补充再生水的城市景观水体中气体驱动的沉积物再悬浮与氮素转化：水层与沉积物深度比的关键阈值

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Gas-driven sediment resuspension and nitrogen transformation in urban landscape water supplemented with reclaimed water: A critical threshold of water-to-sediment depth ratio

　　

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  水层与沉积物深度比影响再生水补给水体中气体驱动的沉积物再悬浮。
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  实验在水层与沉积物深度比为 2:1、3:1 和 4:1 的条件下进行。
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  3:1 的深度比有效控制了硝酸盐和甲烷的排放。
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  在 3:1 的深度比下，沉积物表现出最高的 CHO 含量和最低的 CHON 含量。
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  3:1 的深度比降低了古菌 Thermoplasmata 的相对丰度。

引言

再生水回用缓解了城市景观水体补水的资源短缺问题。然而，长期补给再生水可能导致富营养化和藻华，导致沉积物中有机物和营养物质的积累，从而成为内源污染的来源。研究表明，用再生水补给的景观河流的碳和氮含量显著高于用天然地表水补给的河流 [1]。再生水中较高的氮和磷负荷很容易诱发藻华 [2]。藻类衍生的有机物随后积累在沉积物中，为产甲烷作用提供丰富的底物，这可能会促进 CH₄ 和 CO₂ 的产生和释放。此外，再生水补给可以改变沉积物的微生物群落结构 [3], [4]，反硝化细菌丰度的增加可能会增强 N₂O 的产生。因此，接受再生水的沉积物具有很强的温室气体排放潜力 [5]。

沉积物中的气体产生和释放涉及成核、生长、上升和溶解等过程 [6]，并受水动力扰动、季节温度和水深的影响 [7]。其中，水深是影响气体产生和释放的较敏感因素之一。水深的变化会显著改变静水压力、气泡上升时间和沉积物 - 水界面的氧化还原条件，从而影响气泡逸出的比例和模式。在较深的湖泊和海洋系统中，发现气泡产生率随水深增加而降低，这主要是由于较大的静水压力 [8], [9], [10]。然而，这些深水观测可能无法完全反映浅层再生水系统的条件，在该系统中，较低的环境压力 [11] 和较低的 CH₄ 溶解度 [12]，加上较高的有机物负荷和较薄的水柱，可以使冒泡对相对较小的水深变化更加敏感。

在浅水水体中，气泡释放的阈值压力更容易达到，且在上升过程中，沉积物中产生的含有 CH₄ 的气泡不太可能溶解到水中 [13]。在水深 < 5 m 的区域，通过冒泡排放的 CH₄ 在 60-70 mg/(m² d) 之间，而在水深 > 5 m 的区域，释放量仅约为 2 mg/(m² d) [14]。较深的水深会延迟气泡释放，延长气体储存时间，增加气泡体积，并导致更强的脉冲式冒泡，而浅水体的事件更频繁但较弱。用再生水补给的景观水体通常较浅，主要在 0.5 和 10 m 之间 [15]，且水深的变化可能与活性沉积层厚度处于同一数量级。因此，水深与沉积层的比率可能共同控制气体释放和沉积物扰动。尽管上述研究表明浅水条件有利于气泡释放，但它们大多基于天然湖泊或水库，并未考虑由再生水连续输入高有机物和营养物质形成的高产气沉积物。因此，关于水层与沉积物深度比如何影响再生水补给浅水水体中气体释放的系统研究仍然缺乏。

目前，关于沉积物内源污染物释放的研究主要集中在分子扩散和物理再悬浮 [16], [17], [18]，而生物源气泡上升引起的间接生态效应受到的关注较少。沉积物中气泡形成和向上迁移的物理过程不仅加剧了沉积物再悬浮，显著增加了上覆水的浊度，而且在上升过程中吸附溶解态氮和功能微生物，并将其输送到上覆水中。研究表明，沉积物再悬浮导致的高浓度悬浮固体可以显著加速硝化作用，并促进水柱中溶解态有机氮的转化 [19]。此外，悬浮颗粒为微生物附着提供了表面，介导耦合的硝化 - 反硝化作用，从而增强系统的氮损失 [20]。尽管如此，在再生水补给的水体中，气体驱动再悬浮对浊度和氮释放的具体贡献仍然未受探索。

本研究旨在探讨不同水层与沉积物深度比下沉积物有机质转化、微生物功能潜力、气体驱动再悬浮与上覆水氮变化之间的耦合关系，为确定控制由气体驱动再悬浮引发的富营养化和温室气体排放的最佳比率提供理论支持。

章节片段

测试材料

上覆水和表层沉积物样本取自中国西安某再生水补给景观水体的单一采样点。使用取水器在水面以下 0.5 m 处采集上覆水，以避免深度相关的变异性。随后使用佩德森抓斗采集表层沉积物（顶部 10 cm），缓慢将其降至沉积物表面，以最小化对原始沉积物结构的扰动。采集后，可见

气体驱动再悬浮对浊度、DO 和 ORP 的时间变化

浊度是沉积物再悬浮最直接的指标。如图 1a-c 所示，上覆水浊度变化最显著发生在沉积物 - 水界面 (SWI) 上方 3 cm 处：在第 30 天，4:1 处理组的浊度达到 74.84 NTU 的峰值，显著高于 2:1 和 3:1 处理组 (p < 0.001)。从 SWI 向上至水面，3:1 和 4:1 处理组的浊度通常高于 2:1 处理组。浊度被传递

水层与沉积物深度比影响沉积物气体驱动再悬浮对水体富营养化的影响

沉积物再悬浮是驱动浅水水体营养物质内源释放的关键过程 [67]。除了风浪和水动力扰动外，内部生化反应产生的气体也起着同等重要的作用。气泡介导的再悬浮有效地将颗粒物和溶解物质从沉积物输送到上覆水中，输运速率远超分子扩散，且污染物释放量与气泡体积成正比 [68], [69]。

结论

本研究进行了实验室实验，以研究水层与沉积物深度比（2:1、3:1 和 4:1）对再生水补给水体中沉积物气体产生特征和气体驱动再悬浮的影响。主要结论如下：

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  水层与沉积物深度比影响了再生水补给浅层沉积物中生物源气体的产生、储存和释放。在 4:1 时，气体在沉积物中积累并释放

CRediT 作者贡献声明

王毅：监督，项目执行，资金获取，概念化。赵慧英：撰写 – 初稿，可视化，形式分析，数据整理。李杰：验证，调查。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作由陕西省重点研发计划（项目编号：2021ZDLSF05-04）资助。

赵慧英 | 王毅 | 李杰