硝酸钙抑制底泥磷释放的模拟研究

在实验室模拟了硝酸钙对底泥磷释放的影响、环境效应及作用机制。结果表明,硝酸钙可有效降低孔隙水和上覆水中溶解活性磷(SRP)的浓度,且对于红枫湖底泥来说,抑制磷释放的硝酸钙Ca(NO3)2·4H2O最佳用量为187.5g/m2。实验表明硝酸钙的使用是安全的,既可保证上覆水中氨氮浓度满足III类水的要求,也不会造成水体重金属的污染。硝酸钙抑制底泥磷释放作用机制如下:1)硝酸钙在底泥脱氮微生物的作用下发生反硝化作用,在硝态氮被消耗的同时,溶解有机碳亦被氧化降解;2)硝酸钙将底泥中的Fe2+氧化为Fe3+,促使铁氧化物及氢氧化物的形成,最终使孔隙水及上覆水中SRP的浓度大幅降低。因此,硝酸钙可有效抑制底泥内源磷的释放,是一种高效的底泥内源磷释放原位钝化剂,可为湖泊底泥磷污染提供有效的治理手段。     

环境条件变化对河流沉积物“三氮”释放的影响

以京杭运河某断面沉积物和上覆水为研究对象,利用室内模拟试验探讨了3种环境条件(温度,曝气复氧,pH值)变化对河道沉积物"三氮"释放的影响。结果表明:5℃时上覆水氨氮和硝态氮累积量高于25℃,25℃时上覆水亚硝态氮累积量高于5℃,冬季低温条件下沉积物氨氮和硝态氮释放对上覆水的影响不容忽视。曝气复氧能抑制沉积物氨氮的释放和加速硝化作用而消耗氨氮,并促进亚硝态氮和硝态氮的生成,但是复氧初期可能致使上覆水氨氮含量上升。pH值越低,上覆水氨氮累积量越大,1 d后pH 4条件下的底泥氨累积量为pH 10时的1.8倍,pH 7~8.5条件下上覆水亚硝态氮累积速度最快,硝态氮累积速率最低。     

排水管道沉淀物氮释放特性的研究

利用室内模拟的方法探讨了排水管道沉淀物在水土比、p H值、温度以及扰动这4个环境因子影响下的氮素转化规律.4个影响因子下的实验结果表明,沉淀物中氮素主要以氨氮的形式向上覆水中释放,各组上覆水中氨氮呈先升高后降低的两阶段变化趋势,在第4~6 d达到释放峰值,随后质量浓度逐渐下降,而总硝态氮的变化趋势与氨氮相反.4个影响因子中p H对氨氮释放的影响最大,其次为搅动、水土比,温度的影响最小,其中不同初始p H条件下氨氮的最大释放量从大到小排序为p H 6.3p H 8.0p H 9.6,释放量最大值分别为54.0、30.9、26.7 mg·L-1.实验中水土比越大,氨氮的释放量越大,在相同的速率下对上覆水搅动时间越长,氨氮的释放量越大.温度的升高促进了上覆水中的氨氮向硝态氮的转化,加快了上覆水中总氮质量浓度的下降.     

滏阳河表层沉积物氮分布特征和界面无机氮扩散通量估算

为了揭示非常规水源补给河流沉积物-水界面氮交换过程及其特点,为非常规水源补给河流富营养化机制提供基础数据.选择典型非常规水源补给河流(滏阳河)为研究对象,分析河流沉积物中氮素空间分布及上覆水-孔隙水氮营养盐垂直分布特征,并估算滏阳河不同区段沉积物-水界面无机氮扩散通量.结果表明,滏阳河整体表层沉积物总氮含量范围在770~10590 mg·kg~(-1)之间,其中有机态氮为氮素的主要存在形式,占总氮比例达84.9%~99.3%.NH3-N为无机氮的主要形态,含量范围为3.23~1135.00 mg·kg~(-1).溶氧量作为影响沉积物-水界面无机氮分布的主要因素.邯郸段硝氮浓度在孔隙水中随深度逐渐升高,孔隙水平均硝态氮浓度达3.54 mg·L~(-1),为上覆水8倍之多.邢台、衡水、沧州段硝氮浓度随深度而逐渐降低;滏阳河下游衡水段和沧州段进入沉积物-水界面后氨氮浓度呈下降趋势.滏阳河上游邯郸段与邢台段沉积物-水界面NH3-N由沉积物向上覆水扩散,扩散通量为48.9~1471.0μmol·m~(-2)·d-1.下游河段部分点位NH3-N表现为上覆水向沉积物中扩散,扩散通量在-932~-456μmol·m~(-2)·d-1之间.非常规水源补给河流在氮营养盐外源得到控制后,仍存在内源释放风险,将会加大河流治理与修复的难度.     

