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本文以采自黄河全干流的21个沿程沉积物及上覆水样品为研究对象,对沉积物的组成、理化参数和各形态磷的分布,以及上覆水的一些理化指标做了定量分析,并通过等温吸附实验,考察了磷在黄河沉积物上的吸附特征及其影响因素。在此基础上,对沉积物-水界面磷交换潜力和通量的评估进行了初步探索。
从源头至黄河口至渤海浅海的沿程21个采样点,基本覆盖了黄河全干流。采样过程同时监测了水质。对21个上覆水样的分析表明,黄河干流水体中溶解性无机磷(DIP)浓度范围在0.001~0.060mg/L,溶解性总磷(DTP)浓度范围在0.008~0.074mg/L。分析了沉积物样品的粒径、阳离子交换量、烧失量、矿物种类和含量、金属含量、活性态Fe/Al含量以及各种形态磷的分布,为区域地球化学研究积累一些数据。
采用淡水沉积物磷形态的标准测试方法(SMT),对沉积物中的磷形态进行了分析。结果表明,.黄河沉积物中总磷(TP)含量在594.4~956.9mg/kg,无机磷(IP)含量在475.2~944.2mg/kg,有机磷(OP)含量在27.3~108.0mg/kg。IP占TP的81.17%~96.74%。OP占TP的3.26%~18.83%,与区域农业规模有关。IP与OP含量显著负相关。
黄河沉积物中铁/铝结合态磷(NaOH-P)含量范围在10.1~37.2mg/kg,仅占TP的1.15%~5.48%,占IP的1.19%~5.84%。NaOH-P含量与区域磷污染状况、地质环境条件都有关系,与活性态(Fe+Al)含量显著正相关,但玛多和兴海的沉积物有特殊性。钙结合态磷(HCl-P)含量范围在445.6~891.7mg/kg,占TP的77.73%~95.59%,占IP的94.16%~98.81%。
不同地点的黄河沉积物中各种形态磷含量的变化情况,可以指示出一定的地质环境信息。黄河沉积物中具有释放潜力的磷(NaOH-P和OP含量之和)仅占TP的4.41%~22.27%,且其含量值都较低,向上覆水体释放磷的潜力不大。
推导了实际环境中磷的交叉型吸附等温式,并通过等温吸附实验考察了21个沉积物样品对磷的吸附特征。用Freundlich交叉型吸附等温式对等温线进行了拟和,考察了各参数特别是EPC0的沿程变化情况,分析了沉积物理化性质与磷的吸附特征间的关系。结果表明,黄河沉积物对磷的等温吸附过程以准二级动力学描述最为准确,48h后基本平衡。吸附量随pH增大而升高。在pH<6时,吸附量为负;在pH>6时,吸附量为正。在pH为7~10之间,随pH增大吸附量变化不大。对于磷的释放来说,pH<6时,释放量较大,特别是当pH<3时,释放量明显增加;当pH>7时,释放量几乎为0。随pH的增加,黄河沉积物悬浊液颗粒的Zeta电位降低,零电位点在pH=1左右。静电吸附作用不是黄河沉积物吸附磷的主要机理。磷在颗粒物表面上的吸附,对固相表面电荷状态的改变作用并不明显。
推导出的Freundlich交叉型吸附等温式能很好地描述磷在黄河沉积物上的吸附行为。Freundlich吸附常数(K)的范围在0.032~0.104 L/g,与沉积物的粘土矿物含量、烧失量、活性态(Fe+Al)含量、阳离子交换量都显著正相关,与沉积物的平均粒径显著负相关,与沉积物中磷形态的分布也有一定关系。沉积物的EPC0范围在0.0001~0.0717mg/L,没有表现出与地理位置相关的规律性,仅与NaOH-P含量显著正相关。其中,除兰州和中卫外,其它点的EPC0值都介于0.0001~0.0132mg/L之间,低于0.02mg/L,这一富营养化发生的判断标准。通过比较沉积物的EPC0值和上覆水的DIP值,可以判断沉积物对磷“源”或“汇”的作用。等温吸附实验的结果再次表明,黄河沉积物向上覆水体释放磷的潜力不大。
黄河沉积物对磷的吸附过程受环境因素影响。固体浓度增大,吸附能力降低,EPC0值增加;pH降低,吸附能力显著降低,EPC0显著增加;温度降低,吸附能力也显著降低,EPC0亦降低。当环境条件发生变化时,沉积物可能会转变其磷的“源”或“汇”的角色。
以实验数据为依据,从沉积物-水界面磷交换潜力评估、沉积物-水界面磷通量估算、河口入海磷通量估算三个方面,对沉积物-水界面磷交换潜力及通量的计算进行了初步探索。建立了一种黄河沉积物-水界面磷交换通量的简易模型,并以此预测三门峡水库沉积物还需从上覆水体吸附磷40.8kg方才达到平衡。通过Freundlich交叉型吸附等温式计算得黄河沉积物在河口区每年吸附101.6吨的磷;入海后,每年向海水中释放磷77.3吨。河口区沉积物。水体的磷交换作用对溶解态磷入海通量的影响不可忽略。