水动力胁迫作用下底泥沉积物四溴双酚A的释放响应机制研究

Tetrabromobisphenol A (TBBPA), as a kind of rising pollutant with the characteristics of persistence, bioaccumulation and toxicity, its release mechanism in sediment under different hydrodynamic conditions is still lacking. In this project, the response mechanism of TBBPA release in sediment to the hydrodynamic action is planned to be revealed. The driving mechanism on the release of TBBPA in sediment with different enrichment degree in different seasons by dynamic characteristics such as water-sediment interface shear velocity, turbulent kinetic energy, Reynolds stress, and interface friction will be focused to study. The key dynamic factor leading the TBBPA release will be clarified, and the internal relationships between the key dynamic factors and TBBPA release intensities will be built. The differences on the release process with static state and hydrodynamic situation will be elucidated. The critical hydraulic condition correspond to the maximum TBBPA concentration in overlying water which release from sediment with different enrichment degree will be obtained, and the critical hydraulic criterion will be put forward. The response model of TBBPA release and dynamic characteristics at water-sediment interface will be established. The project will provide theoretical basis for revealing TBBPA release mechanism and serve for practical prevention and control works.

四溴双酚A作为一种新兴的持久性、生物累积性和毒性的污染物，目前其在水动力胁迫作用沉积物中释放机制的研究尚属空白。本次申请的项目旨在揭示不同水动力胁迫作用下底部沉积物四溴双酚A的释放响应机理，着重探求动力特性如上覆水- - 沉积物界面剪切流速、紊动动能、雷诺应力、界面摩阻等对沉积物四溴双酚A不同富集程度、不同季节情况下释放行为的驱动机制；厘清主导四溴双酚A释放强度的关键动力特征因子，阐明关键动力因子与沉积物四溴双酚A释放量的内在关系，并指出其与静态情形下的差异区别所在；捕捉不同富集程度沉积物情况下水体中最大四溴双酚A浓度所对应的临界水流运动状态，提出临界水力判据；构建动力特征与水土界面底泥沉积物四溴双酚A的释放响应模型，为四溴双酚A这一新兴污染物在沉积物释放机理的揭示和实际防控工作奠定理论基石。

四溴双酚A是一种新兴的持久性、生物累积性和毒性的污染物，目前关于在水动力作用下沉积物中四溴双酚A释放机制的研究尚属空白。本项目采用自主研发的“跑道型”动水条件下沉积物TBBPA 释放的模拟装置，较为系统地研究了不同水动力作用下沉积物中TBBPA的释放及迁移转化规律。本项目解析了水动力扰动对再悬浮特征的影响，尤其是与再悬浮微观特征(比表面积、分形维数)的定量关系；探讨了动力特性如上覆水--沉积物界面剪切流速、紊动动能、雷诺应力等对沉积物四溴双酚A释放的影响，揭示了水动力作用与再悬浮特征共同影响下的TBBPA释放响应机制；进而分别探索了长时间水动力胁迫条件下，无植物情形和有植物情形的“水-再悬浮颗粒-沉积物”系统中TBBPA的迁移转化规律。研究结果表明，再悬浮颗粒(SPM)的颗粒粒径(PSD)会在强水动力条件下分解成相对较小的颗粒，SPM比表面积(SSA)会随水流强度先减小后增大；这是由PSD和其分形维数(FD)共同决定的。FD在弱扰动条件下维持稳定，而在强水流剪切下会趋于规则。较强动力会显著增强溶解态和颗粒态TBBPA的释放。其中，在强水流扰动下，溶解态释放会受到颗粒浓度效应的限制趋于稳定，但其在总释放中的比例一直占据着主导地位。颗粒态释放是由SPM上TBBPA的浓度与SSC共同决定的。在长时间水动力胁迫条件下，较强的动水条件很大程度加快了“水-SPM-沉积物”三相系统中TBBPA的降解速度，进而显著影响TBBPA的长期释放过程。相比静态对照，大动力条件下上覆水、SPM和沉积物中TBBPA的半衰期(T1/2)分别从37.07天，39.61天和34.66天缩短至12.63天，11.73天和10.09天。在植物(轮叶黑藻)生长旺盛期内的水-沉积物-植物系统中，植物的存在对系统中TBBPA的释放有着明显的削减作用，且轮叶黑藻对TBBPA有一定的吸收作用。同时，较强的水动力扰动和植物的存在共同加快了系统各介质中TBBPA的降解速度。相比静态对照，大动力条件下上覆水、SPM和沉积物中TBBPA的半衰期(T1/2)分别从29.12天，30.27天和29.12天缩短至11.61天，11.75天和9.18天。该研究成果揭示了不同水动力作用下水-沉积物中TBBPA的归趋机制，同时为四溴双酚A这一新兴污染物的控制提供了理论支撑与科学依据。