深水型湖泊底泥NH4+-N释放的环境因子影响实验研究

通过对深水型人工湖泊(以福州市山仔水库为例)底泥NH4 -N释放特性进行实验研究,该实验在厌氧状态下进行,主要是以氨态氮溶出为主,这是一个物理过程,是由于分子的扩散造成的,分析了环境因子对底泥NH4 -N释放特性的影响及其原因.得出了温度、上覆水本身NH4 -N浓度和底泥粒径对底泥NH4 -N释放影响的动力曲线.同时说明了湖泊底泥NH4 -N释放对湖泊水质存在着潜在的危险性.为城市深水湖泊底泥疏浚和富营养化治理提供依据.     

底泥曝气对城市污染河道内源氮变化过程的影响

以城市重污染河道上覆水和沉积物为研究对象,采用模拟实验方法,探讨了底泥曝气对城市污染河道内源氮变化过程的影响.结果表明：底泥曝气促进内源氮去除和有机质分解,泥水系统氮素去除率比对照组高出5%,对照组有机质升高35.1%,而底泥曝气组有机质却基本维持不变;底泥曝气促进氨氮的迁移与转化,曝气阶段上覆水、表层底泥间隙水和吸附态氨氮浓度分别降低了99.5%、94.4%和75.6%;底泥曝气时有机质分解促使有机氮浓度升高,曝气结束后有机氮的矿化作用与有机质的分解作用共同影响内源无机氮的含量;底泥曝气直接改变了底泥的理化性质,继而在一定程度上改变底泥氮素的赋存情况,含水率与表层间隙水和底泥的有机氮、无机氮均呈显著相关,表层无机氮与亚铁显著相关,内源氮变化与有机质无显著相关性.     

负载硝酸盐有机改性沸石抑制底泥氮磷释放的效果及机制研究

通过摇床振荡试验研究,考察HDTMA有机改性沸石对硝态氮的吸附-解吸特性及对磷酸盐和氨氮的吸附特性,再通过模拟释放试验考察负载硝酸盐HDTMA有机改性沸石对底泥氮磷释放的影响.结果表明:①有机改性沸石吸附硝态氮的最佳HDTMA负载量为276?EC.Langmuir公式能较好地描述有机改性沸石对硝态氮的吸附行为,饱和单位吸附量达到1 724mg/kg,并且有机改性沸石对硝态氮的吸附速率较快.有机改性沸石吸附硝态氮之后一定条件下又会逐渐释放出来,并且吸附的硝态氮越多,硝态氮的解吸量越大.Langmuir公式能较好地描述负载硝态氮之后有机改性沸石对磷和氨氮的吸附行为,且对氨氮的理论吸附量为12.0 mg/g以及对磷的理论吸附量为O.597 mg/g.②采用有机改性沸石负载硝酸盐可以较长时间地向表层底泥提供硝态氮,并且大大减低了进入上覆水的硝态氮比例.硝酸盐负载型有机改性沸石不仅可以有效控制底泥磷的释放,而且可以控制底泥氨氮的释放.     

苏州河网区河道上覆水与底泥中氮素形态分布特征

以苏州河网区河道为研究对象,分布式采集10个采样点,分析水质状况和底泥中氮素形态与含量及其剖面分布,以探讨上覆水和底泥中各形态氮的相关性. 结果表明:上覆水中ρ(总氮),ρ(总磷)及ρ(COD_Cr)均超标,水质呈弱碱性,ρ(硝态氮)(1.10～2.39 mg/L)均高于ρ(铵态氮)(0.30～1.70 mg/L),80%的采样点水质为劣Ⅴ类,水质污染严重,且以氮污染为主;底泥中w(总氮)为2.78～6.30 g/kg,其随沉积深度的增加而减少,说明河道污染负荷有逐年加重的趋势;底泥中w(铵态氮)为37.2～228.0 mg/kg,其随沉积深度的增加而增加,说明铵态氮的沉积量在逐年减少;底泥中w(硝态氮)为13.1～69.4 mg/kg,其在各点的剖面变化趋势不尽相同,这可能与河道水体流动性较大有关. 相关性分析和空间关系分析显示,虽然上覆水中各形态氮含量和底泥表层中各形态氮含量点位对应的关系不显著,但在空间上存在一定的关联性,即由于水体的流动性,使得底泥到上覆水的氮含量高值区有从东向西迁移的趋势.      

