黑臭水體治理過程中富里酸對沉積物釋磷影響與控制

張友新

（重慶同豐工程管理咨詢有限公司，重慶 401122）

0 引言

在城鎮化的進程中，大量的人口向區域中心集聚，居民生活生產導致大量的污水廢水排放。如果這些污水和廢水不進行處理直接排入地表水體，就會導致環境污染，影響有限的淡水資源[1]。其中，生活生產中產生的污水和廢水含有大量的各形態磷，這些磷元素作為水體富營養化主要誘發因子，使自然水體中的藻類大量發育，水藻釋放的有毒物質直接破壞了水生態系統系統。另外，水體中的沉積物由于含有大量腐殖質，這些腐殖質中含有大量的腐殖酸、富里酸和胡敏素，酸類介質能夠通過吸附、螯合等作用機理對磷元素進行膠結，形成有機膠體，但這種過程受到許多因素的影響，例如環境溫度、沉積物受擾動情況以及pH 值等，水體中的沉積物磷元素釋放和吸附過程失衡，甚至產生內源性磷釋放供體，成為污染因子之一[2]。在黑臭水體和其沉積物中加入外源性的富里酸是降低水體磷元素的有效途徑之一，因此需要研究外源性富里酸對沉積物中各形態磷的遷移轉化規律[3]。

1 工程概況

重慶市渝北區某水系中，由于生活污水排放，水體出現不同程度的黑臭和富營養化現象，另外底泥有機質含量高，取出的淤泥具有明顯的臭雞蛋味，顏色呈深黑色，腐殖質含量高。水系長度約5 km，由很多的天然排澇區、人工灌溉干渠以及人工養殖河塘組成。為了研究水體及沉積物中磷酸鹽的空間分布特征以及遷移吸附的演化過程，以便于對水環境治理決策提供有益的參考。該研究選取水系中污染貢獻比較高的1 條排澇區、1 條灌溉用灌區以及1個養殖河塘進行研究，2022 年3－6 月選取12 個監測點，在現場水體中采集水樣和沉積物以分析各形態磷的空間分布特征，每個監測點均取3 件試樣作為一組，3 件試樣的測試平均值作為監測點測試值。水樣的試樣采集方法是在水面下20 cm 取300 mL，在水面下40 cm 取300 mL，在水面下150 mm（如果水體深度大于2m）取300 mL 進行混合作為一個試樣，水樣采用干凈的玻璃瓶裝儲，并避光密封保存。沉積物的采集方法是在與水樣采集位置一致的地方，通過鐵勺對水底表層淤泥進行抓取，避免淤泥的擾動，同時去除泥中大顆粒砂粒、雜物等，用同樣用玻璃瓶裝儲，轉移至室內試驗中進行各形態磷指標測試。

2 黑臭水體磷及沉積物中各形態磷分布特征

在黑臭水體治理過程中，需要對水體中的各形態磷及沉積物中的各形態磷進行采樣分析，研究其分布特征，有針對性地采取治理方案[4]。為研究水體中的磷形態空間分布特征，對12 個監測的黑臭水體取樣測試結果見表1。從表1 中可以看出，各形態磷在空間分布上表現為明顯的各異性。在各形態磷中，總磷TP 的質量濃度最大，變化范圍1.05 mg/L～2.53 mg/L，最大值出現在S6 監測點（DL干渠），最小值出現在S2 監測點（JK 排洪渠），其中DL干渠中的總磷TP 的質量濃度明顯比JK 排澇渠和KLD 河塘的總磷TP 質量濃度高；溶解態總磷TDP 質量濃度變化范圍為0.17 mg/L～1.15 mg/L，而KLD 河塘的溶解態總磷TDP 質量濃度相對較高；總顆粒態磷TPP 質量濃度變化范圍為0.77mg/L～1.54mg/L，其中DL 干渠中的總顆粒態磷TPP 質量濃度明顯高于JK 排澇渠和KLD 河塘的總顆粒態磷TPP 質量濃度；可溶性活性磷SRP 質量濃度范圍為0.11mg/L～1.33mg/L，其中DL 干渠中的可溶性活性磷SRP 質量濃度明顯高于JK 排澇渠和KLD 河塘的可溶性活性磷SRP 質量濃度；溶解有機磷DOP 質量濃度范圍為0.03mg/L～0.64mg/L，其中KLD 河塘中的溶解有機磷DOP質量濃度明顯高于JK 排澇渠和DL 干渠中的溶解有機磷DOP 質量濃度。以上分析表明，KLD 河塘、JK 排澇渠和DL 干渠中的水體均為劣V 類水質，為研究其內源性磷污染的可能性，需要進一步對水底沉積物進行磷形態指標分析。

