水源水庫沉積物多相界面污染物遷移轉(zhuǎn)化與污染控制研究.pdf

1、沉積物內(nèi)源污染是水源水庫面臨的突出問題。沉積物多相界面是內(nèi)源污染發(fā)生的重要環(huán)境邊界層。本文針對水源水庫多相界面高靜水壓、低溶解氧、低溫、貧營養(yǎng)等多重特性,采用現(xiàn)場調(diào)查與實驗室模擬相結(jié)合的方法,探討了多相界面氮及溶解性有機物(DOM)循環(huán)轉(zhuǎn)化釋放規(guī)律及不同靜水壓對該多相界面過程的動態(tài)調(diào)控過程。在此基礎(chǔ)上，分別采用揚水曝氣強化化學(xué)穩(wěn)定(原位穩(wěn)定化處理P、Fe、Mn等)和覆蓋填料結(jié)合固定化功能微生物(降低沉積物氮及有機污染負(fù)荷)的方法初步探索

2、了適合于水源水庫沉積物原位污染控制的方法與技術(shù)。研究得到以下主要結(jié)論:
　　(1)水源水庫氮、磷賦存形態(tài)、穩(wěn)定性及對多相界面循環(huán)轉(zhuǎn)化釋放貢獻研究結(jié)果表明:沉積物中鐵/鋁-磷(Fe/Al-P)是多相界面 PO43-釋放的最主要來源;離子交換態(tài)氮(IEF-N),弱酸提取態(tài)氮(WAEF-N)和強氧化劑提取態(tài)氮SOEF-N是多相界面體系沉積物氮釋放的主要來源。SOEF-N是可轉(zhuǎn)化態(tài)氮優(yōu)勢存在形態(tài),WAEF-N次之;結(jié)合能力最弱、最易釋放進

3、入上覆水體的IEF-N所占比例最少。三種無機提取態(tài)可轉(zhuǎn)化態(tài)氮,均以NH4+-N為主要存在形式。厭氧還原條件可促進沉積物中內(nèi)源磷釋放進入上覆水。
　　(2)多相界面氮及DOM循環(huán)轉(zhuǎn)化釋放特性研究結(jié)果表明:厭氧條件(DO<1.0mg/L)使氨氮、總氮及DOM在上覆水中累積,影響上覆水水質(zhì);多相界面處DO為2～3mg/L時,分子量500～3200Da范圍內(nèi)DOM可被沉積物中微生物較為徹底分解利用;采用強化充氧措施降低沉積物氮及有機污染負(fù)

4、荷時,控制DO=2～3mg/L既能保證上覆水水質(zhì),又可兼顧能源消耗經(jīng)濟利益,沉積物中總氮STN及有機質(zhì)SOC的降幅分別為7.27％和21.00%;不同強化充氧條件導(dǎo)致表層沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)PLFA組成顯著不同,脲酶、硝酸鹽還原酶、沉積物STN、SOC及多相界面DO等環(huán)境因素對沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)差異貢獻最大;碳源不足是限制多相界面反硝化的重要因素;多相界面氣體產(chǎn)物主要由CH4、N2、少量CO2和痕量H2組成,低溫條件下N2占總體積

5、的91.73%;常溫條件下,N2和CH4基本各占總體積的近一半,溫度對CO2和H2含量基本無影響。低溫條件對多相界面有機質(zhì)厭氧分解具有抑制作用,但有利于沉積物硝化-反硝化反應(yīng)。
　　(3)不同靜水壓對多相界面氮及 DOM轉(zhuǎn)化過程影響研究結(jié)果表明:靜水壓是影響不同水深水源水庫多相界面上覆水水質(zhì)及沉積物中微生物群落結(jié)構(gòu)的最重要因素。在0.1MPa～1.0MPa靜水壓條件下,高靜水壓促進了多相界面氮及有機質(zhì)釋放,對有機質(zhì)降解及氨化過程具

6、有促進作用,但對反硝化過程無明顯影響。在此靜水壓范圍內(nèi),高靜水壓使氨氮、硝氮、DOM等污染物在多相界面上覆水中大量積累,嚴(yán)重影響上覆水水質(zhì)。高靜水壓使上覆水DOM中增加了與色氨酸相關(guān)的類蛋白熒光峰、紫外區(qū)類富里酸熒光峰及與芳香性蛋白類結(jié)構(gòu)有關(guān)的熒光峰,主要由微生物增多及其增多后促進了對沉積物中有機質(zhì)的降解引起;高靜水壓使上覆水DOC分子量分布多分散系數(shù)ρ減小,在不同反應(yīng)時期表現(xiàn)出不同分布趨勢,原有小分子量DOM被高靜水壓下特有微生物進一

7、步徹底分解利用而消失;高靜水壓使沉積物中脫氫酶及蛋白酶活性顯著增強,對脲酶及硝酸鹽還原酶活性影響不大;PLFA與PCR-DGGE測定分析結(jié)果表明,不同靜水壓下,微生物群落在結(jié)構(gòu)及遺傳性方面均表現(xiàn)出顯著差異,在0.1MPa～1.0MPa靜水壓范圍內(nèi),高靜水壓下微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性高于常壓。
　　(4)原位污染控制技術(shù):揚水曝氣強化化學(xué)穩(wěn)定技術(shù)可有效抑制沉積物中磷、鐵的釋放,平均抑制率分別可達63.2%和58.6%。隨混凝劑PAC投量

8、增大,抑制效果變好,助凝劑PAM有助于增強PAC對磷及鐵的抑制效果。PAC和PAM對磷釋放的抑制作用主要通過其水解產(chǎn)生的鋁鹽與釋放進入上覆水體的PO43-重新結(jié)合形成Al-P實現(xiàn)。該技術(shù)具有穩(wěn)定、高效、長效、無二次隱患等優(yōu)點。固定化高效功能微生物活性填料覆蓋方法原位控制沉積物總氮及有機物效果優(yōu)于活性填料覆蓋與直接投菌。覆蓋層中沸石起主要作用,通過吸附、離子交換等作用對多相界面大量釋放的NH4+進行快速攔截,進而通過微生物將其降解轉(zhuǎn)化,實