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Control effect of different covering patterns on indigenous nutrient release from sediment.

不同覆盖方式对底泥内源营养盐释放的控制效果



全 文 :不同覆盖方式对底泥内源营养盐释放的控制效果*
张摇 卫1,2**摇 熊摇 邦1,2 摇 林匡飞1,2 摇 李海芳1,2 摇 郭美锦3 摇 崔心红4 摇 王摇 斌4
( 1国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室 /上海市功能性材料化学重点实验室, 上海 200237; 2华东理工大
学资源与环境工程学院, 上海 200237; 3华东理工大学生物工程学院, 上海 200237; 4上海市园林科学研究所, 上海 200232)
摘摇 要摇 通过底泥内源营养盐释放控制室内模拟试验,考察了塑料包被、斜发沸石、方解石、
石英砂和硝酸钙 5 种覆盖材料对底泥氮磷释放效率的影响,系统分析了各自优劣程度,为实
际环境中不同污染背景水体选择适宜的控制技术提供科学依据.结果表明: 不同覆盖材料对
底泥总磷释放的控制效果依次为:塑料包被>硝酸钙>斜发沸石>方解石>石英砂;不同覆盖材
料对底泥总氮释放的控制效果依次为:斜发沸石>塑料包被>方解石>石英砂>硝酸钙;不同覆
盖材料对底泥硝态氮释放的控制效果依次为:塑料包被>斜发沸石>方解石>石英砂>硝酸钙;
不同覆盖材料对底泥铵态氮释放的控制效果依次为:硝酸钙>石英砂>斜发沸石>方解石>塑
料包被;温度和底泥内源营养盐释放有对应关系,水样中总磷、总氮和硝态氮浓度会随着温度
上升而增加,而铵态氮浓度呈下降趋势.
关键词摇 底泥覆盖摇 氮摇 磷摇 释放控制
文章编号摇 1001-9332(2012)06-1677-05摇 中图分类号摇 X524摇 文献标识码摇 A
Control effect of different covering patterns on indigenous nutrient release from sediment.
ZHANG Wei1,2, XIONG Bang1,2, LIN Kuang鄄fei1,2, LI Hai鄄fang1,2, GUO Mei鄄jin3, CUI Xin鄄
hong4, WANG Bin4 ( 1State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assess鄄
ment and Control on Chemical Process / Shanghai Key Laboratory of Functional Materials Chemistry,
East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2School of Resources
and Environmental Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai
200237, China; 3School of Biotechnology, East China University of Science and Technology, Shang鄄
hai 200237, China; 4Shanghai Institute of Landscape Gardening, Shanghai 200232, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(6): 1677-1681.
Abstract: A laboratory simulation experiment was conducted to study the release of sediment phos鄄
phorous and nitrogen under the effects of coating the sediment with plastic, clinoptilolite, calcite,
quartz sand, and calcium nitrate, aimed to provide scientific basis and technical support to control
the sediment nutrient release under the background of water environment pollution by different con鄄
centrations of nitrogen and phosphorus. The control efficacy of test coating materials for sediment to鄄
tal phosphorous release was in the order of plastic > calcium nitrate > clinoptilolite > calcite >
quartz sand, and that for sediment total nitrogen release was in the order of clinoptilolite > plastic >
calcite > quartz sand > calcium nitrate. As for the release of sediment NO3 - 鄄N, the control efficacy
of test coating materials was calcium nitrate > quartz sand > clinoptilolite > calcite > plastic coat鄄
ing; whereas for the release of sediment NH4 + 鄄N, the sequence was calcium nitrate > plastic coat鄄
ing > clinoptilolite > calcite > quartz sand. Water temperature had definite relativity to the sediment
nutrient release. With the increase of water temperature, the concentrations of water total phosphor鄄
ous and nitrogen and NO3 - 鄄N increased, while the concentration of water NH4 + 鄄N presented a decli鄄
ning trend.
Key words: sediment covering; nitrogen; phosphorus; release control.
