1、 本科 毕业论文 （ 20_ _届） 污染河流沉积物理化性质的分析研究 所在学院 专业班级 环境工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 :本研究以嘉兴学院旁的河网的底泥作为研究对象，在校园范围内系统采集底泥样品，在实验室条件下测定底泥的有机 质含量、阳离子交换量、总磷、总氮、粒径分布，以期通过上述研究，掌握河网内源污染及其对水环境质量的影响，为河网水环境、水生态环境质量评价指标体系的建立提供基础资料。得出结论：有机质含量较高，说明底泥的腐殖质含量也较高，而总氮与有机质的含量成比例关系也较高。总磷的含量很高已经达到富营养化。沉积物中细颗粒越多，有机质含量越高，而阳离子交
2、换量又与有机质总量表现出显著的正相关。 关键词 : 有机质；阳离子交换量；总磷；总氮；粒径分布 II Abstract:In this study, Jiaxing University sideways rivers sediment for the study， Within the school system, sediment samples collected， Under laboratory conditions, organic matter content of sediment determined， Cation exchange capacity， TP， Total
3、nitrogen， Size distribution View to the adoption of the study， Source pollution control within the river and its water quality of For the river water environment, water environment quality evaluation index system to provide basic information.Concluded： High content of organic matter， Shows a high se
4、diment content of humus， The total nitrogen and organic matter content and higher proportional.Has reached a high content of phosphorus eutrophication distribution. The more fine-grained sediments, organic matter content is higher, while the cation exchange capacity and total organic matter showed a
5、 significant positive correlation. Keywords:Organic matter;Cation exchange capacity;TP;TN;Size distribution. 摘要 .I Abstract . II 1 绪论 错误 !未定义书签。 1.1 河流沉积物在环境研究方面的意义和特点 1 1.2 河流沉积物的研究进展 9 1.3 沉积物营养盐的含量和形态研究 3 1.3.1 沉积物中氮的研究 3 1.3.2 沉积物中磷的研究 3 1.4 沉积物的理化性质研究 5 1.4.1 沉积物有机质含量研究 5 1.4.2 沉积物阳离子交换量研究 5 1.
6、4.3 沉积物土样粒径分析研究 6 2 实验部分 . 8 2.1 实验仪器 8 2.2 样品采集 9 2.2.1 采样区概况 . 9 2.2.2 土壤样品采集 9 2.3 土壤样品的加工处理 9 2.3.1 样品风干 10 2.3.2 磨碎与过筛 10 2.4 土壤样品的管理 10 2.5 土壤样品 基本理化性质分析 10 2.6 土壤有机质（ SOM） . 11 2.7 土壤阳离子交换量（ CEC） . 11 2.7.1 方法原理 . 11 2.7.2 实验仪器 . 12 2.7.3 实验试剂 . 12 2.7.4 实验步骤 . 12 2.7.5 数据记录与处理 . 错误 !未定义书签。 2
