潘成榮, 丁 凡, 鄭志俠, 汪家權(quán)

(1.安徽省環(huán)境科學(xué)研究院,安徽 合肥 230061;2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

瓦埠湖位于安徽省中部江淮丘陵區(qū),為河流型湖泊,由窖河、東淝河匯水而成。它是安徽省境內(nèi)淮河流域最大的湖泊,為周邊城鎮(zhèn)居民的飲用水源,而且它在安徽省擬議的“引江濟(jì)淮”調(diào)水工程中作為重要水體。但是關(guān)于該湖的研究卻很少,特別是對(duì)該湖底泥磷的研究就更少,僅有文獻(xiàn)[1,2]對(duì)其進(jìn)行了一些報(bào)道;而對(duì)于該湖底泥中各種形態(tài)的磷的穩(wěn)定性的研究極少。磷作為湖泊富營養(yǎng)化的限制性因子,對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的意義。

為了解瓦埠湖底泥中各種形態(tài)的磷對(duì)該湖泊富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn),本文采集了該湖的表層底泥樣品,通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)研究了鐵結(jié)合態(tài)磷、鋁結(jié)合態(tài)磷、鈣結(jié)合態(tài)磷3種主要的內(nèi)源磷在pH值為4.0、7.0、10.0以及好氧、厭氧條件下的穩(wěn)定性,并在此基礎(chǔ)上采用鋁鹽、鐵鹽作為混凝劑對(duì)內(nèi)源磷的釋放進(jìn)行控制,為面源型湖泊的富營養(yǎng)化的控制提供參考。

1 材料和方法

1.1 材 料

沉積物:利用自制的直徑為20 cm的柱狀采樣器采集瓦埠湖北半湖湖灘的底泥,采樣深度為15 cm。樣品采集后去除其中的碎石、雜物,混合均勻后風(fēng)干、研磨,過 200目篩,備用。

氯化鋁溶液:配制質(zhì)量濃度為0～50 mg/L的氯化鋁溶液,間隔為5 mg/L。

氯化鐵溶液:配制質(zhì)量濃度為0～30 mg/L的氯化鐵溶液,間隔為2.5 mg/L。

1.2 方 法

1.2.1 底泥釋磷平衡時(shí)間與最大釋放量

稱取0.3 g沉積物于250 mL具塞錐形瓶中,分別加入100 mL pH值為4.0、7.0、10.0的上覆水體(取蒸餾水,用1 mol/L的HCl或NaOH調(diào)節(jié)pH 值至 4.0、7.0、10.0),在20 ℃恒溫振蕩器上以160 r/min速度振蕩;定時(shí)取出用 0.45 μ m濾膜過濾的上清液25 mL,酸消煮定容到25 mL容量瓶中,再用鉬藍(lán)比色法測(cè)定液相中的磷酸鹽濃度,取樣后補(bǔ)充上層水至100 mL,直至釋放平衡。沉積物磷的釋放量的計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[3]。

1.2.2 底泥穩(wěn)定性研究

稱取5 g沉積物于250 mL具塞錐形瓶中,加入100 mL蒸餾水為上覆水體,改變pH值和溶解氧質(zhì)量濃度來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)磷釋放平衡時(shí),用0.45 μ m的膜抽濾出沉積物,然后把沉積物放入600℃的烘箱中烘干。用研缽研碎,分別取0.3 g測(cè)定各沉積物的總磷以及鐵磷、鋁磷、鈣磷的含量。按照文獻(xiàn)[4]的方法測(cè)定底質(zhì)總磷;參照文獻(xiàn)[5,6]采用“連續(xù)的化學(xué)提取”方法提取并測(cè)定鐵磷、鋁磷、鈣磷的含量。

1.2.3 內(nèi)源負(fù)荷控制方法研究

在1.2.1的實(shí)驗(yàn)中,在加入100 mL上覆水的同時(shí)加入不同計(jì)量的氯化鋁溶液或氯化鐵溶液。然后將錐形瓶放在20℃的恒溫振蕩器上以160 r/min的速度振蕩,振蕩時(shí)間分別取第2節(jié)的平衡時(shí)間,上覆水中總磷測(cè)定方法用國標(biāo)法,參見文獻(xiàn)[3]。

