底泥氮磷釋放的影響因素及控制策略

黃 勇，嚴過房，董運常，汪曉麗，王佳嵩，羅偉聰*

(1.廣州華苑園林股份有限公司，廣東 廣州 510600；2. 廣東省風景園林設計與營建工程技術研究中心，廣東 廣州 510600)

底泥作為自然水域的重要組成部分，主要是通過自然的過程及人類的行為，在水體底部逐漸形成的沉積物。大量的氮磷營養物通過膠體顆粒物的吸附、沉淀、匯集等方式，不斷在底泥中積累，同時在一定條件下，底泥中氮磷營養物又會通過物理、生化的作用，重新釋放進入水體。氮磷介于水體與底泥之間不斷的循環轉移，形成氮磷循環的動態平衡。經研究表明，底泥中氮磷營養物的釋放是影響水體中浮游生物生長和水質富營養化的關鍵過程之一[1-2]，往往底泥中氮磷的加速或過度釋放會引起水體富營養化的加劇，造成水體的二次污染。因此，針對水體底泥的氮磷釋放規律及影響因素進行歸納、總結，研究和探討水體底泥氮磷釋放的控制策略，對生態水景富營養化及污染控制的實際應用具有重要的指導意義。

1 底泥中氮磷的釋放機理

底泥中氮的存在形式，可以分為有機態氮和無機態氮，有機態氮是指有機化合物中含有的氮元素，而無機態氮主要以NH4+-N、NO3--N為主。底泥中大部分的有機態氮，經過微生物的作用轉化為無機態氮，并釋放至水體中。底泥中磷同樣可以分為有機態磷和無機態磷，其中有機態磷也會被轉化為無機態磷，而無機態磷以HPO42-、H2PO4-為主[3]。

底泥釋放氮磷是一個較為復雜的過程，其釋放機制可以分為3類，即物理釋放、化學釋放和生物釋放。底泥釋放氮磷存在一個極為重要的客觀條件，是底泥和上覆水之間的濃度差。其釋放過程包含2個方面：一是解析擴散，當底泥中固液相之間的有機物沒有達到平衡時，有機物通過毛細管重力作用，最終擴散至上覆水體中；二是轉化降解，當固液相中的有機物達到平衡時，底泥中的微生物將有機物轉化溶解狀態，再進一步分解無機物，釋放至水體中。

2 底泥中氮磷釋放的影響因素

底泥中氮磷釋放受到眾多因素的影響，大致包括3個方面：一是底泥的顆粒粒徑、化學組成、賦存形態等理化特性；二是上覆水的溶解氧、溫度、pH值、水體擾動程度等環境因子；三是水體中水生植物、微生物等生物活動。

2.1 底泥的理化特性

2.1.1 底泥顆粒特性 有研究表明，底泥的顆粒程度及大小與其吸附氮磷的能力有關，通常表現為顆粒物的粒徑越小，對底泥中氮磷的吸附性越強，越不利于氮磷的釋放。金相燦等對五里湖和貢湖的顆粒物進行了吸附試驗，發現各粒徑顆粒物對磷的吸附量、吸附效率、吸附速率的變化順序為粘粒級(粒徑<4 μm)>細砂粒徑(粒徑63～250 μm)>粗砂粒徑(粒徑250～1000 μm)>粉砂粒徑(粒徑4～63 μm)[4]。此外，隨著底泥顆粒物的粒徑由粗到細，其可轉化態的氮、磷含量越來越高。其中，細粒徑底泥中可轉化態氮含量占總可轉化態氮60%以上，各種形態磷85%以上分布在細顆粒中，形態磷含量與細粒徑存在顯著正相關，與粗顆粒存在顯著負相關。因此，細顆粒底泥的氮磷釋放是上覆水體氮磷的主要來源[5-6]。