*国家自然科学基金项目(40901148,40871223)、国家重点基础研究发展计划项目(2011CB200904)、水体污染控制与治理科技重大专项
(2012ZX07115)、林业公益性行业科研专项(201104088)和中央高校基本科研业务费专项(WB0911011)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wzhang@ ecust. edu. cn
2011鄄07鄄28 收稿,2012鄄01鄄19 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 6 月摇 第 23 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2012,23(6): 1677-1681
摇 摇 从外源进入水中的氮、磷等营养元素,有相当一
部分会沉积到底泥,浓度较高时会向水中释放,严重
时导致水体富营养化[1-3] . 在污染底泥上部覆盖一
层或多层材料使底泥与上覆水分隔,从而阻止底泥
内源营养盐的释放,是目前国内外具有广阔发展前
途的底泥覆盖技术[4-6] . 传统的覆盖材料一般采用
沙子和砾石等,国内外已经做了大量的研究,但相关
报道主要集中反映单一材料对底泥内源营养盐释放
的抑制效果[7-9] . 林建伟等[1]研究了斜发沸石控制
底泥氮磷释放的影响因素,表明斜发沸石可有效控
制氨氮的释放,并且能降低总磷的释放速率.童昌华
等[10]采用水生植物与塑料包被(物理方法)来控制
底泥中氮磷的释放,结果表明,底泥包被不是控制底
泥营养盐释放的有效方法和根本途径. 纵观国内外
文献[11-12],迄今为止针对塑料包被、斜发沸石、石英
砂、方解石和硝酸钙等覆盖材料,同时考察各自对底
泥总磷、总氮、硝态氮和铵态氮释放的控制效果,从
而系统评判不同覆盖技术抑制能力优劣程度的报道
几乎空白.为此,本文通过室内模拟,首次考察了 5
种覆盖层对底泥内源营养盐释放的抑制效果并进行
了排序,研究成果将为我国受污染水体的修复提供
科学依据和技术支持.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料
利用彼得森采样器采集上海市黄浦江支流进木
港的底泥,自然风干,研磨后过 100 目筛,测定样品
理化性质, pH 7. 72、有机质 6. 39 ( g·kg-1)、总磷
0. 75 (g·kg-1)、总氮 1. 21 (g·kg-1).
石英砂和硝酸钙为分析纯,粒径为 20 ~ 40 目;
方解石购自浙江长兴南方微粉厂,粒径为 800 目;斜
发沸石购自浙江省缙云县鸿达沸石厂,粒径为 3 ~ 5
mm,孔径为 35 ~ 40 nm,热稳定性 750 益,阳离子交
换容量为 130 ~ 180 Meq·g-1,Si / Al为 4. 25 ~ 5. 25;
大型黑色塑料袋.
1郾 2摇 试验方法
室内模拟试验设计了 6 种底泥覆盖方法(含对
照),方案见表 1. 采用 20 L 塑料水桶(桶高约 50
cm),每桶盛装处理后的底泥 2 kg,厚度约 10 cm,底
泥表面积约 400 cm2,分别在底泥上表面均匀铺设不
同覆盖层,然后用虹吸方法加蒸馏水至统一刻度
(20 L),加水过程中尽量避免干扰底泥,防止底泥
泛起.
表 1摇 底泥覆盖方案
Table 1摇 Design of sediment cover patterns
序号
Number
处理
Treatment
类型
Type
1 底泥 2 kg+石英砂 100 g 底泥覆盖
2 底泥 2 kg+斜发沸石 150 g 底泥覆盖
3 底泥 2 kg+方解石 570 g 底泥覆盖
4 底泥 2 kg+包装塑料袋 底泥包被
5 底泥 2 kg+硝酸钙 16 g 底泥覆盖
6 底泥 2 kg(对照) 底泥裸露
摇 摇 每个处理设置 3 个重复.每日上午 10:00 测量
水温,每隔 1 周采样(虹吸法)测定处理和对照上覆
水中总磷、总氮、硝态氮和铵态氮浓度. 参照《水和
废水监测分析方法》(第 4 版) [13],总磷采用过硫酸
钾氧化鄄钼锑抗分光光度法测定,总氮采用过硫酸钾
氧化鄄紫外分光光度法测定,硝态氮采用紫外分光光
度法测定,铵态氮采用纳氏试剂分光光度法测定.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同覆盖方式对底泥总磷释放的影响
从图 1 可以看出,5 种处理方法均能明显抑制
底泥总磷进入上覆水,其中塑料包被的效果最明显
且在试验期内比较稳定,总磷浓度从 0. 057 mg·L-1
(7 d)降到 0. 001 mg·L-1(63 d),比对照分别减少
了 67. 3% ~99. 7% .这可能是由于该技术能隔绝底
泥与上覆水的接触,从而对底泥总磷释放起到很好
的抑制作用,其他 4 种覆盖法效果相似;前 5 周水样
中的总磷含量均呈现下降趋势,35 d 时对照总磷浓
度为 0. 16 mg·L-1,而石英砂、斜发沸石、方解石、
塑料包被和硝酸钙处理总磷浓度分别为0郾 016 、
图 1摇 不同覆盖方式对底泥总磷释放的影响
Fig. 1 摇 Effects of different sediment cover patterns on TP re鄄
lease.
