海河流域典型河流滏陽(yáng)河中氮賦存形態(tài)及氨氮轉(zhuǎn)化特征研究.pdf

1、海河流域地處我國(guó)北方經(jīng)濟(jì)的核心地區(qū)。由于流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，以及流域內(nèi)水資源稟賦天然不足，導(dǎo)致其成為我國(guó)極度缺水和嚴(yán)重污染的流域之一，其中以氮污染最為突出。研究海河流域典型河流滏陽(yáng)河氮污染特征，對(duì)河流氮污染治理以及河流生態(tài)修復(fù)具有重要的意義。同時(shí)，氮素作為生物有機(jī)體的組成元素，其在河流生態(tài)系統(tǒng)中的地球化學(xué)循環(huán)與河流氮污染問(wèn)題有著密切的聯(lián)系。本研究主要針對(duì)海河流域典型河流滏陽(yáng)河嚴(yán)重的氮污染問(wèn)題，通過(guò)對(duì)滏陽(yáng)河水體和沉積

2、物中氮素的賦存形態(tài)和分布特征的研究，展現(xiàn)了滏陽(yáng)河氮污染的近況和特點(diǎn);并選擇滏陽(yáng)河各段具有代表性的樣點(diǎn)分析沉積物孔隙水和上覆水中無(wú)機(jī)氮的分布特征和形態(tài)組成，估算水—沉積物界面無(wú)機(jī)氮的擴(kuò)散通量和年負(fù)荷貢獻(xiàn)量，探明外源污染物的排放和沉積物內(nèi)源釋放對(duì)河流水體水質(zhì)的影響;然后針對(duì)滏陽(yáng)河“高氨氮”的污染特性，通過(guò)研究表層沉積物氨化速率、潛在硝化速率(Potential Nitrification Rate, PNR)以及沉積物對(duì)氨氮的吸附—解吸特征

3、，揭示了沉積物氨氮的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。研究結(jié)果表明:
　　(1)滏陽(yáng)河表層水TN的平均濃度為24.95mg/L，超出國(guó)家地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn);表層沉積物TN的平均濃度為2902.02mg/kg，達(dá)到美國(guó)EPA沉積物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的重污染程度。表層水氮素的主要賦存形態(tài)為可溶性無(wú)機(jī)氮(DIN)，其中NH4+-N為主要污染成分，占DIN的83.6％。表層沉積物則以有機(jī)氮為主要存在形態(tài)，其占TN的89.02％;而DIN的主要賦存形態(tài)是NH4+-N，所占比

4、例達(dá)到54.88％。相關(guān)性分析表明，滏陽(yáng)河表層水和沉積物中各形態(tài)氮之間以及理化指標(biāo)對(duì)不同形態(tài)氮含量和分布具有一定的影響，另外，表層水和沉積物中氮的賦存形態(tài)和含量也可以互相影響。
　　(2)滏陽(yáng)河上覆水和孔隙水中DIN的賦存形態(tài)仍以NH4+-N為主，其占DIN的比例分別達(dá)到96.4％和94.2％。在垂直尺度上，上覆水NH4+-N、NO3--N和NO2--N的濃度隨深度增加基本保持穩(wěn)定，而孔隙水中其波動(dòng)較大，并且NH4+-N和NO3-

5、-N均在0～10cm范圍內(nèi)出現(xiàn)最大值。此外，NO2--N由于其不穩(wěn)定性，在孔隙水呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)性。在空間尺度上，上覆水和孔隙水中無(wú)機(jī)氮仍以石家莊段最為嚴(yán)重。滏陽(yáng)河水-沉積物界面無(wú)機(jī)氮的擴(kuò)散通量和年負(fù)荷貢獻(xiàn)量具有明顯的空間差異性。對(duì)于擴(kuò)散通量，除了NO2--N在整個(gè)滏陽(yáng)河表現(xiàn)為從沉積物向上覆水釋放外，其余均表現(xiàn)為不一致的“源”、“匯”特征，表明滏陽(yáng)河沉積物存在一定的氮污染物的釋放風(fēng)險(xiǎn)。在石家莊段，氨氮的擴(kuò)散通量達(dá)到-42.18 mg/(m

6、2·d)，外源污染年負(fù)荷貢獻(xiàn)量達(dá)到101.62t/a，說(shuō)明該河段受氨氮外源污染嚴(yán)重。因此，對(duì)滏陽(yáng)河治理在控制外源排放的同時(shí)，內(nèi)源負(fù)荷也是不容忽視的。
　　(3)滏陽(yáng)河表層沉積物氨化速率和潛在硝化速率的平均值分別為4.30μg N/(g·h)和0.152μg N/(g·h)，前者約為后者的28倍。與其他研究結(jié)果相比，滏陽(yáng)河氨化速率和PNR的變化范圍較大，具有明顯的空間差異性。表層沉積物NH4+-N的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程符合拋物線擴(kuò)散模型和

7、修正的Elovich模型，包括快速吸附和吸附平衡兩個(gè)階段，前者在前120min完成，而后逐漸達(dá)到吸附平衡。在低濃度是，滏陽(yáng)河表層沉積物NH4+-N的等溫吸附曲線滿足Henry模型，其擬合程度達(dá)到了極其顯著的效果，并得出沉積物的吸附—解吸平衡濃度在0.55～26.15mg/L之間，沉積物的本底吸附量介于8.181～402.68mg/kg之間。除S07外，各個(gè)采樣點(diǎn)用Langmuir等溫平衡吸附模型擬合的效果較好，沉積物對(duì)NH4+-N的最大