不同曝气方式对城市重污染河道水体氮素迁移与转化的影响

第*’卷第(期’(年(月环!!境!!科!!学+,-./0,1+,23456.+,6+-7;B*’$,7B(0C9B$’(不同曝气方式对城市重污染河道水体氮素迁移与转化的影响刘波$’$王国祥!$王风贺$杜旭$凌芬$夏劲‘南京师范大学地理科学学院$南京!’((E%’’‘南通大学地理科学学院$南通!’’%(($#摘要!以南京仙林大学城的重污染河道水体为对象$利用模拟方法研究不同曝气方式底泥曝气(水曝气#对水体氮素迁移与转化的影响B结果表明$在缺氧和温度升高条件下$底泥氮素主要以,[cED,形式向上覆水释放’上覆水,[cED,的最大累积量表现为!水曝气k底泥曝气k对照$*种工况下上覆水中,[cED,的最高质量浓度分别为#‘E((‘’E(#‘*(FU,4b’曝气通过’种途径不同程度地消减系统中的氮素$一是通过氨挥发作用$二是通过硝化D反硝化作用’从上覆水(间隙水和底泥中氮素的消减效果来看$底泥曝气均要优于水曝气’实验结束后底泥曝气组间隙水中,[cED,的浓度和底泥中,[cED,的含量分别减少了%E‘*%i和)&‘$*i$水曝气组分别减少了*#‘)*i和*&‘$&i’从上覆水的氮素转化过程来看$曝气工况下的硝化作用启动比较缓慢$水曝气经历了#?$底泥曝气经历了%?’在曝气工况下$上覆水中均出现了,0b’D,累积现象$水曝气和底泥曝气的,0b’D,累积持续时间分别为$?和E?B关键词!曝气方式’氮释放’氨挥发’底泥’硝化作用中图分类号!^))’!文献标识码!3!文章编号!(’)(D**(’(#(D’#$D(&收稿日期#’((DD’#’修订日期#’(D(*D*(基金项目#江苏省科技厅科技支撑计划项目T+’((&%$$#’住房和城乡建设部科技项目’((D]$D$#作者简介#刘波#$%a#$男$博士$主要研究方向为水环境保护和水生态修复$+DFGA;!;QK89B@?BC8!通讯联系人$+DFGA;!PG8UU7JAG8UK8H8B@?BC8/11%7)+15’11%&%()%&E)’+(\EI,+(‘’9&E)’+(E(*D&E(,1+&6E)’+(+1=’)&+9%(’(:%EG’4I2+44#)%*;&3E(X’G%&4.WT7$’$f3,YY7DJAG8U$f3,Y=@8UD:@$_W^$4.,Y=@8$^.3\A8‘67;;@U@7RY@7ULGN:5CA@8C@$,G8HA8U,7LFG;W8AS@LMA9$,G8HA8U’((E%$6:A8G’’‘5C:77;7RY@7ULGN:5CA@8C@$,G8978UW8AS@LMA9$,G8978U’’%(($$6:A8G#3,)&E7)!fG9@LG8?M@?AF@89MGFN;@MP@L@C7;;@C9@?RL7FG:@GSA;N7;;9@?LQG8LAS@LA89:@^AG8;A8W8AS@LMA927P87R,G8HA8UBf@@JGFA8@?9:@@RR@C9M7R?ARR@L@89G@LG9A78PGMG@LG9A8U97M@?AF@89M$G@LG9A8U97PG9@L#78FAULG9A78G8?9LG8MR7LFG9A787R8A9L7U@8$MA8U9:@A8?77L@JN@LAF@89G;F@9:7?B2:@L@M;9MM:7P@?9:G9!8A9L7U@8L@;@GM@RL7FM@?AF@89MA89:@R7LF7R,[cED,9:G9PA;;GCCF;G9@8?@LG8G@L7QACC78?A9A78MPA9:A8CL@GMA8U9@FN@LG9L@’9:@FGJAFFGCCF;G9A787R,[cED,A87S@L;A8UPG9@LM:7P@?9:G9G@LG9A8U97PG9@LUL7NkG@LG9A8U97M@?AF@89UL7NkC789L7;UL7NG8?9:@FGJAFFC78C@89LG9A78ML@GC:@?