郭红兵， 陈荣， 王晓昌
（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055）
摘要：城市水体不同于流域水体，其补水来源与城市发展和水资源供给量密切相关，补水水源在一段时间内发生变化是城市水体的典型特点。为r更好地揭示富营养化城市水体沉积物在不同补水方式（自来水、再生水和湖水）下内源营养物的释放特性，通过实验模拟了静态和动态（水体扰动）条件下的底泥释放过程。结果表明：(1)自来水补给下的上覆水TN、TP浓度表现为初期快速上升，后期保持相对平稳的趋势；再生水与湖水补给的上覆水初期TN、TP浓度短时间内快速下降到一定程度后处于动态平衡。(2)动态条件下底泥的TN、TP释放量均高于静态条件，水力扰动有助于底泥内源营养物释放。(3)采用物料平衡方法对底泥中营养物的释放总量进行计算，结果显示，以自来水为补水的动态反应器巾TN和TP的释放量最大，TN在以再生水为补水的静态反应器巾释放量最小，TP在以再生水为补水的动态反应器中释放量最小。研究成果对城市水体富营养化控制和补水水源的优化配置具有指导意义。
关键词：城市水体；底泥释放；营养物(N、P)；不同补水方式；动态实验
目前，内源污染物释放引起的水体富营养化已成为国内外研究的热点。沉积物是水体多相生态系统的重要组成部分，在污染物的迁移转化过程中起到非常重要的载体作用，具有释放面积大、释放量及释放途径不明确等特点。在富营养化水体外源污染得到有效控制的基础上，沉积物向上覆水体释放污染物（重金属、营养盐和难降解物）成为“源”，造成二次污染。营养物质氮和磷的质量浓度分别超过0.2 mg/1和0.02 mg/1，就会引起水体的富营养化。目前更多的研究关注于大型河湖沉积物中营养物的赋存形态与含量及迁移转化特性以及不同环境条件下（DO、pH值、温度、生物和水体扰动等）沉积物中营养物释放规律特征。
城市水体不同于大型流域水体，水体水质特征受到人类活动最直接的影响，水体的补水水源也与城市的发展以及城市现有水资源的存量密切相关。伴随着快速城市化进程，大量城市尺度的水体在城市建设过程中得到新建或修复，与此相比，城市用水量增大，可用于水体补水的传统水资源（地表水和地下水）存量逐渐减少，一些非传统水资源，如雨水、再生水，正在逐渐成为传统水资源的替代水源用于水体补水。因此，城市水体，尤其是已经发生富营养化的水体，在补水方式发生变化的情况下，沉积物理化性质的变化以及对水体水质的影响是城市水体水环境整治过程中的一个重要科学问题，此方面的研究相对较少。基于此，本研究开展了沉积物在不同补水方式下（自来水、再生水和天然补水）的释放试验，揭示了不同补水水源对沉积物释放特性的影响；同时，通过静态和动态实验的比较，揭示了水力扰动的作用特征，为城市水体内源污染源的控制和管理提供了依据。
1 材料与方法
1.1 沉积物采集及预处理
沉积物样品采自昆明翠湖(N25。03'5.08”，E102。42'3.24”)，典型的城市富营养化景观水体。采用自制的有机玻璃柱状采泥器采集5—10 cm的表层沉积物样品，底泥含水率较高，呈流态，浅黑色泥，手感粘滑，夹杂少量植物残体。采集后去除沙石及动植物残体，立即用冰盒保存(4℃)送回实验室，密封静置th后去除上覆水，充分混匀，备用。同时取采样点上覆水51，以及进水口再生水51（昆明市第四污水厂再生水，一级Auu），取回后经0.45 ym玻璃纤维滤膜过滤后置冰箱内4℃冷藏备用，作为实验补水。
1.2 实验设置
实验分为A组、B组2组，A组为静态实验，B组为水力扰动实验，每组3个柱状反应容器（1#以自来水为补水、2#以再生水为补水和3#以湖水为补水）。按照底泥：上覆水=1:4，于反应容器底部分别均匀铺置预处理过的400 m1底泥，厚度约为26.76 mm，并分别小心缓慢加入1600 m1不同水质作为上覆水，尽量避免底泥悬浮，上覆水与实验补给水一致。上覆水添后均先静置，12 h后B组采用恒速搅拌机以120r/min转速在上覆水表面进行连续扰动，A组不受任何扰动，实验每隔12 h定时定位（水面下5 cm）采集上覆水样35 m1测量TN、TP浓度，并立即补充等量相应补给水。整个实验共计持续192 h。实验期间，实验室温度为23.8—25.2℃。实验设计方案见表1。
1.3 分析方法
