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养殖池塘底泥污染释放机理

   日期:2019-09-03    来源:中国水产养殖联盟网  浏览:167    评论:0    
核心提示:在河流湖泊污染治理过程中,底泥污染整治是主要的难点之一,也是目前较为普遍存在的环境问题。水体和底泥之间存在着吸收和释放的

在河流湖泊污染治理过程中,底泥污染整治是主要的难点之一,也是目前较为普遍存在的环境问题。水体和底泥之间存在着吸收和释放的动态平衡,当水体存在较严重污染时,一部分污染物能够通过沉淀、吸附等作用进人底泥中;当外源造成的污染得到控制后,累积于底泥中的各种有机和无机污染物通过与上覆水体间的物理、化学、生物交换作用,重新进入到上覆水体中,成为影响水体水质的二次污染源。

污染方式

河流底泥主要通过4种方式影响上覆水体水质:

(1)由于底泥与间隙水中浓度差引起的污染物向上覆水体的释放过程,从而使上覆水体中主要污染物浓度增加;

(2)底泥微生物降解有机物的过程消耗上覆水体中的溶解氧;

(3)底泥再悬浮过程中,吸附的污染物向上覆水体的扩散、释放,增加了上覆水体中的有机污染物;

(4)底泥扰动,增加了底泥中污染物向上扩散速率。

底泥污染对上覆水水质的影响

底泥与上覆水之间的污染物交换十分复杂,这不仅仅受到水下地形、底泥含水率、污染物含量和浓度等底泥本身物理化学性质的影响,也受到上覆水水动力特性以及上覆水本身pH值、温度、污染物种类和浓度等上覆水的物理化学性质的影响,且污染物不仅仅会在底泥和上覆水之间互相交换,不同污染物之间由于外界条件的改变也会发生物理和化学反应,形成污染物之间的相互转移或转化。

1、沉积物耗氧与上覆水溶解氧的关系

地表水体耗氧过程包括生化需氧(BOD)、底泥耗氧(SedimentOxygenDemand,SOD)、氨的硝化及浮游植物和动物的呼吸等。SOD约占河流中总耗氧量的40%〜50%,因此当城市河道水质得到治理,两旁无污染源时,SOD指标仍将对河流中的DO指标有很大影响。沉积物耗氧是发生在沉积物与水层之间的复杂过程。从物质和能量的观点看,上覆水溶解氧含量和沉积物内有机物质是沉积物耗氧过程中的物质和能量基础,因此从根本上说,这两者是决定沉积物耗氧过程的控制因素。

2、污染底泥对上覆水体有机质含量的影响

底泥中的有机物在细菌作用下发生好氧和厌氧分解,前者消耗水体中的溶解氧,后者则产生有机酸、二氧化碳、甲烷、氨和硫化物等有臭味的物质。河道水质在净化后,水体中有机物不会很快上升,反而会继续有所下降,分析原因认为是由于沉积物耗氧导致水体缺氧反硝化,而此过程需要消耗碳源或有机物,进而导致水体中有机物浓度的下降。

3、污染底泥对上覆水体中氮、磷的影响

大量研究结果表明,在好氧条件下,氮大部分是以硝态氮形式溶出,而在厌氧条件下,溶出的TN中,绝大部分为氨氮,好氧条件下比厌氧条件下溶出速度快。当水体中磷含量比底泥中的磷含量少时,就很可能导致底泥中磷向水体中的释放。随环境温度的升卨,沉积物中的微生物活性增强,底栖生物活动也开始加强,提髙了生物扰动作用和沉积物有机物的矿化速率,促使有机磷向无机态转化,将不溶性磷化物转化为可溶性磷。此外,随微生物活动的增加,间隙水耗氧速率加快,水体中的溶解氧减少,使水体环境由氧化状态向还原状态转化,加速沉积物中铁结合态磷的释放。

底泥污染影响因素

底泥中污染物的释放除了受底泥组分等影响外,环境因子的改变也是底泥污染物释放的重要影响因素。研究表明,厌氧条件是促使底泥氮磷释放的主要原因,上覆水体的营养盐水平可对底泥中氮磷营养盐释放程度产生影响。影响底泥污染物释放的环境因子主要有溶解氧、温度、pH值、外部扰动等。

上覆水溶解氧

上覆水的溶解氧含量对底泥其他污染物释放产生了非常大的影响,有关研究发现:

