磷输入对湖滨底泥砷形态转化及生态风险的影响.pdf

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第 3 2 卷 第 8 期 2 0 1 9 年 8 月 环 境 科 学 研 究 R e s e a r c h o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s V o l . 3 2 ꎬ N o . 8 A u g . ꎬ 2 0 1 9 收 稿 日 期 2 0 1 8  ̄ 0 8  ̄ 1 5 修 订 日 期 2 0 1 9  ̄ 0 5  ̄ 1 6 作 者 简 介 赵 蓉 1 9 9 4  ̄ ꎬ 女 ꎬ 云 南 昆 明 人 ꎬ z h a o r o n g _ 1 9 9 4 @ 1 6 3 . c o m . ∗ 责 任 作 者 ꎬ 王 妍 1 9 8 0  ̄ ꎬ 女 ꎬ 河 北 承 德 人 ꎬ 副 教 授 ꎬ 博 士 ꎬ 主 要 从 事 生 态 修 复 与 景 观 生 态 研 究 ꎬ w y c a f @ 1 2 6 . c o m 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 N o . 3 1 5 6 0 1 4 7 ꎬ 2 1 7 6 7 0 2 7 ꎻ 云 南 省 高 校 土 壤 侵 蚀 与 控 制 重 点 实 验 室 资 助 项 目 S u p p o r t e d b y N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a N o . 3 1 5 6 0 1 4 7 ꎬ 2 1 7 6 7 0 2 7 ꎻ K e y L a b o r a t o r y o f S o i l E r o s i o n a n d C o n t r o l i n U n i v e r s i t i e s o f Y u n n a n P r o v i n c e ꎬ C h i n a 磷 输 入 对 湖 滨 底 泥 砷 形 态 转 化 及 生 态 风 险 的 影 响 赵 蓉 1 ꎬ 王 妍 1 ꎬ 3 ∗ ꎬ 杨 桂 英 1 ꎬ 赵 立 君 2 ꎬ 任 伟 1 ꎬ 齐 丹 卉 1 ꎬ 徐 鸣 洲 1 1 . 西 南 林 业 大 学 生 态 与 水 土 保 持 学 院 ꎬ 云 南 昆 明 6 5 0 2 2 4 2 . 西 南 林 业 大 学 湿 地 学 院 ꎬ 云 南 昆 明 6 5 0 2 2 4 3 . 西 南 林 业 大 学 石 漠 化 研 究 院 ꎬ 云 南 昆 明 6 5 0 2 2 4 摘 要 为 探 究 底 泥 A s 砷 形 态 转 化 与 磷 P 的 内 在 关 联 ꎬ 揭 示 湖 滨 底 泥 中 A s 形 态 和 磷 形 态 转 化 带 来 的 生 态 风 险 ꎬ 选 取 云 南 阳 宗 海 湖 滨 湿 地 底 泥 为 研 究 对 象 ꎬ 通 过 设 置 上 覆 水 不 同 水 平 磷 K 2 H P O 4 ꎬ 以 P 计 输 入 〔 ρ P 分 别 为 0 、 1 、 5 、 1 0 、 2 0 、 6 0 m g ∕ L 〕 的 短 期 1 7 2 h 和 长 期 7 3 0 d 扰 动 室 内 模 拟 试 验 ꎬ 基 于 底 泥 对 磷 的 等 温 吸 附 模 型 拟 合 结 果 ꎬ 探 究 底 泥 中 A s 释 放 及 A s 与 磷 形 态 转 化 的 规 律 . 结 果 表 明 ① 短 期 试 验 中 ꎬ 磷 输 入 量 为 0 5 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 A s 释 放 量 为 0 􀆰 0 0 4 0 􀆰 0 0 9 m g ∕ L ꎻ 磷 输 入 量 ≥ 1 0 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 A s 释放 量 为 0 􀆰 0 5 2 0 􀆰 1 2 0 m g ∕ L . ②长期 试 验 中ꎬ 第 7 、 1 5 、 3 0 天 底 泥 中 w T A s 平 均 值 分 别 为 1 3 􀆰 3 1 ± 1 􀆰 8 7 1 0 􀆰 3 9 ± 0 􀆰 7 4 1 7 􀆰 8 8 ± 0 􀆰 6 5 m g ∕ k g ꎬ 呈 先 降 后 升 的 趋 势 . ③ 随 着 磷 输 入 量 的 升 高 ꎬ 底 泥 中 A s 和 磷 的 形 态 均 表 现 为 由 非 活 性 态 向 活 性 态 弱 酸 提 取 态 A s 和 磷 酸 二 钙 转 化 ꎬ A s 和 磷 的 生 物 可 利 用 性 增 加 . 