谷河底泥磷释放的影响因素研究

    温亚军 胡志逵

    

    

    

    摘 要：在一定的环境条件下，底泥能够释放磷，引起水体富营养化。通过研究不同pH、温度和溶解氧（DO）对谷河底泥磷释放的影响，结果表明，pH显著影响底泥磷的释放，碱性环境比酸性环境磷释放强度大，中性环境不利于底泥磷的释放;温度升高，磷释放强度增加;厌氧环境比好氧环境更能促使底泥磷的释放。正交模拟试验结果显示，3个因素均是影响谷河底泥磷释放的显著因素，影响因素显著性从大到小依次为DO>温度>pH。

    关键词：底泥;磷释放;正交实验

    中图分类号 X522文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）11-0143-03

    Research on Remarkable Affecting Factors of Phosphorus Release from Gu River Sediments

    WEN Yajun et al.

    （Fuyang Institute of Environmental Protection Science and Technology， Fuyang 236000， China）

    Abstract： Sediments can release Phosphorus into overlying water under certain conditions， which may have a significant impact on water quality and result in continuous eutrophication. We used laboratory experiments to evaluate effects of pH， temperature and Dissolved Oxygen on P release from River GU. The results demonstrate that effects of pH on P release from sediments were distinct; more P was released under alkaline conditions than acidic conditions， but the least amount of P was released under neutral pH. Increasing temperature resulted in more release of P between sediment P release and P in overlying water. Anaerobic conditions were more conducive to the release of P than aerobic conditions. Orthogonal experiments show that the 3 significant factors on P release from sediments were， in descending order， DO， temperature， and pH.

    Key words： Sediments; Phosphorus release; Orthogonal experiments

    底泥作为自然水域的重要组成部分，主要通过自然的过程及人类的行为，在水体底部逐渐形成的沉积物。受上覆水的影响，底泥在水体的营养盐循环中既可扮演“汇”的角色，也可扮演“源”的角色。水体污染严重时，氮磷营养盐可通过沉降或者顆粒吸附作用而聚集于底泥中，再悬浮作用又会向上覆水释放氮磷营养盐[1]。经研究表明，底泥中氮磷营养物的释放是影响水体中浮游生物生长和水质富营养化的关键过程之一，往往底泥中氮磷的加速或过度释放会引起水体富营养化的加剧，造成水体的二次污染[2]。磷释放受各种环境因子的影响，底泥中释放的磷首先进入底泥间隙水，这是释磷速率的决定步骤。释磷与化学沉淀形态有关，一旦出现利于钙、铁、铝等不溶性磷酸盐沉淀物溶解的条件，磷就释放，释放物质逐步扩散到沉积物表面，进而向上覆水混合扩散，成为水体总磷的一部分[3]。

    谷河阜南列入国家和安徽省地表水考核断面，对其水体监测结果显示不能稳定达标，主要污染因子有COD、氨氮和总磷，其中总磷超标较为严重。本研究探索了pH、温度和DO对谷河底泥向上覆水释放总磷影响的规律，为底泥污染的防治提供理论依据。

    1 材料与方法

    1.1 样品采集 采用柱状采样器在内源污染为主的监测断面采集0～5cm的表面底泥样品，装进聚乙烯一次性袋子，剔除杂质后烘干冷藏，同一地点采集底泥以上0.5m处的上覆水，4℃冷藏保存。

    1.2 底泥磷释放的研究试验

    1.2.1 pH的影响 控制温度为20℃，上覆水DO溶度为7mg/L，调节起始pH值为5～10。

    1.2.2 温度的影响 控制上覆水pH为7，DO为7mg/L，温度分别设置为10、20和30℃。

    1.2.3 DO的影响 控制温度为20℃，上覆水pH为7，调节DO浓度为1～12mg/L。

    1.3 正交试验 模拟试验考虑影响底泥磷释放的主要因素：温度、DO和pH。温度根据4、5和6月的水体温度，设置为10、20和30℃。DO主要根据地表水质量标准，设置为1，4和7mg/L。pH主要根据谷河底泥的pH设置为6，7和8。采用正交试验设计法，选择L9（34）正交试验设计表，共9种试验方案（表1），每组试验时间为11d，为保证试验的合理性和数据的可靠性，每种试验方案作2次平行试验，测定结果取其平均值。