(1)低溶解氧水平下,水体中氨氮浓度升高而硝态氮浓度下降,总氮呈现升髙趋势;高溶解氧水平下,水体中氨氮浓度下降而硝态氮浓度升髙,总氮呈现下降趋势。大量研究结果表明,在好氧条件下,氮大部分是以硝态氮形式溶出,而在厌氧条件下,溶出的TN(总氮)中,绝大部分为氨氮,好氧条件下比厌氧条件下溶出速度快。

(2)低溶解氧水平下,上覆水体中总磷浓度升高,高溶解氧水平下,水体中总磷浓度保持稳定并略有下降。底层水体中溶解氧含量(DO)对沉积物P的释放起着决定性的作用,底泥首先要消耗溶解氧,降低溶解氧浓度,加速水体进人厌氧状态。厌氧状态可大大促进P在沉积物的迁移和释放,而在好氧状态下释放速率远小于厌氧释放速率。

(3)低溶解氧水平下,上覆水体中COD升高,高溶解氧水平下,水体中COD下降。溶解氧主要是通过底泥微生物活性来影响COD的释放。溶解氧充足,好氧微生物可以利用有机物进行代谢,将有机物转化为自身能量,同时也将有机物分解为CO2和H2O,从而减少了底泥的COD释放量。在厌氧状态下,好氧微生物无法利用底泥的有机物进行正常代谢,大量有机物释放到水体中,造成水体COD不断升髙。正常条件下,COD释放量介于好氧状态和厌氧状态之间。

温度

(1)温度对底泥COD的释放有明显影响。朱健等研究发现,不同温度条件下底泥COD释放量呈倒“V”字形,温度对COD的影响,5°C<20°C<35°C。温度对矿物质吸附有机质和微生物生长均有不同程度的影响,低温有利于底泥中矿物质和有机质之间作用力的形成,使底泥中的有机质处于相对稳定的状态。高温35°C不利于矿物质吸附有机质,但可以促进微生物的生长,微生物在生长过程中会将部分底泥释放出的有机质分解,减小COD释放,但是由于水体中的溶解氧水平较低,好氧微生物无法进行正常的生理代谢,只有少量兼性微生物可以利用有机质,所以大部分有机质还是逐渐释放到水体中。20°C既不利于矿物质吸附有机质,也不利于微生物的生长,致使底泥中大量有机质释放到水体中,水体中COD大幅度提高。

(2)温度对底泥TN的释放有明显影响,温度越高底泥释放越大。在氮的释放过程中,微生物起着十分重要的作用,沉积物的N以有机N为主,温度影响微生物的活性和活动程度,温度促进宥机N的分解,进而使N向水体的释放量增大。当温度较髙时,微生物的活动比较活跃,一方面导致有机物的分解作用加快;另一方面氧气会被快速消耗,从而使贴近底泥释放层的水体中氧化层的深度减小而减缓硝化作用,沉积物中释放铵态氮的速率加快。反之,在温度较低的条件下,微生物的活动减缓,一方面导致有机质的分解矿化作用减弱;另一方面,温度低水中氧气的溶解度增大,其渗透深度加大,从而使贴近底层释放层的水体中氧化层的深度增加,发生硝化作用的界面层深度也增加,沉积物释放出的铵态氮中一部分被转化为硝态氮,使得释放铵态氮的速率减缓。

(3)温度对底泥TP的释放有明显影响。温度升髙,微生物活性增强,好氧增多,DO减少,从而氧化还原电位降低,发生Fe3+转化为Fe2+,FE-P(磷铁)得以释放;另外,微生物的活动还可以使底泥中的有机磷转化为无机磷得以释放。

pH值

(1)pH值主要通过影响矿物质和有机质之间的作用力来影响COD的释放。同时pH值也是微生物生长的重要影响因子,可以通过微生物生长情况来影响COD的释放,但影响较小。碱性条件有利于底泥矿物质与有机质之间的作用力形成,大量有机质被底泥中的矿物质吸附,从而减少了COD向水体的释放。酸性条件下,底泥中的矿物质和有机质之间的作用力难以形成,有机质不能被吸附,释放到水体中,使水体中的COD大量增加。同时,大部分微生物在酸性条件下难以生长,这也是导致酸性条件下底泥COD大量释放的原因。自然条件下,既利于底泥矿物质和有机质之间作用力的形成,又有利于微生物的生长,因此自然条件下COD的释放量小于酸性和碱性条件下COD释放量。

(2)pH值对磷释放速率的影响呈“U”形曲线分布。其机理是pH值影响磷与沉积物的吸附和离子交换作用。碱性条件下,磷的释放以离子交换为主,体系中的FE-P(磷铁)、AL-P(铝磷)复合体中的磷酸盐发生交换,是磷酸盐解析过程增强,增加了磷向水体的释放速率。

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