環境因子對南水北調泵站調節池沉積物氮釋放特征的影響研究*

田 豐 邱春生,2# 馮 濤 姚 慧 王晨晨,2 王少坡,2 孫力平,2

(1.天津城建大學環境與市政工程學院,天津 300384;2.天津市水質科學與技術重點實驗室,天津 300384;3.天津水務集團有限公司引江市區分公司,天津 300312)

沉積物是地表水體中污染物的重要蓄積庫,在營養鹽轉化和水體水質變化過程中起著重要作用[1]。沉積物中的氮磷等污染物隨著環境因子的變化可通過擴散、對流、再懸浮等過程釋放到上覆水體[2]。有研究表明,在外源污染得到控制的情況下,沉積物污染物內源釋放是引起上覆水體水質惡化的主要原因[3-5]。

氮是維持水體中初級生產者生長必須的營養元素,其含量對水生態環境、水體富營養化情況乃至供水安全等有重要影響[6]。研究顯示,表層沉積物污染釋放主要受到上覆水理化性質(溫度、pH、DO)、沉積物理化性質(顆粒物粒徑、組分)、生物(微生物、植物)代謝、水位水量變化和擾動作用的影響[7-14]。其中,上覆水環境條件、沉積物氮含量和形態是決定氮釋放強度的關鍵因素。張茜等[15]研究發現上覆水環境條件對水庫沉積物總氮釋放的影響大小表現為溫度>DO>pH,史靜等[16]針對富營養化湖泊的研究也發現水體酸堿度和溫度是影響氮釋放的主要因素。不同形態的氮對沉積物-上覆水界面氮的釋放強度貢獻有顯著差別,王祿仕等[17]的研究結果表明水庫沉積物中4種形態的可轉化態氮(TTN)對氮界面循環的貢獻大小表現為:強氧化劑可提取態氮(SOEF-N)>弱酸可提取態氮(WAEF-N)>離子交換態氮(IEF-N)>強堿可提取態氮(SAEF-N)。不同形態氮的釋放與互相轉化也對沉積物營養鹽向上覆水的釋放過程具有重要影響[18-20],而不同環境因子對氮形態轉化影響的相關研究卻較少。泵站調節池是南水北調中線工程末端配套設施,承擔協調上游原水與下游水廠的作用,上游原水中的懸浮物質進入調節池后因水流減緩大量沉積,沉積物內源污染物釋放對供水安全產生潛在威脅。考察不同環境因子和沉積物氮形態分布對氮釋放的影響,對飲用水供水安全保障有重要意義。

本研究以南水北調泵站調節池表層沉積物為研究對象,通過室內模擬實驗,考察溫度、pH和DO等環境因子對沉積物-上覆水界面氮釋放的影響,并結合連續分級提取法對釋放前后表層沉積物氮形態進行分析,考察環境因子對氮形態轉化的影響,以期為調節池表層沉積物內源污染釋放控制提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

沉積物取自南水北調中線工程天津段某泵站調節池,采樣于2021年4月進行,采樣點水深5.8 m,水溫10.4 ℃。用抓斗式采樣器采集表層沉積物,裝入鋁箔袋密封運回實驗室,過篩去除雜物后4 ℃保存備用。同時采用同一點位上覆水水樣,置于聚乙烯桶密封,12 h內運回實驗室,0.45 μm微孔濾膜過濾后于4 ℃保存備用。沉積物樣品理化性質見表1。

表1 表層沉積物理化性質與不同形態氮質量濃度Table 1 Physicochemical properties and the concentrations of various forms of nitrogen in the surficial sediment

1.2 實驗設計

實驗裝置為直徑10 cm、高35 cm圓柱狀有機玻璃容器,將沉積物混合均勻后鋪在柱底部,將原水沿器壁緩慢注入玻璃柱,體積為沉積物的5倍,鋁箔紙包裹后置于恒溫培養箱。溫度通過恒溫培養箱控制,pH通過投加NaOH和HCl溶液控制,DO通過調節曝氣強度控制。

實驗方案:控制上覆水pH為7.0,DO為9 mg/L,設定溫度分別為10、20、30 ℃;控制上覆水溫度為20 ℃,DO為9 mg/L,調節pH分別為5.0、7.0和9.0;控制上覆水溫度為20 ℃,pH為7.0,調節上覆水DO分別為4 mg/L和9 mg/L,每組實驗設置兩個平行樣。采集每個實驗方案0、12、24、48、72、96、120、144、168、192、216、240 h時的水樣測定總氮與氨氮含量,每次取樣200 mL,并用上覆水補充。

1.3 分析方法

有機質的測定采用燒失量法[21],上覆水pH、DO、總氮和氨氮含量測定方法參照《水和廢水監測分析方法》[22],采用連續分級提取法測定靜態釋放實驗前后沉積物不同形態氮含量[23]。氮釋放強度計算見式(1)[24]:

(1)

式中:R為釋放強度,mg/m2;v為容器中上覆水體積,L;cn為第n次取樣營養鹽質量濃度,mg/L;c0為初始營養鹽質量濃度,mg/L;vj-1為第j-1次取樣時取樣體積,L;cj-1為第j-1次取樣時營養鹽質量濃度,mg/L;A為容器中水-沉積物接觸面積,m2。

2 結果與討論

2.1 溫度對沉積物氮釋放及形態的影響

從圖1可以看出,溫度對氮的釋放量影響明顯,30 ℃時氨氮和總氮釋放量比在10 ℃時明顯增加。溫度升高,沉積物氨氮釋放強度增大。溫度為30 ℃時氨氮釋放強度是溫度10 ℃時的2.17倍。沉積物中總氮的釋放與氨氮的釋放具有相似性,總氮的釋放強度隨著溫度的升高而增加,30 ℃下沉積物總氮釋放強度是10 ℃下的1.98倍。

