力、溶解度及水體中溶解氧含量等。

1.3 沉積物組成

沉積物中有機碳含量及其結構特征是影響沉積物吸附污染物質的重要因素，一般有機碳含量高的沉積物對有機污染物的吸附能力強[10]，結構復雜的沉積物對無機污染物的吸附能力較強。總體而言，沉積物顆粒粒徑越小，表面積越大，吸附量越大，吸附能力越強。

1.4 生物擾動

生物擾動是指各種底棲生物的日常生命活動對周邊環境的影響。其生命活動會影響沉積物的物理結構以及化學性質，一種生物的繁盛或消亡也會導致其他生物群類的興衰，是一種復雜多變的影響因素，也是沉積物-水界面和環境相互影響的重要樞紐。

1.5 pH

一般高pH能顯著強化沉積物對重金屬物質的吸附和沉淀，低pH條件往往會減弱重金屬物質在沉積物中的受吸附程度，縮短沉積物貯存重金屬物質的時限。pH的影響更多體現在有機污染物方面，沉積物中有機質結構會隨著pH變化而變化，比如在偏酸性情況下，分子態有機質更易吸附。

1.6 離子強度

溶液中離子濃度通常用離子強度來表示。當離子化合物溶于水解離成正負離子時，水中的電解質濃度會發生變化，也會影響一些鹽類在水中的溶解度。以往的研究表明，重金屬和有機污染物等物質的遷移擴散會受到離子強度的影響。羅雪梅等[11]研究發現，向沉積中加入一定濃度的鈣離子可產生中和作用，減弱靜電排斥，改變腐殖質的吸附聚集能力。

1.7 微生物

沉積物-水界面也是由多種微生物參與、頻繁發生物質交換的綜合體系。其中，微生物的活動可以通過同化作用和異化作用影響表層沉積物中有機質的礦化速率以及污染物的分布、形態和遷移轉化等[8]。

2 沉積物-水界面研究在水環境治理中的應用

2.1 水環境污染現狀

我國是水質性缺水國家，隨著經濟發展和人類頻繁活動，河湖水環境形勢嚴峻，水污染成為亟待解決的問題。工業廢水和生活污水大量排放，高有機質含量和有毒有害物質若未經處理排入河湖中，會導致水污染日趨嚴重。只有對我國水污染防治予以高度重視，才能保證我國水資源支撐經濟社會的可持續發展。通過研究水體中沉積物-水界面的物質交換和理化性質等，可以更好地解決這些問題，實現污染防治管控，為水環境質量改善提供參考依據。

2.2 沉積物-水界面的研究方法和技術

2.2.1 沉積物間隙水取樣

沉積物和水體之間的物質交換主要通過間隙水實現。如何準確獲得間隙水是研究者們研究的方向，也是研究沉積物-水界面的重要突破點。一般可以通過兩種方式獲得間隙水，即主動獲取和被動采樣。主動獲取間隙水的兩種常見方法是離心和抽吸，但是獲取過程中環境的變化以及產生的向心力對間隙水的原位真實性影響較大，很難獲得真實精準的含量。為了克服這些缺點，被動采樣應運而生。目前，被動采樣技術主要包括膜滲析平衡技術、薄膜擴散技術、半透膜技術等[12]。

2.2.2 沉積物-水界面過程模擬

沉積物-水界面過程模擬主要是研究界面和附近物質的遷移轉化過程，分為靜態模擬和動態模擬。

靜態模擬主要是進行柱狀樣品的培養實驗，通過控制環境變量（如溫度、pH、溶解氧、微生物等）模擬小型沉積物水環境系統[13]。

在動態模擬實驗中，流動界面穩態培養模擬技術的應用較為廣泛。該技術主要模擬實際流動的水流，通過控制環境變量和氣體含量來跟蹤監測沉積物-水界面物質的遷移轉化[14]。流動培養模擬實驗可以實現氮磷、有機物的界面交換過程模擬。原位放置水底培養箱比較接近真實的水環境，但是耗時較長。沉積物-水界面過程模擬代表性研究方法對比如表1所示。

