养殖池塘底泥-水界面营养盐扩散的室内模拟研究:Ⅰ氮的扩散

通过室内模拟试验,对养殖池塘底泥-水界面N营养盐的扩散特点进行了研究。结果表明,池塘淤泥中TN的累积是伴随着池塘有机质的沉积,养殖池塘底泥N的释放形态主要是NH+4-N,DO对N的释放速率的影响具有多重性。DO(溶解氧)影响了有机质的分解速率,从而影响着营养盐的再生速率,DO又影响着微生物对营养盐的消耗水平。养殖池塘N的释放受到泥水两相营养盐平衡机制的制约,只有当水中浓度低于平衡浓度时,才表现为净释放,否则可能出现负释放,平衡浓度受到DO和Eh(氧化还原电位)的影响。

养殖池塘底泥-水界面营养盐扩散的室内模拟研究:Ⅱ磷的扩散

通过室内模拟试验,对养殖池塘底泥-水界面P营养盐的扩散特点进行了研究。结果表明,养殖池塘底泥P的释放形态主要是PO43-,P的释放与N的释放呈现一定的相关性,P的释放与底泥有机质分解相关,DO(溶解氧)对P的释放速率的影响具有多重性。DO影响了有机质的分解速率,从而影响着P营养盐的再生速率,DO又影响着无机磷酸盐的溶解性。养殖池塘P的释放受到泥水两相营养盐平衡机制的制约,平衡浓度受到DO和氧化还原电位Eh的影响。表层底泥中TP含量与水中PO34-呈现正相关,但TIN(总无机氮)含量与TN(总氮)相关性不强,这可能与养殖池塘中两者来源不同有关,养殖池塘的TIN主要来源于鱼类的代谢活动,而PO34-由于沉降作用大,其大部分可能来源于底泥的P释放。

床面粗糙度和底床渗透率对泥-水界面物质交换特性的影响

泥-水界面物质交换过程对自然水体中污染物的迁移转化起重要作用,粗糙底床界面物质交换过程涉及到床面粗糙度和底床渗透率的影响。通过实验室环形水槽实验测量得到水力粗糙砂质底床条件下界面物质交换通量的定量数据和变化特征,采用参数化方法分析有效扩散系数与其主要影响参数之间的依赖关系。实验结果表明,在实验参数变化范围内,受上覆水平均流速、床面粗糙度和底床渗透率的共同作用,有效扩散系数从水力光滑区、过渡粗糙区至完全粗糙区呈现较为明显的分段变化特征,采用渗透率雷诺数可将有效扩散系数与其主要影响参数的依赖关系进行较为一致的描述。基于双参数(粗糙雷诺数和渗透率雷诺数)分析,确定了不同流动区域的相应阈值以合理表征床面粗糙度和底床渗透率对界面物质交换特性的综合影响。

泥-水界面微孔曝气对底泥重金属释放潜力的影响

采用自行研发的泥-水界面精准布氧系统研究了微孔曝气对安徽省合肥市南淝河城市重污染河段底泥重金属形态分布以及释放规律的影响.结果表明,微孔曝气明显改变了泥-水界面物理化学环境,增加了上覆水溶解氧(DO)质量分数和pH值,特别是显著提高了表层底泥氧化还原电位(ORP).泥-水界面微孔曝气处理显著改变了表层底泥重金属形态分布特征,显著降低了酸提取态重金属质量分数,而残渣态重金属的质量分数比例均出现不同程度增加.特别是镍(Ni)的形态变化对微孔曝气反应更为敏感,曝气前后残渣态质量分数比例由39.5%上升到55.0%.与对照组相比,在试验初期,泥-水界面微孔曝气处理下底泥间隙水重金属质量分数有所增加,但随着处理时间延长,这种增加效应逐渐减弱,至曝气处理10d以后,底泥间隙水重金属质量分数较对照组均有明显下降,尤其Ni下降更为明显.泥-水界面微孔曝气导致表层底泥中酸可挥发性硫(AVS)减少,但并没有促进底泥中重金属的释放.泥-水界面微孔曝气对底泥重金属生物有效性和释放风险的抑制效应主要归功于上覆水和表层底泥DO质量分数、pH和ORP等理化环境的改变.