城市重污染河道上覆水氮营养盐浓度及DO水平对底质氮释放的影响

利用模拟试验方法, 研究和探讨了苏州市古城区重污染河道上覆水的氮营养盐浓度及DO水平对河道底泥内源氮释放的影响.结果表明:① 上覆水体的氮营养盐水平可对底泥中氮营养盐的释放程度(即释放速率和释放量)产生影响,氮营养盐含量低的上覆水体有利于底泥中氮特别是氨氮的释放(外城河与苗家河２种处理的累积释放量差值可达6 mg/kg),相反,则不利于氨氮的释放.故当氮营养盐含量较低的外城河水进入古城区河道时,有可能引起内城河道中底泥氨氮的大量释放,这种情况在调水过程中更为明显;②溶解氧是控制底泥氮释放规律的重要因素,其对氨氮和硝态氮释放的影响呈非线性,厌氧条件能加速底泥氨氮的释放,好氧则对其释放产生抑制,故保持河道水体中适当的溶解氧可有效抑制底泥中氨氮等释放造成的污染.     

淹水土壤土-水界面磷素迁移转化研究

通过室内PVC土槽实验,模拟了淹水条件下土壤上覆淹水和孔隙水中磷的释放及其影响因素Eh值、pH值、Fe2 、Fe3 和溶解有机质(DOC),以及土壤中无机磷组分的转化,并通过偏最小二乘主成分分析法分析影响磷迁移转化的因素,得到主要影响因子.实验结果表明,54d淹水期间,上覆淹水可溶性磷浓度大于孔隙水的磷浓度,前者累积释磷量是后者的16倍;土壤磷的释放主要以Fe-P、O-P和Al-P为主, Ca-P基本不变,其中以Fe-P的贡献最大,淹水期间比初始值减少了30.4%～72%;主成分分析表明, Eh值、Fe2 Fe3 和DOC是影响上覆淹水磷释放的主要因子, DOC络合Fe2 和Fe3 成水溶性三元复合体,释磷机制以络合增溶为主;DOC是影响土壤孔隙水磷释放主要因子,释磷机制以竞争吸附为主,高浓度铁离子的存在阻止了孔隙水中磷释放.     

低溶解氧状态下河网区不同类型沉积物的氮释放规律

采集浙江温州温瑞塘河河网中4个受不同人类行为干扰的沉积物样品,分别代表受河道上游来水、制革厂排水、建筑垃圾和生活污水排放的影响,研究了低溶解氧(DO)状态下不同类型沉积物各形态氮(N)的释放规律.结果表明,低DO状态下,不同上覆水条件能明显影响沉积物-水系统中N迁移转化.上覆水污染越重越不利于沉积物中N释放,水质改善后易促进沉积物中N的释放.屿田河高营养盐水平的上覆水中的N仍能在扩散作用下进入沉积物,并导致已严重污染的沉积物中总氮(TN)和硝酸盐氮(NO3--N)含量增加,控制河流外源N持续输入利于沉积物污染负荷的降低.低DO状态下各类沉积物中氨氮(NH4+-N)均会释放进入上覆水,而NO3--N则迁至沉积物中,并在反硝化作用下脱离系统.NH4+-N的释放量取决于其在沉积物中的含量.低DO状态下NO3--N释放的风险小于NH4+-N.     

巢湖水华暴发期水-沉积物界面溶解性氮形态的变化

2008年4~10月,连续对巢湖8个样点进行采样,分析了上覆水和表层沉积物间隙水中溶解性氮形态在水华暴发过程中的变化,估算了水-沉积物界面无机氮的扩散通量.结果表明,上覆水中NH4+-N含量随水华暴发强度的增加而减小,溶解性总氮(DTN)含量在水华暴发后明显升高,而NO3--N含量只在水华暴发严重时才明显减少.在大规模水华暴发前(4~5月)上覆水中DTN的主要组成部分是NO3--N和NH4+-N,在水华暴发后则是溶解性有机氮(DON).间隙水中PDTN以NH4+-N为主,其浓度随温度的增加而升高; DON在水华暴发过程中呈先下降后上升的趋势.通量计算结果表明,沉积物作为NH4+-N的“源”一直由间隙水向上覆水释放,西半湖扩散通量在13.06~32.94mg/(m2·d)之间,东半湖扩散通量在4.54~17.41mg/(m2·d)之间.沉积物-水界面交换是湖泊营养盐重要的补充途径,为水华持续暴发提供营养来源.     

