朱銳　李林澤　劉飛

摘要：以江陰城區(qū)河道沉積物為研究對(duì)象，選取6條河道，設(shè)置6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)84組吸附（解吸）試驗(yàn)研究了沉積物的氮、磷吸附（解吸）等溫線(xiàn)特征。結(jié)果表明：在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，沉積物的氮、磷吸附（解吸）等溫線(xiàn)，呈顯著相關(guān);沉積物對(duì)氨氮的吸附（解吸）平衡濃度為1.58～3.33mg/L，對(duì)磷的吸附（解吸）平衡濃度為0.02～0.58mg/L;沉積物對(duì)氨氮的本底吸附量為48.784～75.684mg/kg，對(duì)磷的本底吸附量為1.0706～37.270mg/kg;沉積物對(duì)氨氮的吸附效率為17.627～40.599L/kg，對(duì)磷的吸附效率為54.048～95.559Lkgo各河道沉積物對(duì)氮、磷的吸附能力均差別不大。

關(guān)鍵詞：河道沉積物;吸附;解吸;氮;磷;江陰城區(qū)

中圖法分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.07.011

水體富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)湖泊、河流、水庫(kù)面臨的重大環(huán)境問(wèn)題，水體富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響，造成魚(yú)類(lèi)大量死亡，加速湖泊沼澤化發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)因氮、磷污染而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊占56%[1]。因此，水體的富營(yíng)養(yǎng)化治理十分必要。氮、磷是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素，研究沉積物對(duì)氮、磷的吸附（解吸）特性對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理有著不可忽視的作用。沉積物中的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下產(chǎn)生礦化作用，生成大量氨氮，聚集在間隙水中，并向上覆水體擴(kuò)散;同時(shí)，沉積物中的顆粒會(huì)吸附一部分氨氮，抑制其向上覆水體的擴(kuò)散，并影響氮在沉積物中的硝化和反硝化過(guò)程[2]。沉積物作為磷元素累積和再生的重要場(chǎng)所，在環(huán)境條件改變的情況下，可通過(guò)各種復(fù)雜的過(guò)程釋放到上覆水中[3]。

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市水環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，水環(huán)境污染早已超過(guò)城市水體的環(huán)境容量及自?xún)裟芰?，?dǎo)致水質(zhì)惡化、水生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多亟待解決的問(wèn)題，部分河湖存在水體黑臭、水系不暢等問(wèn)題，對(duì)城區(qū)居民的生活環(huán)境造成了很大影響，城市黑臭水體不僅給群眾帶來(lái)了極差的感官體驗(yàn)，也是直接影響群眾生產(chǎn)生活的突出水環(huán)境問(wèn)題。為了改善江陰市城區(qū)人居環(huán)境，江陰市政府決定實(shí)施江陰市水環(huán)境綜合治理工程，擬采用底泥清淤等工程措施對(duì)江陰城區(qū)河湖水質(zhì)及底泥進(jìn)行處理。

本文研究了江陰城區(qū)河道底泥沉積物對(duì)氮、磷的吸附（解吸）特性，探討各河道沉積物的“匯”“源”狀況，可為江陰市城區(qū)水環(huán)境綜合治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域

在江陰城區(qū)選擇6條河道，設(shè)置6個(gè)底泥污染物檢測(cè)點(diǎn)，具體點(diǎn)位信息見(jiàn)表1。

1.2樣品采集與處理

2019年7月用柱狀采樣器采集表層樣A和柱狀樣B，取樣深度見(jiàn)表2。采樣點(diǎn)點(diǎn)位用GPS進(jìn)行定位。采集后的樣品用冷凍保溫裝置保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，室溫下置于通風(fēng)千燥處風(fēng)干備用。

13測(cè)定方法

1.3.1氨氮吸附（解吸）試驗(yàn)

分別稱(chēng)取各點(diǎn)污染層和過(guò)渡層風(fēng)千土樣7份，每份0.6go按水土比100：1向各土樣中加入60mL濃度分別為0.0，0.2，1.0，1.5，2.0，4.0mg/L和8.0mg/L的氨氮系列溶液，于25C震蕩2h后經(jīng)0.45um混合纖維濾膜過(guò)濾，采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮濃度。在相同條件下做3個(gè)平行對(duì)照組試驗(yàn)，相對(duì)誤差<5%。

1.3.2溶解性磷酸鹽吸附（解吸）試驗(yàn)

分別稱(chēng)取各點(diǎn)污染層和過(guò)渡層風(fēng)千土樣7份，每份0.6g。按水土比100：1向各土樣中分別加入60mL濃度為0.00，0.02，0.05，0.10，0.20，0.40mg/L和0.80mg/L的系列磷溶液，于25C震蕩48h后經(jīng)0.45um混合纖維濾膜過(guò)濾，采用磷鉬藍(lán)比色法測(cè)定溶解性磷酸鹽濃度。在相同條件下做3個(gè)平行對(duì)照組試驗(yàn)，相對(duì)誤差<5%。