7、.8 总磷的测定 . 13 2.8.1 方法原理 . 13 2.8.2 实验仪器 . 14 2.8.3 实验试剂 . 14 2.8.4 标准曲线的绘制 . 14 2.8.5 样品的消解 . 15 2.8.6 样品的测定 . 错误 !未定义书签。 2.8.7 数据记录与处理 . 15 2.9 总氮的测定 . 16 2.9.1 方法原理 . 16 2.9.2 实验仪器 . 16 2.9.3 实验试剂 . 16 2.9.4 标准曲线的绘制 . 17 2.9.5 实验步骤 . 18 2.9.6 数据记录与处理 . 19 2.10 土壤粒径分布 . 19 2.10.1 方法原理 . 19 2.10.2
8、实验步骤 . 20 2.10.3 离心时间的计算 . 20 2.10.4 数据记录与处理 . 21 3 结果与分析 . 23 3.1 有机质含量分析 . 23 3.2 阳离子交换量分析 . 24 3.3 总磷及总氮含量分析 . 25 3.4 土壤粒径分析 . 错误 !未定义书签。 4 结论 . 27 参考文献 . 28 致 谢 . 30 1 1 绪论 河流底泥作为完整水体的重要组成部分 ， 在参与水体生态系统的物质循环中对河流水质有相当大的影响 。 随着我国工业化进程的加快 ， 工业“三废”的排放、城镇居民生活废弃物的增多、农药和化肥使用量的增加 ,我们的生态环境日益恶化 。 与我们生活休息相
9、关的水环境特别是地表水环境的恶化成为环境工作者重点关注的问题 。 水资源是十分重要又很特殊的资源 ， 它是人类生存不可或缺的基本物质 ， 同时也是人类社会实现可持续发展的限制因素 。 完整的水 体概念 ,不仅仅是指水体本身 ， 而且包括存在于水体底部的沉积物 (底泥 )， 也包括体各种环境条件 。 底泥中的物质参与了水体生态系统的物质循环 。 一些无机物会在上覆水和底泥之间进行交换和循环 。 由于人类活动 ， 有意或无意中进入水体的污染物质 ， 如同步浸提金属离子、难降解有机物、放射性物质以及氮磷营养物质等 ， 在合适的条件下 ， 会从上覆水进入底泥中沉积下来 ， 并发生转化 ， 有时甚至会转
10、化成毒性更大的形态 ， 特别是在那些已有多年污染历史的水体中 ， 底泥中沉积了大量历史上留下来的污染物质 ,成为一种潜在的威胁 1 ， 当人们致力于改善水体环境质量 时 ， 它们就成为不得不考虑的因素之一 。 底泥污染是城市河流污染的重要研究内容之一 ， 也是世界范围的一个突出环境问题 。 作为河流生态系统的重要组成部分 ， 底泥不仅是河流营养物质循环的中心环节 ， 而且也是营养物质的主要聚集库 。 通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷等各种方式 ， 大量的污染物进入河流水体 ，其中一部分沉积到底泥中并逐渐富集 ， 使底泥受到污染 。 作为河流污染物的主要蓄积库 ， 底泥不仅可以直接反映水体
11、的污染历史 ， 而且在一定条件下可向上覆水体释放各种污染物 ， 是影响河流水质的重要二次污染源 2 。 在点源污染得到有效控制以 后 ,底泥就成为河水体污染的重要内源 。 底泥与上覆水之间不停的进行着物质交换 ， 溶解于水中的污染物浓度在很大程度上要受到底泥的影响 。 当底泥未被扬动时 ， 底泥中的污染物主要从沉积物向上覆水扩散和分解 ， 对水质的影响不是很大 。 而底泥一旦被扬动 ， 底泥中的污染物将会大量向水体释放 ， 消耗上覆水中的溶解氧 ， 造成水质的不断恶化 。 由于底泥与水体之间存在着一种吸收与释放的动态平衡 ， 一旦水体污染物含量减少 ， 底泥中污染物的释放量就会增加 ， 对水体
12、的二次污染也会增大 。 1.1 河流沉积物在环境研究方面的意义和特点 （ 1） 河流沉积物记录和反映了上 覆水体的状况 , 可以示踪污染源。根据河流沉积物上下流污2 染物浓度的变化 ， 可以追踪污染物的排放位置。 （ 2） 由于沉积物本身具有相对的稳定性 ， 因此 ， 它不仅能反映上覆河水的现状 , 而且能反映河水的变化历史。通过不同深度或层位沉积物的调查 ， 可以了解河流污染与水质变化的关系及污染历史。这是沉积物在环境监测中优于上覆水体的地方 3， 因为后者只能反映现在 ， 不能反映过去。 （ 3） 沉积物与河水作用是双向的 ， 沉积物不仅从河水中获取“ 有害组分” ， 而且还有可能向河水直