2.1.2 底泥化學組成 底泥中含有有機質、氧化物等組成成分，對氮、磷的吸收和釋放具有較大的影響。由于有機質中的富里酸離子和磷酸鹽陰離子之間會產生吸附競爭，而且有機聚陰離子能通過專性吸附進入礦物，促進磷的釋放。底泥中的SiO2、Al2O3、Fe2O3等氧化物晶體，在底泥固液界面中能形成羥基化的表層，該表層具有吸附氫離子或解吸質子的作用。在酸性條件下，因吸附H+而帶正電荷，能吸附磷酸根離子(PO43-、HPO42-、H2PO4-)；而在堿性條件下，因解吸質子而帶負電，能將這些磷酸根離子解吸出來[7]。

2.1.3 氮磷賦存形態 底泥中氮磷的釋放受到氮磷的賦存形態及其含量的影響較大。魏嵐等研究發現，底泥中總氮的釋放量與離子交換態氮(IEF-N)、碳酸鹽結合態氮(WAEF-N)、鐵錳氧化物結合態氮(SAEF-N)含量呈極顯著正相關關系；總磷的釋放量與碳酸鹽結合態磷(WAEF-P)、鐵錳氧化物結合態磷(SAEF-P)含量也呈極顯著正相關關系；同時，這些氮磷形態也是上覆水中氮磷的重要來源[8]。

2.2 環境因子

2.2.1 溶解氧 溶解氧是控制底泥釋放速率和影響氮磷釋放量的重要因素，主要是通過降低氮磷釋放速率，達到減少底泥氮磷釋放量的目的，而厭氧狀態會加速底泥氮磷的釋放，從而提高底泥氮磷的釋放量。林建偉等研究發現厭氧條件下上覆水的氨氮濃度為8 mg/L，而好氧條件下上覆水的氨氮濃度為0.1 mg/L；厭氧狀態下總磷會被很快釋放出來，平均釋放速率為7.35 mg/(m2·d)，而在好氧條件下，底泥總磷的平均釋放速率為0.535 mg/(m2·d)，僅為厭氧條件下的7.3%[9]。蔡景波等研究發現，控制在好氧狀態下水體的磷濃度下降至0.09 mg/L，而控制在厭氧狀態下，水體的磷濃度達到1.3 mg/L，是好氧狀態下的15倍左右[10]。

此外，不同供氧方式也會對控制底泥氮和磷的釋放產生不同的影響。袁文權等研究了3種供養方式，即曝氣、加投H2O2和加投CaO2，結果發現，對底泥氨氮釋放的控制效率表現為曝氣>加投CaO2>加投H2O2，而對底泥磷釋放的控制效率表現為加投CaO2>曝氣>加投H2O2[11]。

2.2.2 溫度 一般情況下，化學物質在水體中的溶解度及在膠體表面的吸附、解吸作用都與溫度變化有關。由于溫度的升高，使得水環境中各種物理、化學、生物反應條件發生改變，對底泥中有機物的礦化有較大促進作用，從而加快底泥中有機氮、磷的分解和釋放速度。

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隨著溫度的變化，底泥中氮磷釋放量及釋放強度都發生了較大差異，而且在同等溫度變化的情況下，對底泥中磷釋放的影響要大于氮的釋放。史靜等研究發現，底泥氮磷的釋放量會隨著溫度升高而增加，其中溫度為20 ℃時底泥磷的釋放量為3.85 mg/L，明顯高于4 ℃和11 ℃時磷的釋放量；而相同條件下，溫度為20 ℃時底泥氮的釋放量，與4 ℃和11 ℃下的釋放量沒有顯著差異[12]。張茜等研究發現，底泥總氮、總磷的釋放強度隨著溫度的升高而增加，但釋放強度的增加幅度卻不同，在30 ℃條件下底泥總氮和總氮的釋放強度分別是15 ℃條件下的1.65和3.4倍，兩者變化幅度相差2倍多[13]。

