朱蘭保+盛蒂+朱攀

摘要：通過室內(nèi)模擬試驗，考察不同覆蓋材料（煤渣和紅土）對原位覆蓋法控制底泥中的磷釋放的效果，以及溫度、pH值、水體擾動和光照等環(huán)境因子對原位覆蓋法控制底泥中磷釋放的影響。結(jié)果表明：煤渣和紅土覆蓋層均能有效控制底泥中的磷的釋放，且紅土的控制效果更好。酸性或堿性條件均有利于底泥中的磷向上覆水中釋放，中性條件下的磷釋放量最小；堿性條件比酸性條件更能促進底泥中的磷釋放。高溫有利于底泥中磷的釋放。擾動強度越大，在相同的試驗時間內(nèi)底泥中磷向上覆水中的釋放量越大；在釋放初期，兩者差異不大，隨著時間的延長，兩者差異越來越大。光照對原位覆蓋法控制底泥中的磷釋放的影響不明顯，相對來說，避光更有利于底泥中磷的釋放。原位覆蓋法可以有效控制底泥中磷向上覆水中釋放。

關(guān)鍵詞：原位覆蓋；底泥；磷的釋放；營養(yǎng)鹽

中圖分類號： X52文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0301-02

收稿日期：2013-07-13

基金項目：安徽高校省級自然科學(xué)基金（編號：KJ2010B106、KJ2011B088）；蚌埠學(xué)院自然科學(xué)基金（編號：2010ZR03）；蚌埠學(xué)院優(yōu)秀人才計劃；蚌埠學(xué)院重點實驗室資助項目。

作者簡介：朱蘭保（1979—），男，碩士，講師，主要從事環(huán)境質(zhì)量與安全研究。E-mail：zhulanbao@139.com。原位覆蓋技術(shù)是20世紀70年代后期發(fā)展起來的，并開始應(yīng)用于受污染底泥的修復(fù)。原位覆蓋控制底泥污染是通過在污染底泥上面鋪放1層或多層覆蓋材料，使底泥與上覆水隔離，從而阻止底泥污染物向上覆水中釋放。它與傳統(tǒng)的底泥受控自然恢復(fù)技術(shù)和疏浚技術(shù)相比具有良好的修復(fù)效果、較小的生態(tài)風(fēng)險和低廉的成本，是目前具有較好發(fā)展前景的一種底泥污染控制技術(shù)[1-3]。目前，國外原位覆蓋控制技術(shù)已經(jīng)在水庫、河口、河道和近海岸等區(qū)域有較廣泛的應(yīng)用[4-5]，而我國采用原位覆蓋技術(shù)來控制底泥污染還停留在試驗探索階段[6-7]，并且對覆蓋材料的選用、覆蓋效果的影響因素和施工技術(shù)缺乏系統(tǒng)的研究。在前期研究[8]的基礎(chǔ)上，本研究以紅土和煤渣為覆蓋材料，通過室內(nèi)模擬試驗研究在原位覆蓋控制技術(shù)下環(huán)境因子對底泥中磷釋放的影響，以期為地表水體底泥污染物的釋放控制提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料

利用抓斗式底泥采樣器采集安徽省蚌埠市珠園富營養(yǎng)化景觀水體的表層底泥樣品，送至實驗室進行理化性質(zhì)分析和磷的釋放模擬試驗，其中pH值為7.34，有機質(zhì)含量為309%，總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量為3 624.41、697.02、340.96、5.57 mg/kg。底泥覆蓋材料為潔凈的煤渣和紅土，用木棒將其碾碎，過孔徑為0.5 mm的篩子備用。

1.2試驗方法

將新鮮底泥均勻地攤平在3 L燒杯底部，使底泥厚度為 4 cm。然后在底泥上面仔細、均勻地添加煤渣、紅土作為覆蓋材料，控制覆蓋層厚度為4 cm，同時設(shè)置對照試驗。用虹吸法添加上覆水，上覆水厚度控制為5 cm，加水時避免沖起覆蓋材料和底泥。每7 d取樣1次，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[9]測定上覆水中的總磷含量。

