藻源性黑水团环境效应:对水-沉积物界面氮磷变化的驱动作用

利用自制的静态模拟实验装置,通过连续抽取间隙水来研究藻细胞沉降在沉积物表面后对水-沉积物界面处的N、P变化的驱动作用及影响效果.结果表明,藻细胞沉降后,在50 min内就完全消耗掉水-沉积物界面处的溶解氧,同时水体出现严重的发黑、发臭现象;形成的厌氧、强还原环境,使得死亡的藻细胞在界面处发生强烈的厌氧矿化作用,界面处的水溶性PO34--P、NH 4+-N在实验的第2 d开始向上覆水中扩散,含量不断增加.至实验结束时(实验第8 d),界面处PO34--P、NH 4+-N的含量分别达到4.00 mg/L、39.45 mg/L,分别为同期对照实验样柱中的10倍和241倍(对照样柱中的PO43--P、NH 4+-N的含量分别为0.42 mg/L、0.16 mg/L).藻细胞的厌氧矿化加剧了氮磷营养盐向上覆水的扩散,在加重水体营养盐含量的同时,也为藻华的再次发生提供了物质基础.     

太湖竺山湾藻华黑水团区沉积物中Fe、S、P的含量及其形态变化

对因藻华大量聚集死亡而造成水体呈强还原环境(DO=0.14 mg.L-1,Eh=-89.3 mV)的黑水团区中Fe-S-P的生物地球化学变化特征进行研究.结果表明,藻细胞残体的沉降使得黑水区沉积物表层有机质含量显著增加;因藻细胞残体的贡献,沉积物表层中Org-P含量急剧增加(比非黑水区多72 mg.kg-1);受较低Eh的影响,沉积物中与Fe结合的磷出现解析,使得黑水区沉积物中活性铁和PO43--P含量增加,黑水区中沉积物间隙水PO43--P要远高于非黑水团区,表明其有向上覆水释放的趋势;造成沉积物中Fe-P含量比非黑水区中的要低.在强还原条件下沉积物中铁的氧化物呈现出由结晶态向无定形态转化的趋势(Dithio-Fe比非黑水区高达30μmol.g-1),从而使得可供生物利用的活性铁含量增加,这为藻华再次发生提供了有利条件.黑水区表层沉积物中酸可挥发性硫化物(AVS)在初始阶段大量增加,但后期由于形成了H2S气体逸散到水体中其含量反而减少;表层沉积物硫化物含量也呈增加现象(比非黑水区表层沉积物中要高50μmol.g-1).     

藻源性黑水团环境效应:对水-沉积物界面处Fe、Mn、S循环影响

通过室内静态实验培养装置模拟了蓝藻细胞大量聚集、沉降死亡后对水-沉积物界面处Fe、Mn、S循环的驱动作用.结果表明,藻细胞沉降到沉积物表面50min内,溶解氧就消耗殆尽,形成厌氧、强还原环境,使得界面处大量的铁锰氧化物和硫化物发生厌氧还原.实验进行到第4d沉积物-水界面处Fe2+、Mn2+含量达到峰值,含量分别为4.40mg/L、2.35mg/L;实验结束时Fe2+含量表现下降,浓度仅为3.37mg/L;Mn2+急剧降低,浓度为0.97mg/L.而S2-含量变化则表现为第2d达到最高,含量为0.63mg/L;此后浓度一直降低,实验结束后浓度为0.12mg/L.在实验结束后测定的0～1cm处沉积物的ORP值为-150mV,表明沉积物处于强还原状态.藻体死亡引起的黑水团现象,在驱动沉积物中Fe、Mn、S发生强烈的生物地球化学过程的同时,也将对水体生态环境产生极大的影响.     

