城市河道硫对内源磷环境行为及其生物有效性的影响研究

作     者：许怡雯 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何岩;黄民生

授予年度：2020年

学科分类：07[理学] 08[工学] 09[农学] 0815[工学-水利工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：城市河道 硫浓度 硫形态 内源磷形态 生物有效性 

摘      要：城市黑臭河道治理后呈现的“水华问题日益受到重视,水体中较高的磷营养盐含量是引起这一问题的重要因素。硫作为水圈地球化学循环的重要生源要素,含量往往高于磷营养盐1-2个数量级,其对内源磷环境行为的影响作用不容忽视。本论文系统研究了不同浓度硫以及不同形态硫对城市河道内源磷行为的影响,解析了硫、磷在泥-水界面的迁移转化规律,并在此基础上开展硫驱动的内源磷释放的生物有效性探讨,为丰富“硫驱动的富营养化理论以及有效解决城市河道治理后水华治理难题提供理论依据和技术支撑。本文主要研究结果为:(1)通过不同浓度硫对内源磷环境行为的影响研究发现,还原态硫引起的释磷过程有阶段性特点,第一阶段主要为化学释磷,释磷强度与NaS浓度(1mM)成正比,6mM NaS释磷最强,沉积物FeS的生成量与NaS浓度呈显著正相关,说明这一阶段释磷以S还原金属结合态磷生成FeS的化学过程为主。第二阶段S部分被氧化为SO后,为生物-化学协同释磷,SO需依赖微生物作用被还原为S,才能实现化学释磷过程,因此此阶段呈现出低浓度促进高浓度抑制的释磷特点。1mM NaS的释磷强度与其浓度呈正比,4mM NaS组的上覆水PO-P含量比空白组提升了51.063±2.24%;但6mM NaS释磷下降至低于空白组。通过碱性磷酸酶活性(APA)的测定,发现6mM的S明显抑制了微生物活性,推测认为前期高浓度S会对生物酶产生反馈抑制作用,使其在生物-化学协同释磷时无法实现SO向S的转化,因此释磷强度明显降低。氧化态硫与还原态硫相比释磷出现明显滞后,在第30天后才出现与浓度相关的明显释磷过程,释磷强度与NaSO的投加浓度(2mM)成正比,8mM NaSO组的上覆水PO-P比空白组提升了50.827±1.43%。APA与NaSO的投加浓度成正比,2mM NaSO沉积物中APA为0.05.15 mM/(g·min),分析认为氧化态SO引起的内源磷释放主要是依赖微生物作用被还原为S进而促进释磷,其释磷过程的关键在于S的生成。(2)通过6种不同形态硫对内源磷环境行为的影响研究发现,NaSO、NaS、NaSO三种溶解态硫均可促进内源磷的释放,然而FeS、FeS、S三种固态硫则会使上覆水PO-P浓度降低。在相同摩尔浓度下(以S计),释磷强度:NaSNaSONaSO,抑磷程度:FeSFeSS。三种溶解态硫引起释磷的差异,其关键在于产生的S的浓度差异。NaS和NaSO可直接在体系中产生S,因而释磷较快且强度高(二者引起的上覆水PO-P含量增长率分别为152.29%和120.63%)。由于NaSO需要依赖微生物作用还原生成S,因此其引起的释磷过程相比NaS和NaSO出现明显的滞后,释磷强度也较低(上覆水PO-P含量增长率为29.224%)。由于还原态硫离子可与PO产生竞争金属离子(例如铁、锰离子)的作用,可与金属离子结合成溶解度更低的硫化物,置换正磷酸盐,进而促进内源磷的释放。由于三种固态硫因其溶解性低在体系中形成的硫离子含量低,从而对内源磷释放没有明显作用。(3)通过分析硫输入后内源磷形态的变化发现,硫引起内源磷的释放主要以NaOH-P为主,这可能与S还原NaOH-P中金属离子有关,氧化态SO还可促进酸可提取态磷(***-P和***)的释放,这可能与有机磷的矿化有关。此外,硫的输入还会促进中度活性磷(NaOH-P和***-P)向活性磷(Resin-P和NaHCO-P)的转化。基于各磷形态生物有效性的研究,Resin-P和NaHCO-P的生物有效性较高,在0.05.1mg/L浓度下小球藻比生长速率分别高达0.375μ/d和0.254μ/d;NaOH-P在高浓度下(≥0.20mg/L)对小球藻生长的促进效果接近速效磷,也具有较高的生物有效性。因此,硫的输入不仅会引起中等活性的缓效磷NaOH-P的释放,还会促进低生物有效性磷形态向高生物有效性磷形态的转化,具有较高的生态风险。因此,硫对内源磷环境行为的的影响可能是引发“水华问题的重要因素。