底泥曝气对城市污染河道内源氮变化过程的影响

第32卷第12期2012年12月环　境　科　学　学　报　ActaScientiaeCircumstantiaeVol.32,No.12Dec.,2012基金项目:江苏省太湖水环境治理专项基金(No.TH2011207);江苏省科技厅科技支撑计划(No.BE2011690);江苏省建设系统科技项目(No.JS2011JH25)SupportedbytheSpecialFundsforTaihuWaterEnvironmentManagementofJiangsuProvince(No.TH2011207),theScienceandTechnologySupportProgramofJiangsuProvince(No.BE2011690)andtheScienceandTechnologyProjectofConstructionSystemofJiangsuProvince(No.JS2011JH25)作者简介:许宽(1987—),男,E-mail:[e-mail];∗通讯作者(责任作者),E-mail:[e-mail]:XUKuan(1987—),male,E-mail:[e-mail];∗Correspondingauthor,E-mail:[e-mail]许宽,刘波,王国祥,等.2012.底泥曝气对城市污染河道内源氮变化过程的影响[J].环境科学学报,32(12):2935-2942XuK,LiuB,WangGX,etal.2012.Theeffectonthevariationprocessofinternalnitrogenunderaeratingtothesedimentconditionofurbanpollutedriver[J].ActaScientiaeCircumstantiae,32(12):2935-2942底泥曝气对城市污染河道内源氮变化过程的影响许宽1,刘波1,2,王国祥1,∗,周锋1,凌芬1,杜旭11.南京师范大学地理科学学院,南京2100462.南通大学地理科学学院,南通226000收稿日期:2012-03-02　　　修回日期:2012-05-03　　　录用日期:2012-05-09摘要: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.关键词:底泥曝气;河道;内源氮;有机氮;无机氮;变化过程文章编号:0253-2468(2012)12-2935-08　　　中图分类号:X703　　　文献标识码:ATheeffectonthevariationprocessofinternalnitrogenunderaeratingtothesedimentconditionofurbanpollutedriverXUKuan1,LIUBo1,2,WANGGuoxiang1,∗,ZHOUFeng1,LINGFen1,DUXu11.SchoolofGeographicalScience,NanjingNormalUniversity,Nanjing2100462.SchoolofGeographicalScience,NantongUniversity,Nantong226000Received2March2012;　　　receivedinrevisedform3May2012;　　　accepted9May2012Abstract:Usingindoorsimulationmethod,thevariationprocessofinternalnitrogenfractionwasinvestigatedunderaeratingtosedimentcondition.Theheavy-pollutedsurfacesedimentofurbanriverwasusedasmaterialinthestudy.Theresultsshowedthattheremovalofendogenousnitrogenandthedecompositionoforganicmatterwerepromotedunderaeratingtosedimentcondition.Theremovalrateofsediment-watersystemnitrogenwas5%higherthanthecontrolgroup.Theorganicmatterofthecontrolgroupincreasedby35.1%duringtheexperiment,whiletheorganicmatterofaeratingtosedimentgroupisessentiallyunchanged.Aeratingtosedimentconditionpromotedthemigrationandtransformationoftheammonia.Theammoniaconcentrationoftheoverlyingwater,pore-waterofsurfacesedimentandadsorbedofsedimentdecreasedby99.5%,94.4%and75.6%underaeratingtosedimentcondition.Theconcentrationoforganicnitrogenwaspromotedbydecompositionoforganicmatterwhenaeratingtothesediment,whiletheconcentrationofinorganicnitrogenwasinflectedbybothmineralizationoforganicnitrogenanddecompositionoforganicmatter.Theaerationchangedthephysicochemicalpropertyofsedimentandthusthestorageconditionofinternalnitrogen.Moistureratewassignificantlycorrelatedwithbothorganicnitrogenandinorganicnitrogenofsurfacepore-waterandsediment,whileFe(Ⅱ)hadasignificantlyrelationshipwithinorganicnitrogenofsurfacesediment.However,therewasnosignificantrelationshipbetweenorganicmatterandinternalnitrogen.Keywords:aeratingtothesediment;river;internalnitrogen;organicnitrogen;inorganicnitrogen;variationprocess1　引言(Introduction)底泥被普遍认为是水系中氮素的“源”和“汇”,因此氮素在底泥中的迁移与转化得到了广泛研究(Tametal.,1995;Kimetal.,2003;蒋小欣等,2007;谢丹平等,2009;刘波等,2011b).目前对底环　　境　　科　　学　　学　　报32卷泥内源氮的研究大多集中于无机氮(刘波等,2011b),一般包括底泥间隙水氮(TN、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N)、底泥吸附态氮(NH+4-N、NO-3-N)(Konradetal.,1970;Kempetal.,1972)和底泥全氮.内源氮以间隙水作为媒介,可与上覆水中的氮素进行交换(张彦等,2010),同时也会在微生物作用下发生形态转化.因此研究内源氮的迁移与转化规律对治理城市污染河道具有重要意义.近年来,随着城市污染河道治理工作逐步开展,曝气技术得到了广泛应用,曝气可直接对水体或底泥进行充氧和搅动,该过程对水体氮形态变化所产生的影响也备受关注.李大鹏(2007)对比研究了水曝气和底泥曝气对城市河道上覆水NH+4-N去除效果的影响.陈玉霞(2011)研究了不同曝气扰动条件下,表层底泥对上覆水和间隙水中氮素迁移与转化的影响.然而以上研究大多数只关注污染河道上覆水和间隙水中氮形态的变化,缺乏曝气对污染河道内源氮变化影响的细致研究.刘波等(2011a)探讨了不同曝气方式(水曝气和底泥曝气)对水体中氮素迁移与转化的影响,同时也初步对比了曝气前后间隙水和底泥吸附态NH+4-N的变化,但是对泥水系统无机氮和有机氮曝气条件下的变化过程仍鲜见报道.本研究以城市污染河道底泥和上覆水为材料构建试验系统,采用室内模拟方法,通过对比对照和底泥曝气条件下底泥内源氮形态变化的过程,探究曝气扰动状态下底泥氮形态的变化规律,以期为城市污染河道治理工作提供相关理论依据.2　材料与方法(Materialsandmethods)2.1　实验材料南京九乡河是南京仙林地区主要排污河流,污染严重.实验材料为九乡河表层沉积物,同步采集上覆水,氮素指标见表1,测定方法见2.3节.采集样品后迅速送至实验室,底泥进行均化处理,上覆表1　实验材料氮素本底值Table1　Backgroundnitrogenvalueoftheexperimentmaterial氮素上覆水/(mg·L-1)间隙水/(mg·L-1)底泥可提取态/(mg·kg-1)底泥全氮/(g·kg-1)TN22.8939.812.73NH+4-N21.9438.41324.27NO-3-N+NO-2-N0.710.0810.17水经45μm膜抽滤,置冰箱4℃蔽光保存.经测定底泥含水率为51.3%,烧失率为9.32%,亚铁含量为170mg·kg-1.2.2　实验系统有机玻璃容器高30cm,口径9cm.装入底泥380g,厚5cm.用虹吸法加入过滤水样1L,尽量避免底泥扰动,液面距泥水界面高15cm.微孔曝气头(气泡尺寸为1~3mm)安置在泥水界面下方2cm处,可使得表层底泥(厚2cm)悬浮,与上覆水充分混合.底泥部分用避光材料包裹.系统静置3d后实验开始,用曝气机(ALEASAP-9804)进行曝气,曝气流量通过流量计(RuanmingLZB-6)控制为2L·min-1,每日0点~6点自动曝气,曝气时长6h.实验进行25d,为考察底泥曝气对泥水环境的后续影响,在第15d停止曝气,即0~15d为曝气阶段,每日曝气6h,15~25d为静置阶段.实验分为对照组和底泥曝气组,每组6个柱子,置于同一整理箱内,整理箱内注入自来水,液面与柱内液面等高,每个整理箱内安装潜水加热棒,水温控制在(20±1)℃,室内空气温度也控制在(20±1)℃.每组分别在实验开始后的第0、5、10、15、20、25d取出一个柱子进行底泥理化性质分析,并对其上覆水各形态氮进行测定,方法见2.3节.因底泥曝气后底泥分层明显,故进行分层采样,表层厚2cm,底层厚3cm.2.3　分析方法含水率采用GB7172-87测定;烧失率采用GB7876-87测定;亚铁采用光度法(金相灿,1990)测定;有机质采用重铬酸钾容量法测定(史瑞和,1988);上覆水经0.45μm膜抽滤后用SKALAR连续流动水质分析仪测定TN、NH+4