香溪河沉积物-水界面的营养盐交换特征

为研究香溪河库湾沉积物-水界面的营养盐交换特征,于2016年6月采集香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水样品,分析不同形态氮、磷的空间分布特征并进行相关性分析,计算沉积物-水界面氮、磷的释放通量.结果表明:香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ（TP）的变化范围分别为0.484~0.927和0.511~2.220 mg/L,ρ（TN）的变化范围分别为0.739~4.302和3.571~14.011 mg/L;上覆水和沉积物间隙水中氮、磷质量浓度在沿程和垂向上具有一定的变化规律,上游区域沉积物间隙水中氮、磷质量浓度大于下游区域,沉积物间隙水中氮、磷质量浓度明显大于上覆水;香溪河沉积物总体上表现为PO₄3--P和NH₄+-N的"源",中下游区域沉积物表现为NO₃--N的"源",而中上游区域表现为NO₃--N的"汇";PO₄3--P的释放通量范围为0.129~0.339 mg/（m2·d）,NH₄+-N的释放通量范围为0.213~1.415 mg/（m2·d）,NO₃--N的释放通量范围为-1.109~3.446 mg/（m2·d）.研究显示,上覆水的环境条件对于沉积物-水界面营养盐交换存在一定的影响,但影响程度各有不同.      

疏浚对湖泛的影响:以太湖八房港和闾江口水域为例

通过采集太湖八房港和闾江口疏浚后与未疏浚沉积物柱状样于室内模拟“湖泛”的发生与消退过程来研究底泥疏浚对藻源性“湖泛”形成和消退的影响.结果发现,疏浚能有效的延缓“湖泛”发生的时间,八房港和闾江口疏浚后沉积物柱状样水体色度均要低于未疏浚对照样,水体泛黑的时间也分别比未疏浚对照样延迟6d和2d.疏浚沉积物对上覆水柱中营养盐的含量也有较好的控制,试验过程中八房港和闾江口疏浚后沉积物柱状样水体中 NH4+-N的含量仅分别未疏浚对照组的40%和77.1%,PO43--P的含量也仅分别为未疏浚对照组的41.4%和78.1%.值得注意的是,疏浚沉积物所对应的水柱中Fe2+和S2-的含量均要高于未疏浚对照组.八房港和闾江口疏浚沉积物中亚铁的含量分别是未疏浚对照样的78.1%和76.4%,而闾江口疏浚后沉积物中酸挥发性硫化物(AVS)的含量则是未疏浚对照的1.36倍.沉积物中铁、AVS的含量没有表现出明显的垂向分布特征.     

三峡库区沉积物秋末冬初的磷释放通量估算

2010年11月～12月在三峡水库开展了沉积物内源负荷调查,对云阳等6个长江干流点和9条支流河口的沉积物-水界面正磷酸盐含量(PO34--P)进行了分析.结果表明,支流上覆水和孔隙水中PO34--P含量略高于干流,其中支流孔隙水中的含量为9.59～29.79μg.L-1,干流孔隙水中的含量为9.01～25.36μg.L-1.根据Fick第一定律公式得到郭家坝和小江河口为PO34--P的"汇",释放通量分别为-0.63 mg.(m2.a)-1和-0.60 mg.(m2.a)-1,其它区域的PO34--P均是由孔隙水向上覆水进行扩散,释放通量的范围为0.15～2.47 mg.(m2.a)-1.假设分子扩算是沉积物营养元素迁移的主要途径,库区水体混合均匀,估算出沉积物孔隙水营养元素在沉积物-水界面的扩散迁移对上覆水体的影响程度较小,仅有-0.011%～0.098%.目前三峡水库沉积物作为内源,释磷作用还未对水质产生较大影响,但不排除水库外部污染源得到控制后,三峡库区沉积物内源营养负荷的潜在释放风险.     

