石佛寺水库处于辽河干流,也是该干流上的唯一控制性工程,由于辽河地表水与地下水源氮污染较为严重,如何防治石佛寺水库的氮污染,提高水厂水处理效率,已经成为迫在眉睫要解决的问题。通过对石佛寺水库沉积物对氮素的生物地球化学作用研究,考虑了沉积物对各种形态的N进行结合的具体强度水平以及发生转化的能力,而选择了连续浸提法来研究N元素在沉积物中的赋存形态以及其分布规律,通过室内动态土柱试验和静态吸附-解吸试验对氨氮理化性质进行分析并对其进行定量描述,并对沉积物中氮的污染进行防治。具体研究成果如下(1)对石佛寺水库库区水文地质情况进行分析。主要调查石佛寺水库库区的气象、水文、水文地质条件。(2)水环境质量评价。采用模糊综合评判法对本次库区的地表水和地下水进行评价,结果表明是地表水整体为Ⅲ类水,丰水期好于枯水期,其中氨氮生化需氧量超标严重;地下水整体为Ⅱ类水,枯水期为主要为Ⅱ类水,个别点位为Ⅲ类水。(3)石佛寺水库沉积物中氮赋存形态研究。本次对石佛寺水库沉积物中氮的存在形态和分布含量进行分析,得出以下结论;沉积物中氮的主要存在形式是以有机态氮存在的,总氮含量在12280～23700mg/kg之间;总可转化态氮含量在1891.99～10217.2 mg/kg之间,占总氮的百分比在38.24%～43.92%之间,由于辽河补水使入库监测点位的水体水动力强,导致沉积物总氮和总可转化态氮含量在临近入库口的监测点1、2、3处含量较高;入库区和出库区其水动力较弱,硝氮含量相对高;沉积物中IEF-N是最易释放到水体中,对水库的贡献最大的氮形态。(4)库区沉积物微生物群落多样性研究。本次对库底底泥沉积物微生物菌群多样性分析主要通过DNA提取、PCR扩增、高通量测序手段,结果发现优势菌种为变形菌门,微生物具有多样性。并通过功能注释相对丰度分析,发现硝化作用、反硝化作用、化能异样作用和蓝藻的固氮作用在微生物群落多样性中有所存在,并且相对丰度受溶解氧、土壤深度、水动力条件共同影响。多元统计软件进行分析发现,库区底泥微生物群落的动态变化与环境因溶解氧和氧化还原点位的变化有较强的相关性。(5)氮的生物地球化学转化过程室内试验。扩散-吸附-生物氧化这三个阶段是水库底泥沉积物对氨氮去除的主要过程,氨氮通过土壤胶体的表面吸附以及扩散机理的截留作用,最终生物转化得以降解去除,在0-40cm深度中对氨氮的去除速率最快,最大去除率为83.52%。在静态吸附实验中可以发现,底泥沉积物的迁移转化与介质粒径有关。无论吸附还是解吸过程都存在两个阶段,快速吸附/解吸阶段和平衡阶段,快速吸附/解吸阶段是因为介质表面存在很多容易吸附/解吸的点位,污染物可以比较容易的附着/脱离。氨氮的吸附符合非线性吸附,其吸附-解吸热力学过程与Freundlich模型的拟合结果最好。沉积物的吸附-解吸及速率由粒径大小、有效形态矿物含量、微生物群落结构特征共同决定。(6)石佛寺水库沉积物-水界面氮污染调控方案研究。通过水库蓄水放水来增加地表水中的溶解氧并通过种植水生植物对底泥进行调控分析,从而改善地表水环境。并建立地表水与地下水供水系统的耦合模型,通过控制库区源头辽河的进水浓度,运用已修正的溶质运移模型和水流模型进行预测模拟,实现保护地下水并防控地下水环境的污染。