样品采集后，总氮(TN)用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894-89)、总磷(TP)用钼酸铵分光光度法(GB 11893_89)。见图1。
1.4 计算方法
底泥释放量的计算公式如式(1)所示：
底泥释放速率的计算公式如式(2)所示：
泥中营养物(N、P)含量，mg；G、Cn-，、CO、Cj-，分别为第n次、n-1次、初始和j-1次采样时上覆水中营养物浓度，mg/1；G为补给水中营养物浓度，mg/1;y为反应器中上覆水体积，1;k为每次采样体积，1；r为底泥释放速度，mg/(m．h)；A为反应器中上覆水一沉积物接触面积，rrf；f为底泥释放时间，h。
2 结果与讨论
2.1 实验用补水理化性质
底泥采集处水深1.39 m，沉积物厚11 cm，是典型的水上娱乐区，表层水氮磷污染严重，其TN、TP浓度分别为6.987、0.179 mg/1。如表2所示，水中的TN、TP浓度分别为水体富营养化临界值(0.20和0.02mg/1)的35倍和9倍，处于富营养化状态。翠湖以昆明市第四污水处理厂再生水为补水，TN、TP浓度分别为10.79、0.218 mg/1。
2.2 沉积物TN释放结果分析
图2为不同补水方式下反应器中上覆水TN浓度变化曲线。补给水来源的不同表现为各组曲线的起点各异。实验初期，以自来水补给的A1和BITN浓度上升，以再生水作为补水的A2、B2和以湖水作为补水的A3、B3TN浓度大幅下降。随着时间的推移，A1和B1在实验24 h后上覆水TN浓度达到最大值平衡，分别为3.017 mg/1和3.165 mg/1，之后保持平稳趋势，并且B1 TN浓度高于A1。实验中期(12—120h)．A2、B2、A3和B3上覆水TN浓度均呈逐渐减小趋势，分别减小了3.192、2.630、1.241和1.241 mg/1，A2和B2趋势最为明显，变化较大；实验后期(120—192 h)TN浓度在底泥的释放与吸附动态变化过程中达到平衡。动态（B1、B2和B3）与静态（A1、A2和A3）整体对比发现，动态实验TN浓度变化曲线总体处于静态曲线上方。水力扰动有助于底泥与上覆水的交换强度，从而促进底泥的释放，抑制其吸附过程。
基于公式(1)，图3表示的是每12 h底泥中TN的释放量与积累量对比结果。以自来水作为补水的A1和B1释放趋势基本相近，都可以分为2个阶段：第一阶段(0～48 h)TN大量释放；第二阶段(48—192 h)释放与积累达到了动态平衡。以再生水作为补水的A2、B2和以湖水作为补水的A3、B3具有相近的变化趋势，表现为前期(0—132 h)单位时间内的释放量与积累量都较大，后期(132—192 h)变化趋于平缓。
有研究表明营养物的释放与积累取决于表面上覆水与底泥间的浓度差。将不同补水方式下A1(B1)、A2 (B2)和A3 (B3)对比发现，以自来水补给的A1和B1表现出底泥TN释放特征，以再生水作为补水的A2、B2和以湖水作为补水的A3、B3总体表现为TN吸附积累过程。
图4为不同补水方式下底泥的TN的释放或积累总量。以自来水补给的A1和B1底泥TN呈现释放，且B1释放量较A1大，释放量分别为3.910、5.052mg，释放速率分别为1.629和1.760 mg/(1．h)。以再生水作为补水的A2、B2和以湖水作为补水的A3、B3表现为吸附积累，积累量A2>B2>A3>B3，积累量分别为7.694、7.372、4.362、4.156 mg，积累速率分别为3.251、2.568、1.704、1.448 mg/(1．h)。补水对上覆水中TN浓度的稀释或加重一定程度上取决于补水源中TN浓度的高低，而沉积物间隙水中氮与上覆水体中氮的浓度梯度是氮释放的主要动力。补水中TN浓度低，补水量大，对上覆水具有一定的稀释能力，降低了上覆水中TN浓度，导致沉积物间隙水中氮向上覆水界面解吸附，释放至上覆水；相反，补水TN浓度高，上覆水TN浓度增大，沉积物表现为吸附积累。
将同样补水条件下的静态反应器( A1～A3)和动态反应器(BI~B3)对比可以发现，水力扰动对TN释放过程具有比较明显的影响，表现为B1释放量大于A1释放量，但是对TN吸附积累过程没有明显的影响。水力扰动加快了补水与上覆水中氮的物理化学反应，有助于上覆水与沉积物界面含氮颗粒的再悬浮、溶解态氮的吸附与解吸附行为。而氮的各形态间可以通过生物化学作用相互转换。