盐沼植物对沉积物间隙水营养盐分布的影响

通过2007年8月~2008年5月对长江口崇明东滩中部潮间带4个不同植被带沉积物间隙水营养盐进行季节观测来研究盐沼植物对沉积物间隙水营养盐分布的影响.结果表明,大型植物生长带间隙水的NH4+-N、PO43--P浓度低于光滩,尤其是夏、秋两季NH4+-N的浓度比光滩低1个数量级以上.在植物生长季节,间隙水各种营养盐含量要明显高于冬季,且植物生物量与间隙水氮、磷有明显的相关关系.氮盐受植物的影响最明显,NH4+-N在互花米草与芦苇带分别是44.21、74.38μmol.L-1,明显低于光滩与海三棱草带(分别是340.14、291.87μmol.L-1);NOx--N的浓度比NH4+-N低1~2个数量级,但以芦苇带最高(5.94μmol.L-1).沉积物-水界面分子扩散通量结果表明,潮滩沉积物是上覆水中SiO32--Si、NH4+-N、PO43--P的源,NOx--N(NO3--N、NO2--N的总和)的汇,其中NOx--N从上覆水向沉积物的扩散通量[16.23μmol.(m2.h)-1]大于NH4+-N从沉积物向上覆水的扩散通量[15.53μmol.(m2.h)-1].植物的生长还通过影响沉积物-水界面的物质交换与间隙水中营养盐比值及其与上覆水间营养盐比值,对毗邻富营养化河口生态系统营养盐结构起到调节作用.     

太湖北部三个湖区各形态氮的空间分布特征

通过对太湖北部竺山湾、梅梁湾和贡湖上覆水、间隙水和表层沉积物中各形态氮含量的分析,探讨了其中各形态氮的空间分布特征,计算了沉积物-水界面氨氮(NH4+-N)的扩散通量,并对上覆水、间隙水和沉积物中各形态氮进行了相关性分析.结果表明,空间上,上覆水、间隙水和沉积物中,NH4+-N的平均浓度为竺山湾>梅梁湾>贡湖的分布趋势;NO3--N在上覆水和沉积物中为贡湖>梅梁湾>竺山湾的分布趋势,但间隙水中梅梁湾>贡湖>竺山湾;TN在上覆水、间隙水和沉积物中的分布与NH4+-N相似.NH4+-N在竺山湾、梅梁湾和贡湖的平均扩散通量分别为1009.27μmol/(m2×d)、49.35μmol/(m2×d)和3.14μmol/(m2×d).相关性分析表明:上覆水、间隙水、表层沉积物之间NH4+-N存在相关性.     

滇池水生植物分布对沉积物间隙水中不同形态氮的影响

为揭示水生植物分布对滇池沉积物间隙水中各形态氮质量浓度的影响,于2015年6月在滇池分别采集有植物区域和无植物区域的沉积物柱状样,检测间隙水及上覆水中DTN(溶解性总氮)、NH₄+-N、NO₃--N和DON(溶解性有机氮)的质量浓度,分析其垂向变化特征以及水生植物对间隙水中各形态氮的释放控制效果. 结果表明:①水生植物改变了柱状沉积物间隙水中不同形态氮的分布规律,并且这种改变随湖区不同而表现不尽一致;②水生植物显著降低了沉积物间隙水中DON的贡献率,有植物分布区域ρ(DON)对ρ(DTN)的平均贡献率为41.05%,无植物区域可达58.48%;③水生植物显著抑制了沉积物中无机氮的释放,促进了DON的转化,同一采样点有植物区域NH₄+-N和NO₃--N的沉积物-水界面扩散通量分别比无植物区域平均降低了87.52%和91.99%;④水生植物生长显著削减了沉积物间隙水中氮的质量浓度,其中ρ(DON)的削减率达到了53.27%~80.42%. 研究显示,水生植物根系作为微生物和多种活性酶的主要载体,为沉积物有机氮的矿化降解起到了促进作用.      

氮素调控对冻融过程中土壤N2O排放的影响

应用室内冰柜模拟冻融过程,研究了不同氮素形态(铵态氮、硝态氮和酰胺态氮)和浓度(40、200和800 mg/L)对潮土N2O排放通量的影响.结果表明,随土壤冻结时间的延长N2O排放通量缓慢降低,土壤融化初期出现一个土壤N2O排放通量高峰,而后随土壤逐渐融化的进行N2O排放通量缓慢升高.3种氮素浓度条件下,铵态氮、硝态氮和酰胺态氮冻融过程中土壤平均N2O排放通量分别为119.01、205.28、693.95μg.(m2.h)-1,611.61、1 084.40、1 820.02μg.(m2.h)-1和148.22、106.13、49.74μg.(m2.h)-1,而对照处理仅为100.35μg.(m2.h)-1.随氮素浓度的增加,铵态氮、硝态氮源土壤N2O累积排放通量分别比对照增加17.49%、40.09%、425.67%和563.38%、915.28%、1458.6%,且施加的浓度越高累积排放量越大,但达到稳定N2O排放通量的时间向后推移.随浓度增加酰胺态氮处理土壤N2O排放通量随浓度增加而降低.建议潮土越冬水中铵态氮和硝态氮浓度应分别小于200 mg/L和40 mg/L,酰胺态氮的浓度不限,从而减少土壤N2O的排放.     