2結(jié)果與分析

2.1覆蓋材料對底泥磷釋放的影響

以煤渣和紅土為覆蓋材料，在覆蓋層厚度為4 cm、環(huán)境溫度（T）為20 ℃、上覆水pH值為7.0、溶解氧含量為 6.8 mg/L、避光靜置的條件下，研究底泥中磷向上覆水中的釋放量隨試驗時間的變化而變化的情況，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，煤渣和紅土覆蓋層均能有效抑制底泥中的磷向上覆水中釋放。在試驗周期內(nèi)，上覆水中總磷含量隨時間推移呈上升趨勢，但隨時間的推移，上升速率明顯減緩，最終釋放趨于穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過靜置釋放試驗后，沒有覆蓋材料的對照組上覆水中總磷濃度為1.38 mg/L，分別為覆蓋紅土、煤渣底泥上覆水中總磷濃度的3.94、2.33倍。在前2周試驗周期內(nèi)，煤渣和紅土2種覆蓋材料對底泥中的磷釋放的抑制效果無明顯區(qū)別，從第2周開始至試驗結(jié)束這段時間內(nèi)，煤渣覆蓋底泥的上覆水中的總磷含量均高于紅土覆蓋。這可能與煤渣粒徑比紅土大，導(dǎo)致煤渣之間存在較大孔隙而使其控制效果差；另外，紅土本身由于具有黏性，在入水后稍微溶解即會使表面與上覆水接觸的地方尤為緊密，對底泥能起到密封的效果，所以增強了其對底泥中磷釋放的抑制作用?？傮w上看，在試驗周期內(nèi)紅土覆蓋對底泥中磷釋放的控制效果比煤渣覆蓋好。

2.2pH值對底泥中磷釋放的影響

以紅土（覆蓋層厚度為4 cm）為覆蓋材料，分別調(diào)節(jié)上覆水的pH值為5.0、7.0、9.0，且每天都調(diào)節(jié)維持上覆水pH值的穩(wěn)定，在環(huán)境溫度為 20 ℃、上覆水溶解氧含量為6.8 mg/L、避光靜置的條件下，研究底泥中磷的釋放試驗，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，在試驗設(shè)定的時間內(nèi)，隨時間的延長，不同pH值的上覆水中的磷含量均呈增加趨勢。在設(shè)定的pH值范圍內(nèi)，上覆水pH值對底泥磷釋放影響較大，在酸性或堿性條件下均能促進底泥中的磷向上覆水體中釋放；中性條件下，底泥中磷的釋放量最小。上覆水中磷含量在pH值為 5、9時分別為0.588、0.819 mg/L，是pH值為7時的168、2.34倍，因此，堿性條件比酸性條件更有利于磷的釋放，因為pH值會影響磷與底泥的離子發(fā)生交換和吸附作用。在堿性條件下，磷以離子交換為主，使磷酸鹽解析作用增強，刺激磷向水體中釋放[10]；酸性條件下可能會刺激微生物，使其活性增強，微生物在促使磷轉(zhuǎn)換與有機磷分解的過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物會影響上覆水的pH值，使上覆水的pH值至中性；在中性條件下，水體中的正磷酸鹽主要以HPO42-和H2PO4-的形式存在，容易與底泥中的金屬元素絡(luò)合而被吸附[10]。

2.3溫度對底泥磷釋放的影響endprint

以紅土（覆蓋層厚度為4 cm）為覆蓋材料，控制其他條件（上覆水pH值7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光靜置）不變，將釋放試驗裝置分別置于溫度為10、20、30 ℃的環(huán)境體系中（用恒溫水浴鍋保持水溫恒定），研究溫度對底泥中磷釋放的影響，試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在溫度為30 ℃時，磷釋放速度最快，經(jīng)過7周的釋放后，上覆水中磷的含量為0.647 mg/L，分別為10、20 ℃ 釋放的3.05、1.85倍。因為溫度升高可以增強底泥中微生物的活性，促進生物擾動和礦化作用，導(dǎo)致間隙水耗氧增多，使環(huán)境由氧化態(tài)向還原態(tài)轉(zhuǎn)變，有利于Fe3+→Fe2+轉(zhuǎn)化，使Fe3+無法與磷結(jié)合以磷酸鐵（Fe3PO4）的形式沉積到底泥中，從而促進底泥中磷的釋放；另外，生物的活動還可使底泥中的有機態(tài)磷轉(zhuǎn)化為無機態(tài)磷酸鹽而釋放。