2.2.3 pH值 pH值是水質檢測的重要指標，它對水體中各種生化反應有重要的影響作用。在中性條件下，總氮、總磷的釋放速率最小，而在酸性和堿性條件下，氮磷釋放速率均明顯增大。張茜等研究發現，在中性(pH=7)條件下不利于底泥中氮磷的釋放，而在堿性(pH=9、pH=10)和酸性(pH=5)條件下的底泥氮磷的釋放強度均高于中性(pH=7)條件；其中，在pH=10時底泥總氮釋放強度是pH=7時的1.34倍，pH值對底泥總磷釋放強度的影響大小具體表現為堿性(pH=10)>酸性(pH=4)>中性(pH=7)[13]。

此外，在不同pH值對底泥中氮與磷釋放變化的影響存在差異。梁淑軒等研究表明，在酸性下，氮磷釋放趨勢基本一致，隨著pH值的升高，釋放量逐漸減少；在堿性條件下，氮與磷的釋放趨勢相反，氮的釋放量在弱堿性條件下達到最大值后，隨著堿性的增強，釋放量迅速減少，而磷隨著堿性的增強，釋放量急劇增加[14]。

2.2.4 水體擾動 水體擾動是影響底泥與上覆水之間氮磷轉移的重要物理因素，特別是對淺水區域的氮磷釋放影響更大。水體在靜止狀態下，底泥氮磷的釋放和吸附基本處于較低水平的動態平衡，由于水體擾動的產生，打破了此動態平衡，促使底泥氮磷的釋放速率增大，特別是能加快底泥間隙中氮磷顆粒向上覆水中擴散。同時，也加快了水-顆粒之間的氮磷交換。林建偉等研究發現，攪動對底泥氮磷釋放速率的影響較大，其中氨氮在攪動和靜置條件下的平均釋放速率分別達到95 mg/(m2·d)和56 mg/(m2·d)；攪動對底泥總氮釋放的影響與氨氮類似；在攪動條件下，上覆水溶解性總磷的平均濃度為0.137 mg/L，而靜置條件下為0.068 mg/L，僅為攪動情況下的1/2[9]。

隨著水體擾動的強度增加，底泥氮磷釋放量增大。朱健等研究發現，擾動條件下底泥氮磷釋放量明顯高于無擾動條件下，且總氮、總磷的釋放量隨著擾動程度的加強而增大[15]。潘成榮等研究發現，在高速擾動(160 r/min)下底泥磷的最大釋放量約為低速(60 r/min)靜置條件下的2倍[16]。

2.3 生物活動

2.3.1 水生植物 水生植物在生長過程中，根系能吸收大量的營養并轉化為自身的組織結構，對水體和底泥中的營養鹽表現出較強的吸收能力。由于植物根系的輸氧作用，根系周圍底泥的氧化還原電位得到提高，促進底泥中各類金屬離子由還原態轉換為氧化態，增強了底泥對磷的吸附能力，抑制營養鹽從底泥中釋放進行入水體中。劉彤研究發現，沉水植物(枯草、黑藻)不僅能有效消減底泥中的氮磷釋放，而且還能有效抑制底泥再懸浮，從而達到控制底泥氮磷釋放的作用[17]。

不同類型的水生植物，以及同種水生植物的不同生長階段，對底泥氮及磷釋放的影響卻存在顯著差異，沉水植物、挺水植物比浮水植物更具有抑制底泥氮磷釋放的作用。童昌華等研究了狐尾藻和鳳眼蓮控制底泥營養鹽釋放的影響，結果表明：2種水生植物都能有效抑制底泥中總氮、總磷的釋放，沉水植物狐尾藻比浮水植物鳳眼蓮的控制效果更好[18]。吳強亮等研究表明：枯草在快速生長階段會吸收大量的活性磷，加快底泥中磷的釋放，而在緩慢生長階段則促進活性磷轉化為較穩定形態的磷并沉淀到底泥中，減緩底泥中磷的釋放[19]。

此外，不同種類的微生物，對底泥氮磷代謝的作用效果也不同。李程亮研究發現，投加蠟狀芽孢桿菌會提高底泥磷的釋放速率，使上覆水中速效磷增加數倍，從而導致總磷隨之增大，而投加乳酸菌時也表現出解磷作用，但解磷能力不強，弱于蠟狀芽孢桿菌[23]。