    2 结果与分析

    2.1 pH对底泥总磷释放的影响 由图1可知，在pH=7时，磷释放最少为0.024mg/L，pH=10时，磷释放最多为0.083mg/L。不同酸碱度条件下，上覆水中总磷浓度呈现的特征为碱性>酸性>中性。pH值主要通过影响沉积物对磷酸盐的吸附和离子交换过程而对沉积物中磷的释放产生影响。在酸性条件下上覆水中总磷浓度较高，可能是因为H+对部分结合态磷具有溶出作用，另一方面微生物对有机磷进行降解，释放CO2和溶解态磷也会促使pH降低磷的释放。在碱性条件下，水体中OH-能与结合态磷（如铁结合态磷、铝结合态磷和钙结合态磷）发生交换，从而使得磷向上覆水释放导致上覆水中总磷的浓度升高。

    2.2 温度对底泥磷释放的影响 由图2可知，底泥磷释放的浓度随温度升高而升高，30℃条件下，上覆水中总磷浓度是20℃条件下的3.3倍，是10℃条件下的6.2倍。主要原因可能是因为温度升高促进底泥中微生物及底栖动物的活动，加快氧化分解作用。同时温度升高对底泥中有机物的矿化也有较大的影响，从而使底泥中的有机磷和颗粒态磷释放加速。

    2.3 DO对底泥磷释放的影响 从图3可以看出，在前4d时，不同DO条件下，上覆水中总磷浓度类似，都处于低浓度。厌氧条件下，总磷释放量从2.15mg/kg逐渐增加到7.42mg/kg，然后逐渐降低，10d后达到平衡。好氧条件下，上覆水中总磷浓度在前4d时有所变化，随后达到平衡。在好氧条件下，由于沉积物的矿化以及有机物质的好氧分解，部分有机磷可转化为无机磷释放进入上覆水中，沉积物也会发生磷的释放，但氧化环境有利于沉积物表层中的Fe和Al以三价态形式存在，降低Fe-P、Al-P从沉积物释放进入上覆水，并一定程度上促进磷的沉积。

    2.4 正交试验 表2为谷河底泥磷释放的极差分析表，其中K1，K2和K3是每组正交试验的平均值。比较K1、K2和K3值可以得出：（1）随着pH值的增加，磷释放先减少再增加;（2）谷河底泥磷释放随温度升高而增加，温度越高，磷释放增幅加快;（3）随DO浓度增加，底泥磷释放降低，增长速率逐渐减慢。

    采用方差分析试验数据，各因素方差表示其对谷河底泥磷释放影响主次顺序。底泥磷释放正交试验统计方差分析如表3所示。温度SSQA=7.11，DO SSQB=56.79，pH SSQC=0.31，因此3个因素对谷河底泥磷释放的影响显著性从大到小依次为：DO>温度>pH。

    3 结论

    （1）底泥磷在碱性条件下比在酸性条件释放的多，中性条件不利于底泥磷的释放。

    （2）温度越高，底泥磷释放越多。

    （3）DO对底泥磷释放的影响显著，在厭氧条件下比在好氧条件下，磷释放的多。

    （4）正交试验表明，谷河底泥磷释放的3个主要影响因素的显著性顺序为：DO>温度>pH。

    参考文献

    [1]张茜，冯民权，郝晓燕.上覆水环境条件对底泥氮磷释放的影响研究[J].环境污染与防治，2020，42（1）：7-11.

    [2]黄勇，严过房，董运常，等.底泥氮磷释放的影响因素及控制策略[J].江西农业学报，2020，32（10）：116-120.

    [3]张智，刘亚丽，段秀举.湖泊底泥磷释放影响因素显著性实验分析[J].植物资源与环境学报，2006，15（2）：16-19.

    （责编：张宏民）