13、接释放“ 有害组分”。因此 , 河流沉积物既是“ 净化剂” ， 又是 “ 释放源”。 （ 4） 沉积物自身性质的差异影响着与河水相互作用的速度和方向。沉积物的矿物成分和粒度是两大影响因素。矿物直接影响着沉积物的化学活性。粒度不仅影响着沉积物与水作用的速度 , 同时也影响着相互作用的程度 ， 一般来说 ， 沉积物粒度越细 ， 与水作用的速度越快 ， 交换程度越高。 1.2 河流沉积物的研究进展 现阶段我国在经济持续高速增长的同时，所带来的最大负效应就是环境污染日益严重，大江大河及湖库水环境质量日趋恶化。根据 1993-1995 年水利部组织的中国水资源质量评价，在评价的 700余条河流中，水质良
14、好的只占评 价河长的 32.2%， 受污染的河流己占到了评价河长的 46.5%，90%以上的城市水域污染严重 。 我国湖泊富营养化的研究大致是从 20世纪 80年代开始， 1980 1985年中国环境科学研究院与有关单位、高等院校合作，开展了我国湖泊富营养化的调查研究 4。调查结果表明，我国绝大多数湖泊在 20世纪 70年代后期和 80 年代初还处于贫一中营养或中一富营养状态，达到富营养亿的湖泊面积只占调查面积的 0 3。 沉积物作为湖泊营养物质的内负荷源，其物理性质、物理化学性质、化学性质以及生物化学性质都对湖泊富营养化进程产生着重要的影响 5。 河流沉积物对水质的影响一般通过以下几个途径实
15、现 : 沉积物悬浮过程中吸附于颗粒物上的污染物解吸释放；表层沉积物中的污染物直接向上覆水体解吸释放；沉积物间隙水中的污染物直接向上覆水体扩散释放等。当沉积物间隙水污染物浓度接近平衡时，其与上覆水的混合作用是影响水质的主要作用，其次是下部沉积物的静态释放，而悬浮颗粒的污染物解吸释放作用则较小。沉积物中的污染物累积是在很长时间中形成的 ,对水质的影响也比较持久。即使外界污染源消除后沉积物仍能在很长时间中对上覆水的水质不断产生影响。因此，河流沉积物的研究和治 理，是从根本上解决河流污染问题的重要途径之一 6。 3 1.3 沉积物营养盐的含量和形态研究 国内关于河流沉积物的研究主要围绕着沉积物营养盐污
16、染及重金属污染研究。对于水体富营养化的研究开始较早，而对沉积物在水体富营养化的作用和对水体沉积物营养盐的含量和形态开展研究主要在 20 世纪 90 年代初期才开始 7，多数研究者认为水体沉积物是氮磷等生源要素重要的蓄积库，同时水体沉积物也是氮磷等生源要素重要的污染源 8，因此 测定沉积物的阳离子交换量、有机质含量、粒径分布、主要氧化物含量等主要理化性质参数及沉积物中氮磷的赋存含 量，并分析理化参数与氮磷含量之间的相关关系，对水体富营养化治理具有重要意义 。 1.3.1 沉积物中氮的研究 底泥氮污染是水体富营养化的来源之一 ， 使河流富营养化的生态风险加大。因为生态风险主要来源于底泥泥水界面上表
17、层底泥与水之间的释放与交换。底泥氧化还原电位在很大程度上决定底泥氮的释放量 ， 通常在好氧情 况下 ， 底泥氮释放量较小 ， 生境较稳定 ； 而在厌氧条件下 ，氮释放量增大 ， 生境较脆弱。 沉积物氮的形态包括无机氮和有机氮，其中无机氮又分为氨氮，硝态氮和亚硝酸氮，在氨氮和硝态氮同时存在的情况，氨氮优先被浮游生物吸收利 用，因此氨氮的含量和比例在一定程度上决定了水体生态效应和环境污染特征 9，同时氨氮和硝态氮含量的对比特征也可以在一定程度上揭示水体沉积物的氧化还原状况。 氮素在沉积物水界面间的交换大部分以无机氮的形式进行，当上覆水体中 NH4+和 NO3-的浓度高于沉积物中 NH4+和 NO3
18、-的浓度时，沉积物就会起到“汇”的作用，从上覆水体吸附无机氮；反之，当上覆水体中 NH4+和 NO3-的浓度低于沉积物中 NH4+和 NO3-的浓度时，沉积物就会起到“源”的作用，向上覆水体释放无机氮，并以此来调节和维持氮素在沉积物 -水界面间的动 态平衡 10。同时，多数河流由于水深较浅，沉积物 -水界面受到风浪扰动较为频繁，生态系统结构复杂，使得氮素在界面间的吸附释放过程受到多种因素的综合作用，因此，了解氮素在表层沉积物中的吸附释放特性对于改善和治理湖泊的富营养化状况是十分必要的。 1.3.2 沉积物中磷的研究 沉积物磷的形态是以多种复合的形式存在的，一般将沉积物中的磷分为 5 类，即可浮
19、磷，铁结合态磷，铝结合态磷和钙结合态磷以及有机磷，沉积物磷形态含量，比例可以反映出污染源化4 学组分和污染程度大小 11。从而探索水体污染的来源推理，同时沉积物磷的形态 和比例直接影响水体沉积物的稳定性。 一些学者已经对磷潜在的生物有效性做了大量研究 12。 V. Ruban研究了泥水界面的磷释放表明 13：不是所有形态的磷都易释放，约 80%的磷是活性的，其中大部分以铁结合态存在。钙结合态的磷不到 20%。在二十世纪 30 年代以前，沉积物中磷粗略分为无机磷和有机磷。 30年代以后，海洋地球化学家逐渐摸索出连续提取方法来研究底泥中磷的来源及其形态 14。近年来，人们越来越重视对磷形态方面的研
