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河岸带是水陆交接地区,具有带状外貌特征,作为水陆信息、能量、物质交换的重要场所,具有非常重要的生态功能和社会价值[1-3]。消落带属于河岸带系统,是指江河、水库等水体季节性涨落使水-陆衔接地带的土地周期性淹没和露出的干湿交替带,是水位变动受人为调控的特殊消落带[4-5],其表层沉积物具有过滤和截留污染物质的作用,同时对生物栖息也起到了重要的作用[5-9]。
2019年,甘肃省印发了《甘肃省黄河流域生态保护和高质量发展规划》,提出构建黄河流域甘肃段“一带一核三基地”的发展格局。“一带”是指黄河干流发展带,包含甘南、临夏、兰州和白银4个市州,黄河干流长度为913 km,占黄河全长的16.7%。黄河兰州段不仅是黄土高原水土保持区,也是甘肃中部沿黄河生态环境综合治理区,以加强工业污染、农业面源污染、生活污染综合治理为重点。随着兰州市城镇化水平的不断提高,地表水体的污染负荷日益加重。同时人造河堤建设、消落带景观改造、大规模的天然消落带自然生态空间消失,导致天然消落带生境破碎化严重、水陆联动变差、消落带本身的生态服务功能不断降低。
目前,消落带的研究主要集中于湖泊、水库、湿地及黄河下游等地区,黄河上游相关研究较少。消落带对营养元素的去除主要以沉积物颗粒对氮、磷的吸附为主[10]。运用的研究方法主要包括吸附动力学[11]、吸附热力学[12-13]、释放性能[14]等。研究表明,消落带沉积物的吸附作用除了与本身材质有关,还受到环境温度、水力停留时间、水力扰动、水体pH值等要素的影响[15-16]。因此,本研究以黄河上游 (兰州段) 消落带为研究对象,基于吸附动力学实验、吸附热力学实验及单因子实验,探究黄河上游 (兰州段) 消落带沉积物对磷元素的吸附特征,以及环境要素对沉积物吸附特性的影响,以期为黄河上游的水污染治理和磷负荷调控提供理论依据。
黄河兰州段消落带表层沉积物对磷的吸附
Adsorption characteristics of phosphorus by surface sediments in the fluctuation zone of the Lanzhou section of the Yellow River
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摘要: 为探究黄河消落带表层沉积物对磷的吸附特征,基于吸附动力学、吸附热力学及单因子实验,现场采集黄河 (兰州段) 消落带表层沉积物进行实验室模拟研究。结果表明:沉积物对磷的吸附动力学经历快速吸附、慢速吸附、吸附平衡3个阶段,扰动条件下,在10 min内吸附量达到最大吸附量的85%以上,480 min达到吸附平衡;沉积物对磷的吸附符合Langmuir吸附等温方程,随着温度的升高最大理论吸附量Qm随之增加,25 ℃时Qm达到119.831 mg·kg−1;单因子实验中,扰动频率增加对磷的吸附量具有明显的促进作用;pH为7~8时沉积物吸附效果最佳,偏酸性条件次之,偏碱性条件下吸附效果较差;增大上覆水KH2PO4浓度,吸附量增加,吸附率整体呈下降趋势。由此可知,黄河消落带表层沉积物对磷元素具有一定的拦截效应,河水的扰动能够促进沉积物对PO43--P的吸附,但是水体的pH值变化及高浓度陆源污染物均会削弱消落带对磷元素的吸附拦截作用。该研究结果可为黄河上游的水污染防治及消落带的生态管理提供研究依据。Abstract: In order to explore the adsorption characteristics of phosphorus by surface sediments in the fluctuation zone of the Yellow River, based on adsorption kinetics, adsorption thermodynamics and single-factor experiments, the surface sediments of the Yellow River (Lanzhou section) in the fluctuation zone were collected on site for laboratory simulation study. The results showed that the adsorption kinetics of phosphorus onto the sediments contained 3 stages: rapid adsorption, slow adsorption and adsorption equilibrium, and under the disturbance conditions, the adsorption capacity could reach higher than 85% of the maximum adsorption capacity within 10 min, and arrived adsorption equilibrium in 480 min. The adsorption of phosphorus by the sediments conformed to the Langmuir adsorption isothermal equation, and the maximum theoretical adsorption capacity Qm increased with the increase of temperature, and Qm reached 119.831 mg·kg−1 at 25 °C. In the single-factor experiment, the increase of disturbance frequency had a significant promoting effect on the adsorption capacity of phosphorus. When the pH was 7~8, the adsorption effect of the sediments was the best, followed by acidic conditions, and the adsorption effect was poor under alkaline conditions. When the concentration of KH2PO4 in the overlying water increased, the adsorption capacity increased, and the adsorption rate showed a downward trend as a whole. Thus, the surface sediments in the fluctuation zone of the Yellow River had a certain interception effect on phosphorus, and the disturbance of river water could promote the adsorption of PO43--P by the sediments, but the pH change of water and the high concentration of land-based pollutants could weaken the adsorption and interception of phosphorus in the fluctuation zone. The results of this study can provide a research basis for the prevention and control of water pollution in the upper reaches of the Yellow River and the ecological management of the fluctuation zone.
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Key words:
- sediment /
- environmental factors /
- adsorption /
- thermodynamics /
- kinetics
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表 1 吸附动力学拟合特征值
Table 1. Fitting eigenvalues of adsorption kinetics
实验条件 准一级动力学模型 准二级动力学模型 Elovich方程 k1 q1 R2 k2 q2 R2 a b R2 扰动 0.132 5.375 0.372 0.115 5.402 0.822 4.755 0.097 0.778 静置 0.463 2.592 0.936 0.023 2.710 0.996 0.944 0.270 0.813 表 2 吸附热力学拟合特征值
Table 2. Eigenvalues of adsorption thermodynamic fitting
温度/
℃Langmuir方程 Fruendlich方程 直线方程 Qm KL R2 KL·Qm 直线方程 n lgKF R2 5 y = 0.284x+0.014 71.877 0.049 0.999 3.52 y =0.848x+0.779 1.267 0.779 0.991 15 y = 0.173x+0.011 92.999 0.062 0.998 5.77 y =0.825x+0.762 1.212 0.762 0.995 25 y = 0.103x+0.008 119.831 0.081 0.997 9.71 y = 0.789x+0.758 1.179 0.758 0.998 -
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