沉水植物对沉积物-水界面环境特征的影响

为明确沉水植物对沉积物-水界面环境特征的影响机制,在采自于太湖草、藻型湖区的沉积物柱状样中种植沉水植物后进行破坏性采样,测定沉积物-水界面以上5 cm上覆水的营养盐含量和沉积物的含水量、中值粒径、w(TOC)、w(TON)、w(TP)、金属元素含量等的垂直分布和氧气侵蚀深度. 结果表明,种植沉水植物对沉积物-水界面环境特征的影响主要为:①显著降低了上覆水中ρ(PO₄3--P)〔草型湖区上覆水由(7.98±1.85)μg/L降至(4.65±1.16)μg/L,藻型湖区上覆水由(7.86±0.84)μg/L降至(4.89±0.48)μg/L〕和草型湖区上覆水中的ρ(DOC)〔由(6.64±0.41)mg/L降至(4.73±0.69)mg/L〕,但没有引起上覆水中ρ(NO₃--N)、ρ(NO₂--N)和ρ(NH₄+-N)的显著差异;②明显提高表层沉积物的含水量,减小草型湖区沉积物表层的中值粒径;③降低草型湖区沉积物表层2 cm内w(TOC)和w(TON),增加草型湖区上层沉积物中w(TP);④明显降低草型湖区沉积物中w(Ca)和w(Mg),但对草、藻型湖区沉积物中的Al,K,Cu,Pb和Zn的含量影响都不明显;⑤藻型湖区沉积物中氧气侵蚀深度由1.6 mm增至3.0 mm,草型湖区沉积物则由3.7 mm增至24.0 mm.      

龙景湖龙景沟汇水区沉积物-水界面氮形态空间分布特征

龙景湖是在原有河道基础上闸坝新形成的深水湖泊,为研究龙景沟汇水区沉积物-水界面氮形态的空间分布特征,了解其迁移转化过程,为内源负荷预测分析、内源控制及水质治理提供基础,依据形成历史和水位深度将沉积物分为原河道、新淹没底部和新淹没边坡3个区,分别采集沉积物柱样对沉积物上覆水和间隙水中各形态氮的浓度和表层沉积物泥样总氮的含量进行分析.结果表明,沉积物上覆水和沉积物间隙水的总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、溶解态有机氮(DON)的浓度以及沉积物泥样TN含量的分布趋势与水位深度变化趋势一致,表现为原河道>新淹没底部>新淹没边坡;原河道、新淹没底部、新淹没边坡沉积物间隙水TN的平均浓度分别为33.59,14.62,18.06mg/L, NH4+-N的平均浓度分别为23.01,8.39,13.75mg/L, DON的平均浓度分别为8.57,2.81,5.45mg/L,坡向变化显著且远高于上覆水,释放潜力较大;原河道、新淹没底部沉积物泥样TN含量分别为3789、2984mg/kg,都明显高于新淹没边坡的1270mg/kg.     

海州湾及其临近海域沉积物-水界面的磷形态特征与动力学

对海州湾采集的沉积物样品进行磷形态分析,采用实验室培养法对采集的海州湾取样站位进行磷酸盐沉积物-水界面交换研究。结果表明:海州湾及其临近海域表层沉积物磷呈现出从近海海域向远海海域增大的趋势;Fe-P、F-P、R-P均与S-P显著相关,其中F-P和R-P与S-P相关性最好,达极显著水平,且F-P和R-P显著相关,说明F-P和R-P与陆源污染物排放有关,F-P和R-P在来源上具有一致性;海域中的PO43--P在大部分的站位PO43--P在沉积物-海水界面上的交换量随时间的变化,先增加到最大值后再逐渐减小,表明在培养实验的初期,PO43--P由沉积物向海水中释放,然后海水中的PO43--P向沉积物转移,随着时间的推移,沉积物中的PO43--P向海水中转移,少部分的站位PO43--P在沉积物-海水界面上的交换量随时间的变化,呈现出S型变化;当生物存在时,PO43--P在实验站位点沉积物-海水界面上的交换量都随时间的推移逐渐增大,达到最大值后再逐渐减小;没有生物存在时,PO43--P在实验站位点沉积物-海水界面上的交换量都随时间的增加,呈现出S型增加,说明生物扰动和微生物的分解作用对PO43--P沉积物-海水界面上的交换量有较大影响。     