20、究，以寻求对水体富营养化最具直接影响的磷形态。通常，用来作为有效磷进行评价的是溶解反应磷 (SRP)和总反应磷 (TRP)。在 SRP磷形态中主要以正磷酸盐方式存在，它们能完全被藻类利用。至今为止，无机磷可分为：可交换性溶解磷，可溶性磷 P-sol， 铝结合态磷 P-A1，铁结合态磷 P-Fe，钙结合态磷 P-Ca 和闭态磷 O-P；而有机磷 P-Org的研究进展不大，形态上一般不进行细分，主要是以核酸、核素以及麟酷等为主，此外还有少量吸附态和交换态的磷。有机磷一般只作为一个磷的整体考虑。无机磷根据结合形态分级提取，有机磷通过减量法得出。 河流水体是一个稳定体系，环境对它的物质输入和其自身的输
21、出是平衡的。输入到水体 的磷，一部分被水生生物吸收利用，一部分以各种形式存在于水中，还有一部分则通过物理的、化学的、生物的作用，逐渐沉降至水体底部，经过长期的积累，在底部形成营养盐含量高的沉积物。沉积物表层所积累的磷，部分可以被微生物直接摄入利用，进入食物链参与生态系统的循环。水体营养物质的沉降积累是极其复杂的动态过程。它与输入的输出水体磷负荷的速率，水体的水力冲刷作用，水化学和地球化学等因素有着密切关系。不同的水体，其营养物质积累的速率不同，积累量和形态分布都表现出一定的差异性。 沉积物从上覆水体和周围环境接纳各种活性的和难溶的 有机的和无机的磷化合物的混合物质，其中一部分作为惰性物质而简单
22、地以最初的形式埋藏在沉积物中，其余的则通过分解或溶解作用释放磷酸盐到沉积物间隙水中。间隙水中的磷或释放到上覆水体中，或在沉积物中作为一种自生相而再次沉淀，或被沉积物所吸附。磷在沉积物一水界面的循环受沉积物吸附、释放以及间隙水扩散三个作用的控制。 5 1.4 沉积物的理化性质研究 1.4.1 沉积物有机质含量研究 底泥有机质测定方法很多，经典的有干烧法和湿烧法；随着自动化技术的发展，有机质测定也出现了碳氮自动分析仪；上个世纪 50 年代以来，世界各国在土壤 有机质研究领域中使用得比较普遍的是容量法。虽然各种容量法所用的氧化剂及其浓度或具体条件稍有差异，但其基本原理是相同的，目前使用最普遍的方法是
23、在硫酸存在条件下，用过量的重铬酸钾 (K2Cr2O7)溶液氧化土壤有机碳，再用硫酸亚铁溶液滴定剩余的重铬酸钾。其氧化条件归纳如下：国标 GB7857-87 规定用油浴控制锅内油浴温度在 170 180 15，使溶液保持沸腾 5min。此方法温度不易控制，油浴污染大，试管等器皿不易清洗；国标 GB9834-88 规定电沙浴并在三角瓶上加一支空气冷凝管 16，此方法太麻烦，电沙 浴温度不均，从第一滴冷凝液滴下的时间开始记时，各个样瓶都不可能一致，记时麻烦，不宜大批量实验的进行；也有人用甘油浴电沙浴 200 230 17， 110干燥箱 18；另外，还有磷酸浴，远红外直接加热。但这些氧化介质和条件各
24、有利弊。 1.4.2 沉积物阳离子交换量研究 阳离子交换量（简称 CEC），是指底泥胶体所能吸附的各种阳离子的总量，以每千克底泥的厘摩尔数表示。对于反映底泥负电荷总量及表征底泥性质重要指标的阳离子交换量的测定是十分重要的。 底泥阳离子交换量的测定受多种因素的影响，如交换剂的性质、盐溶液浓度 和 pH、淋洗方法等，必须严格掌握操作技术才能获得可靠的结果。 联合国粮农组织规定用于底泥分类的底泥分析中使用经典的中性乙酸铵法或乙酸钠法。中性乙酸铵法也是我国底泥和农化实验室所采用的常规分析方法，适于酸性和中性底泥。对于热带和亚热带的酸性、微酸性底泥，常规方法由于浸提液 pH值和离子强度太高，与实际情况相差较大，所得结果较实际情况偏高很多。新方法是将底泥用 BaCl2 饱和，然后用相当于底泥溶液中离子强度那样浓度的 BaCl2溶液平衡底泥，继而用MgSO4交换 Ba测定酸性底泥阳离子交换量。 石灰性底泥阳离子交换量 的测定方法有NH4ClNH4OAc法、 Ca(OAc)2 法和 NaOAc法。目前应用的较多、而且认为较好的是NH4ClNH4OAc法，其测定结果准确、稳定、重现性好。 NaOAc法是目前国内广泛应用于石灰性底泥和盐碱底泥交换量测定的常规方法。