#‘E(FU,4b$‘’EFU,4bG8?#‘*(FU,4b$L@MN@C9AS@;’8A9L7U@8C7FN78?MP@L@U@8@LG;;@;AFA8G9@?RL7F@JN@LAF@89MM9@FQGNL7C@MM7RGFF78AGS7;G9A;AgG9A78G8?GC7FQA8G9A787R9P7NL7C@MM@M$AB@B8A9LARACG9A78G8??@8A9LARACG9A788?@LG@LG9A8UC78?A9A78M’G@LG9A8U97M@?AF@89PGMF7L@@RR@C9AS@R7L8A9L7U@8L@F7SG;9:G8G@LG9A8U97PG9@L$P:AC:PGML@F7S@?RL7F7S@L;A8UPG9@L$N7L@PG9@LG8?M@?AF@89’G99:@@JN@LAF@89G;@8?N7A89$9:@C78C@89LG9A78M7R,[cED,A8N7L@PG9@LG8?M@?AF@89P@L@MAU8ARACG89;?@CL@GM@?Q%E‘*%iG8?)&‘$*iL@MN@C9AS@;C7FNGL@?PA9:9:7M@Q@R7L@G@LG9A78A8G@LG9A8U97M@?AF@89UL7NG8?9:G9P@L@?@CL@GM@?Q*#‘)*iG8?*&‘$&iL@MN@C9AS@;A8G@LG9A8U97PG9@LUL7N’?LA8U8A9L7U@89LG8MR7LFG9A78NL7C@MMA87S@L;A8UPG9@L$M9GL9DN7R8A9LARACG9A78PGMM;7P;8?@LG@LG9A8UC78?A9A78M’A9977I#?GM97L@G;Ag@8A9LARACG9A788?@LG@LG9A8U97PG9@LC78?A9A78MG8?%?GM8?@LM@?AF@89G@LG9A78C78?A9A78M’9:@,0b’D,GCCF;G9A78977IN;GC@A87S@L;A8UPG9@L8?@L9:@C78?A9A787RG@LG9A78’9:@MM9GA89AF@7R,0b’D,GCCF;G9A8UPGM$?GMA8G@LG9A8U97PG9@LUL7NG8?9:G9PGME?GMA8G@LG9A8U97M@?AF@89UL7NBA%IJ+&*,!G@LG9A78PGM’L@;@GM@7R8A9LA?@’GFF78AGS7;G9A;AgG9A78’M@?AF@89’8A9LARACG9A78!!随着城市化进程的加速和社会经济的发展$大量污染物质排入城市河道$并沉积于底泥中$使城市河道底泥遭受严重污染B富集于底泥的污染物质在适当条件下重新释放$成为二次污染源$导致城市河道水质恶化$甚至黑臭)$’*B相关研究认为厌氧条件是促使底泥氮释放的主要因素)*a%*$因此改善水体的溶氧条件$对于修复城市河道受污染水体(减少水体氮负荷具有重要意义B曝气技术是有效提高污染河道水体溶氧水平的常用技术之一B常规曝气技术主要针对上覆水体$通过向水体人工充氧$可以控制底泥含氮等污染物质环!!境!!科!!学*’卷的释放)$a#*$但从实践来看对于含氮物质的控制并没有起到长期有效的作用)(*B为了能实现底泥污染物质的原位消减$近年来有学者开展了底泥曝气技术研究$分析了底泥曝气对磷)$’*(硫化氢)**(重金属)E*等物质在底泥与上覆水体之间迁移与转化的影响$国外也开展了一些实践运用))*B李大鹏等)*对比研究了水曝气和底泥曝气对城市河道上覆水,[cED,的去除效果B但是$目前还鲜见针对底泥曝气对污染河道氮素迁移与转化影响的全面研究$更未见曝气对水体(间隙水和底泥氮素形态转化及迁移过程影响的系统报道B为了了解不同曝气方式对城市污染河道氮素在底泥(间隙水和上覆水中迁移与转化的影响$本实验采用室内模拟方法$从城市污染河道采集原位泥柱和上覆水构建实验系统$研究不同曝气方式底泥曝气和水曝气#对水体氮素迁移与转化的影响$以及间隙水和底泥中氮素形态的变化特征$从而就人为工程措施对城市污染河道氮素的迁移与转化机制作初步探讨BKL材料与方法KOK!