春季敏感时期三峡水库典型支流沉积物-水界面氮释放特性

为研究春季敏感时期三峡水库典型支流沉积物-水界面氮释放特性,于2016年4月采集香溪河库湾上覆水和沉积物样品,分析香溪河库湾沉积物-水系统不同氮形态营养盐浓度的分布特征,计算沉积物-水界面不同氮形态的扩散通量并与环境因子进行相关性分析.结果表明,香溪河库湾上覆水和沉积物间隙水中ρ(TN)的变化范围分别为1.10~6.90 mg·L-1和6.19~32.57 mg·L-1;上覆水和沉积物间隙水中氮质量浓度在沿程和垂向上有一定的变化规律:各采样点上覆水中氮质量浓度在沿程和垂向上没有明显的变化趋势,上游区域的沉积物间隙水中氮质量浓度明显大于下游区域,沉积物间隙水ρ(NH_4~+-N)明显大于上覆水,沉积物间隙水ρ(NO-3-N)略小于上覆水;香溪河沉积物总体上表现为NH_4~+-N的"源",NO-3-N的"汇";NH_4~+-N的扩散通量范围为2.70~4.72 mg·(m2·d)-1;NO-3-N的释放通量范围为-1.61~-0.62 mg·(m2·d)-1;香溪河库湾沉积物氮主要以铵态氮的形态存在:沉积物中ρ(NH_4~+-N)范围为69.97~1 185.97 mg·kg-1,ρ(NO-3-N)范围为2.78~38.17mg·kg-1,沉积物ρ(NH_4~+-N)与沉积物间隙水ρ(NH_4~+-N)在表层0~8 cm的变化趋势一致.     

太湖蓝藻水华衰亡对沉积物氮、磷释放的影响

在太湖草型区、藻型区及河口区采集原状泥柱进行加藻培养实验,监测培养过程中溶解氧(DO)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、磷酸根(PO43--P)等相关指标的变化.结果表明,蔽光培养导致加藻体系中蓝藻大量死亡,形成水体极度缺氧环境(DO接近0),沉积物氮、磷释放量改变,上覆水NH4+-N、PO43--P...     

黑臭水体治理Ⅰ：水体氧状态对沉积物中重金属形态及生物有效性的影响

黑臭水体治理会逐步恢复上覆水中溶解氧浓度,基于这一过程构建了室内模拟装置,模拟上覆水不同氧状态,探究由此引发的氧化还原体系变化,及6种重金属元素(Co、Ni、Cu、As、Sb和Pb)的形态和生物有效性变化.结果表明,上覆水氧化还原电位为-109.60～+136.40 mV,主要受铁锰体系控制,好氧和厌氧阶段沉积物氧化还原电位分别为-160.40～-116.40 mV和-370.10～-250.30 mV,分别由铁锰体系和硫体系控制.上覆水中溶解氧浓度上升会引起沉积物中有效态S和Fe减少,上覆水和浅层沉积物中有效态Mn减少,而有效态Fe和Mn浓度在溶解氧浓度降低后会逐步升高,说明上覆水氧状态改变能触动上覆水和沉积物中氧化还原体系变化.但上覆水氧状态改变不足以引起上覆水和沉积物中重金属总量变化(除Sb),上覆水中Co、Ni、Cu、As、Sb和Pb总量分别为0.94～1.69、2.23～3.06、0.62～1.43、0.48～0.98、0.89～5.64、0.14～0.26μg·L^-1,沉积物中分别为17.74～18.65、26.82～29.45、54.64～57.33...     

