磁性锆铁改性膨润土添加对河道底泥磷迁移与形态转化的影响

本研究首先采用Fe3+、Fe2+、溶解性锆盐、膨润土和碱液作为原料制备得到了一种磁性锆铁改性膨润土,再通过底泥培养实验考察了磁性锆铁改性膨润土添加对底泥中磷迁移与形态转化的影响。结果表明,在缺氧条件下,河道底泥中磷会被释放进入间隙水中,继而会被释放进入上覆水中,而磁性锆铁改性膨润土添加可以极大地降低底泥中磷向间隙水的迁移通量,最终导致了上覆水中磷数量的显著下降。此外,添加磁性锆铁改性膨润土不仅促使底泥中弱吸附态磷(Liable-P)和氧化还原敏感态磷(BD-P)这2种容易释放态磷向较为稳定的金属氧化物结合态磷(NaOH-rP)和非常稳定的残渣态磷(Res-P)转变,而且降低了底泥中水溶性磷(WSP)、易解吸磷(RDP)、NaHCO3可提取磷(Olsen-P)、藻类可利用磷(AAP)和铁氧化物-滤纸提取磷(FeO-P)这5种不同类型生物有效态磷(BAP)含量,从而降低了底泥中磷的释放风险。从底泥中分离出来的磁性锆铁改性膨润土中潜在活性磷(NH4Cl-P+BD-P)占总磷的26%左右,且含一定数量的FeO-P和Olsen-P含量(分别为161mg·kg-1和127mg·kg-1),因此及时采用磁分离的方式从底泥中将吸附磷后的磁性锆铁改性膨润土回收回来,是非常必要的。磁性锆铁改性膨润土添加控制河道底泥中磷释放的机制是:改良剂通过对底泥中潜在活性磷和生物有效态磷的钝化作用,以及通过对间隙水中磷的吸附作用,降低了底泥中磷向间隙水的释放风险,导致间隙水中磷浓度的下降,进而降低了底泥-上覆水界面磷的扩散通量,最终导致上覆水中磷浓度的下降。以上结果说明,磁性锆铁改性膨润土是一种非常有希望的用于控制河道底泥中磷释放的改良剂。     

锆改性沸石添加对重污染河道底泥磷释放和钝化的影响

通过模拟实验并结合磷形态分级提取和生物有效磷提取,考察了锆改性沸石添加对重污染河道底泥磷释放和钝化的影响.结果发现,锆改性沸石添加不仅会降低间隙水中磷的浓度,而且也会降低底泥-水界面磷扩散通量,从而降低了底泥中磷向覆水体的释放风险.锆改性沸石添加会促使底泥中弱吸附态磷(NH_4Cl-P)、氧化还原敏感态磷(BD-P)和盐酸提取态磷(HCl-P)向金属氧化物结合态磷(NaOH-r P)和残渣态磷(Res-P)转变,而底泥中NH_4Cl-P和BD-P这2种容易释放态磷的降低有助于减少底泥中磷释放的风险.此外,锆改性沸石添加降低了底泥中了WSP(水溶性磷)、RDP(易解吸磷)、FeO-P(铁氧化物-滤纸提取磷)和Resin-P(阴离子交换树脂提取磷)这4种生物有效磷含量.锆改性沸石添加控制底泥磷释放的机制为:锆改性沸石添加,一方面可以钝化底泥中潜在可移动态磷和生物有效磷,达到减少底泥中磷向间隙水中释放的目的,另一方面可以通过锆改性沸石的吸附作用直接去除间隙水中的磷;而间隙水中磷浓度的降低,会降低间隙水和上覆水之间磷的浓度梯度,进而降低了底泥-水界面磷扩散通量.以上的结果显示,锆改性沸石是一种有希望的可以钝化河道底泥中磷并控制其向上覆水体释放的改良剂.     

