福州第二飲用水水源地——山仔水庫底泥中磷釋放研究
前言
在國內外許多湖泊水庫等水體，采用了污染截流以后，水質沒有明顯好轉，經研究得出底泥中營養物質釋放是水質惡化的另一主要原因。山仔水庫在2001年底污染完全截流以后，通過2003年7、8、10、11月份的監測數據和富營養化評價均表明，水質沒有明顯改善，有些指標呈現上升趨勢。因此，對水庫底泥進行采樣，研究底泥中營養鹽在靜態時的釋放，從而得出水庫的內源負荷量，為山仔水庫富營養化治理提供理論依據。
水庫底泥中的磷釋放是一相當復雜的動態過程，釋放量的大小會受到水庫底層中溶解氧的狀況、溫度、pH值、生物活性、風浪擾動等多種因素的影響。由汪家權等對安徽巢湖、隋少峰等對武漢東湖、侯立軍等對蘇州河和吳根福等對杭州西湖等淺水中影響底泥營養元素釋放的環境因子研究，得出了以下結論：在厭氧條件下，底泥中的磷向水體釋放，且釋放強度隨pH值的升高而升高，好氧條件下，底泥非但沒有向水體釋放磷，反而從水體中吸附磷，呈“負釋放”狀態，厭氧條件下底泥釋磷量是好氧條件下的30倍，且pH值越低，“負釋放強度”越大。升高水溫、降低溶解氧和擾動上覆水均能加速磷釋放，而且最大釋放強度隨溫度的升高而提前。但是福州第二飲用水水源地—山仔水庫屬于深水水庫，通過便攜式溶解氧儀測定水庫底部的溶解氧平均值為2.1mg/L，因此，本實驗主要考慮在切斷外污染源情況下，僅考慮厭氧環境和溫度影響的情況下，底泥中營養元素的釋放速率，從而計算出水體靜態情況下底泥-水界面污染負荷。
1 實驗方法
1.1樣品的采集和分析方法
對山仔水庫的底泥進行了充分調查的基礎上，底泥采樣采用開閉式不銹鋼柱狀底泥采樣器（準60×600mm）進行底泥的采集，樣品采集后立即避光保存。水樣采集與底泥采集同步，水樣采集采用中科院武漢水生所研制的采水器，并用超聲波測深儀測出相應點位的水深。具體采樣點位見圖1。總磷測定采用酸性消解/鉬銻抗分光光度法。
 |
1.2上覆水樣處理
用于模擬實驗的上覆水樣采集與底泥采集同步，并帶回室內后立即經纖維濾膜(0.45μｍ)過濾，然后放入冰柜中冷藏備用。
1.3沉積物界面磷釋放實驗
在室內將柱狀樣中原有上覆水用虹吸法抽去，再用虹吸法沿壁小心滴注已過濾的原采樣點水樣，至液面距沉積物表面某一高度，并標記下這一刻度。下端用皮塞塞緊，所有柱狀樣品均垂直放入已恒定在指定溫度下的生化恒溫培養箱中，避光培養。第一次灌入的水樣作為起始樣。水樣用注射器抽取，每次取樣60mL，取樣后補充上覆水至同樣的高度，然后立即在針眼處涂硅橡膠密封。緊接著排出柱狀樣上部的空氣，一邊充入N2時，另一邊通過導管排出空氣，時間約為5分鐘。其中需要注意的是充氮氣的導管盡可能的接近水面，而空氣排出管盡可能與管口對齊，以便內部原有的空氣盡可能的排出后，這樣能充分的保證該柱狀樣處在厭氧的環境中，具體見圖2。取樣時間為每兩天一次，并對所取水樣進行指標分析，全部實驗為24天結束。隨時間的增加，實驗水柱中濃度有所變化，這時某營養物的釋放強度可按下式計算：
式中，R為釋放強度（mg/m2）；V為柱中上覆水體積(L)；Cn、C0、Cj-1為第n次、初始和j-1次采樣時某物質含量(mg/L)；Ca為添加水樣中的物質含量(mg/L)；j-1為第j-1次采樣體積(L)；r為釋放速度[mg/（m2·d）]；t為釋放時間（d）；A為柱狀樣中水-沉積物接觸面積(m2)，A=0.002827 m2，每次采樣后得出的釋放速度平均后即得到釋放速度，試驗的釋放速度是考慮底泥的釋放和沉降后的凈釋放速度，即表觀速度。由于山仔水庫常年年平均水溫變化在21～22℃之間，夏季（6～8）平均水溫在29.5℃左右，其余三個季節平均水溫在19℃左右，在本研究中取15℃代表春、秋和冬三季底部的水溫，25℃代表穩定熱分層時水庫底部的水溫。
2 結果與討論
2.1磷的釋放
根據模擬實驗結果并用式（1）計算，結果見圖3。
 |
從圖3中可以看出，山仔水庫底泥有較明顯的磷釋放現象發生，整體上在兩個溫度下的總磷的釋放強度是隨著時間的延長而逐漸增長的。對于同一地點的柱狀樣樣品，不同的溫度對底泥中磷釋放也會產生很大的影響，本實驗模擬在15℃，25℃溫度條件下，底泥中磷的釋放，圖3中可以看出，在25℃時，底泥中磷的釋放較15℃快，這是因為升高溫度能增加底泥中微生物和生物體活性，進而消耗O2也增多，從而使底泥中發生Fe3+→Fe2+的化學反應，致使Fe結合態中的磷釋放出來。另外，微生物的活動還可以使沉積物中的有機態磷轉化為無機態磷酸鹽而得以釋放，總體上溫度上升與磷釋放程度有正相關關系。
2.2 底泥中的磷的釋放速率
結合（2）式可以計算出各點的釋放速率和年平均釋放量，具體見表1。
 |
從表1中可以看出，山仔水庫底泥中各個采樣點磷在15℃下釋放速度為0.501～3.530 mg/m2·d，25℃下為1.645～4.176 mg/m2·d之間， 15℃和25℃表觀總磷釋放速度的平均值分別為1.996 mg/m2·d和2.873 mg/m2·d，總體是夏季釋放速度大于其它月份。
3 小 結
通過對底泥進行營養元素釋放實驗，得出底泥中的磷在深水中的釋放規律，并對其釋放強度進行計算，實驗表明：
在厭氧條件下，磷有較明顯釋放現象發生，而且溫度的升高促進了底泥中磷的釋放。水庫三個底泥樣品中總磷在15℃下釋放速度平均值為1.996mg/m2·d，25℃下平均值為2.873mg/m2·d，說明水庫底泥中大量的磷的釋放是水體富營養化又一個重要原因。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
