河道底部沉積物磷污染釋放規律特征研究

摘要：此研究旨在探究不同水體狀況與環境條件下河道底部沉積物磷污染釋放的特性。通過采集研究區水體及沉積物樣本，運用標準化實驗裝置與方法，分析靜態條件、溫度及pH值變化對磷釋放的影響。結果表明，靜態環境下磷釋放量增加，且隨總磷（TP）濃度上升釋放速率減緩；酸堿極端環境及低溫均加速磷釋放。特別指出，TP濃度超過15 mg/L時，磷釋放量減少但顆粒態磷比例增加，對生態構成潛在威脅。此外，酸性環境（pH=4）對磷釋放促進效果最顯著，其后依次為堿性（pH=12，10）及中性（pH=7）。水體溫度升高則增強微生物活性，促進有機磷轉化與釋放，加劇磷污染風險。

關鍵詞：沉積物；磷污染；釋放規律；特征分析

中圖分類號：X524 文獻標志碼：A

前言

河道底泥是城市河道生態系統中最主要的有機碳源和氮磷營養物，同時也是城市河道水環境系統中的主要污染源之一，磷元素動態對維持水環境健康至關重要。水體中磷元素的積累會引起水體富營養化，對人類的生活、生產產生不利影響，顯著影響人類活動與自然生態平衡。沉積物中磷元素的釋放是水環境富營養化最主要的因素，不僅影響著水環境生態系統健康和安全，而且對生態系統物質循環和能量流動也具有重要意義。隨著城市河道水質環境綜合治理工程的實施，大量外源污染物質被輸送到河道中，因此，深入解析底泥中磷的遷移轉化機制及實施有效調控策略具有重要意義，這也是城市河道水質管理的關鍵。

此研究聚焦于磷元素在河道底泥與水體界面間的釋放行為，設計并構建一套磷污染釋放模擬實驗體系，采用靜態連續浸提技術，系統探究不同磷濃度背景及水力擾動條件下底泥磷的釋放特征，研究底泥在不同濃度、不同水力條件下的磷釋放行為。通過實驗，闡明底泥磷釋放與環境因素（如磷濃度、水力條件）之間的復雜關系，此次實驗結果將有助于研究城市河道底泥中磷元素在河流中的遷移轉化過程，為城市河道底泥中磷元素的有效控制提供理論依據，為城市河道綜合治理工程提供技術支撐。

1研究區地理位置概況

此研究聚焦于氣候多變、降雨不均的流域，采樣河流受降水顯著影響，干流長157km，彎曲度高。長江口南支作為重要漁場及水源地，濕地生態系統廣袤，對生態安全和水質至關重要。然而，隨經濟發展，污染排放增加，導致濕地退化、生物多樣性減少。特別是下游段，污染負荷重，磷釋放引發富營養化問題。因此，探究南支沉積物磷釋放規律具有重大意義。

2材料與方法

2.1樣品采集與處理

實驗于2015年5月中旬采集A村邊界混凝土溝渠底泥與上覆水樣，底泥深70cm，泥漿層約15cm。采用靜態連續浸提法，以HNO₃-HClO₄消解沉積物磷，TB-399P與考馬斯亮藍G-250分別提取上覆水磷，離心烘干后，經TG-DSC評估熱穩定性并量化釋磷量。結合Lowry定律與Pearson/Fisher分析，探討上覆水磷濃度變化對沉積物磷釋放的影響機制。

2.2設計實驗裝置

實驗設計自制模擬裝置，涵蓋上覆水容器、底泥容器及沉積物，旨在模擬水體與沉積物交互下的磷釋放過程。上覆水與底泥均經實驗室配制，以反映自然磷濃度與沉積物狀態。實驗裝置分五部分，核心在于通過調控上覆水磷濃度及流動狀態，探究對沉積物磷釋放的影響，從而理解水體富營養化機制。

2.3儀器與試劑

主要儀器設備包括：超聲波清洗器、電熱恒溫振蕩器、磁力攪拌器、恒溫水浴鍋、電熱恒溫干燥箱、分析天平等。

試劑：硝酸溶液、硫酸溶液均為優級純，其余試劑均為分析純。磷標準溶液濃度1.00mg/L，加標回收率為95.0～100.8%。AR級的硫酸、鹽酸、磷酸二氫鉀、酒石酸銻氧鉀、氯化鉀、氯化銨、鉬酸鹽及抗壞血酸等，GR級的氫氧化鈉及過硫酸鉀。

儀器設備：BSM系列電子分析天平，SHA-B氣浴恒溫振蕩器，GX-2050數控恒溫水浴鍋，101-3DB電熱古風干燥箱與DZ-F真空干燥箱，JC-MF10馬弗爐，754N紫外可見分光光度計與723PC可見光分光光度計。