硝酸钙添加和锆改性膨润土覆盖联用控制底泥中磷释放的效果及机制

通过底泥培养实验,研究了硝酸钙添加和锆改性膨润土覆盖联用控制底泥中磷释放的效果及机制.结果发现,在缺氧条件下,底泥中磷会先释放出来进入间隙水中,而后穿越底泥-水界面扩散进入上覆水中,导致上覆水中溶解态活性磷（SRP）和薄膜扩散梯度（DGT）有效态磷浓度较高.但是,联合使用硝酸钙添加和锆改性膨润土覆盖可有效控制底泥中磷释放出来进入上覆水中,导致上覆水中SRP和DGT有效态磷浓度处于很低的水平.此外,该组合技术还可有效降低底泥中间隙水SRP和DGT有效态磷浓度以及最上层底泥中氧化还原敏感态磷（BD-P）含量,这对于其控制水体内源磷释放会起到至关重要的作用.与单一的硝酸钙添加技术相比,组合技术对上覆水中SRP的去除效果较优,对底泥间隙水中SRP及底泥-水界面SRP扩散速率的削减效果较佳,对最上层底泥中BD-P的削减率也较高.与单一的锆改性膨润土覆盖相比,组合技术在底泥修复后期对上覆水中SRP的削减效果较佳.另外,组合技术对底泥中间隙水SRP和DGT有效态磷的削减率要高于单一的锆改性膨润土覆盖技术,前者对底泥-水界面SRP扩散速率以及表观磷扩散速率的削减效果也好于后者.硝酸钙添加/锆改性膨润土覆盖组合是一种很有希望的水体内源磷释放控制技术.     

静止和水动力扰动状态下锆改性沸石添加对河道底泥磷迁移转化的影响

通过底泥培养实验,并采用磷形态分级提取方法对底泥进行分析,研究了静止和水动力扰动这2种状态下锆改性沸石添加对不同深度处底泥中磷迁移和形态转化的影响.结果表明,无论是在静止还是在水动力扰动状态下,锆改性沸石添加均不仅降低了上覆水中溶解态活性磷(SRP)质量浓度,而且降低了不同深度处间隙水中SRP的质量浓度,并且还降低了底泥-上覆水界面SRP扩散通量.此外,当不存在和存在水动力扰动作用时,向表层底泥(0～10 mm)中添加锆改性沸石,不仅促使添加层中氧化还原敏感态磷(BD-P)和盐酸提取态磷(HCl~-P)向金属氧化物结合态磷(Na OH-rP)和残渣态磷(Res-P)极大转变,降低了添加层中潜在可移动态磷(Mobile-P)含量,而且还降低了添加层下方底泥(10～20 mm)中Mobile-P含量.与静止状态相比,水动力扰动状态下锆改性沸石添加对河道底泥磷迁移转化的影响规律存在一定的差异.水动力扰动虽然可以增强锆改性沸石添加对表层底泥间隙水中SRP的钝化效果,以及对底泥-上覆水界面SRP扩散通量的削减效应,但是却会略微降低锆改性沸石添加控制底泥中磷向上覆水体中释放的效率.表层底泥中潜在可移动态磷含量、不同深度处间隙水中SRP的质量浓度以及底泥-水界面SRP扩散通量的下降,对于锆改性沸石改良技术控制底泥磷向上覆水体释放至关重要.以上结果说明,无论是在静止还是在水动力扰动状态下,锆改性沸石添加均可以有效地控制河道底泥中磷向上覆水体的释放.     

静止和水动力扰动状态下锆改性沸石添加对河道底泥磷迁移转化的影响

通过底泥培养实验,并采用磷形态分级提取方法对底泥进行分析,研究了静止和水动力扰动这2种状态下锆改性沸石添加对不同深度处底泥中磷迁移和形态转化的影响。结果表明,无论是在静止还是在水动力扰动状态下,锆改性沸石添加均不仅降低了上覆水中溶解态活性磷(SRP)质量浓度,而且降低了不同深度处间隙水中SRP的质量浓度,并且还降低了底泥-上覆水界面SRP扩散通量。此外,当不存在和存在水动力扰动作用时,向表层底泥(0~10mm)中添加锆改性沸石,不仅促使添加层中氧化还原敏感态磷(BD-P)和盐酸提取态磷(HCl-P)向金属氧化物结合态磷(NaOH-rP)和残渣态磷(Res-P)极大转变,降低了添加层中潜在可移动态磷(Mobile-P)含量,而且还降低了添加层下方底泥(10~20mm)中Mobile-P含量。与静止状态相比,水动力扰动状态下锆改性沸石添加对河道底泥磷迁移转化的影响规律存在一定的差异。水动力扰动虽然可以增强锆改性沸石添加对表层底泥间隙水中SRP的钝化效果,以及对底泥-上覆水界面SRP扩散通量的削减效应,但是却会略微降低锆改性沸石添加控制底泥中磷向上覆水体中释放的效率。表层底泥中潜在可移动态磷含量、不同深度处间隙水中SRP的质量浓度以及底泥-水界面SRP扩散通量的下降,对于锆改性沸石改良技术控制底泥磷向上覆水体释放,起到至关重要的作用。以上结果说明,无论是在静止还是在水动力扰动状态下,锆改性沸石添加均可以有效地控制河道底泥中磷向上覆水体的释放。     

