漫水河磷污染特征及富里酸对沉积物释磷影响的研究

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磷是自然界中的重要营养元素之一,也是淡水生态系统初级生产的一种限制性养分,被确定为地表水藻类生长的主要贡献者,自然水体磷含量过高会导致地表水富营养化,破坏水生生态系统平衡。河床沉积物可以吸附或解吸河流中的磷等污染物,充当源与汇的双重角色,起到缓冲作用,平衡地表水中的污染物浓度,沉积物对磷输移的影响机理是由河床沉积物中磷的吸附和解吸特性相互作用决定的。漫水河是珠江水系北江下游的一级支流,受农田种植、畜禽养殖、水产养殖、周边居民生活污水排放和雨水径流等共同影响,水体富营养化程度相对严重。本文以漫水河清远流域为研究对象,研究了上覆水磷的污染现状,通过分级提取实验测定沉积物各形态磷的含量,分析其生物有效磷含量和相关性,通过实验探究磷在固液相之间的运移规律及上覆水富里酸浓度对沉积物各形态磷之间迁移转化规律的影响。主要结论如下:(1)根据清远市人民政府网站公开数据,“十三五”期间漫水河黄坎桥断面水质为Ⅴ类-劣Ⅴ类,总磷质量浓度超标是造成水体富营养化的主要因素之一。2021年3月对XST排坑、JK干渠、JJ排坑、HYT排坑和MT排涝等5条农灌渠共采集12个上覆水样品,实验结果表明:水体TP质量浓度为0.87~2.83 mg/L,超过地表水环境质量标准Ⅴ类水浓度限值,总颗粒磷(TPP)质量浓度为0.63~1.54 mg/L,是上覆水体中磷的主要存在形态;其中,JK干渠各采样点TP浓度呈现一定差异,该现象可能与人类活动所产生的污染源不同有关;另外,XST排坑位于JK干渠、JJ排坑和HYT排坑交汇处下游,故其污染受上述3条农灌渠的影响。(2)漫水河清新区流域表层沉积物总磷(TP)含量范围为593.35-2973.00 mg/kg,总磷和各形态磷在不同农灌渠分布波动相对较大。铁结合态磷(Fe-P)、闭蓄态磷(Oc-P)、自生磷(Ca-P)是沉积物中磷的主要存在形态,其中,Fe-P占TP的质量比最高,为19.54%~64.47%,含量为225.07~1679.53 mg/kg。各采样点生物有效磷(BAP)分布差异较大,含量为309.94~1 875.12 mg/kg,部分采样点位的沉积物样品有较大的释磷潜能。TP含量和Fe-P含量相关性显著(R=0.938,P<0.01),与Oc-P、碎屑磷(De-P)含量间也呈显著正相关,而与交换态磷(Ex-P)、铝结合态磷(Al-P)、Ca-P、有机磷(Or-P)含量间的相关性不大,故Fe-P、Oc-P含量的升高会促进沉积物富集TP。BAP和Al-P、Fe-P与Oc-P呈显著正相关,外源磷输入可能是导致沉积物释磷能力升高的主要原因。(3)动力学实验结果表明,准二级动力学模型能更好地拟合漫水河沉积物对磷的吸附动力学过程,说明化学作用为主导因素,而非受物质传输步骤所控制;颗粒内扩散模型拟合结果表明,沉积物对磷酸盐的吸附过程是由颗粒内部和外部扩散同时控制的。通过Linear模型计算得出的平衡磷浓度(EPC0)为判断沉积物是磷“源”还是“汇”提供了一定理论依据;3个沉积物样品对磷的等温吸附过程能用Freundlich模型很好地拟合,说明沉积物吸附磷的过程同时存在物理和化学吸附,且吸附过程为表面不均匀的多分子层吸附。对比分析沉积物对磷的最大吸附容量(Qmax)和吸附平衡常数(KF)发现,沉积物对磷的最大吸附容量与沉积物对磷吸附能力的大小无明显正相关。(4)通过投加不同浓度富里酸(FA)的室内模拟研究发现:不添加任何外源污染时,沉积物会因水动力扰动而释磷,主要释放的磷组分为Fe-P;随着反应体系中FA浓度的增加,沉积物的TP含量从对照组的620.80 mg/kg升至组别3的2143.17 mg/kg,说明即使相同水动力扰动情况下,以FA为代表的土壤有机质(SOM)仍有利于沉积物中的磷以束缚态形式存在;另外,沉积物中Ca-P的含量随之降低,表明溶解有机质会抑制沉积物中Ca-P的形成;相反沉积物中的Fe-P随FA浓度的升高而增加,外源富里酸会促使Fe OOH的溶解和Fe-P的形成,这进一步提高了BAP的含量和占比,从而提高了沉积物释磷的风险。
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