研 究 显 示 ꎬ 磷 输 入 能 促 进 底 泥 中 A s 和 磷 由 非 活 性 态 向 活 性 态 转 化 ꎬ 增 加 其 生 物 可 利 用 性 ꎬ 生 态 风 险 相 应 增 加 . 关 键 词 磷 ꎻ 底 泥 ꎻ A s 形 态 ꎻ 生 态 风 险 中 图 分 类 号 X 5 3 文 章 编 号 1 0 0 1  ̄ 6 9 2 9 2 0 1 9 0 8  ̄ 1 3 9 5  ̄ 0 7 文 献 标 志 码 A D O I 1 0 􀆰 1 3 1 9 8 ∕ j 􀆰 i s s n 􀆰 1 0 0 1  ̄ 6 9 2 9 􀆰 2 0 1 9 􀆰 0 6 􀆰 1 4 E f f e c t s o f P h o s p h a t e I n p u t o n t h e S p e c i a t i o n T r a n s f o r m a t i o n s a n d R e l a t e d E c o l o g i c a l R i s k s o f A r s e n i c i n t h e S e d i m e n t o f L a k e s i d e W e t l a n d Z H A O R o ng 1 ꎬ W A N G Y a n 1 ꎬ 3 ∗ ꎬ Y A N G G u i y i ng 1 ꎬ Z H A O L i j u n 2 ꎬ R E N W e i 1 ꎬ Q I D a nhui 1 ꎬ X U M i ng z ho u 1 1 . C o l l e g e o f E c o l o g y a n d S o i l & W a t e r C o n s e r v a t i o n ꎬ S o u t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y ꎬ K u n m i n g 6 5 0 2 2 4 ꎬ C h i n a 2 . W e t l a n d C o l l e g e ꎬ S o u t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y ꎬ K u n m i n g 6 5 0 2 2 4 ꎬ C h i n a 3 . R e s e a r c h I n s t i t u t e o f D e s e r t i f i c a t i o n ꎬ S o u t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y ꎬ K u n m i n g 6 5 0 2 2 4 ꎬ C h i n a A b s t r a c t Y a n g z o n g h a i l a k e s i d e w e t l a n d i n Y u n n a n P r o v i n c e w a s s e l e c t e d a s t h e r e s e a r c h o b j e c t t o e x p l o r e t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n a r s e n i c A s t r a n s f o r m a t i o n a n d p h o s p h o r u s P i n t h e s e d i m e n t a n d t o e v a l u a t e t h e e c o l o g i c a l r i s k s b r o u g h t b y t h e s p e c i a t i o n t r a n s f o r m a t i o n . T h e r u l e s o f A s r e l e a s e a