锆改性高岭土覆盖对底泥与上覆水之间磷迁移转化的影响

以无覆盖和高岭土覆盖作为对照,通过底泥磷释放控制模拟实验考察了厌氧条件下锆改性高岭土覆盖对重污染河道底泥与上覆水之间磷迁移转化的影响.结果表明,厌氧条件下,重污染河道底泥会释放出大量的磷进入上覆水中,且所释放出来的磷主要以溶解性磷酸盐为主.高岭土覆盖可以略微降低底泥磷向上覆水迁移的通量,而锆改性高岭土覆盖则可以极大降低底泥磷向上覆水迁移的通量.被高岭土覆盖层所吸附的磷中29%以氧化还原敏感态磷(BD-P)形式存在和63%以残渣态磷(Res-P)形式存在.被锆改性高岭土覆盖层所吸附的磷中绝大部分(90%)以金属氧化物结合态磷(NaOH-P)和Res-P形式存在,厌氧状态下很难被重新释放出来进入上覆水体.与无覆盖相比,厌氧条件下锆改性高岭土覆盖不仅不会促进底泥BD-P的释放,而且还会促进底泥NaOH-P的形成.X射线光电子能谱(XPS)和固相31P核磁共振(NMR)技术分析证实了锆改性高岭土覆盖层吸附水中磷酸盐的主要机制为配位体交换和形成内配合物.上述结果说明锆改性高岭土适合作为一种活性覆盖材料控制重污染河道底泥磷的释放.     

锆改性高岭土原位改良技术控制重污染河道底泥磷释放效果

采用锆对高岭土进行改性,通过批量吸附实验考察了锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附性能,并通过底泥培养实验考察了锆改性高岭土原位改良技术对底泥磷释放的控制效果.结果表明,锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附能力随改性所用锆投加量的增加而增加.在制备锆改性高岭土过程中,溶液沉淀p H值由8增加到10时,锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附能力增加;沉淀p H值由10增加到11时,锆改性高岭土对磷的吸附能力基本不变;沉淀p H值由11增加到12时,锆改性高岭土的吸磷能力则下降.沉淀p H值为10时制备得到的锆改性高岭土对水中磷酸盐的吸附平衡数据可以采用Langmuir模型加以描述.大部分被锆改性高岭土中锆所吸附的磷酸盐(84%左右)主要以Na OH提取态磷(Na OH-P)和残渣态磷(Res-P)形态存在,低溶解氧情况下不容易被重新释放出来,同时重污染河道底泥会释放出大量的溶解性磷酸盐进入上覆水体;向重污染河道底泥中添加锆改性高岭土可以极大地削减底泥中磷向上覆水体迁移的通量.采用锆改性高岭土对底泥进行改良不仅增强了底泥对水中磷的吸附能力,而且降低了底泥的磷吸附-解吸平衡浓度(EPC0).因此,应用锆改性高岭土作为底泥改良剂可以有效控制重污染河道底泥磷释放.     

铝和锆改性沸石对太湖底泥-水系统中溶解性磷酸盐的固定作用

通过试验方法考察了2种不同底泥改良剂(铝和锆改性沸石)对太湖底泥-水系统中SRP(可溶解性磷酸盐)的固定作用. 改性沸石改良前后太湖底泥对水中较高浓度磷的吸附平衡数据可用Langmuir和Freundlich等温吸附方程进行描述,吸附动力学过程可用准二级动力学模型进行描述. 太湖底泥、铝和锆改性沸石改良太湖底泥的最大磷吸附量分别为395、613和1 009 mg/kg. 被改良太湖底泥中,铝改性沸石所吸附的磷主要以NaOH-rP(NaOH提取态磷)形态存在,锆改性沸石所吸附的磷主要以NaOH-rP和Res-P(残渣态磷)形态存在. 当水中初始ρ(SRP)很低时,太湖底泥和改性沸石改良太湖底泥均释放出磷,其中后者的释磷量较低. 改性沸石改良太湖底泥中的w(BAP)(BAP为生物有效磷)低于太湖底泥,w(liable-P)(liable-P为弱吸附态磷)也明显偏低. 铝改性沸石改良太湖底泥中的w(BD-P)(BD-P为氧化还原敏感态磷)与太湖底泥相比差异不显著,而锆改性沸石改良太湖底泥中的w(BD-P)明显低于太湖底泥. 可见,铝和锆改性沸石均可用于控制太湖底泥磷的释放,其中锆改性沸石的控制效果更好.      