2 平衡時(shí)間與最大釋放量的確定

不同pH值條件下瓦埠湖底泥釋磷主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1所列。

表1 不同pH值下瓦埠湖底泥釋磷主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由表1可以看出當(dāng)pH值為10.0時(shí)瓦埠湖底泥的釋放量最大,為62.3 mg/kg,此時(shí)水體的最大質(zhì)量濃度為0.187 mg/L;而當(dāng)pH值為7.0時(shí)瓦埠湖底泥釋磷的平衡時(shí)間最短,為10 h。這種現(xiàn)象主要是由底泥活性磷含量的差別導(dǎo)致,由文獻(xiàn)[7]可知酸性條件下進(jìn)入水體的磷主要為易溶性磷、鈣磷,其分別占總磷的1.2%和18.6%;在中性條件下進(jìn)入水體的磷主要為易溶性磷,其占總磷的1.2%;在堿性條件下進(jìn)入水體的磷主要為鐵磷、鋁磷、易溶性磷,其分別占總磷的27.4%、5.0%和1.2%。因此在pH 值為 10.0時(shí),底泥最大釋磷量會(huì)比pH值為4.0、7.0時(shí)大。

3 瓦埠湖沉積物中磷的穩(wěn)定性研究

3.1 底泥總磷變化特征

原始底泥中,wTP=442.7 mg/kg,w鐵磷=146.6 mg/kg,w鋁磷=25.07 mg/kg,w鈣磷=98.75 mg/kg。瓦埠湖底泥各結(jié)合態(tài)磷穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2所列。

由表2可知,在pH值相同時(shí),瓦埠湖底泥在厭氧環(huán)境中的釋磷量遠(yuǎn)大于好氧環(huán)境。好氧環(huán)境下,最大的總磷釋放量為41.8 mg/kg,小于厭氧環(huán)境下最小的總磷釋放量45.1 mg/kg。因此,沉積物釋磷量的多少并不與沉積物中總磷量成比例關(guān)系,釋放進(jìn)入間隙水中的磷大部分是無機(jī)可溶性磷[8,9]。

3.2 鐵磷穩(wěn)定性

鐵磷的變化特征,由表2可以看出,pH值相同時(shí),厭氧條件下的釋放量明顯高于好氧條件;并且在相同的溶解氧量的條件下,瓦埠湖鐵結(jié)合態(tài)磷釋放量隨pH值的升高而增加。故在還原環(huán)境中鐵磷易發(fā)生Fe3+—Fe2+還原反應(yīng),鐵磷溶解而釋放到上覆水體中[10]。

表2中在酸性條件下鐵磷的溶解量較低,僅相當(dāng)于堿性條件下溶解量的5%左右。

3.3 鋁磷穩(wěn)定性

由表2可以看出,瓦埠湖底泥中鋁磷的變化特征與鐵磷一致,很明顯這與文獻(xiàn)[11]的結(jié)論是一致的,即pH值增大,厭氧條件更有利于鋁磷的釋放。

表2中,底泥鋁磷在堿性條件下溶解量最大,好氧、厭氧狀態(tài)下分別為12.57、15.04 mg/kg;在酸性條件下鋁磷溶解量最小,好氧、厭氧狀態(tài)下分別為 0.57、1.51 mg/kg。

3.4 鈣磷穩(wěn)定性

由表2可看出瓦埠湖底泥中的鈣磷質(zhì)量比變化趨勢(shì):當(dāng)pH值相同時(shí),厭氧條件下的釋放量大于好氧條件;在溶解氧量相同的條件下,鈣磷的釋放量隨pH值的升高而降低。表2中瓦埠湖底泥鈣磷在酸性條件下溶解量最大,好氧、厭氧狀態(tài)下溶解量分別為16.99、19.56 mg/kg;而在堿性條件下溶解量最小,好氧、厭氧狀態(tài)下溶解量分別為1.01、2.33 mg/kg。在堿性條件下,鈣磷化合物能生成磷酸三鈣、磷酸四鈣等溶解度很小的化合物,使其不易溶解[12]。

表2 瓦埠湖底泥各結(jié)合態(tài)磷穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)參數(shù) mg/kg

4 內(nèi)源負(fù)荷控制方法的研究

4.1 鋁鹽控制底泥釋磷的效果

不同pH值下的氯化鋁投加效果,如圖1所示。由圖1可見,瓦埠湖底泥受鋁鹽控制的釋磷特征如下:在 pH 值為 4.0、7.0、10.0時(shí),投加的氯化鋁質(zhì)量濃度分別為10、25、45 mg/L時(shí),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到了平衡。平衡時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上覆水的總磷質(zhì)量濃度分別為 0.138、0.010、0.012 mg/L。