玉:石英砂 Quartz sand; 域:斜发沸石 Clinoptilolite; 芋:方解石 Cal鄄
cite; 郁:塑料包被 Plastic coating; 吁:硝酸钙 Calcium nitrate; CK:对
照 Control.下同 The same below.
8761 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
0郾 008、0郾 008、0郾 020 和 0郾 013 mg·L-1,比对照分别
减少了 90% 、95% 、87. 5%和 91. 9% ,随后显示回升
迹象,“补偿效应冶明显. 这可能是由于温度升高促
进底泥释放速率变大,超过了覆盖材料对营养盐的
吸附能力.总体上看,试验期内不同覆盖材料对底泥
总磷释放的控制效果依次为:塑料包被>硝酸钙>斜
发沸石>方解石>石英砂.
2郾 2摇 不同覆盖方式对底泥总氮释放的影响
从图 2 可以看出,前 3 周 4 个处理的抑制效果
明显,21 d时石英砂、斜发沸石、方解石和塑料包被
处理总氮浓度分别为 1. 02、0. 92、1. 21 和 0. 49
mg·L-1,比对照 ( 3. 34 mg · L-1 ) 分别减少了
69郾 5% 、72郾 5% 、63. 8%和 85. 3% ;塑料包被在试验
前期处理效果最好,随着时间延长,上覆水中的总氮
浓度呈现上升趋势(0. 59 ~ 1. 18 mg·L-1).这可能
是由于塑料袋只能暂时使底泥营养物质处于封闭状
态,并不能降解或消除污染物. 另外,长时间包被也
使底泥处于厌氧状态,加快了底泥的厌氧反应,反而
促使底泥部分物质被还原并透过缝隙而释放,导致
后期总氮浓度表现出上升趋势. 采用石英砂和方解
石处理效果相似,曲线变化基本一致,而斜发沸石能
将底泥总氮释放长期控制在一个较低水平,比对照
减少了 2郾 6% ~ 72郾 5% ,表明可以利用其物理性吸
附和对 NH4 +的选择性离子交换特性来控制水样中
的总氮浓度.硝酸钙处理水样中总氮浓度明显高于
对照,是由于其在水体中水解出NO3 - ,直接导致了
图 2摇 不同覆盖方式对底泥总氮释放的影响
Fig. 2 摇 Effects of different sediment cover patterns on TN re鄄
lease.
总氮浓度急剧增加.总体上看,试验期内不同覆盖材
料对底泥总氮释放的控制效果依次为:斜发沸石>
塑料包被>方解石>石英砂>硝酸钙.
2郾 3摇 不同覆盖方式对底泥硝态氮释放的影响
从图 3 可以看出,前 7 周 4 种覆盖法均能抑制
硝态氮释放,在第 42 天时效果最明显,对照硝态氮
浓度为 0. 34 mg·L-1,而石英砂、斜发沸石、方解石
和塑料包被处理分别为 0、0. 038、0. 017 和 0郾 13
mg·L-1;而后 2 周结果表现出相反趋势. 可见塑料
包被、石英砂、斜发沸石和方解石对控制底泥硝态氮
释放难以达到长期效果;而硝酸钙处理水样中硝态
氮浓度远高于对照,这是由于硝酸钙进入水体后水
解出硝酸根离子,从而增加了硝态氮浓度. 总体上
看,试验期内不同覆盖材料对底泥硝态氮释放的控
制效果依次为:塑料包被>斜发沸石>方解石>石英
砂>硝酸钙.
2郾 4摇 不同覆盖方式对底泥铵态氮释放的影响
从图 4 可以看出,前 3 周 5 种处理方法抑制效
果明显,而在后期表现不佳. 其中,硝酸钙处理效果
持续且稳定,在试验后期的水样中基本没有检测出
铵态氮,可能是由于硝酸根在厌氧条件下被还原成
亚硝酸根,然后与铵根离子发生反应产生 N2,从而
减少了铵态氮进入水体;塑料包被在前 3 周抑制作
用明显,铵态氮浓度比对照分别减少了 90郾 6% 、
93郾 6%和 86郾 9% ,但是随着时间延长,浓度呈现出
增加趋势;斜发沸石、石英砂和方解石处理效果基本
图 3摇 不同覆盖方式对底泥硝态氮释放的影响
Fig. 3摇 Effects of different sediment cover patterns on nitrate ni鄄
trogen release
97616 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 卫等: 不同覆盖方式对底泥内源营养盐释放的控制效果摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 不同覆盖方式对底泥铵态氮释放的影响
Fig. 4摇 Effects of different sediment cover patterns on ammonia
nitrogen release
图 5摇 试验过程中水温的动态变化
Fig. 5 摇 Dynamics of water temperature during experimental
process.