2.4擾動對底泥磷釋放的影響

河流、湖泊和水庫等地表水體易受人為擾動的影響，為了解水體擾動對原位覆蓋法控制底泥磷釋放的影響，本研究以覆蓋層厚度為4 cm紅土的底泥為研究對象，控制其他條件不變（T=20 ℃、上覆水pH值7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光），設(shè)定不同的攪拌轉(zhuǎn)速（0、100、200 r/min），每天擾動 30 min，靜置24 h后取上覆水測定總磷含量，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，擾動強度越強，在相同的試驗周期內(nèi)底泥中磷向上覆水的釋放量就越大。在釋放初期，兩者差異不大，隨著時間的延長，兩者差異越來越大，經(jīng)過7周的擾動釋放，攪拌轉(zhuǎn)速為200、100 r/min下磷的釋放量分別為靜置時的2.36、1.99倍。前4周總磷的釋放量緩慢增加，但從第4周開始，總磷的釋放速度明顯加快，這是因為擾動會使底泥中的顆粒磷再懸浮，增強磷的泥-水界面交換，擾動強度越強，磷從底泥中的釋放量也就越大。從第5周開始磷的釋放并沒有增加，反而有小幅的減少，這可能是由于擾動促進了底泥的懸浮，導(dǎo)致上覆水中能夠與磷發(fā)生物理、化學(xué)和生物吸附的顆粒物數(shù)量增加，有利于底泥對磷的專屬性吸附；同時也增加了上覆水中磷與這些物質(zhì)的接觸機會，強化了細小顆粒物的絮凝與聚集，從而加快了底泥對磷的吸附與固定。雖然強擾動條件會促進底泥中磷向上覆水體中釋放，但與沒有覆蓋任何材料的對照相比，最強擾動底泥釋磷量僅為對照的60%。

2.5光照對底泥磷釋放的影響

以紅土（覆蓋層厚度為4 cm）為覆蓋材料，在環(huán)境溫度為20 ℃、上覆水pH值為7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光或有光照的條件下靜置，研究光照對底泥中磷釋放的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可見，光照對原位覆蓋法控制底泥磷釋放的影響不明顯。避光條件下，上覆水中總磷含量略高于光照條件下的含量，相對來說避光更有利于底泥中磷的釋放。這可能是由于光照會使底棲藻類生物作用更加旺盛，因此鐵、鋁等結(jié)合態(tài)磷更容易被藻類吸收同化，從而導(dǎo)致鐵、鋁等結(jié)合態(tài)的磷酸根離子的釋放能力相對較弱，進而磷的釋放量也隨之減少。

3結(jié)論

在試驗周期內(nèi)，煤渣和紅土覆蓋層均能有效抑制底泥中的磷向上覆水中釋放；紅土覆蓋對底泥磷釋放的控制效果比煤渣覆蓋更好。酸性或堿性條件均有利于底泥中的磷向上覆水中釋放，堿性條件比酸性條件更有利于底泥中磷的釋放；在中性條件下，磷的釋放量最小。環(huán)境溫度對底泥中磷釋放的影響較大，溫度升高有利于底泥中磷的釋放。擾動強度越大，在相同的試驗時間內(nèi)底泥中磷向上覆水中的釋放量越大；在釋放初期兩者差異不大，隨著時間的延長，兩者差異越來越大。光照對原位覆蓋法控制底泥中磷釋放的影響不明顯，相對來說避光更有利于底泥中磷的釋放。原位覆蓋法可以有效控制底泥中的磷向上覆水中釋放。

參考文獻：

[1]朱廣偉，陳英旭，田光明. 水體沉積物的污染控制技術(shù)研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護，2002，21（4）：378-380.

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[8]朱蘭保，盛蒂，葛友成. 原位覆蓋法控制底泥氮釋放的研究[J]. 蚌埠學(xué)院學(xué)報，2013，2（3）：29-31.

[9]HJ 636—2012水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[10]李壽泉. 淺析環(huán)境因子對城市緩流水體底泥磷釋放的影響[J]. 江蘇環(huán)境科技，2007，20（6）：13-16.endprint

以紅土（覆蓋層厚度為4 cm）為覆蓋材料，控制其他條件（上覆水pH值7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光靜置）不變，將釋放試驗裝置分別置于溫度為10、20、30 ℃的環(huán)境體系中（用恒溫水浴鍋保持水溫恒定），研究溫度對底泥中磷釋放的影響，試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在溫度為30 ℃時，磷釋放速度最快，經(jīng)過7周的釋放后，上覆水中磷的含量為0.647 mg/L，分別為10、20 ℃ 釋放的3.05、1.85倍。因為溫度升高可以增強底泥中微生物的活性，促進生物擾動和礦化作用，導(dǎo)致間隙水耗氧增多，使環(huán)境由氧化態(tài)向還原態(tài)轉(zhuǎn)變，有利于Fe3+→Fe2+轉(zhuǎn)化，使Fe3+無法與磷結(jié)合以磷酸鐵（Fe3PO4）的形式沉積到底泥中，從而促進底泥中磷的釋放；另外，生物的活動還可使底泥中的有機態(tài)磷轉(zhuǎn)化為無機態(tài)磷酸鹽而釋放。