分析方法

1.4沉積物中氮磷吸附量計(jì)算公式為

式中，Q為吸附量，mg/kg;co為氮磷原液濃度，，mg/L;Ce為樣品濃度，mg/L;V為加人樣品中的溶液體積，mL;m為土樣質(zhì)量，g。

用Henrry方程4擬合不同濃度下沉積物對(duì)氮、磷的吸附量。

2結(jié)果與分析

2.1沉積物中氨氮的吸附（解吸）

在試驗(yàn)設(shè)定的濃度范圍（0～8.0mg/L）內(nèi)，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的表層和過(guò)渡層沉積物對(duì)氨氮的吸附量與初始溶液濃度的等溫吸附曲線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可看出，氨氮原始溶液濃度與試驗(yàn)所得的吸附量呈很好的線(xiàn)性關(guān)系。在水體氨氮初始濃度較低的情況下，各點(diǎn)沉積物都表現(xiàn)出對(duì)氨氮不同程度的解吸現(xiàn)象;隨著氨氮初始溶液濃度的增大，沉積物逐漸吸附上覆水體中的氨氮，且吸附量隨水體氨氮濃度的增大而增大。

對(duì)沉積物吸附氨氮的量與初始溶液濃度進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到吸附等溫線(xiàn)方程，擬合結(jié)果見(jiàn)表3。當(dāng)吸附量為0時(shí)，曲線(xiàn)與x軸的交點(diǎn)如o表示沉積物與水體達(dá)到吸附（解吸）平衡時(shí)溶液中氨氮的濃度（ECo），斜率h表示沉積物吸附氨氮的效率。由擬合結(jié)果可知，沉積物氨氮的等溫吸附擬合均達(dá)顯著水平，沉積物對(duì)氨氮的吸附（解吸）平衡濃度最小為1.58mg/L，最大為3.33mg/L。沉積物對(duì)氨氮的吸附效率最小為17.627L/kg，最大為40.599L/kg，平均吸附效率為28.577Lkg，可看出各河道沉積物對(duì)氨氮的吸附能力差別不大。

當(dāng)上覆水體中氨氮濃度小于沉積物中氨氮濃度時(shí)，水體中的微生物對(duì)沉積物中的有機(jī)氮產(chǎn)生礦化作用，分解為氨氮，并通過(guò)交換作用進(jìn)入水體，此時(shí)沉積物起到“源”的作用;反之，當(dāng)上覆水體中氨氮濃度大于沉積物中氨氮濃度時(shí)，上覆水體中的氨氮反向進(jìn)人沉積物，在沉積物中積累，此時(shí)沉積物起到“匯”的作用5。由表3可知，東橫河表層、東橫河過(guò)渡層北潮河表層、葫橋中心河表層、葫橋中心河過(guò)渡層的氨氮ECo大于上覆水體氨氮濃度，處于“源”的角色，存在釋放風(fēng)險(xiǎn);其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氨氮EC0均小于上覆水體氨氮濃度，發(fā)揮“匯”的作用。當(dāng)湖泊上覆水濃度大于0.20mg/L時(shí)，被視為富營(yíng)養(yǎng)化水體。龍涇河、南新河、澄塞河北潮河上覆水體氨氮濃度遠(yuǎn)大于0.2mg/L，因此當(dāng)上覆水體達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化時(shí)，沉積物將起到“匯”的作用，這與王娟等[5研究的結(jié)果一致。

吸附（解吸）試驗(yàn)中得到的氨氮吸附量實(shí)際上僅是表觀(guān)吸附量，沉積物對(duì)氨氮的吸附應(yīng)是本來(lái)結(jié)合在沉積物中可被解吸的氨氮（本底吸附量）與在吸附實(shí)驗(yàn)中被吸附的氨氮的總和l。由表3線(xiàn)性擬合結(jié)果可以得到沉積物對(duì)氨氮的本底吸附量Qa，結(jié)果見(jiàn)表4。其中，澄塞河表層的本底吸附量最小，為48.784mg/kg;澄塞河過(guò)渡層的本底吸附量最大，為75.684mg/kg。

2.2沉積物中可溶性磷酸鹽（DP）的吸附（解吸）

在試驗(yàn)設(shè)定的濃度范圍（0～0.80mg/L）內(nèi)，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的表層和過(guò)渡層沉積物對(duì)磷的吸附量與初始溶液濃度的等溫吸附曲線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，與氨氮相似，磷原始溶液濃度與試驗(yàn)所得的吸附量呈很好的線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)水體的磷初始溶液濃度較低時(shí)，沉積物無(wú)一例外地表現(xiàn)出對(duì)磷的解吸;隨著磷初始溶液濃度的增大，沉積物逐漸由解吸轉(zhuǎn)變?yōu)槲竭^(guò)程，且吸附量隨水體磷濃度的增大而增大。