重庆园博园龙景湖新建初期内源氮磷分布特征及扩散通量估算

采集重庆园博园龙景湖不同区域沉积物样柱,分析沉积物上覆水和孔隙水中氮磷垂直分布特征,并利用一维孔隙水扩散模型(Fick定律)来估算氨氮和正磷酸盐的扩散通量和年负荷贡献量.结果表明,龙景湖沉积物-水界面氨氮从上覆水到孔隙水在垂直剖面上总体都呈现出增大趋势;表层(0~5 cm)沉积物孔隙水中氨氮平均浓度为6.13 mg·L-1±3.07 mg·L-1,是上覆水氨氮平均含量10倍.正磷酸盐垂直分布特征总体表现为先增大再减小,在表层孔隙水出现极大值;沉积物孔隙水中正磷酸盐平均浓度为2.01 mg·L-1±1.05 mg·L-1.所有区域氨氮均表现为由沉积物向上覆水释放,新增淹没区库湾区域氨氮扩散通量低于6.0 mg·(m2·d)-1,龙景沟水库、龙景湖主湖原有湖区氨氮扩散通量分别高达47.19 mg·(m2·d)-1、40.29mg·(m2·d)-1.原有湖区正磷酸盐表现为由沉积物向上覆水释放,扩散通量仍以龙景湖主湖及龙景沟水库最大,为7.89mg·(m2·d)-1、6.13 mg·(m2·d)-1.新增淹没区的河道、库湾及赵家溪部分区域正磷酸盐却表现为由上覆水向沉积物中扩散,扩散通量为-1.93~-2.78 mg·(m2·d)-1.整个湖区氨氮年负荷贡献量为3.95 t·a-1,新增淹没区贡献率为85%;正磷酸盐年负荷贡献量为0.357 t·a-1,新增淹没区贡献率为72%.     

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.     

白塔堡河上覆水与沉积物间隙水N、P分布特征

为研究河流沉积物与间隙水间营养盐的迁移规律,采集白塔堡河干流平水期上覆水和沉积物间隙水样品,分析N、P分布特征,计算沉积物-水界面N、P扩散通量,并对上覆水与间隙水中营养盐含量进行回归分析. 结果表明:上覆水和间隙水中ρ(TN)、ρ(NH₃-N)和ρ(TP)均为农村带河段最低,城镇带和城市带河段较高. N、P的主要来源,农村带河段为农村灰水和面源污染,城镇带河段为生活污水和工业园排水,城市带河段为城市生活污水和工业废水. 间隙水中各营养盐质量浓度基本上都高于上覆水,空间分布趋势相似. NH₃-N、NO₂--N、NO₃--N和PO₄3--P在沉积物-水界面的平均扩散通量分别为0.429、0.134、0.080和0.143μmol/(m2·d),表明沉积物是上覆水重要的N、P源. 表层沉积物间隙水与上覆水中的ρ(NH₃-N)(R2=0.874,P=0.0002)和ρ(PO₄3--P)(R2=0.704,P=0.0005)均呈极显著相关,ρ(NO₂--N)呈显著相关(R2=0.501,P=0.0020),ρ(NO₃--N)的相关性(R2=0.353,P=0.0150)不显著,说明白塔堡河沉积物间隙水中的N主要以NH₃-N形态向上覆水中扩散;而间隙水中的P主要以PO₄3--P形态向上覆水中扩散.      

巢湖十五里河水花生生长区沉积物及间隙水中营养盐的基本特性

为揭示十五里河水生植物(水花生)生长区沉积物及间隙水营养盐的基本特征,在河道上选择3个具有代表性的采样点位(SP1、SP2和SP3)和1个对照点位(SP4),采集15根沉积物柱状样,并按2 cm厚度现场分层,得到样品80个.在对沉积物TN、TP、NH4+-N、NO3--N、Fe/Al-P、Ca-P、有机质含量及间隙水TN、TP、NH4+-N、NO3--N、PO34--P浓度分析测试基础上,解析沉积物及间隙水的氮磷垂直剖面分布特征,并进行氮磷相关性分析.由间隙水氮磷剖面分布发现,水花生生长区孔隙水氮磷浓度具有大致相似的垂直变化特性;除PO34--P浓度存在差异外,不同采样点位表层沉积物-上覆水界面的营养盐源汇关系,也具有很好的一致性.研究表明,在沉积深度0～18 cm内,水花生生长区的间隙水NH4+-N和NO3--N垂直浓度剖面,基本上都可以由Origin软件提供的Exp2PMod2或Exp3P2指数函数拟合,而PO34--P则不具备这一特点,暗示着间隙水PO34--P扩散的规律性弱于NH4+-N和NO3--N.     