2.4擾動對底泥磷釋放的影響

河流、湖泊和水庫等地表水體易受人為擾動的影響，為了解水體擾動對原位覆蓋法控制底泥磷釋放的影響，本研究以覆蓋層厚度為4 cm紅土的底泥為研究對象，控制其他條件不變（T=20 ℃、上覆水pH值7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光），設(shè)定不同的攪拌轉(zhuǎn)速（0、100、200 r/min），每天擾動 30 min，靜置24 h后取上覆水測定總磷含量，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，擾動強度越強，在相同的試驗周期內(nèi)底泥中磷向上覆水的釋放量就越大。在釋放初期，兩者差異不大，隨著時間的延長，兩者差異越來越大，經(jīng)過7周的擾動釋放，攪拌轉(zhuǎn)速為200、100 r/min下磷的釋放量分別為靜置時的2.36、1.99倍。前4周總磷的釋放量緩慢增加，但從第4周開始，總磷的釋放速度明顯加快，這是因為擾動會使底泥中的顆粒磷再懸浮，增強磷的泥-水界面交換，擾動強度越強，磷從底泥中的釋放量也就越大。從第5周開始磷的釋放并沒有增加，反而有小幅的減少，這可能是由于擾動促進了底泥的懸浮，導(dǎo)致上覆水中能夠與磷發(fā)生物理、化學(xué)和生物吸附的顆粒物數(shù)量增加，有利于底泥對磷的專屬性吸附；同時也增加了上覆水中磷與這些物質(zhì)的接觸機會，強化了細小顆粒物的絮凝與聚集，從而加快了底泥對磷的吸附與固定。雖然強擾動條件會促進底泥中磷向上覆水體中釋放，但與沒有覆蓋任何材料的對照相比，最強擾動底泥釋磷量僅為對照的60%。

2.5光照對底泥磷釋放的影響

以紅土（覆蓋層厚度為4 cm）為覆蓋材料，在環(huán)境溫度為20 ℃、上覆水pH值為7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光或有光照的條件下靜置，研究光照對底泥中磷釋放的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可見，光照對原位覆蓋法控制底泥磷釋放的影響不明顯。避光條件下，上覆水中總磷含量略高于光照條件下的含量，相對來說避光更有利于底泥中磷的釋放。這可能是由于光照會使底棲藻類生物作用更加旺盛，因此鐵、鋁等結(jié)合態(tài)磷更容易被藻類吸收同化，從而導(dǎo)致鐵、鋁等結(jié)合態(tài)的磷酸根離子的釋放能力相對較弱，進而磷的釋放量也隨之減少。

3結(jié)論

在試驗周期內(nèi)，煤渣和紅土覆蓋層均能有效抑制底泥中的磷向上覆水中釋放；紅土覆蓋對底泥磷釋放的控制效果比煤渣覆蓋更好。酸性或堿性條件均有利于底泥中的磷向上覆水中釋放，堿性條件比酸性條件更有利于底泥中磷的釋放；在中性條件下，磷的釋放量最小。環(huán)境溫度對底泥中磷釋放的影響較大，溫度升高有利于底泥中磷的釋放。擾動強度越大，在相同的試驗時間內(nèi)底泥中磷向上覆水中的釋放量越大；在釋放初期兩者差異不大，隨著時間的延長，兩者差異越來越大。光照對原位覆蓋法控制底泥中磷釋放的影響不明顯，相對來說避光更有利于底泥中磷的釋放。原位覆蓋法可以有效控制底泥中的磷向上覆水中釋放。

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[9]HJ 636—2012水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[10]李壽泉. 淺析環(huán)境因子對城市緩流水體底泥磷釋放的影響[J]. 江蘇環(huán)境科技，2007，20（6）：13-16.endprint