沉积物和水样’((年E月*日于南京九乡河$用柱状采样器有机玻璃$&((FFt)((FF#采集河道表层底泥约’(CF的柱状样B为了保证柱状样有较好的同质性$采样集中在较小区域内B同步采集上覆水$水样经(‘E)F滤膜过滤作为实验用水$过滤水样放入冰箱$Es蔽光保存B采集样品迅速送至实验室$任取*根进行底泥理化性质分析B经测定$表层底泥(aECF#的N[为$‘$&$含水率质量分数#为)%‘*$i$烧失率40.#为%‘%i测定方法见‘E节#BKOM!实验方法将柱状采样器里的沉积物底部用橡胶塞密封$用虹吸法无扰动抽去上覆水$然后用虹吸法加入’)(F4约’)CF高#的过滤水样$尽量避免底泥扰动B实验分为*组$每组设*个重复$编号为+f(+5和+6B+f为水曝气组$将微孔曝气头气泡尺寸为a*FF#安置距底泥顶部上方’CF处前期预实验确定$以不扰动表层底泥的最低位置为准#$表层底泥不悬浮’+5为底泥曝气组$将微孔曝气头气泡尺寸为a*FF#安置在底泥顶部下方’CF处$表层底泥悬浮’+6为对照组$无曝气措施B底泥部分用避光材料包裹$以模拟实验河道实际情况B实验系统静置*?后用曝气机34+353VD#&(E#进行曝气$曝气参数均为’4,FA8b$’:,?b$曝气流量通过流量计/G8FA8U4ZTD%#控制B实验期间室内温度控制在#a’sB’&?后停止曝气$a&?每天采样$&?后隔天采样$实验在E’?结束BKON!样品采集与分析每天曝气前通过预设在距底泥表面’CF处的采样管$用注射器准确抽取)F4水样$每次取样后$向实验装置中补入)F4备用水样B实验结束后$排干上覆水后用上顶法分层研究沉积物$用离心法E(((L,FA8b$’(FA8#获得间隙水B把取得的上覆水和间隙水用(‘E)F的滤膜过滤$过滤后的水样用5]343/流动分析仪5]343/D53,cc$荷兰#进行_2,可溶性总氮#(,[cED,(,0b*D,和,0b’D,分析B每天分时段原位监测上覆水_0X5.))(#和N[1+224+/204+_0+4’(#BKOQ!沉积物指标分析KOQOK!含水率和40.沉积物含水率测定!在()s条件下烘%:$含水率为沉积物烘干前后质量差值与原有湿沉积物质量的比值i#)%*B烧失率40.#用()s烘干的沉积物放入马弗炉中在))(s条件下灼烧%:)$*BKOQOM!无机氮测定沉积物,[cED,和,0b*D,浓度测定!称取相当于(U干样的新鲜沉积物$用’F7;,4b的]6;溶液浸提液|土m)|#$振荡*(FA8$过滤后比色法波长为’(8F#测定浸提液中,0b*D,浓度’纳氏比色法波长为E’(8F#测定浸提液中,[cED,浓度)&*B2,的测定为碱性过硫酸钾消解后在波长’(8F比色测定)&$#*BML结果与分析MOK!上覆水氮素形态变化MOKOK!对,[cED,的影响各工况下上覆水,[cED,的质量浓度变化如图所示B+6组上覆水中,[cED,浓度的变化反映了实验底泥不断向上覆水释放的过程$具体变化表现为上升D稳定D略有下降*个阶段$在?上升到#‘*(FU,4b$’%?后开始下降$实验结束时为*‘$*FU,4b$是初始浓度的‘#)倍B’种曝气工况下$上覆水中,[cED,的浓度变化可分为波动上升D下降D稳定D再上升E个阶段B+f组,[cED,波动上升阶段经历了#?$由实验开始的)‘)FU,4b上’$#’(期刘波等!不同曝气方式对城市重污染河道水体氮素迁移与转化的影响升到#‘E(FU,4b’+5组波动上升阶段经历了%?并达到峰值$浓度为‘’EFU,4b$是+f组的‘’(倍B+f组,[cED,在%?下降到(‘’FU,4b$进入稳定期$+5组在’’?进入稳定期’+f组和+5组在曝气结束后均有所回升$上覆水中,[cED,最终去除率分别为E$‘&%i和$’‘$EiB图KL上覆水=:PQ.