n d P t r a n s f o r m a t i o n i n t h e s e d i m e n t s w e r e i n v e s t i g a t e d v i a s h o r t  ̄ t e r m 1  ̄ 7 2 h a n d l o n g  ̄ t e r m 7  ̄ 3 0 d d i s t u r b a n c e i n d o o r s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t w i t h v a r i o u s P i n p u t s ρ P w a s s e t a s 0 ꎬ 1 ꎬ 5 ꎬ 1 0 ꎬ 2 0 a n d 6 0 m g ∕ L ꎬ r e s p e c t i v e l y i n t h e o v e r l y i n g w a t e r a n d t h e c o r r e s p o n d i n g a d s o r p t i o n i s o t h e r m m o d e l f i t t i n g r e s u l t s . T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t 1 D u r i n g t h e s h o r t  ̄ t e r m e x p e r i m e n t o f P i n p u t ꎬ p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n a t 0  ̄ 5 m g ∕ L ꎬ A s r e l e a s e d f r o m s e d i m e n t s r e a c h e d 0 􀆰 0 0 4  ̄ 0 􀆰 0 0 9 m g ∕ L . B u t w h e n p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n o v e r t o p 1 0 m g ∕ L ꎬ A s r e l e a s e d f r o m s e d i m e n t s r e a c h e d 0 􀆰 0 5 2  ̄ 0 􀆰 1 2 0 m g ∕ L . 2 D u r i n g t h e l o n g  ̄ t e r m e x p e r i m e n t ꎬ t h e a v e r a g e t o t a l A s c o n c e n t r a t i o n i n s e d i m e n t w e r e 1 3 􀆰 3 1 ± 1 􀆰 8 7 1 0 􀆰 3 9 ± 0 􀆰 7 4 a n d 1 7 􀆰 8 8 ± 0 􀆰 6 5 m g ∕ k g a f t e r 7 ꎬ 1 5 a n d 3 0 d o f P i n p u t ꎬ s h o w i n g d e s c e n d i n g f i r s t a n d t h e n a s c e n d i n g t r e n d . 3 A s a n d P i n s e d i m e n t s w e r e t r a n s f o r m e d t o a c t i v e f o r m s w e a k a c i d e x t r a c t e d A s a n d d i c a l c i u m P w i t h t h e i n c r e a s e o f d i f f e r e n t p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n ꎬ l e a d i n g t o i n c r e a s e d b i o a v a i l a b i l i t y o f A s a n d P . T h e s t u d y s h o w e d t h a t P i n p u t i m p r o v e d A s a n d P t r a n s f o r m a t i o n t o a c t i v