以紅土（覆蓋層厚度為4 cm）為覆蓋材料，控制其他條件（上覆水pH值7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光靜置）不變，將釋放試驗裝置分別置于溫度為10、20、30 ℃的環(huán)境體系中（用恒溫水浴鍋保持水溫恒定），研究溫度對底泥中磷釋放的影響，試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，在溫度為30 ℃時，磷釋放速度最快，經(jīng)過7周的釋放后，上覆水中磷的含量為0.647 mg/L，分別為10、20 ℃ 釋放的3.05、1.85倍。因為溫度升高可以增強底泥中微生物的活性，促進生物擾動和礦化作用，導(dǎo)致間隙水耗氧增多，使環(huán)境由氧化態(tài)向還原態(tài)轉(zhuǎn)變，有利于Fe3+→Fe2+轉(zhuǎn)化，使Fe3+無法與磷結(jié)合以磷酸鐵（Fe3PO4）的形式沉積到底泥中，從而促進底泥中磷的釋放；另外，生物的活動還可使底泥中的有機態(tài)磷轉(zhuǎn)化為無機態(tài)磷酸鹽而釋放。

2.4擾動對底泥磷釋放的影響

河流、湖泊和水庫等地表水體易受人為擾動的影響，為了解水體擾動對原位覆蓋法控制底泥磷釋放的影響，本研究以覆蓋層厚度為4 cm紅土的底泥為研究對象，控制其他條件不變（T=20 ℃、上覆水pH值7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光），設(shè)定不同的攪拌轉(zhuǎn)速（0、100、200 r/min），每天擾動 30 min，靜置24 h后取上覆水測定總磷含量，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，擾動強度越強，在相同的試驗周期內(nèi)底泥中磷向上覆水的釋放量就越大。在釋放初期，兩者差異不大，隨著時間的延長，兩者差異越來越大，經(jīng)過7周的擾動釋放，攪拌轉(zhuǎn)速為200、100 r/min下磷的釋放量分別為靜置時的2.36、1.99倍。前4周總磷的釋放量緩慢增加，但從第4周開始，總磷的釋放速度明顯加快，這是因為擾動會使底泥中的顆粒磷再懸浮，增強磷的泥-水界面交換，擾動強度越強，磷從底泥中的釋放量也就越大。從第5周開始磷的釋放并沒有增加，反而有小幅的減少，這可能是由于擾動促進了底泥的懸浮，導(dǎo)致上覆水中能夠與磷發(fā)生物理、化學(xué)和生物吸附的顆粒物數(shù)量增加，有利于底泥對磷的專屬性吸附；同時也增加了上覆水中磷與這些物質(zhì)的接觸機會，強化了細小顆粒物的絮凝與聚集，從而加快了底泥對磷的吸附與固定。雖然強擾動條件會促進底泥中磷向上覆水體中釋放，但與沒有覆蓋任何材料的對照相比，最強擾動底泥釋磷量僅為對照的60%。

2.5光照對底泥磷釋放的影響

以紅土（覆蓋層厚度為4 cm）為覆蓋材料，在環(huán)境溫度為20 ℃、上覆水pH值為7.0、溶解氧含量為6.8 mg/L、避光或有光照的條件下靜置，研究光照對底泥中磷釋放的影響，結(jié)果見圖5。由圖5可見，光照對原位覆蓋法控制底泥磷釋放的影響不明顯。避光條件下，上覆水中總磷含量略高于光照條件下的含量，相對來說避光更有利于底泥中磷的釋放。這可能是由于光照會使底棲藻類生物作用更加旺盛，因此鐵、鋁等結(jié)合態(tài)磷更容易被藻類吸收同化，從而導(dǎo)致鐵、鋁等結(jié)合態(tài)的磷酸根離子的釋放能力相對較弱，進而磷的釋放量也隨之減少。

3結(jié)論

在試驗周期內(nèi)，煤渣和紅土覆蓋層均能有效抑制底泥中的磷向上覆水中釋放；紅土覆蓋對底泥磷釋放的控制效果比煤渣覆蓋更好。酸性或堿性條件均有利于底泥中的磷向上覆水中釋放，堿性條件比酸性條件更有利于底泥中磷的釋放；在中性條件下，磷的釋放量最小。環(huán)境溫度對底泥中磷釋放的影響較大，溫度升高有利于底泥中磷的釋放。擾動強度越大，在相同的試驗時間內(nèi)底泥中磷向上覆水中的釋放量越大；在釋放初期兩者差異不大，隨著時間的延長，兩者差異越來越大。光照對原位覆蓋法控制底泥中磷釋放的影響不明顯，相對來說避光更有利于底泥中磷的釋放。原位覆蓋法可以有效控制底泥中的磷向上覆水中釋放。

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