2.3 沉积物TP释放结果分析
图5为不同补水方式下反应器中上覆水TP浓度变化曲线。各曲线的变化趋势与相应TN浓度变化曲线相似。以自来水补给的A1和B1 TP浓度呈逐渐增大趋势，72 h时A1达到底泥释放最大值点(0.094mg/1)后略微减小至96 h保持平稳动态变化；B1曲线位于A1上方，且B1整个过程为缓慢上升的趋势。A2、B2、A3和B3 TP浓度变化可以分为2个阶段：第一阶段(0—24 h)TP浓度大量减小；第二阶段(24—192h)TP浓度保持动态变化的过程。动态（B1和B3）与静态（A1和A3）整体对比发现，动态实验TP浓度变化曲线总体处于静态曲线上方。水力扰动有助于底泥与上覆水的交换强度，从而促进底泥的释放，抑制其吸附过程。B2与A2对比发现，静态实验TP浓度变化曲线总体处于动态曲线上方。上覆水浓度对底泥的释放与积累具有重要影响。
基于公式(1)，图6表示的是每12 h底泥中TP的释放量与积累量对比结果。以自来水作为补水的A1和B1释放趋势基本相近，都可以分为2个阶段：第一阶段(0—72 h)TP大量释放；第二阶段( 72—192 h)释放与积累达到了动态平衡。A2和A3变化趋势基本相近，表现为前期(0—48 h)以TP积累为主，后期(48—192 h)处于动态平衡状态。B2和B3在整个实验过程呈现吸附积累特性。
将不同补水方式下A1(B1)、A2(B2)和A3(B3)对比发现，以自来水补给的A1和B1表现出底泥TP释放特征，以再生水作为补水的A2、B2和以湖水作为补水的A3、B3总体表现为TP吸附积累过程。这一结果表明，不同浓度上覆水对底泥的释放与积累具有重要影响。
图7所示为整个实验周期结束后不同反应器中底泥的TP释放或积累总量大小。A1和B1的底泥TP均表现为明显的释放特点，并且B1的释放量比A1大，释放量分别为0.119、0.181 mg，释放速率分别为0.050和0.063 mg/(1-h)。而A2、B2、A3和B3呈现为吸附积累特点，并且B2>B3>A3>A2．积累量分别为0.083、3.492、0.134、2.058 mg，积累速率分别为0.035、0.036、0.040、0.032 mg/(1．h)。补水对上覆水体中TP浓度的稀释或加重取决于补水源中TP浓度的高低，而沉积物间隙水中磷与上覆水体中磷的浓度梯度是磷释放的主要动力，且分子扩散是其释放至水体中的主要机制。补水中TP浓度低，对上覆水具有一定的稀释能力，降低了上覆水中TP浓度，沉积物表现为释放过程，在沉积物间隙水一上覆水界面发生磷解吸附，释放至上覆水体；相反，补水TP浓度高，上覆水TP浓度增大，沉积物表现为吸附积累。
将同样补水条件下的静态反应器( AI—A3)和动态反应器(B1—B3)对比可以发现，水力扰动对TP释放和积累过程都具有很显著的影响，表现为B1释放量大于A1释放量，B2和B3吸附积累量明显大于A2和A3。这一结果表明，水力扰动加快了补水与上覆水中磷的交换，加大了沉积物与上覆水之间磷物质的交换强度，有助于上覆水与沉积物界面含磷颗粒的再悬浮、溶解态磷及磷酸盐的吸附与解吸附行为。
3 结论
本文研究了不同补水方式和动态及静态条件下城市水体沉积物中TN、TP的释放特眭，得到以下结论。
(1)沉积物中营养物(N、P)的释放与积累是一个动态的过程，它们之间的交替取决于上覆水与沉积物间的浓度差，存在一个临界浓度，当上覆水营养物浓度高于该临界浓度，营养物总体表现为吸附积累过程；相反，表现为释放过程。
(2)处于富营养化状态的水体，通过置换改变补水可以短期降低水中营养物浓度，但是沉积物的持续释放，又将维持较长一段时间的水体富营养状态。
(3)不同补水方式对营养物的释放特性影响较大，以自来水为补水条件下，营养物总体呈现释放特性，以再生水和湖水为补水条件下，营养物总体呈现积累特性，且再生水补水的积累量大于湖水补水。
(4)水力扰动是影响营养物释放特性的又一个重要因素，对于TN而言，水力扰动对释放过程影响较大，对积累过程影响较小；对于TP而言，水力扰动对释放和积累过程都有明显的影响。
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