e f o r m s ꎬ i n c r e a s i n g t h e i r b i o a v a i l a b i l i t y t h u s t h e e n v i r o n m e n t a l e c o l o g i c a l r i s k . K e y w o r d s p h o s p h a t e ꎻ s e d i m e n t ꎻ a r s e n i c s p e c i a t i o n t r a n s f o r m a t i o n ꎻ e c o l o g i c a l r i s k 环 境 科 学 研 究 第 3 2 卷高 原 湖 泊 具 有 地 形 独 特 、 流 域 面 积 小 、 水 源 补 给 有 限 等 特 点 ꎬ 面 临 较 高 的 污 染 风 险 [ 1 ] . 湖 滨 湿 地 能 通 过 底 泥 吸 附 、 植 物 吸 收 和 微 生 物 转 化 等 作 用 拦 截 外 源 污 染 物 [ 2  ̄ 3 ] . 云 南 省 高 原 湖 泊 阳 宗 海 曾 于 1 997 年 爆 发 “ 水 华 ” ꎬ 水 质 降 至 G B 3 83 8 2 0 0 2 « 地 表 水 环 境 质 量 标 准 » Ⅳ 类 ꎬ 处 于 富 营 养 化 状 态 . 2 00 8 年 阳 宗 海 发 生 了 A s 污 染 ꎬ 湖 泊 水 体 中 ρ A s 达 0 􀆰 19 m g ∕ L [ 4 ] ꎬ 超 过 G B 3 83 8 2 00 2 的 Ⅴ 类 标 准 限 值 ꎬ 加 入 絮 凝 剂 治 理 后 w A s 显 著 降 低 ꎬ 但 却 使 底 泥 成 为 A s 的 蓄 积 体 ꎬ 底 泥 中 w T A s 为 8􀆰 9 0 81 􀆰 54 m g ∕ k g [ 5  ̄ 6 ] ꎻ 同 时 ꎬ 湖 泊 流 域 内 农 业 、 工 业 及 生 活 污 染 源 排 放 磷 素 的 进 入 ꎬ 导 致 阳 宗 海 湖 滨 湿 地 面 临 A s 、 磷 双 重 污 染 的 态 势 . A s 和 磷 P 在 元 素 周 期 表 中 同 属 于 第 V 主 族 元 素 ꎬ 具 有 相 似 的 电 子 层 结 构 ꎬ 在 自 然 环 境 中 以 性 质 相 似 的 磷 酸 盐 P O 4 3 - 和 砷 酸 盐 A s O 4 3 - 存 在 . 目 前 相 关 研 究 多 关 注 土 壤 体 系 中 A s 和 磷 相 互 作 用 的 关 系 [ 7  ̄ 1 0 ] . 磷 进 入 A s 污 染 土 壤 后 ꎬ 二 者 通 过 竞 争 吸 附 作 用 ꎬ 能 促 进 A s 形 态 由 惰 性 态 向 活 性 态 转 化 ꎬ 增 加 A s 在 土 壤 中 的 活 性 和 迁 移 性 ꎬ 进 而 提 高 其 生 物 有 效 性 及 环 境 风 险 . 因 此 ꎬ 该 研 究 以 云 南 高 原 湖 泊 阳 宗 海 A s 污 染 湖 滨 湿 地 底 泥 为 研 究 对 象 ꎬ 通 过 室 内 模 拟 试 验 ꎬ 设 置 上 覆 水 磷 输 入 ꎬ 探 索 不 同 时 间 处 理 下 底 泥 对 磷 吸 附 、 A s 释 放 及 底 泥 中 A s 和 磷 形 态 转 化 的 规 律 ꎬ 并 综 合 评 价 水 体 和 底 泥 生 态 风 险 ꎬ 以 期 为 准 确 评 估 磷 输 入 带 来 的 A s 污 染 湖 滨 湿 地 富 营 养 化 及 重 金 属 污 染 生 态 风 险 提 供 参 考 . 1 材 料 与 方 法 1􀆰 1 试 验 材 料 底 泥 样 品 采 自 阳 宗 海 南 岸 典 型 的 湖 滨 湿 地 区 域 102 ° 5 9 ′ 0 8􀆰 0 4 ″ E 、 2 4 ° 51 ′ 45􀆰 00 ″ N ꎬ 利 用 有 机 玻 璃 柱 状 底 泥 分 层 采 样 器 采 集 表 层 1 15 c m 底 泥 样 品 . 底 泥 样 品 经 自 然 风 干 后 ꎬ 研 磨 过 2 m m 筛 备 用 . 1􀆰 2 试 验 设 置 设 置 上 覆 水 6 个 不 同 水 平 磷 K 2 H P O 4 ꎬ 以 P 计 处 理 〔 ρ P 分 别 为 0 、 1 、 5 、 10 、 20 、 60 m g ∕ L 〕 ꎬ 每 个 处 理 均 设 3 个 重 复 . 