锆、镧和镧锆改性沸石添加控制底泥磷释放的对比

本研究采用镧和锆作为改性剂制备了3种不同类型的改性沸石,即锆改性沸石(Zr MZ)、镧改性沸石(La MZ)和镧锆改性沸石(La Zr MZ),对比考察了其对水中磷酸盐的吸附作用,并对比研究了其添加对上覆水、间隙水和底泥中磷的影响.结果发现,3种改性沸石均可有效地吸附水中的磷酸盐,且La Zr MZ对水中磷酸盐的吸附性能明显优于La MZ和Zr MZ. 3种改性沸石添加均可有效地降低上覆水和间隙水中SRP的浓度.La MZ对底泥中潜在活性磷的钝化效果优于La Zr MZ,而后者又优于Zr MZ. 3种改性沸石添加均可以降低底泥中水溶性磷(WSP)、藻类可利用磷(AA-P)和铁氧化物-滤纸提取磷(Fe O-P)的含量,WSP和AA-P削减效应的排序为:La MZ La Zr MZ Zr MZ,Fe O-P削减效应的排序为:La Zr MZ Zr MZ La MZ. La Zr MZ和La MZ添加均可以降低底泥中易解吸磷(RDP)的含量,且削减效应的排序为:La MZ La Zr MZ. La Zr MZ和Zr MZ添加均可以降低底泥中Na HCO_3提取磷(Olsen-P)的含量,且削减效应的排序为:La Zr MZ Zr MZ.以上结果显示,镧、锆和镧锆改性沸石均可以有效控制水体内源磷向上覆水的释放;从吸附容量和生物可利性磷钝化效果看,镧锆联合改性沸石是一种非常有希望的用于控制水体内源磷释放的底泥改良材料.     

利用铁改性方解石作为活性覆盖材料控制水体内源磷的释放

虽然利用方解石作为一种活性覆盖材料控制水体内源磷释放具有较好的应用前景,但是其控制底泥中磷释放的效率仍然有待进一步提高.鉴于此,本文采用铁盐对方解石进行改性试图制备一种除磷性能更好的底泥活性覆盖材料——铁改性方解石,进而通过批量实验考察了铁改性方解石对水中磷酸盐的去除性能,以及通过底泥培养实验考察了铁改性方解石活性覆盖控制水体内源磷释放的效率.结果发现,采用铁对方解石进行改性,可以显著提高材料对水中磷酸盐的去除能力.铁改性方解石投加量的增加,有利于水中磷酸盐的去除.增加初始磷浓度,铁改性方解石对水中磷酸盐的单位去除量随之增加,最大的单位磷去除量可以达到3.09 mg·g~(-1).铁改性方解石覆盖可以有效地控制底泥中磷的释放,导致上覆水体中溶解态活性磷(SRP)浓度处于很低的水平.此外,铁改性方解石覆盖还可以促使底泥中少量的氧化还原敏感态磷(BD-P)和金属氧化结合态磷(NaOH-rP)向残渣态磷(Res-P)转变,使得底泥中磷的稳定性略微增强.固定到铁改性方解石覆盖层中的磷大多数(90.8%)以较为稳定和非常稳定的形态存在,且大部分磷以非生物可利用性磷形式存在,很难被重新释放出来.与方解石覆盖相比,铁改性方解石覆盖控制底泥中磷向上覆水体中释放的效率明显更高,且被铁改性方解石覆盖层所钝化的磷更为稳定.以上结果显示,铁改性方解石是一种非常有希望用于控制水体内源磷释放的底泥活性覆盖材料.     

底泥再悬浮状态下生物有效磷形成机制研究

研究了底泥再悬浮状态下,不同形态磷及生物有效磷(BAP)含量的变化,并对生物有效磷的形成机制进行了初步探讨.结果表明,底泥再悬浮对磷的赋存形态有显著的影响.随着底泥再悬浮时间的延长,铁结合态磷(BD-P),铝结合态磷(Al-P),钙结合态磷(Ca-P)含量显著增加,而弱吸附态磷(NH4C1-P)则有所减少.底泥再悬浮后, BAP平均下降6.59%,说明底泥再悬浮促进了 BAP 向难被生物利用态磷的转化.藻类可利用磷(AAP)主要来自BD-P,但提取AAP后,再悬浮底泥BD-P释放量平均下降了33.4%,而对照试验底泥BD-P释放量则增加了19,8%,说明BD-P的性质对AAP的形成有显著的影响;NaHCO,可提取磷 (Olsen-P)主要来自BD-P、Al-P 和 NaOH-nrP,按照三者的释放量, Olsen-P与BD-P的关系更为密切.     