對(duì)沉積物吸附磷的量與初始溶液濃度進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到吸附等溫線(xiàn)方程，擬合結(jié)果見(jiàn)表5。當(dāng)吸附量為0時(shí)，曲線(xiàn)與x軸的交點(diǎn)xo表示沉積物與水體達(dá)到吸附（解吸）平衡時(shí)溶液中磷的濃度（EPC.），斜率h表示沉積物吸附磷的效率。由擬合結(jié)果可知，沉積物磷的等溫吸附擬合均達(dá)顯著水平，且沉積物對(duì)磷的吸附（解吸）平衡濃度變化較大，最小為0.02mg/L，最大為0.58mg/L;沉積物對(duì)磷的吸附效率最小為54.048L/kg，最大為95.559L/kg，平均吸附效率為73.465L/kg，可以看出各河流道沉積物對(duì)磷的吸附能力差別不大。

由表5可知，龍涇河表層、龍涇河過(guò)渡層、南新河過(guò)渡層、葫橋中心河過(guò)渡層的EPCo小于上覆水體DIP，沉積物起到“匯”的作用，無(wú)釋放風(fēng)險(xiǎn);其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的EPCo均大于，上覆水體DIP，是上覆水體中磷的“源”，存在釋放風(fēng)險(xiǎn)。

底泥沉積物吸附磷的等溫線(xiàn)方程及吸附（解吸）平衡濃度與氨氮相似，沉積物對(duì)磷的吸附應(yīng)是本來(lái)結(jié)合在沉積物中可被解吸的磷（本底吸附量）與在吸附試驗(yàn)中被吸附的磷的總和。由表5線(xiàn)性擬合結(jié)果可以得到沉積物對(duì)磷的本底吸附量O，結(jié)果見(jiàn)表6。其中，龍涇河過(guò)渡層的本底吸附量最小，為1.0706mg/kg;北潮河表層的本底吸附量最大，為37.270mg/kg。結(jié)合表5、表6可以看出，沉積物對(duì)磷的本底吸附量變化與沉積物對(duì)磷的吸附（解吸）平衡點(diǎn)濃度變化基本一致。

3結(jié)論

本文研究了江陰市城區(qū)6條河道表層、過(guò)渡層沉積物對(duì)氨氮、可溶性磷酸鹽的吸附熱力學(xué)特征，得出如下結(jié)論：

（1）用Henry方程擬合不同濃度下沉積物對(duì)氮、磷的吸附，效果均較好，由擬合結(jié)果可得到沉積物對(duì)氮磷的吸附（解吸）平衡濃度、本底吸附量和吸附效率。

（2）沉積物對(duì)氨氮的吸附（解吸）平衡濃度ECo為1.58～3.33mg/L，對(duì)可溶性磷酸鹽的吸附（解吸）平衡濃度EPCo為0.02～0.58mg/L。

沉積物對(duì)氨氮的本底吸附量Qau為48.784～75.684mg/kg，對(duì)磷的本底吸附量Qz為1.0706～37.270mg/kg。

沉積物對(duì)氨氮的吸附效率為17.627～40.599L/kg，對(duì)磷的吸附效率為54.048～95.559L/kg，且各河道沉積物對(duì)氮、磷的吸附能力均差別不大。

將沉積物對(duì)氮磷的吸附（解吸）平衡濃度與上覆水體氮磷濃度比對(duì)可知，東橫河表層、東橫河過(guò)渡層北潮河表層、葫橋中心河表層、葫橋中心河過(guò)渡層存在氮釋放風(fēng)險(xiǎn);南新河表層、東橫河表層、東橫河過(guò)渡層、澄塞河表層、澄塞河過(guò)渡層北潮河表層、北潮河過(guò)渡層、葫橋中心河表層存在磷釋放風(fēng)險(xiǎn)。參考文獻(xiàn)：

[1]胡智弢，孫紅文，譚媛.湖泊沉積物對(duì)N和P的吸附特性，及影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（6）：1212-1216.

[2]馬寧，王宇，史春梅，等.氨氮在底泥中的吸附-解吸行為研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（24）：273-274.

[3]王圣瑞，金相燦，趙海超，等.長(zhǎng)江中下游淺水湖泊沉積物對(duì)磷的吸附特征[J].環(huán)境科學(xué)，2005，26（3）：38-43.

[4]姜桂華.銨態(tài)氮在土壤中吸附性能探討[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21（2）：32-38.

[5]姜霞，王秋娟，王書(shū)航，等.太湖沉積物氮磷吸附/解吸特征分析[J].環(huán)境科學(xué)，2011，32（5）：1285-1291.

[6]王娟，王圣瑞，金相燦，等.長(zhǎng)江中下游淺水湖泊表層沉積物對(duì)氨氮的吸附特性[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（4）：1224-1229.

（編輯：李慧）