圖1 不同pH值下的氯化鋁投加效果

由圖1可知,對(duì)于瓦埠湖而言,在酸性條件下,氯化鋁的最佳投加量為10 mg/L,此時(shí)瓦埠湖底泥釋磷量減少了13.8%,總體上鋁鹽控制底泥釋磷效果不明顯;在中性條件下,氯化鋁的最佳投加量為25 mg/L,此時(shí)瓦埠湖底泥釋磷量減少了78.3%,總體上鋁鹽控制底泥釋磷效果較明顯;在堿性條件下,氯化鋁的最佳投加量為45 mg/L,此時(shí)瓦埠湖底泥釋磷量減少了93.6%,總體上鋁鹽控制底泥釋磷效果極為明顯。

4.2 鐵鹽控制底泥釋磷的效果

不同 pH值下氯化鐵的投加效果如圖2所示。

由圖2可見,瓦埠湖底泥受鐵鹽控制的釋磷特征如下:在 pH 值為 4.0、7.0、10.0時(shí),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到平衡所投加的氯化鐵的質(zhì)量濃度分別為7.5、12.5 、22.5 mg/L 。

平衡時(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上覆水的總磷質(zhì)量濃度分別為 0.136、0.011、0.011 mg/L。

圖2 不同pH值下氯化鐵的投加效果

由圖2可知,對(duì)于瓦埠湖而言,在酸性條件下,氯化鐵的最佳投加量為7.5 mg/L,此時(shí)瓦埠湖底泥釋磷量減少了15.0%,總體上鐵鹽控制底泥釋磷效果不明顯;在中性條件下,氯化鐵的最佳投加量為12.5 mg/L,此時(shí)瓦埠湖底泥釋磷量減少了76.1%,總體上鐵鹽控制底泥釋磷效果較明顯;在堿性條件下,氯化鐵的最佳投加量為22.5 mg/L,此時(shí)瓦埠湖底泥釋磷量減少了94.1%,總體上鐵鹽控制底泥釋磷效果極為顯著。

5 結(jié) 論

(1)瓦埠湖內(nèi)源磷的平衡時(shí)間及其最大釋放量,與溶液的酸堿度和溶液的溶解氧量有關(guān)。當(dāng)溶液呈堿性時(shí),其平衡時(shí)間最長,但其最大釋放量最大;當(dāng)溶液呈中性時(shí),其平衡時(shí)間最短,但其最大釋放量最小?？傮w上,瓦埠湖底泥在厭氧環(huán)境條件下的釋磷量遠(yuǎn)大于好氧環(huán)境條件下。

(2)瓦埠湖底泥中易釋放進(jìn)入水體中磷的形態(tài)主要為活性磷,底泥中磷的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:鐵磷、鋁磷溶解量均隨著pH值的升高而增加,但鈣磷情況相反,其溶解量隨pH值的升高而降低。酸性條件下底泥溶解磷主要源于鈣磷;堿性條件下鐵磷為主要的溶解礦物;鋁磷在堿性、好氧狀態(tài)下溶解的比例也較大;瓦埠湖內(nèi)源磷的主要來源比較復(fù)雜,取決于底泥所處的外界的酸堿和氧化還原環(huán)境。

(3)采用投加氯化鋁、氯化鐵等化學(xué)方法控制內(nèi)源磷釋放的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在酸性條件下對(duì)底泥的釋磷能力控制的效果不明顯;在中性條件下較為顯著,可以減少底泥釋磷總量接近80%;在堿性條件下,可以減少底泥釋磷總量超過90%,控制內(nèi)源磷釋放效果極為顯著。控制內(nèi)源負(fù)荷的原理在于投加的鋁、鐵等金屬陽離子與水體中各類磷酸根離子結(jié)合,形成礦物沉淀;鋁、鐵離子在堿性環(huán)境中會(huì)形成氫氧化物,具有良好的絮凝、吸附效果,可除去部分磷;絮凝物、礦物等沉積,覆蓋在底泥表層,對(duì)擴(kuò)散、遷移進(jìn)入水體的磷亦有阻滯作用。

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