南四湖表層沉積物中氮形態(tài)及吸附釋放研究.pdf

1、南四湖位于山東省西南部的微山縣境內(nèi)，由北向南依次由南陽(yáng)、獨(dú)山、昭陽(yáng)和微山四個(gè)無(wú)明顯分界的湖區(qū)組成，是華北平原面積最大的淡水湖，是南水北調(diào)東線工程的重要輸水通道和調(diào)蓄湖泊。其水質(zhì)對(duì)湖區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)平衡以及南水北調(diào)的水質(zhì)具有重大影響?！赌纤闭{(diào)東線工程治污規(guī)劃實(shí)施意見(jiàn)》規(guī)定，南水北調(diào)東線輸水干線水質(zhì)需達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。在外源污染得到有效控制以后，積累在湖泊沉積物中的營(yíng)養(yǎng)鹽在物理、化學(xué)、生

2、物等多種因素的作用下，仍然會(huì)作為內(nèi)源不斷向水體中釋放營(yíng)養(yǎng)元素，湖泊的內(nèi)源污染物的釋放成為當(dāng)前湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理的主要問(wèn)題。因此研究沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽內(nèi)源負(fù)荷及其吸附釋放就顯得尤為重要，這對(duì)水質(zhì)保證具有非常重要的意義。前人已對(duì)南四湖現(xiàn)代沉積物的營(yíng)養(yǎng)元素的分布特征、重金屬形態(tài)組成及污染情況、磷的化學(xué)形態(tài)及其在實(shí)驗(yàn)室條件下的釋放規(guī)律做了相關(guān)研究，而對(duì)于引起富營(yíng)養(yǎng)化的另一重要元素氮的研究卻鮮有報(bào)道。
　　 因此，本文采用“野外采樣調(diào)查—實(shí)驗(yàn)室

3、模擬實(shí)驗(yàn)”的思路，對(duì)南四湖上覆水和沉積物的理化性質(zhì)進(jìn)行分析并開(kāi)展氨氮吸附-解吸模擬實(shí)驗(yàn)的研究。經(jīng)研究得出以下主要結(jié)論:
　　 在分析南四湖及周邊地質(zhì)環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，南四湖大部分水域水質(zhì)屬于國(guó)家地面水標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ，Ⅳ級(jí)范疇，即全湖屬微污染和輕污染類型，清潔水在湖中已不復(fù)存在。南四湖現(xiàn)接納流域內(nèi)排放的污水廢水的稀釋擴(kuò)散能力已十分有限，生態(tài)環(huán)境、自然資源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的矛盾也日益突出。
　　 對(duì)南四湖表

4、層沉積物中各形態(tài)氮含量及其分布特征和相關(guān)環(huán)境因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，南四湖上下級(jí)湖區(qū)表層沉積物中除SAEF-N外，TN及各形態(tài)氮含量差異顯著且上級(jí)湖明顯高于下級(jí)湖區(qū);下級(jí)湖表層沉積物中TTN占TN含量的比列明顯高于上級(jí)湖;南四湖沉積物中氮元素成分主要結(jié)合在沉積物中的細(xì)粒粘土成分中;南四湖上覆水中TN和氨氮與表層沉積物中TN和各形態(tài)氮沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明南四湖湖水中的氮元素主要來(lái)源于入湖河流;沉積物中的氮磷比在1.5～4.

5、5，低于Redfield指數(shù)，上覆水中的氮磷比為13.7～24.1，略高于Redfield指數(shù)，進(jìn)一步說(shuō)明南四湖目前水體中的氮磷元素主要來(lái)自于入湖河流;沉積物中的TN含量在近10年間下降很大且磷仍然是南四湖湖最主要的限制性營(yíng)養(yǎng)元素。
　　 沉積物氨氮的吸附特性的相關(guān)研究表明，沉積物對(duì)氨氮的吸附是符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，是一個(gè)復(fù)合動(dòng)力學(xué)過(guò)程，包括快速吸附和慢速吸附?？焖傥街饕l(fā)生在0～3h內(nèi)，吸附在6h左右達(dá)到平衡。對(duì)氨氮的吸附熱

6、力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn):
　　 7種湖泊沉積物氨氮的吸附等溫線同時(shí)滿足模型Henry模型和Freundlich模型，其擬合程度都達(dá)到了極其顯著的效果，而Langmuir對(duì)數(shù)據(jù)無(wú)法擬合或擬合結(jié)果沒(méi)有達(dá)到顯著水平。在低濃度梯度區(qū)間內(nèi)，沉積物氨氮的吸附/解吸等溫線呈很好的線性關(guān)系，全湖氨氮的EC0最小值為0.98mg·L-1，出現(xiàn)在下級(jí)湖獨(dú)山湖;最大值4.16mg/L出現(xiàn)在上級(jí)湖的南陽(yáng)湖。平均為2.42mg/L，南四湖沉積物是上覆水體營(yíng)養(yǎng)鹽的

7、“源”。溫度、pH值對(duì)氨氮吸附特性研究發(fā)現(xiàn)，升高溫度會(huì)對(duì)吸附產(chǎn)生抑制作用，從而沉積物的平衡吸附量減小。在一定濃度范圍內(nèi)，氨氮的吸附并不是單純的物理吸附，同時(shí)也是一個(gè)與熱交換相關(guān)的化學(xué)過(guò)程。在氨氮平衡濃度小于1.5mg/L左右時(shí)，pH對(duì)吸附量的影響不明顯，但當(dāng)氨氮平衡濃度大于1.5mg/L左右時(shí)，pH越大，吸附量越大。當(dāng)pH在5～9之間變化時(shí)，pH值升高有利于沉積物對(duì)氨氮的吸附。
　　 南四湖表層沉積物氨氮釋放的動(dòng)力學(xué)過(guò)程符合一級(jí)

8、動(dòng)力學(xué)曲線，氨氮釋放平衡時(shí)間在360min。其釋放動(dòng)力學(xué)特征與總氮、總磷呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，與有機(jī)質(zhì)、顆粒組成理化指標(biāo)相關(guān)性較弱。與可轉(zhuǎn)化態(tài)氮呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，與非可轉(zhuǎn)化態(tài)氮的相關(guān)性較弱，這說(shuō)明樣品中氨氮的釋放量主要受其可轉(zhuǎn)化態(tài)氮含量控制。改變不同的pH、溫度，探討其對(duì)沉積物中氨氮釋放的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)pH通過(guò)改變水體中離子交換吸附、沉淀—溶解、化學(xué)平衡等機(jī)制，氨氮釋放表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。酸性條件下，隨著pH值的升高，氨氮釋放量減少;中性