分 别 称 取 8􀆰 0 0 0 0 ± 0􀆰 000 5 g 底 泥 于 一 系 列 350 m L 加 盖 玻 璃 样 品 瓶 中 ꎬ 并 加 入 3 20 m L 相 应 浓 度 的 磷 溶 液 ꎬ 使 底 泥 与 磷 溶 液 充 分 混 合 并 保 持 泥 水 混 合 状 态 置 于 旋 转 混 合 器 上 ꎬ 混 合 时 间 分 为 短 期 1 7 2 h 和 长 期 7 30 d ꎬ 取 样 时 间 分 别 为 1 、2 、4 、 10 、 2 4 、 48 、 7 2 h 和 7 、 15 、 30 d . 在 各 取 样 时 间 点 取 下 样 品 瓶 ꎬ 3 0 0 0 r ∕ m i n 下 离 心 1 5 m i n ꎬ 取 上 层 清 液 即 上 覆 水 测 定 ρ P 和 ρ A s ꎬ 取 下 层 冷 冻 干 燥 后 测 定 底 泥 中 w T P 、 w T A s 及 A s 和 磷 形 态 的 质 量 分 数 . 1 􀆰 3 测 定 指 标 及 方 法 上 覆 水 及 底 泥 中 pH 和 E h 氧 化 还 原 电 位 采 用 哈 希 水 质 分 析 仪 H Q 40 D ꎬ 苏 州 中 昂 仪 器 有 限 公 司 测 定 ꎻ 底 泥 磷 形 态 采 用 SM T 连 续 提 取 方 法 [ 1 1 ] 提 取 ꎬ 包 括 C a 2  ̄ P 磷 酸 二 钙 、 C a 8  ̄ P 磷 酸 八 钙 、 A l  ̄ P 磷 酸 铝 盐 、 F e  ̄ P 磷 酸 铁 盐 、 O  ̄ P 闭 蓄 态 磷 、 C a 1 0  ̄ P 磷 酸 十 钙 ꎬ 上 覆 水 中 ρ P 、 底 泥 中 w T P 及 磷 形 态 的 质 量 分 数 均 采 用 紫 外 分 光 光 度 计 A F 810 ꎬ 北 京 吉 天 仪 器 有 限 公 司 测 定 ꎻ A s 形 态 采 用 B C R 连 续 提 取 法 [ 1 2 ] 提 取 ꎬ 包 括 弱 酸 提 取 态 、 可 还 原 态 、 可 氧 化 态 、 残 余 态 ꎬ 上 覆 水 中 ρ A s 、 底 泥 中 w T A s 及 A s 形 态 的 质 量 分 数 均 采 用 氢 化 物 发 生 原 子 荧 光 仪 测 定 . 1 􀆰 4 数 据 分 析 底 泥 磷 的 吸 附 过 程 采 用 S i g m a p l o t 10􀆰 0 软 件 实 现 等 温 吸 附 模 型 拟 合 ꎬ 上 覆 水 和 底 泥 中 理 化 指 标 的 相 关 性 分 析 利 用 SP SS 21􀆰 0 软 件 完 成 . 1 􀆰 4􀆰 1 吸 附 容 量 计 算 方 法 及 等 温 吸 附 模 型 吸 附 平 衡 时 吸 附 量 的 计 算 公 式 Q e = C 0 - C e V ∕ m 1 式 中 Q e 为 吸 附 试 验 后 底 泥 对 磷 的 吸 附 量 ꎬ m g ∕ k g ꎻ C 0 为 磷 输 入 量 ꎬ m g ∕ L ꎻ C e 为 吸 附 试 验 后 磷 质 量 浓 度 ꎬ m g ∕ L ꎻ V 为 溶 液 体 积 ꎬ m L ꎻ m 为 底 泥 质 量 ꎬ m g . F r e undl i c h 等 温 吸 附 模 型 Q e = K F C e n 2 式 中 ꎬ K F 为 吸 附 系 数 ꎬ n 为 非 线 性 指 数 . L a ng m ui r 等 温 吸 附 模 型 Q e = Q 0 C e ∕ A + C e 3 式 中 Q 0 为 饱 和 吸 附 容 量 ꎬ m g ∕ k g ꎻ A 为 半 饱 和 常 数 [ 1 3 ] . 固 水 分 配 系 数 的 计 算 公 式 K d = Q e ∕ C e 4 式 中 ꎬ K d 为 固 水 分 配 系 数 ꎬ L ∕ kg . 1 􀆰 4􀆰 2 生 态 风 险 评 价 方 法 1 􀆰 4􀆰 2􀆰 1 累 积 标 准 单 位 指 标 值 目 前 国 际 上 常 用 累 积 标 准 单 位 指 标 值 评 估 水 体 重 金 属 污 染 ꎬ 计 算 公 式 C C U = M ∕ C 5 式 中 C C U 为 累 积 标 准 单 位 指 标 值 ꎻ M 为 重 金 属 质 量 浓 度 的 实 测 值 ꎬ m g ∕ L ꎻ C 为 水 环 境 中 重 金 属 的 评 价 标 准 值 ꎬ m g ∕ L ꎬ 该 研 究 中 C 选 取 G B 3 8 3 8 2 0 0 2 中 A s 的 Ⅳ 类 水 标 准 限 值 0 􀆰 1 m g ∕ L . 