在動態模擬研究中，主要的影響因素為物理擾動和生物擾動。其中，物理擾動一般以層狀影響為主，而生物擾動以點塊等影響為主。在野外，水流和風浪是主要的物理擾動因素，室內實驗也經常使用水泵和鼓風機等進行模擬，作用方式是使沉積物-水界面附近的沉積物發生再懸浮。探究此類因素時，矩形水槽和環形水槽是常用的動態模擬設備，兩種水槽模擬的優缺點如表2所示[15]。目前，為了更真實地模擬沉積物和上覆水之間物質的遷移轉化狀態，常用重力、人造水流和人造風等方法。生物擾動是為了控制沉積物-水中擾動的過程，通常用定量分析等方法來確定沉積物顆粒的變化，例如生物擾動實驗系統（Annular Flux System，AFS）[16]。

表2 矩形槽和環形槽研究方法對比

3 沉積物-水界面污染物遷移轉化研究

3.1 營養鹽

磷是湖泊富營養化的主要營養元素之一。研究者發現，無機態磷易從沉積物遷移到上覆水中。其中，鐵結合態磷在缺氧條件下可以解離成水溶性磷，直接參與磷遷移[17]。在營養物的遷移轉化過程中，人們往往將有機態氮磷作為共同的研究目標，但是氮磷的遷移轉化機理有所不同。氮在沉積物-水界面的遷移轉化主要看氮的存在形態，在好氧條件下，銨態氮易進入水體[18]。

3.2 重金屬

重金屬在沉積物-水界面的遷移轉化主要和沉積物以及水體的理化性質有關。與營養鹽類似，重金屬在沉積物-水界面也會受到物理擾動和生物擾動的共同影響。氧化還原電位的影響較為重要，在好氧狀態下，有機質易被氧化，可以更好地釋放結合的重金屬，促進重金屬在沉積物-水界面的遷移轉化[19]。

3.3 有機污染物

持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs）是人類治理環境污染和水體污染過程中難以處理的污染物，主要來源是人類從事各種生產活動產生的廢料和殘留物質，比如耕種時使用的農藥、化工生產過程中工廠排出的工業廢水和殘渣等。POPs經各種途徑排入水中后，一小部分溶于水體，大部分被水體中的可懸浮顆粒物吸附，然后經歷沉降等物理化學作用，最后聚集到水體下面的泥沙沉積物中。最終，沉積物中的有機污染物含量達到水體中的數十倍。POPs在沉積物-水界面的遷移轉化行為研究表明，沉積物深處受到生物擾動作用較弱，但是由于POPs的性質比較穩定，不易處理，會在沉積物中留存數年之久[20]。

4 結果與討論

沉積物-水界面附近的物質遷移轉化受到多種因素的共同影響。當外界污染源消失時，上覆水體中的污染物濃度會持續下降。在水體靜態或動態條件下，沉積物作為污染物質的主要積蓄庫，會向上覆水體源源不斷地釋放污染物質，這個釋放過程會持續對水體造成二次污染。沉積物-水界面研究在水環境治理中的應用能為預測污染物質在水體和環境中的最終去向，預估受污染水體的沉積物對人類和環境的危害性以及在實際工作中如何控制與治理污染提供有效依據。

幾十年來，人們在沉積物-水界面方面已開展了大量研究，特別是近10年來，研究進展突飛猛進。未來可繼續開展以下研究：

第一，推進沉積物-水界面過程研究模型的構建。目前，仍然有很多復雜水域沉積物表層常會覆蓋藻類，內部還有數量巨大的底棲生物產生擾動作用，使現有模型不能有效且準確地反映沉積物-水界面過程。

第二，完善沉積物-水界面認知過程與方法。現有的取樣研究方法基本滿足了研究所需，但與原環境相比仍有誤差，需在完善時空差異與數據精細度上進一步探索。