底泥中营养物质及其他污染物释放机理综述

底泥中营养物质及其他污染物释放机理综述

水体底泥(沉积物)污染,是世界范围内的一个重要环境问题。其污染物主要通过大气沉降、废水排放、水土流失、雨水淋溶与冲刷进入水体,最后沉积到底泥中并逐渐富集,使底泥受到严重污染。欧洲莱茵河流域、美国的大湖地区、荷兰的阿姆斯特丹港口、德国的汉堡港等底泥的污染均十分严重一旦河流湖库水体环境发生变化,沉积在底泥中的氮磷营养元素、重金属和难降解有机物会重新释放出来进入水体,影响上覆水体的水质,形成二次污染。此外,底泥又是底栖生物的主要生活场所和食物来源,污染物质可直接或间接对底栖生物或上覆水生物产生致毒致害作用,并通过生物富集、食物链放大等过程,进一步影响陆地生物和人类健康

1底泥中氨氮、磷释放机理

沉积物中磷和氮化合物的循环主要由3部分组成:①营养盐溶解态和颗粒态之间的转化循环;②溶解态和水生植物之间的交换;③沉积物中营养盐与溶解态、颗粒态以及水生生物之间的吸收、吸附、溶出、上卷再悬浮、生物吸附以及死亡后的回归等。

1.1底泥中磷释放的研究情况

磷的释放与水温、pH值、溶解氧有关。水温升高,沉积物中的微生物活性增强,底栖生物活性加强,提高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磷转化,将不溶性磷化物转化为可溶性磷,从而促进沉积物中内源磷的释放;水体中pH值会影响磷的赋存形态。水体呈中性时磷释放最小;偏酸性时,磷主要以H2PO4形态存在,镁盐、硅酸盐、铝硅酸盐以及氢氧化铁胶体都参与对磷的吸附,此时沉积物吸附作用较大,也不利于沉积物内源磷的释放;水体偏碱性时,则以H2PO4的形态存在,pH小于10.07,TP的最大释放量基本没有变化,pH大于10.07,TP的最大释放量急剧增加;一般认为在厌氧状态下,沉积物更容易向水体释放磷。当水体溶解氧下降,出现厌氧状态时,此时水—土界面氧化还原电位低,Fe3+被还原成Fe2+,胶体状的氢氧化铁变成可溶性的氢氧化亚铁,使磷酸根脱离底泥进入间隙水,进而向上覆水扩散。也有学者认为,沉积物富含有机物时,好氧条件可能比厌氧条件更有利于沉积物内源磷的释放。有些市区河段有机污染比较严重,在好氧条件下,有机物的矿化速率远比在厌氧条件下快,因而在快速矿化释磷的作用下,造成沉积物内源磷的大量释放。另外,水体扰动会引起表层沉积物再悬浮,同时也加速了沉积物间隙水中磷的扩散,导致间隙水中高浓度磷释放到上覆水体中,有时会成为一些水体沉积物磷释放的主要动力。

1.2底泥中氨氮释放机理

氨氮的释放与pH值、DO、有机质有关。pH值越低H+离子浓度越大,底泥胶体吸附的NH+4同H+离子竞争吸附位置而被释放出来,并且随H+浓度增大NH+4最大释放量增大,水溶液中TN的浓度也相应地增大。氯离子浓度越高,底泥胶体中吸附的硝酸根及一些带负电荷以有机形式存在的TN,同氯离子竞争吸附位置而从底泥释放到水溶液中的量也越大;pH高水溶液中OH-离子浓度大,底泥胶体释放出来的NH+4同OH-离子发生化学反应。水溶液的pH值在3.98-11.94范围内,TN的最大释放量随pH的升高而减少。有机质高的底泥中, 有机质是影响底泥释放氨氮的最大因子, 丰富的有机物有利于微生物的繁殖, 从而分解大量的有机物, 引起氨氮的大量释放。

2 底泥中重金属释放机理

河流底泥中重金属的释放特性与重金属的赋予状态密切相关, 水环境化学条件是影响重金属结合形态的一个重要因素。河流的环境化学条件主要包括盐度、pH 值、氧化还原条件、温度、天然及人工合成络合剂等, 他们对底泥中重金属的结合形态和重金属释放存在不同程度的影响:①根据离子交换和竞争吸附理论, 水中存在的阳离子可以和重金属离子产生竞争, 从而使重金属从固体颗粒上解吸下来。②河流底泥、土壤及氧化物吸附重金属的释放研究都得出随着酸度增加, 重金属的释放量增大。③底泥重Fe/Mn 氧化物在还原条件下能释放出Fe 、Mn 及绝大部分重金属进入间隙水, 但由于氧化性沉积层的氧化作用, 释放出来的重金属无法向上扩散而滞留于底部还原层。但对于水底层及底泥表面均为厌氧的条件下, 情形可能会大有不同, 特别是对于有机污染严重的河流, 整个系统都处于强还原状态, 底泥中还原释放出的Fe 、Mn 及由此释放的重金属完全迁移至上层水体, 迁移释放强度随水流紊动程度的提高将进一步得到加强。④对于重金属在固体颗粒上的吸附和解吸过程, 温度升高一般有利于重金属的物理解吸, 对于离子交换吸附, 由于表面电荷几乎不随温度变化, 所以离子交换吸附产生的重金属释放作用基本不受温度的影响;根据分子热运动理论, 温度升高有利于底泥中重金属向水相的迁移以及释放于空隙水中的重金属向表层水的迁移。底泥中含量较高的碳酸盐结合态的重金属, 随温度的升高, 释放量增大。⑤有机物质可以使金属氧化物高价的金属还原为低价态, 增加其溶解性, 释放出氧化物上吸附的重金属;重金属离子可以和有机酸形成可溶性络合物和胶体悬浮物。重金属可以不同形式进入或吸附在有机质颗粒上, 与有机质络合生成复杂的络合态金属。这两种结合形态的金属较为稳定, 绝大多数被固定在底泥中, 不易释放。底泥对于金属铬、铜有很强的固定能力, 排入河流的这些金属绝大部分在较短的时间内都会转移至底泥中。当上覆水清洁后底泥中的金属又会升迁释放, 但速度是相当缓慢的, 诸多因素会对释放起到强化或减弱的作用, 但作用并不十分明显。因此受污染的底泥将会长期对其上覆清洁水造成影响。

3 结论

底泥中营养物质及污染物的主要研究内容是氨氮、磷、重金属、持久性有机物等。国内底泥中氨氮、磷、重金属的释放机理研究较多, 而对底泥中持久性有机物释放机理研究几乎是空白。持久性有机污染物对环境的影响危害非常严重,一旦外界环境变化, 造成其大量释放, 对环境造成的污染是不可估量的。所以对底泥中持久性有机物释放机理的研究尤为重要, 特别是处置疏浚后的底泥。