方解石/氯磷灰石混合物添加对水体内源磷迁移转化的调控效应和机制

阐明方解石/氯磷灰石混合物添加对内源磷迁移转化的调控效应与机制,对于其实际应用至关重要.为此,本文采用氯化钙和磷酸钠制备得到氯磷灰石,再与天然方解石进行混合,形成氯磷灰石和方解石的混合物,然后通过批量吸附实验考察了该混合物对水中磷酸盐的去除作用,再通过底泥培养实验考察了该混合物添加对底泥中磷迁移转化的影响.结果表明,该混合物对水中磷酸盐的去除能力明显强于单纯的方解石和氯磷灰石;该混合物对水中磷酸盐的去除动力学过程较好地符合准二级和Elovich动力学模型;增加方解石和氯磷灰石的投加量均有利于该混合物对水中磷酸盐的去除;溶液共存钙离子促进了该混合物对水中磷酸盐的去除.该混合物的添加可以有效控制底泥中磷向上覆水体的释放,导致上覆水中的溶解性活性磷(SRP)浓度处于相对较低的水平.此外,该混合物添加还可以降低间隙水中SRP的浓度,其对间隙水中SRP的削减作用对其调控底泥中磷向上覆水体的迁移转化起到重要的作用.该混合物添加虽然会增加底泥中磷的含量,但所增加的磷主要是以稳定的钙磷形式存在,发生二次污染的风险低.结果显示,方解石/氯磷灰石混合物可以作为底泥改良材料用于水体内源磷释放的控制.     

镁铁层状双金属氢氧化物对磷酸盐的吸附作用及对内源磷释放的控制效果及机制

为确定镁铁层状双金属氢氧化物(Mg/Fe-LDH)添加对水体内源磷释放的控制效果及机制,本文首先研究了Mg/FeLDH对水中磷酸盐的吸附特征和机制,再研究了其添加对底泥磷吸附能力的影响以及对上覆水和间隙水中磷的影响进而评估了吸附磷酸盐后Mg/Fe-LDH中磷的稳定性.结果发现,与准一级和准二级动力学模型相比,Mg/Fe-LDH对水中磷酸盐的吸附动力学过程更好地满足Elovich模型;与Langmuir模型相比,Freundlich和Dubinin-Radushkevich模型更加适合用于描述Mg/Fe-LDH对水中磷酸盐的等温吸附行为;当溶液pH值为4～10时,吸附容量相对较高,而当pH值由10增加到11时,吸附容量则显著下降;共存Ca~(2+)和Mg~(2+)对吸附起促进作用,Na~+和Cl~-的影响可以忽略不计,而SO_4~(2-)和HCO_3~-则对吸附起负面影响.阴离子交换、静电吸引、配位体交换和内层配合物形成是Mg/Fe-LDH吸附水中磷酸盐的主要机制.Mg/Fe-LDH添加不仅会降低上覆水中溶解性活性磷(SRP)浓度而且会降低间隙水中SRP浓度.Mg/Fe-LDH添加也会显著增强底泥对水中磷酸盐的吸附能力,且投加量越大,促进效果越明显.被Mg/Fe-LDH所吸附的磷酸盐主要以NH_4 Cl提取态磷(NH_4Cl-P)、氧化还原敏感态磷(BD-P)和金属氧化物结合态磷(NaOH-rP)形态存在,分别占总磷的13.7%、34.0%和52.3%.被Mg/Fe-LDH所吸附的磷酸盐中大约有一半的磷会以较为稳定的形式存在不容易被重新释放.考虑到被Mg/Fe-LDH所吸附磷酸盐中大约有一半的磷会以不稳定的形式存在,存在重新释放的风险,因此将吸附饱和后的Mg/Fe-LDH进行回收是非常必要的.     

再悬浮条件下底泥中磷赋存形态的转化研究

以富营养化河流的底泥和上覆水为材料,研究了底泥再悬浮条件下,磷的赋存形态的变化特征,并对不同形态磷之间可能的转化途径进行了探讨.结果表明,底泥再悬浮条件下,磷的释放及吸附均与底泥再悬浮的频率密切相关.再悬浮导致底泥中不同形态磷的数量分布发生了明显变化. BD-P和NaOH-nrP的含量显著减少,而Ca-P的含量明显增加,其余各形态磷的变化幅度很小.这表明, BD-P和NaOH-nrP可能转化成Ca-P.而潜在活性磷与生物有效磷的形成量也表明,底泥再悬浮促进了易释放态磷与生物有效磷向难释放态磷与难被生物利用态磷的转化,并且这种促进作用随着底泥再悬浮的频率的增加而增加.