大亚湾表层沉积物和间隙水及上覆水中N、P分布特征

通过2007年8月对大亚湾内13个站位的采样分析,探讨了表层沉积物、表层沉积物间隙水和上覆水中N、P含量的空间分布特征,估算了沉积物-海水界面N、P的扩散通量,并对表层沉积物与间隙水、间隙水与上覆水中N、P含量进行了相关性分析。结果表明,表层沉积物中TN含量的分布总体上是西北高东南低,而TP的分布则表现出东高西低的分布趋势。大部分表层沉积物间隙水中N、P含量远高于上覆水,但两者不具有相同的含量分布趋势。PO4-P、NH4-N、NO2-N和NO3-N在沉积物-海水界面的平均扩散通量分别为6.20、4.83、15.33、4.13μmol/(m2.d)。统计分析表明,表层沉积物TN、TP含量分别与间隙水中N、P的含量大约呈负的线性相关,但相关程度并不高,这与沉积物中有机质分解速率缓慢有关;而N、P在间隙水和上覆水中的含量却无明显相关性,说明间隙水中赋存N、P的浓度并不是其上覆水中N、P含量的决定因素。     

藻华黑水团对上覆水体营养盐变化的模拟研究

藻类聚集区春夏季易发生黑臭(俗称"湖泛",也称"黑水团")现象,而在太湖北部区域趋向常态化发展现象。该文主要利用室内实验装置,通过设置高中低3种藻华聚集程度(处理1、2、3的藻细胞添加量分别为2 000、5 000、8 000 g/m~2)模拟实验研究了动态条件下黑水团发生过程中上覆水体重营养盐的变化。结果表明:在实验进行3d后上覆水体中溶解氧(DO)含量降低到2 mg/L以下,高藻华聚集模拟水体中NH_4~+-N含量增加到14 mg/L以上,PO_4~(3-)-P含量增加到0.20 mg/L,TN、TP含量分别高达15 mg/L、2.0 mg/L,水体中叶绿素含量呈现快速下降趋势,实验进行到3d后,其含量下降为1 500 mg/m~3,水体浑浊度增加,COD含量从50 mg/L快速上升为120 mg/L。表明大量藻细胞在聚集后受温度等影响下出现快速死亡、水体缺氧,造成藻华聚集区易出现黑水团现象,对水体生态环境带来严重影响。     

SBR中反硝化聚磷菌的培养驯化研究

以某污水处理厂活性污泥作为种泥、生活污水作为原水,采用间歇反应器进行反硝化聚磷菌的培养驯化研究。结果表明,以进水-闲置-厌氧-缺氧-沉淀-排水的运行方式运行40d后,出水PO43--P的浓度稳定在0.2mg/L以下,去除率达95%;出水NH4+-N浓度稳定在8mg/L以下,去除率达90%。NO3--N的消耗量和PO43--P的吸收量呈线性关系,表明采用间歇反应器进行反硝化菌的培养驯化是可行的。     

复合硫酸铝控制滇池内源磷释放的有效性

在滇池福保湾重污染区域修建两个6m×6m围隔,向其中投加适量硫酸铝,利用原位钝化技术控制内源磷释放。通过采集柱状芯样,采用室内静态模拟沉积物PO43--P的释放,测定表层沉积物松散结合态磷含量。对照围隔表层沉积物中松散结合态磷含量(27.68~38.55mg/kg)约为硫酸铝处理围隔(11.09~13.85mg/kg)的3倍。结果表明,投加硫酸铝可有效抑制底泥中PO43--P的释放,显著降低表层底泥不稳态磷含量。