沉積物模擬液由天津大學環境學院實驗室提供，試劑均為分析純。

2.4實驗方法

此研究采用集成精密上覆水控制的靜態連續浸提系統，結合DCA-300水質監測與水位傳感技術，實時監控實驗條件。實驗前增強上覆水擾動以加速磷釋放，期間通過電磁閥靈活調控出水，維持穩定環境。周期內，水樣經預處理后，采用原子吸收法精確測定磷含量；沉積物則經KMnO₄處理、離心分離，分析底泥磷分布。實驗持續28天，定期采樣，測得底泥總磷及各形態磷濃度，揭示復雜分布特征，其中TP為1.65g/kg，弱吸附態至鈣結合態磷濃度依次為14.98至450.28mg/kg。

2.5數據處理

實驗中運用到的數據公式如式（1）：

2.5.1底泥釋放通量

式（1）中，V代表水體體積；C為不同采樣時間對應的TP質量濃度；V_s為水樣體積；C。為去離子水TP濃度；A為底泥與水體接觸面積，t為底泥釋放時間。

當計算結果為+時表示磷的走向由底泥進入水體；當結果為一時則代表磷的走向由水體進入底泥。

2.5.2底泥吸附效率

式（2）中，C₂₈代表實驗進行第28日水樣中TP對應的質量濃度。當結果變化與TP濃度相反時則判定為化學吸附；當結果變化與TP濃度一致時則判定為物理吸附。

3河道底部沉積物磷污染釋放規律特征研究結果討論

3.1環境對磷釋放的影響

3.1.1不同pH值對磷釋放的影響

在實際自然環境中，上覆水的pH值對沉積物中磷的釋放存在較大的影響，對比不同的pH值上覆水體中TP濃度及沉積物分布情況，實驗結果如圖1所示：

初期6天，上覆水TP濃度急升后穩定，酸性峰值達3.42mg/L，中性最低。形態分析顯示，Ex-P顯著減少，Fe/Al-P在酸堿下均勻釋放，Ca-P酸性釋放更多。連續浸提模擬顯示，沉積物有機酸致酸化，pH調控磷濃度顯著。

3.1.2不同溫度對磷釋放的影響

溫度是調控沉積物磷釋放的關鍵因子，通過影響環境物理化學反應及微生物活性，促進磷向上覆水遷移。實驗設定初始與升溫2h后磷濃度，旨在探究溫升對沉積物溶解態磷濃度變化的直接影響，進而解析溫度驅動下的磷釋放機制。結果見圖2。

如圖2所示，溫升正相關促進沉積物溶解態磷釋放，機制為加速有機質分解、減弱吸附及增強微生物活性。高溶解態磷削弱沉積物吸附，上覆水高磷濃度加劇釋放，總體溫升加劇磷向水體遷移。

3.1.3不同催化劑對磷釋放的影響

通過調控微環境氧化還原態、加速反應或重塑磷形態，影響磷遷移。在25℃、pH7.0條件下，向沉積物反應器等量添加各催化劑，定期采樣，運用化學提取與分光光度法精確測定磷形態變化。得到結果見表1。

研究表明，催化劑顯著影響河道沉積物磷釋放。過氧化鈣通過增強氧化性和pH值，有效促進各形態磷釋放，尤其是弱吸附態等。氧化鐵與錳也有催化作用，而硫酸亞鐵效果有限。活性炭通過吸附間接調控。過氧化鈣因其高效性，在河道治理中潛力顯著。

3.2磷最大釋放量相關性分析

在動態培養實驗中，不同水力條件下磷的釋放量也存在較大差異，而且不同介質中磷的釋放量也不一樣。水體沉降物中磷的最大釋放量和初始釋放速率以及多形態磷的相關性分析結果見表2。但增速遞減，上覆水磷濃度在0.5～2mg/L時釋放達峰值，受濃度效應與飽和機制調控。動態條件加劇水-固交互，促進磷釋放，且磷遷移受水質與濃度雙重影響。

4結束語

文章深入探討了河道底部沉積物磷污染釋放的規律特征，通過系統的樣品采集、實驗裝置設計、環境因子調控及數據分析，揭示了不同水體狀態、pH值、溫度及潛在催化劑對磷釋放的顯著影響。對于的磷主要以溶解態形式存在，同時也會隨著上覆水中磷濃度的升高而不斷發生垂向遷移。研究表明，靜態條件下磷釋放加劇，受上覆水TP濃度、酸堿環境及溫度變化的復雜調控。極端pH條件及適宜溫度顯著促進了磷的釋放，催化劑的選擇對于調控河道底部沉積物中磷的釋放具有重要意義，過氧化鈣在河道治理中具有更強的高效性。工作不僅為理解河道磷循環提供了實證基礎，也為制定有效的磷污染防控策略提供了科學依據。