原水水质对输水管道硝化作用形成的影响

采用配制水样模拟Ⅱ类、Ⅲ类和劣Ⅴ类地表水,利用管道模拟反应器研究不同原水水质条件下输水管道中硝化作用的形成及对输水水质的影响.结果表明:原水中氨氮(NH4+-N)及溶解氧(DO)含量对NH4+-N去除均有一定影响,DO充足时,去除率随原水中NH4+-N含量的增加而增加,DO浓度低时,DO成为影响NH4+-N去除的主要因素;原水NH4+-N含量对运行初期NO2--N积累有重要影响,NH4+-N含量越高,NO2--N积累量越大,随着生物膜的成熟,影响作用逐渐减弱;反应器中AOB数量主要受原水NH4+-N浓度的影响,随NH4+-N浓度升高而增加;NOB数量受NH4+-N和DO浓度的双重影响,DO含量低会抑制NOB活性,使NOB数量减少,导致NO2--N积累;输水管道中的硝化作用是水中及生物膜中硝化细菌共同作用的结果,但生物膜中硝化细菌存在水平高,其硝化作用占主导地位.     

唐岛湾网箱养殖区沉积物-水界面溶解无机氮的扩散通量

2004-08～2005-05分4个航次对唐岛湾网箱养殖区的10个站的沉积物间隙水和上覆水中的溶解无机氮营养盐（NH⁺₄-Ｎ、NO^-₃-Ｎ、NO^-₂-Ｎ）进行了现场调查, 并使用Fick第一定理对该海区沉积物-水界面溶解无机氮的扩散通量进行了估算.结果表明,网箱养殖区的上覆水和沉积物间隙水中溶解无机氮均以NO^-₃-Ｎ为主,分别占溶解无机氮总量的73.34%和61.45%;上覆水中溶解无机氮（DIN）和NO^-₃-Ｎ含量的季节变化趋势一致,在2004-10达到峰值,NH⁺₄-Ｎ的季节变化稍有不同;间隙水中溶解无机氮（DIN）和NO^-₃-Ｎ、NH⁺₄-Ｎ的变化趋势一致,表现为从5月份到8月份含量逐渐增加,到10月份达到最大,然后到次年2月份又减少;上覆水和间隙水中NO^-₂-Ｎ的含量随养殖进程表现为一个逐步积累的过程.NH⁺₄-Ｎ、NO^-₃-Ｎ和NO^-₂-Ｎ在沉积物-海水界面上的扩散通量分别为5.46、-5.04、8.71 μmol/（m²·d）,NO^-₂-Ｎ的扩散释放对唐岛湾网箱养殖区的水环境质量影响较大.     

洱海上覆水不同形态氮时空分布特征

为研究洱海上覆水各形态氮时空变化特征及其环境效应,收集了1992~2009年洱海上覆水总氮数据,逐月调查了2010年上覆水各形态氮含量.结果表明,1992~2010年洱海上覆水TN含量在0.20~0.67mg/L之间,总体呈上升趋势.2010年上覆水TN年均值为0.57mg/L,DTN为0.41mg/L,NH4+-N为0.17 mg/L,NO3--N为0.086 mg/L,DON为0.15mg/L,颗粒态氮(PN)为0.16mg/L,满足Ⅲ类水体要求;TN、DTN和DON北部最高,NH4+-N和NO3--N中部最高、PN南部最高;上覆水各形态氮年内呈先升后降趋势,TN、DON和PN在7月份达到最高值,DTN和NO3--N在9月份达到最高值,NH4+-N在6月份达到最高值;上覆水TN、DTN、DON和PN垂向分布底层最高,表层次之,温跃层12m处出现峰值.上覆水氮形态时空分布主要受外源氮输入影响,内源氮释放以DON和PN形态为主,NH4+-N和NO3--N分布受水生植物分布影响较大,TN是影响藻类季节性变化的主要因子.洱海营养水平受上覆水氮浓度影响较大,应以控制外源氮输入为重点,特别是雨季之初6、7月份,北部“三江”流域是重点控制区域.