根 据 C C U 将 湖 泊 水 质 类 型 分 为 4 类 [ 1 4 ] C C U 1 0 ꎬ 重 度 污 染 . 6 9 3 1第 8 期 赵 蓉 等 磷 输 入 对 湖 滨 底 泥 砷 形 态 转 化 及 生 态 风 险 的 影 响 1􀆰 4􀆰 2 􀆰 2 淡 水 水 生 环 境 底 泥 质 量 指 导 值 该 研 究 采 用 淡 水 水 生 环 境 底 泥 质 量 指 导 值 C C M E 来 评 价 底 泥 中 w T A s 和 w T P 的 生 态 风 险 . L E L 为 最 低 效 应 水 平 ꎬ 是 大 多 数 底 栖 动 物 的 耐 受 含 量 ꎬ w T P 的 L E L 值 为 60 0 m g ∕ kg ꎬ w T A s 的 L E L 值 为 6 m g ∕ k g ꎻ S E L 为 最 高 效 应 水 平 ꎬ 会 对 底 栖 动 物 产 生 不 利 影 响 ꎬ w T P 的 SE L 值 为 2 000 m g ∕ kg ꎬ w T A s 的 SE L 值 为 33 m g ∕ k g . 当 污 染 物 浓 度 低 于 L E L 时 ꎬ 为 无 生 态 风 险 ꎻ 当 污 染 物 浓 度 在 L E L 与 SE L 之 间 时 ꎬ 为 较 低 生 态 风 险 ꎻ 当 污 染 物 浓 度 高 于 SE L 时 ꎬ 为 较 高 生 态 风 险 . 1􀆰 4􀆰 2 􀆰 3 风 险 评 价 编 码 法 利 用 有 效 态 A s 弱 酸 提 取 态 A s 来 评 价 底 泥 中 A s 的 有 效 性 ꎬ 进 而 对 其 生 态 风 险 进 行 评 价 . 风 险 评 价 编 码 法 将 弱 酸 提 取 态 A s 占 比 分 为 5 个 等 级 [ 1 5 ] 50 % 为 极 高 风 险 . 2 结 果 与 讨 论 2 􀆰 1 磷 输 入 对 底 泥 磷 的 吸 附 及 A s 释 放 的 影 响 2 􀆰 1􀆰 1 底 泥 磷 的 吸 附 特 征 分 析 随 着 磷 输 入 量 的 升 高 ꎬ 底 泥 对 磷 的 吸 附 能 力 逐 渐 增 强 〔 见 图 1 a 〕 . L a ng m ui r 等 温 吸 附 模 型 拟 合 R 2 在 0􀆰 8 4 0􀆰 9 6 之 间 ꎬ 短 期 1 72 h 试 验 中 ꎬ Q 0 551 􀆰 1 1 1 9 28􀆰 57 m g ∕ k g 和 A 4􀆰 46 25􀆰 5 7 均 逐 渐 增 大 . F r e u ndl i c h 等 温 吸 附 模 型 拟 合 的 R 2 在 0􀆰 91 0 􀆰 98 之 间 ꎬ K F 为 97􀆰 51 2 1 8 􀆰 99 ꎬ n 为 0􀆰 27 0􀆰 4 4 ꎬ n 均 小 于 1 ꎬ 说 明 底 泥 的 高 能 吸 附 点 位 较 多 ꎬ 底 泥 吸 附 磷 以 化 学 吸 附 为 主 导 . 随 着 磷 输 入 量 的 升 高 ꎬ K d 逐 渐 降 低 ꎬ 底 泥 对 磷 的 吸 附 能 力 不 断 增 强 〔 见 图 1 b 〕 ꎬ 与 Sha pi r o 等 [ 1 6  ̄ 1 7 ] 研 究 结 果 一 致 . 图 1 磷 输 入 量 及 试 验 时 间 对 底 泥 磷 吸 附 能 力 的 影 响 F i g . 1 E f f e c t o f e x o g e n o u s p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n o n t h e s o r p t i o n o f p h o s p h a t e i n s e d i m e n t 2􀆰 1􀆰 2 底 泥 A s 的 释 放 特 征 分 析 短 期 试 验 中 底 泥 A s 的 释 放 量 变 化 规 律 见 图 2 a ꎬ 结 果 显 示 ꎬ 磷 输 入 能 够 增 加 底 泥 中 A s 的 释 放 风 险 ꎬ 当 磷 输 入 量 为 0 5 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 