水庫沉積物-水界面錳遷移與轉(zhuǎn)化行為研究——以青島王圈水庫為例.pdf

1、水庫沉積物-水界面是沉積物和水庫水體兩相組成的邊界環(huán)境，其環(huán)境條件和沉積物組成是控制重金屬遷移轉(zhuǎn)化的重要因素。金屬錳(Mn)在沉積物-水界面處的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程非常復(fù)雜，包括吸附-解吸、沉淀-溶解、氧化-還原和微生物降解等反應(yīng)，各反應(yīng)在Mn的遷移轉(zhuǎn)化過程中起著不同的作用，因此有必要對各反應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行研究。作為即墨市重要水源的王圈水庫近年來頻頻出現(xiàn)季節(jié)性Mn含量超標(biāo)的現(xiàn)象，對當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活供水造成了嚴(yán)重影響。研究Mn在水庫沉積物-水界面的遷移

2、和轉(zhuǎn)化行為能夠?yàn)橥跞λ畮旒捌渌畮斓腗n污染控制和治理提供科學(xué)依據(jù)。
　　本文在現(xiàn)場觀測、采樣和分析的基礎(chǔ)上，掌握了王圈水庫沉積物及其上覆水體中Mn及其它主要相關(guān)要素的時(shí)空分布規(guī)律;通過批量試驗(yàn)，研究了表層沉積物及其主要組分（Fe、Mn氧化物和有機(jī)質(zhì)）和懸浮顆粒物對Mn(Ⅱ)的吸附-解吸行為;分析了水庫岸邊巖土中Mndiss和可溶性Mn(Ⅲ)釋放的動(dòng)力學(xué)特征及其影響因素(pH、溫度、DO、粒度和有機(jī)質(zhì));通過室內(nèi)柱試驗(yàn)，從總體上探

3、討了溫躍層控制條件下水庫底層水體Mndiss和Mn(Ⅲ)在沉積物-水界面的遷移擴(kuò)散動(dòng)態(tài)、形態(tài)分布特征及其與各環(huán)境因素之間的相互作用規(guī)律。通過上述研究，得到了一些新的結(jié)論和認(rèn)識:
　　(1)王圈水庫水環(huán)境主要變化特征為:豐水期上覆水和間隙水中營養(yǎng)鹽、可溶性Fe、Mn和有機(jī)污染物的濃度明顯高于平水期和枯水期;同一斷面中泓線處監(jiān)測點(diǎn)上覆水和沉積物中各指標(biāo)的含量高于岸邊點(diǎn)的值;水庫表層沉積物中Mn以有機(jī)結(jié)合態(tài)為主，其次是可交換態(tài)，水體Mn

4、易發(fā)生二次污染。夏季水體出現(xiàn)溫躍層造成的水體缺氧是導(dǎo)致王圈水庫Mn含量超標(biāo)的主要原因。
　　(2)表層沉積物和懸浮顆粒物對Mn(Ⅱ)的吸附-解吸過程具有類似的原理和機(jī)制，均可用準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程和Langmuir方程進(jìn)行描述，且吸附過程主要受化學(xué)吸附機(jī)理的控制。表層沉積物和懸浮顆粒物對Mn(Ⅱ)的飽和吸附量分別為9.09和9.69mg/g，說明王圈水庫懸浮顆粒物對Mn(Ⅱ)的吸附能力大于表層沉積物。在表層沉積物主要組分中，可萃取態(tài)F

5、e氧化物、Mn氧化物和有機(jī)質(zhì)對Mn(Ⅱ)的吸附能力遠(yuǎn)高于黏土礦物和殘?jiān)Ｔ诔练e物對Mn(Ⅱ)的總吸附量中，有機(jī)質(zhì)和Fe氧化物對Mn(Ⅱ)的吸附貢獻(xiàn)最大，分別為2.24和1.91mg/g，二者在一定程度上控制著Mn(Ⅱ)在沉積物表面的吸附作用。
　　(3)水體pH、溫度和DOC濃度是影響水庫岸邊巖土Mn釋放的主要因素，低pH值、較高的溫度和DOC濃度均有利于巖土Mndiss的釋放;水體中DO含量是控制Mn氧化物還原和Mndiss釋放

6、的先決條件;較小的巖土粒徑有利于Mndiss的釋放?；贐ox-Behnken設(shè)計(jì)的響應(yīng)面分析結(jié)果表明，Mndiss和Mn(Ⅲ)釋放的最佳條件為:溫度30.0℃，溶液pH6.0，DOC濃度10.8mg/L，以及DO濃度為0.0mg/L;此時(shí)Mndiss和Mn(Ⅲ)的濃度分別為20.58和0.49mg/L。
　　(4)在水庫底層水體由于季節(jié)性缺氧造成的可溶性Mn含量升高的過程中，濃度梯度是上覆水Mndiss遷移擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力，上覆

7、水和間隙水之間Mndiss存在明顯的濃度差。上覆水和間隙水各層Mndiss濃度的動(dòng)態(tài)變化分別可用指數(shù)方程和多項(xiàng)式方程進(jìn)行描述。上覆水中Mndiss的含量與pH、Eh、Mnpart、 POC和SO42-的含量均呈負(fù)的極顯著性相關(guān);間隙水中Mndiss與pH、Eh、Mn(Ⅲ)、DOC和SO42-相關(guān)性極顯著，與Fediss和PO43-呈顯著性相關(guān)。上覆水中的Mndiss除了很大一部分來源于內(nèi)源釋放外，還來源于底層水體懸浮顆粒物中Mnpart

8、的轉(zhuǎn)化。表層沉積物中各有效態(tài)Mn含量的減少造成了上覆水中Mndiss含量的增加。
　　(5)初步探討了淡水環(huán)境沉積物-水界面處可溶性Mn(Ⅲ)的遷移轉(zhuǎn)化過程和機(jī)理，及其與環(huán)境因素和C、P、S等元素的關(guān)系。結(jié)果表明，處于還原環(huán)境的淡水水體也會(huì)生成可溶性Mn(Ⅲ)，其主要來源于沉積物中Mn氧化物的還原過程。上覆水中Mn(Ⅲ)濃度較低且相對不穩(wěn)定;間隙水中Mn(Ⅲ)能夠與焦磷酸鹽等配位體結(jié)合而穩(wěn)定存在，濃度最高達(dá)9.35mg/L，占總M