骆马湖泥-水界面磷铁硫原位同步变化特征

利用薄膜梯度扩散(DGT)原位采样装置获取了骆马湖全湖8个典型湖区泥-水界面(SWI)活性磷(P)、铁(Fe)、硫(S)垂向分布信息,据此定量估算三者交换通量.结果表明,骆马湖沉积物剖面P、Fe、S浓度范围分别为0~2.05,0~11.10和0.01~0.63mg/L,并在微小尺度呈高度空间异质性.在水平方向上活性P、Fe主要表现为西北湖区高于东南湖区,而活性S则未表现出明显的分布规律;就垂直剖面而言,活性P、Fe、S自界面向下呈升高趋势,并在60mm深度内出现峰值,且活性P和Fe剖面呈明显的同步变化特征;活性P、Fe在多数点位具有显著的正相关性(r>0.65,P<0.01),且各采样点沉积物中的总铁与总磷比值[w(ΣFe)/w(ΣP)]均高于15,这表明Fe的地球化学循环过程对于骆马湖内源磷释放起重要控制作用;8个采样点样品中活性P、Fe、S交换通量分别为0.066~0.698,1.671~5.592和0.007~0.071mg/(m^(2)·d),表明P、Fe、S由沉积物向水体释放.西北湖区表现出较高的P通量和活性P浓度,这可能会增加南水北调过程中水质污染的风险,应予以重视.以上结果支持了P、Fe耦合释放机制,明确了骆马湖SWI的活性P、Fe、S迁移特征.

微孔曝气与覆盖对城市重污染河道底泥磷形态分布及释放过程的影响

采用自行研发的泥-水界面微孔曝气系统,开展了底泥表面曝气和覆盖对城市重污染河道底泥磷释放及形态分布规律的影响研究.结果表明,微孔曝气能够有效提高上覆水的溶解氧(DO)和沉积物的氧化还原电位(Eh),能够将泥-水界面Eh维持在-100 m V左右,DO提高到6 mg·L-1以上.与对照比较,原位覆盖处理的上覆水DO和Eh有一定提高,但仍明显低于微孔曝气处理.与对照相比较,微孔曝气处理均有效降低上覆水中总磷(TP)和溶解性正磷酸盐(PO3-4)的含量.试验结束时,微孔曝气(A)和微孔曝气+原位覆盖处理(A+C)上覆水中TP含量由初始的0.201 mg·L-1分别降至0.062 mg·L-1和0.050 mg·L-1;上覆水中PO3-4含量由0.086 mg·L-1和0.078 mg·L-1分别降至0.026 mg·L-1和0.023 mg·L-1.与对照相比,微孔曝气处理明显降低了底泥间隙水中TP的浓度,在整个培养期间,其TP含量平均下降38.8%(A)和47.9%(A+C).底泥原位覆盖处理对抑制泥-水界面磷释放能力要弱于微孔曝气处理,而且在试验后期(50 d),上覆水中TP和PO3-4的含量均有所反弹.不管有无覆盖,泥-水界面微孔曝气处理均显著改变了表层底泥磷形态分布特征,显著降低了底泥中铁铝结合态磷(Fe/Al-P)组分比例,而钙结合态磷(Ca-P)含量比例却出现明显增加.单一的表面覆盖处理对底泥磷形态分布特征没有显著影响(P>0.05).研究表明,与单一的处理效果相比较,泥-水界面纳米微孔曝气处理,并结合底泥原位覆盖,更有利于抑制城市重污染河道泥-水界面中磷的释放风险.

粗糙床面物质交换特性及其主导机制实验研究

粗糙底床泥-水界面区域的物质交换过程不仅与水动力作用有关,还涉及到底床物理特性和床面形态的影响.为研究粗糙底床渗透率和床面微地形对泥-水界面物质交换过程的综合影响,通过实验室环形水槽实验,测量得到不同砂质平整底床和存在离散粗糙元床面条件下,泥-水界面物质交换通量和有效扩散系数的定量数据和变化特征,并采用参数化方法分析无量纲控制参数变化范围内界面物质交换特性的主导机制.实验结果表明,粗糙底床渗透率和床面微地形共同对泥-水界面物质交换过程起重要作用.与平整底床相比,离散粗糙元局部绕流结构驱动的附加泵吸交换不同程度增大了界面物质交换通量,其增强效应与底床渗透率和床面粗糙度的变化密切相关.随底床渗透率和床面粗糙度的增大,有效扩散系数总体呈增大趋势,湍流渗透对界面物质交换的影响趋于增强,而泵吸交换的相对贡献趋于减弱.因此,分析存在床面微地形粗糙底床的主导界面物质交换机制,需要考虑底床渗透率和床面粗糙度的综合影响.