A s 的 释 放 量 为 0􀆰 00 4 0 􀆰 009 m g ∕ L ꎬ 均 不 超 过 G B 3 838 2 0 02 中 Ⅲ 类 水 标 准 限 值 0 􀆰 0 5 m g ∕ L ꎻ 当 磷 输 入 量 为 1 0 2 0 m g ∕ L 时 ꎬ A s 释 放 量 为 0􀆰 0 5 2 0􀆰 0 8 0 m g ∕ L ꎬ 超 过 Ⅲ 类 水 标 准 限 值 ꎻ 而 当 磷 输 入 量 达 6 0 m g ∕ L 时 ꎬ A s 释 放 量 为 0􀆰 12 0 m g ∕ L ꎬ 超 过 Ⅴ 类 水 标 准 限 值 0􀆰 1 m g ∕ L . 磷 和 A s 均 能 形 成 相 似 的 含 氧 阴 离 子 ꎬ 二 者 在 底 泥 表 面 会 产 生 竞 争 吸 附 作 用 ꎬ 磷 酸 根 吸 附 能 力 更 强 ꎬ 砷 酸 根 则 更 易 释 放 且 具 有 较 高 的 迁 移 性 [ 2 0 ] . 当 磷 输 入 量 低 于 5 m g ∕ L 时 ꎬ 磷 输 入 对 A s 的 迁 移 影 响 较 小 ꎬ 并 且 在 非 事 故 排 放 条 件 下 ꎬ 天 然 水 体 中 磷 输 入 量 远 低 于 5 m g ∕ L ꎬ 因 此 短 期 内 磷 输 入 对 于 底 泥 中 A s 的 释 放 量 影 响 不 大 ꎬ 这 与 M o h a n 等 [ 1 8  ̄ 1 9 ] 的 研 究 结 果 类 似 . 长 期 试 验 中 ꎬ 磷 输 入 量 为 0 1 0 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 中 A s 的 释 放 量 随 试 验 时 间 的 延 长 呈 下 降 趋 势 ꎬ 而 磷 输 入 量 为 20 60 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 A s 的 释 放 量 先 升 后 降 〔 见 图 2 b 〕 . 随 试 验 时 间 的 延 长 ꎬ 底 泥 中 A s 释 放 量 呈 短 时 间 的 升 高 然 后 降 低 ꎬ 试 验 体 系 的 E h 由 第 7 天 的 相 对 氧 化 状 态 E h = 1 10􀆰 00 m V 变 为 第 15 天 的 相 对 还 原 状 态 E h = - 1 49􀆰 70 m V ꎬ 导 致 A s O 4 3 - 逐 渐 被 还 原 为 A s O 3 3 - ꎬ A s 溶 解 度 增 大 ꎬ 其 释 放 量 增 加 ꎻ 第 3 0 天 ꎬ 释 放 到 上 覆 水 中 的 A s 又 能 重 新 吸 附 到 底 泥 上 ꎬ 使 其 浓 度 降 低 . 研 究 [ 2 1  ̄ 2 4 ] 显 示 ꎬ 当 水 体 的 水 动 力 条 件 、 pH 、 氧 化 还 原 条 件 、 竞 争 离 子 、 有 机 质 以 及 本 土 微 生 物 等 环 境 条 件 发 生 变 化 时 ꎬ 底 泥 中 A s 的 存 在 形 态 及 相 应 的 吸 附 特 性 均 会 发 生 改 变 ꎬ 致 使 A s 重 新 被 释 放 至 水 体 中 ꎬ 底 泥 又 可 成 为 水 体 A s 污 染 的 发 生 源 ꎬ 具 体 影 响 机 理 有 待 进 一 步 探 索 . 采 用 C C U 评 价 底 泥 中 A s 释 放 的 生 态 风 险 ꎬ 随 磷 输 入 量 的 升 高 ꎬ 短 期 试 验 中 ꎬ C C U 为 0􀆰 1 2 3􀆰 43 ꎬ 上 覆 水 中 A s 的 污 染 程 度 逐 渐 增 加 ꎬ 由 无 污 染 变 为 中 度 7 9 3 1 环 境 科 学 研 究 第 3 2 卷 图 2 磷 输 入 量 和 试 验 时 间 对 底 泥 A s 释 放 量 的 影 响 F i g . 2 E f f e c t o f p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l t i m e r e l e a s e o f a r s e n i c i n s e d i m e n t 污 染 ꎻ 长 期 试 验 中 ꎬ C C U 为 0􀆰 03 0 􀆰 60 ꎬ 上 覆 水 A s 的 生 态 风 险 逐 渐 降 低 ꎬ 均 为 无 污 染 状 态 . 