圖1 不同溫度下總氮、氨氮質量濃度及釋放強度的變化Fig.1 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different temperature

由圖2可知,不同溫度條件下氮靜態實驗釋放后,沉積物TTN含量降低,沉積物中氮釋放到上覆水中,相應沉積物中的氮含量減少。20 ℃ 組TTN減少量>10 ℃組TTN減少量,說明溫度越高,TTN向上覆水中的釋放越明顯。而20 ℃組TTN減少量>30 ℃組TTN減少量,原因可能是溫度升高時,沉積物中的非轉化態氮(NTN)向TTN發生轉化,導致釋放后30 ℃ 組TTN含量上升。

圖2 不同溫度下TTN中氮形態的變化Fig.2 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different temperatures

與原泥相比,不同溫度條件下沉積物中的IEF-N、WAEF-N、SOEF-N占比均減少,SAEF-N占比增加。IEF-N與WAEF-N是沉積物中最主要參與釋放的形態,因此在釋放后占比下降,SOEF-N占比減少的原因可能是上覆水的環境條件發生改變,SOEF-N也向水體釋放,且20 ℃時不利于沉積物中的礦物質吸附有機質,同時也不利于微生物的生長,會使得沉積物中的有機氮釋放至水體,導致20 ℃時SOEF-N占比下降最大。而在30 ℃時,可能是由于NTN向TTN轉化,NTN中的部分有機氮向SOEF-N轉化,導致30 ℃時沉積物中SOEF-N的減少量最低。IEF-N在20 ℃與30 ℃占比略高于10 ℃,一方面可能是由于NTN的轉化,另一方面是其他氮形態在向水體釋放的同時,也在向IEF-N轉化。

圖3 不同pH下總氮、氨氮質量濃度及釋放強度的變化Fig.3 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different pH

2.2 pH對沉積物氮釋放及形態的影響

從圖3可以看出,環境條件為酸性(pH=5.0)或堿性(pH=9.0)時,沉積物中總氮與氨氮釋放強度均高于中性(pH=7.0)條件。酸性和堿性條件下,總氮和氨氮釋放量均在前75 h急劇增加,之后緩慢增加最終趨于平穩。酸性條件下與堿性條件下沉積物氨氮的釋放強度分別是中性條件的1.37、1.09倍。沉積物中總氮的釋放與氨氮的釋放相似,酸性條件下與堿性條件下沉積物總氮的釋放強度分別是中性條件的1.40、1.13倍。

由圖4可以看出,不同pH條件下氮釋放實驗期間,沉積物中TTN減少量表現為酸性>堿性>中性,由此可以推斷,上覆水中氮濃度表現為酸性>堿性>中性。釋放實驗后,沉積物TTN中的含量為中性>堿性>酸性,中性條件下,沉積物TTN的減少量低于酸性和堿性條件。

圖4 不同pH下沉積物TTN中氮形態的變化Fig.4 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different pH

圖5 不同DO下總氮、氨氮質量濃度及釋放強度的變化Fig.5 Changes of mass concentration and release intensity of total nitrogen and ammonia nitrogen under different DO

2.3 DO對沉積物氮釋放及形態的影響

從圖5可以看出,低DO的厭氧狀態下(DO=4 mg/L),氨氮和總氮的釋放量呈上升趨勢且高于較高DO的好氧狀態(DO=9 mg/L)。沉積物氨氮的釋放強度隨DO的升高而降低。低DO狀態下氨氮的釋放強度高,是較高DO狀態下沉積物氨氮釋放強度的1.32倍。沉積物中總氮的釋放與氨氮相似,DO越高,總氮的釋放強度越低,低DO狀態下總氮的釋放強度是較高DO狀態下總氮釋放強度的1.42倍。

低DO水平下,微生物的硝化作用減弱,同時將會促進氨氮從沉積物釋放到上覆水中,導致水體中氨氮濃度升高。而在較高DO水平下水體呈現出好氧狀態,硝化細菌能夠進行硝化作用,將水體中大部分氨氮轉化為硝態氮,沉積物向上覆水體釋放氨氮的作用受到一定的抵消,水體中氨氮濃度升高相對不明顯[29]。總氮濃度在厭氧條件下后期波動的原因可能與厭氧氨化有關[30],在厭氧條件下,水體微環境中發生了短程硝化厭氧氨氧化過程,氮轉化成氣態氮逸出水體。從而引起總氮濃度上下波動。

由圖6可知,較高DO環境沉積物TTN含量高于低DO環境,說明低DO環境更有利于氮的釋放。在低DO條件下,IEF-N為氮釋放的主要貢獻形態,較高DO條件下,WAEF-N為主要貢獻形態。釋放后,IEF-N含量為好氧>厭氧,WAEF-N為厭氧>好氧,SAEF-N為好氧>厭氧,SOEF-N為好氧>厭氧。

圖6 不同DO下沉積物TTN中氮形態的變化情況Fig.6 Changes of the nitrogen forms in sediment TTN under different DO

3 結 論

(1) 沉積物總氮和氨氮釋放強度隨溫度升高不斷增大,溫度升高有利于WAEF-N的釋放,而低溫時IEF-N為主要釋放形態。

(2) 環境條件為酸性或堿性時,沉積物中總氮和氨氮釋放強度均高于中性條件,在中性、酸性、堿性條件下IEF-N均為主要的釋放形態。

(3) 低DO條件有利于沉積物中氮的釋放,且主要釋放形態為IEF-N。