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桂林市区湖泊在经过一系列环境保护治理后,基本上杜绝了湖泊外源污染,内源污染成为了湖泊水体富营养化的主要污染源,因此,控制内源氮磷负荷成为湖泊水体控制富营养化的关键。本文以桂林市区湖泊沉积物为研究对象,先后得到了广西区青年基金资助项目、广西研究生教育创新计划资助项目的资助。
本文完成了桂林市区湖泊沉积物中氮磷的存在形态及数量分析,并揭示了其各种形态的氮磷之间存在的内在联系;通过在不同水质、温度条件下湖泊沉积物中氮磷的释放与吸附实验研究,掌握了沉积物中氮磷的释放与吸附规律并应用等温吸附方程和热力学进行了深入的探讨;实验证实了碳酸钙在湖泊治理中的作用,并应用动力学对碳酸钙固磷过程进行了全面的解析。针对现阶段湖泊环境治理保护中存在的问题,依据实验成果和前辈的经验进行深入的分析探讨,对湖泊水体的治理和保护提出科学合理的建议。
桂林市区湖泊沉积物对水体富营养化的影响研究主要取得了以下结论:
(1)对桂林市区湖泊表层沉积物进行了总氮、氨氮、亚硝酸盐氮、有机质、无机质和含水率的测定分析,实验结果表明,氨氮是沉积物中氮的主要存在形式,有机质含量比周边土壤中含量略高,沉积物中的氨氮与无机质之间有良好的线性相关性。
(2)应用SEMT法对湖泊沉积物中的磷进行连续分级提取,可把磷的存在形态分为以下五种:铝铁结合磷(Fe/Al—P)、钙结合磷(Ca—P)、无机磷(IP)、有机磷(OP)和总磷(TP)。提取结果表明,沉积物中总磷(TP)的含量在230.46~291.35mg/Kg之间,无机磷(IP)是磷(TP)的主要存在形式。TP与Fe/Al—P、IP之间、Fe/Al—P、IP、TP与有机质含量之间均成正向相关性。
(3)实验研究了上覆水体为蒸馏水时沉积物中氨氮的静态释放过程,结果表明,实验泥样在第7、8天氨氮的释放量达到最大,氨氮的最大释放量与沉积物中的氨氮含量之间存在着良好的线性相关性。
(4)在不同浓度的氨氮溶液中研究沉积物中氨氮的静态释放,结果表明,上覆水体中氨氮会抑制沉积物中氨氮的释放,两者之间成正向关系。沉积物中氨氮单位释放量与上覆水体氨氮的浓度之间存在着正向线性相关。改变实验的温度条件,通过实验结果比较发现,提升温度,可以抑制沉积物中氨氮的释放;而降低温度可以加速沉积物中氨氮的释放;低温条件下,沉积物中氨氮的释放速率大于高温条件下的释放速率。
(5)在沉积物静态释磷的实验中发现,实验泥样分别在7、8天磷的释放量达到最大,沉积物中磷的最大释放量与总磷、无机磷之间存在着良好的线性相关性。
(6)在不同浓度的磷酸盐溶液中,研究了沉积物对上覆水体中的磷的吸附,其吸附过程符合Langmuir和Freundlich等温吸附方程。上覆水体磷酸盐的浓度越高,吸附曲线的斜率越大。在实验开始阶段,湖泊沉积物的吸磷速率较快,后期逐步减缓,最后达到平衡,并且浓度越高,吸附速率越大,Langmuir方程中的磷最大吸附量(Qmax)不断增大,吸附强度因子(KL)不断减小,最大缓冲容量基本不变。
(7)温度对湖泊沉积物中磷的吸附影响较大,温度升高沉积物对上覆水体中的磷酸盐吸附程度加剧,温度降低则反之。温度同时影响Langmuir方程最大吸附容量的数值。温度升高,数值增大,但是在达到一定的数值后,沉积物对磷的最大吸附容量将不会再发生改变。通过热力学分析研究发现,沉积物对磷的吸附是一个自发的物理化学过程,上覆水体中磷酸盐浓度越高,沉积物对磷的吸附越强烈。
(8)碳酸钙可以对水体中的磷酸盐进行吸附固定,且碳酸钙对磷的吸附符合准二级动力学,碳酸钙对磷的吸附主要发生在实验开始的1h内,特别是实验开始的10min内最为强烈,碳酸钙对磷的最大吸附量与上覆水体磷酸盐浓度成正比例关系。
(9)碳酸钙与湖泊沉积物对水体中磷的吸附固定也符合准二级动力学过程,其过程与碳酸钙对磷的吸附过程相似,虽然其混合物的吸附速率大于碳酸钙对磷的吸附速率,但是因为沉积物成分复杂,含磷的颗粒、胶体等干扰影响因素较多,因而其对上覆水体中磷的吸附效果却远远小于碳酸钙单独对上覆水体的吸附,只有其能力的33.65%~40.33%。
(10)世界经济合作与开发组织(OECD)研究发现,湖泊富营养化状况与氮磷浓度比有关,降低水体中氮或磷的浓度,可以有效的扼制水体发生富营养化。依据实验研究结果,桂林市区湖泊沉积物中磷的含量较低,沉积物在不断吸附水体中的磷,利用碳酸钙对水体中磷的吸附固定阻止沉积物中磷的集聚与释放,遏制湖泊水体的恶化。同时建议从污染控制、流域管理、建立和完善法律、法规等方面加强桂林市区湖泊的保护,为居民营造一个良好的居住环境,实现人与自然的和谐。