表1 黑臭水體中各形態磷的分布特征

水體沉積物中的各形態磷含量反映了水體富營養化的內在機理，同時也在一定程度上反映了人類活動對水體污染過程的影響[5]。對水系中12 個監測點S1～S15 的沉積物試樣進行各形態磷進行質量濃度測試，結果如圖1 和表2 所示。從圖1 中可以看出，沉積物中的總磷含量以及7 種形體磷在不同區域取樣測試結果波動較大，表現為顯著的空間變異性。其中沉積物中總磷TP 質量濃度最大，其變化范圍為680 mg/L～2481 mg/L，最大值出現在S10 監測點（DL干渠），最小值出現在S13 監測點（KLD 河塘）；其次為鐵磷（Fe-P），其質量濃度變化范圍為262 mg/L～1628 mg/L；沉積物中有機磷（OP）的質量濃度最小，變化范圍為3.2 mg/L～19.7 mg/L；其余個形態磷的質量濃度較小，但變異系數均大于35%。

表2 不同取水點的各形態磷質量濃度分布

圖1 沉積物中各形態磷的分布特征

3 富里酸對沉積物磷釋放規律影響

為了研究外源性富里酸對沉積物釋磷規律的影響，對12個監測點采取的沉積物試樣在室內試驗中通過投入富里酸的方法，觀測沉積物中的磷形態的吸附和釋放演變過程，以模擬實際黑臭水體治理中富里酸作用機理。具體的操作方法是對12 個監測點的沉積物進行風干研磨，去除動植物殘骸，每個試樣取10g，放入燒杯中，并加入經過過濾的水樣（水樣與沉積物的位置一致），定容至200mL，為更好地對比富里酸濃度對釋磷的影響，采用控制變量法，每組試驗設置4 種不同的工況對照，分別加入0.5mg/L 富里酸溶液0mL、15mL、35mL 和85mL，在室內弱光條件下培養20d 進行離心機處理和各形態磷質量濃度測試。

表3 和圖2 為監測點S13 中加入不同體積富里酸溶液后的各個形態磷測試結果。從圖2 中可以看出，加入富里酸后，各形態的磷呈現不同的變化規律，隨著富里酸溶液體積的增加，總磷TP 質量濃度、鐵磷（Fe-P）質量濃度變化最大，呈現不斷增加的趨勢，總磷TP 質量濃度從679.90 mg/L增至1873.55 mg/L，增幅為175%，而鐵磷（Fe-P）質量濃度從484.39mg/L 增至1179.20mg/L，增幅為143%。隨著富里酸溶液體積的增加，閉蓄態磷（Oc-P）、鋁磷（Al-P）、碎屑磷（De-P）和有機物磷（OP）呈現不同程度的增加，增加幅度順序依次為有機物磷（OP）＞鋁磷（Al-P）＞閉蓄態磷（Oc-P）＞碎屑磷（De-P）。隨著富里酸溶液體積的增加，交換態磷（Ex-P）和鈣磷（Ca-P）相同幅度地減少，交換態磷（Ex-P）質量濃度從98.16 mg/L 增至68.0 mg/L，降低幅度為30.7%，鈣磷（Ca-P）質量濃度從91.60 mg/L 增至62.52 mg/L，降低幅度為31.7%。

圖2 加入不同體積富里酸溶液后各形態磷的釋放過程

表3 加入不同體積富里酸溶液后各形態磷的測試結果

圖3 為加入不同體積富里酸溶液后，沉積物總磷TP 質量濃度比例以及鐵磷Fe-P 質量濃度比例的變化。從圖中可以看出，隨著富里酸溶液體積的增加，總磷TP 和鐵磷Fe-P的比例均呈現明顯增加，兩者具有較好的相關性。加入富里酸對沉積物吸附鐵磷Fe-P 有明顯的增強效果，使二價Fe 被氧化呈三價Fe，鐵磷Fe-P 比例增加，氧化反應過程如公式（1）所示。

圖3 加入不同體積富里酸溶液后對總磷和鐵磷的影響

4 結論

該文以重慶市渝北區某水系為研究對象，采用現場實測以及室內試驗的方法對黑臭水體和沉積物進行取樣測試，分析兩者的各形態磷的分布特征，并在室內模擬試驗，研究外源富里酸對各形態磷的吸附速率，得到以下2 個結論：1）從12 個監測點的水樣和沉積物試樣測試表明，研究水系中的各形態磷質量濃度存在顯著的空間變異性，在各形態磷中，黑臭水體和沉積物中總磷TP 質量濃度均為最大。2）加入富里酸后，各形態的磷呈現不同的變化規律，隨著富里酸溶液體積的增加，總磷TP 質量濃度、鐵磷（Fe-P）質量濃度變化最大，呈現不斷增加的趨勢，總磷TP 和鐵磷Fe-P 的比例均呈現明顯增加，兩者具有較好的相關性。