磷 输 入 短 时 间 内 会 导 致 底 泥 A s 的 释 放 量 显 著 增 加 ꎬ 但 随 着 试 验 时 间 的 延 长 ꎬ 上 覆 水 中 ρ A s 降 至 无 污 染 水 平 . 2􀆰 2 磷 输 入 对 A s 污 染 底 泥 中 w T P 和 w T A s 的 影 响 及 生 态 风 险 评 价 底 泥 中 w T P 和 w T A s 随 磷 输 入 量 的 变 化 规 律 如 图 3 所 示 . 由 图 3 可 见 ꎬ 试 验 时 间 为 第 7 、 1 5 天 时 ꎬ底 泥 中 w T P 差 异 较 小 ꎬ 第 30 天 时 w T P 为 原 始 底 泥 的 5 倍 . 第 7 、 1 5 、 30 天 底 泥 中 w T A s 平 均 值 分 别 为 13 􀆰 31 ± 1􀆰 87 10􀆰 39 ± 0 􀆰 74 17􀆰 8 8 ± 0􀆰 65 m g ∕ k g . 第 7 天 ꎬ 随 着 磷 输 入 量 的 升 高 ꎬ 底 泥 中 w T A s 呈 下 降 趋 势 ꎻ 第 15 、 30 天 底 泥 中 w T A s 均 变 化 较 小 . 随 试 验 时 间 的 延 长 ꎬ 底 泥 中 w T A s 呈 先 降 后 升 趋 势 ꎬ 与 上 覆 水 中 ρ A s 规 律 相 反 ꎬ 与 A s 先 从 底 泥 释 放 进 入 上 覆 水 后 又 再 被 重 新 吸 附 进 入 底 泥 的 规 律 一 致 . 图 3 磷 输 入 量 对 底 泥 中 w T P 和 w T A s 的 影 响 F i g . 3 E f f e c t s o f p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n o n t o t a l p h o s p h a t e a n d t o t a l a r s e n i c i n s e d i m e n t底 泥 中 w T P 的 污 染 水 平 可 分 为 3 级 [ 2 5 ] 重 度 污 染 〔 w T P 1 30 0 m g ∕ kg 〕 、 中 度 污 染 〔 500 m g ∕ kg w T P 1 30 0 m g ∕ kg 〕 和 轻 度 污 染 〔 w T P 5 0 0 m g ∕ kg 〕 . 原 始 底 泥 中 w T P 为 4 73􀆰 77 ± 48􀆰 42 m g ∕ kg ꎬ 属 于 轻 度 污 染 ꎻ 随 着 磷 输 入 量 的 升 高 ꎬ 底 泥 中 w T P 逐 渐 增 加 . 长 期 试 验 中 ꎬ 磷 输 入 量 为 1 2 0 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 中 w T P 为 51 5􀆰 7 5 1 2 41􀆰 76 m g ∕ kg ꎬ 属 于 中 度 污 染 水 平 ꎻ 磷 输 入 量 为 60 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 中 w T P 为 1 850􀆰 13 2 339􀆰 4 1 m g ∕ k g ꎬ 属 于 重 度 污 染 水 平 . 可 见 ꎬ 上 覆 水 中 磷 输 入 量 对 底 泥 中 w T P 有 重 要 贡 献 . 底 泥 中 污 染 物 释 放 到 水 体 中 会 造 成 二 次 污 染 ꎬ 对 环 境 具 有 潜 在 和 持 久 的 危 害 ꎬ 其 含 量 水 平 决 定 了 对 水 生 生 物 的 危 害 程 度 [ 2 6 ] . 潜 在 生 态 风 险 评 价 结 果 显 示 ꎬ 当 磷 输 入 量 为 0 1 m g ∕ L 时 ꎬ 底 泥 中 w T P 均 低 于 L E L 值 ꎬ 无 生 态 风 险 ꎻ 当 磷 输 入 量 介 于 5 2 0 m g ∕ L 之 间 时 ꎬ 底 泥 中 w T P 在 L E L SE L 之 间 ꎬ 生 态 风 险 较 低 ꎻ 当 磷 输 入 量 达 到 60 m g ∕ L 时 ꎬ 随 试 验 时 间 7 3 0 d 内 的 延 长 ꎬ 底 泥 中
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