相似.总体上看,试验期内不同覆盖材料对底泥铵态
氮释放的控制效果依次为:硝酸钙>石英砂>斜发沸
石>方解石>塑料包被.
2郾 5摇 试验过程中水温的变化
从图 5 可以看出,水温整体呈现上升趋势,前 5
周水温基本位于 8 ~ 13 益之间,后 4 周水温除少数
几天达到 14 ~ 15 益外,大部分时间在 16 ~ 21 益 .结
合前文研究结果可以看出,试验期内温度和底泥内
源营养盐释放有对应关系,水样中总磷、总氮和硝态
氮浓度会随着温度上升而增加,可能是由于温度升
高促进底泥释放速率变大,超过了覆盖层对营养盐
的吸附能力,导致进入上覆水的量明显增加[1];而
铵态氮浓度却呈下降趋势,长期维持在低位水平,可
能是由于水温升高提高了亚硝酸菌和硝酸菌活性,
使其硝化能力增强,促使水样中的铵态氮发生氨氧
化反应.这与其他学者的研究结论类似[14-16] .
3摇 讨摇 摇 论
为科学解释试验结果,本文通过调研国内外文
献,归纳了不同覆盖材料控制底泥内源营养盐的释
放机理:1)由于塑料包被能隔绝底泥与上覆水的接
触,底泥营养物质暂时处于封闭状态,因而对短期内
快速抑制氮磷释放具有明显效果,但持续时间有
限[12];2)斜发沸石控制底泥内源营养盐释放主要是
通过沸石对底泥释放内源营养盐的阻挡和吸附作用
实现的,主要包括机械阻挡作用、物理吸附和阳离子
交换作用[17-19];3)方解石的化学成分为 CaCO3,是
晶型属三方晶系的碳酸盐矿物,对内源营养盐具有
较强的固定能力[20-23];4)石英砂具有较强过滤截留
性能,但必须对其进行改性才能改变滤料的表面电
荷,从而增加活性吸附位,提高其对氮磷的吸附能
力[24-25];5)硝酸钙通过反硝化作用去除底泥部分有
机物,同时阻止 Fe3+和 SO4 2-的减少,促使 Fe3+的生
成,从而达到控制底泥磷释放的目的[26-28] .
室内模拟试验结果表明:1)不同覆盖材料对底
泥总磷释放的控制效果依次为:塑料包被>硝酸钙>
斜发沸石>方解石>石英砂,可能是塑料包被较好的
隔绝了底泥总磷释放,因而处理效果最佳;2)不同
覆盖材料对底泥总氮释放的控制效果依次为:斜发
沸石>塑料包被>方解石>石英砂>硝酸钙,可能是由
于斜发沸石对底泥总氮具有明显的机械阻挡作用、
物理吸附和阳离子作用;3)不同覆盖材料对底泥硝
态氮释放的控制效果依次为:塑料包被>斜发沸石>
方解石>石英砂>硝酸钙,可能是由于塑料包被发挥
了最佳隔绝效果;4)不同覆盖材料对底泥铵态氮释
放的控制效果依次为:硝酸钙>石英砂>斜发沸石>方
解石>塑料包被,硝酸钙效果最佳主要是由于硝酸根
在厌氧条件下生成亚硝酸根,进而与铵态氮反应生成
N2而释放到空中;5)温度和底泥内源营养盐释放有对
应关系,水样中总磷、总氮和硝态氮浓度会随着温度
上升而增加,而铵态氮浓度却呈下降趋势,可能是由
于高温促进 N2的释放而使铵态氮浓度下降.
在实际环境中,应针对 N、P 不同污染背景水
体,选择适宜的覆盖材料以实现对底泥内源营养盐
释放的有效控制.
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作者简介摇 张摇 卫,男,1974 年生,博士,副教授. 主要从事
水污染控制和环境毒理研究, 发表论文 40 余篇. E鄄mail:
wzhang@ ecust. edu. cn.
责任编辑摇 肖摇 红
18616 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 卫等: 不同覆盖方式对底泥内源营养盐释放的控制效果摇 摇 摇 摇 摇 摇