3 底泥中氮磷釋放的控制策略

底泥是水環境中氮磷營養鹽的主要存儲庫，當底泥的顆粒粒徑、化學組成、賦存形態，上覆水的溶解氧、溫度、pH值、水體擾動程度，以及水生植物、微生物的活動等環境條件發生改變時，都有可能促使底泥中氮磷營養鹽重新釋放進入水體，導致水體中氮、磷含量的增加，造成水體富營養化程度的升高，從而極大地提高了水體的污染風險。因此，控制底泥氮磷的釋放對降低水體的富營養化程度、減少水體的污染風險具有重要促進作用。底泥氮磷釋放控制技術主要分為異位處理技術和原位處理技術。

3.1 異位控制處理

底泥異位控制處理技術主要利用機械挖掘、設備抽取等物理手段，將底泥從水體中移除后進行其他處理，防止底泥再次污染水體。異位控制處理技術包含了疏浚、沖刷、異位林洗、異位固化等技術，但異位控制技術通常操作較復雜、處理費用較高，且對環境破壞的風險較大。如底泥疏浚是通過挖除表層的污染底泥，從而減少底泥污染物的釋放，適合于疏浚污染程度較高的懸浮層淤泥，具有較強的針對性。對于疏浚底泥能否消除內源污染還存在很大爭議，人們普遍認為底泥疏浚具有見效快、增加水體容量、提高過水能力等優點，但疏浚工程也存在一定問題或不足，從而限制了其大規模的應用，如治理費用高、破壞水生植物、打破原有生態系統、底泥的后期處理等[24-25]，這在一定程度上未能從根本上解決底泥氮磷釋放的問題。因此，針對底泥異位控制處理技術的應用，需要深入考慮技術的投入使用與其達到的社會經濟效應、生態環境效應相適應，以及與底泥原位控制處理技術的綜合應用。

3.2 原位控制處理

底泥原位控制處理技術是在原地采用物理、化學、生物的方法對底泥進行處理，減少底泥中氮磷污染物含量，或降低其溶解度、減弱其毒害性和遷移性，并通過一系列方法阻止污染物向上覆水釋放[26]。目前，底泥原位控制處理技術包括曝氣復氧、飲水沖刷、物理覆蓋等原位物理控制技術，藥劑鈍化、化學覆蓋等原位化學控制技術以及植物修復、微生物修復等原位生物控制技術(表1)。

表1 底泥原位控制處理技術的研究進展

相比底泥異位控制處理技術，底泥原位控制處理技術具有以下顯著特點：(1)對底泥擾動小，可避免底泥再次懸浮而引起大量氮磷向水體釋放，同時也減少受污染的底泥向周圍環境遷移；(2)無需使用處理設備或處置實施，也無需占用額外用地；(3)經濟成本低、工藝操作簡便、適用范圍廣；(4)有利于提高底泥中可溶性態、活性的氮磷物質向難溶態、穩定態的氮磷物質轉化，加速沉降并吸附在底泥中，更加顯著地控制底泥中氮磷的釋放[36]。因此，加強研究和利用原位控制處理技術對控制底泥氮磷釋放、防止水體富營養化，以及降低水體污染風險都具有更加現實的意義。

4 結語

底泥氮磷的釋放是一個極其復雜的過程，包括一系列的生物化學和物理變化，而影響底泥氮磷釋放的因素眾多，且錯綜復雜。因此，只有深入開展各因素之間的相關性分析，并確定各因素對底泥氮磷釋放的影響程度及大小，才能為開展底泥氮磷釋放的有效控制奠定堅實的理論基礎。

目前，雖然底泥氮磷釋放控制處理技術大部分還處于研究階段，但隨著研究的深入和技術的不斷完善，充分利用各項控制技術的優勢，開發研究聯合技術，形成集成技術體系，產生綜合控制效應，最大程度地發揮底泥的修復治理功效，這將對加快和促進底泥氮磷釋放控制處理技術的實踐和運用，達到更高的社會與環境效益目標起到重要的推動作用。