镧改性沸石活性覆盖控制重污染河道底泥溶解性磷酸盐和铵释放研究

通过实验考察了镧改性沸石对水中磷酸盐和铵的吸附性能,并探讨了低溶解氧情况下镧改性沸石覆盖控制底泥溶解性磷酸盐和铵态氮释放的效率.镧改性沸石对水中磷酸盐和铵的吸附动力学过程满足准二级动力学模型.镧改性沸石对水中磷酸盐的吸附平衡数据可以采用Langmuir等温吸附方程加以描述,对水中铵的吸附平衡数据可以采用Langmuir、Freundlich和Dubinin-Radushkevich(D-R)等温吸附方程加以描述.当pH 7时,镧改性沸石吸附水中磷酸盐的机制包括配位体交换、路易斯酸碱反应和静电吸引,吸附水中铵的机制是阳离子交换.镧改性沸石覆盖不仅可以有效地控制溶解性磷酸盐从底泥向上覆水的释放,而且可以明显降低铵态氮从底泥向上覆水迁移的速率.镧改性沸石覆盖量越多,控制底泥铵态氮释放的效果越好.镧改性沸石覆盖层吸附从底泥中释放出来的溶解性磷酸盐后主要以较为稳定的形态存在,低溶解氧情况下不容易重新释放出来.上述结果表明,镧改性沸石适合作为一种覆盖材料用于控制低溶解氧情况下溶解性磷酸盐和铵态氮从底泥向上覆水的释放.     

紫色母岩覆盖层控制底泥磷释放的效果及机制

选取重庆地区分布面积较广的3种紫色母岩(飞仙关组、蓬莱镇组和遂宁组),和2种经众多研究证明可有效控制底泥污染物释放的岩石(石灰石和方解石)作为活性覆盖材料,进行底泥覆盖模拟实验,研究紫色母岩覆盖层对底泥磷素释放的控制效果及机制.结果表明,3种紫色母岩覆盖层对底泥总磷向上覆水体释放的抑制作用较强,远好于方解石与石灰石(P0.05).其中,飞仙关组紫色母岩覆盖层对底泥总磷向上覆水体释放的抑制效果最好,抑制率为94.4%.5种覆盖材料均可促进底泥总磷的释放与转化,显著促进底泥OP原位转化为Ca-P,而3种紫色母岩覆盖层更有利于底泥释放出的磷转化为无机磷和有机磷.同时,5种覆盖材料均会改变底泥及上覆水体微生物的群落结构,其中PLFA16:0标记的细菌数量与上覆水体的总磷含量呈显著负相关.     

微孔曝气与覆盖对城市重污染河道底泥磷形态分布及释放过程的影响

采用自行研发的泥-水界面微孔曝气系统,开展了底泥表面曝气和覆盖对城市重污染河道底泥磷释放及形态分布规律的影响研究.结果表明,微孔曝气能够有效提高上覆水的溶解氧(DO)和沉积物的氧化还原电位(Eh),能够将泥-水界面Eh维持在-100 m V左右,DO提高到6 mg·L-1以上.与对照比较,原位覆盖处理的上覆水DO和Eh有一定提高,但仍明显低于微孔曝气处理.与对照相比较,微孔曝气处理均有效降低上覆水中总磷(TP)和溶解性正磷酸盐(PO3-4)的含量.试验结束时,微孔曝气(A)和微孔曝气+原位覆盖处理(A+C)上覆水中TP含量由初始的0.201 mg·L-1分别降至0.062 mg·L-1和0.050 mg·L-1;上覆水中PO3-4含量由0.086 mg·L-1和0.078 mg·L-1分别降至0.026 mg·L-1和0.023 mg·L-1.与对照相比,微孔曝气处理明显降低了底泥间隙水中TP的浓度,在整个培养期间,其TP含量平均下降38.8%(A)和47.9%(A+C).底泥原位覆盖处理对抑制泥-水界面磷释放能力要弱于微孔曝气处理,而且在试验后期(50 d),上覆水中TP和PO3-4的含量均有所反弹.不管有无覆盖,泥-水界面微孔曝气处理均显著改变了表层底泥磷形态分布特征,显著降低了底泥中铁铝结合态磷(Fe/Al-P)组分比例,而钙结合态磷(Ca-P)含量比例却出现明显增加.单一的表面覆盖处理对底泥磷形态分布特征没有显著影响(P0.05).研究表明,与单一的处理效果相比较,泥-水界面纳米微孔曝气处理,并结合底泥原位覆盖,更有利于抑制城市重污染河道泥-水界面中磷的释放风险.     

5种天然矿物修复铅污染沉积物的实验研究

以重金属离子Pb2+为研究对象,通过吸附解吸实验,研究了沸石、方解石、钾长石、钙基和钠基膨润土等5种天然矿物材料对水体中Pb2+的吸附固定效果,它们的吸附等温线都符合Langmuir等温吸附模型。结果表明试验所用方解石对Pb2+的饱和吸附量约为185mg/g,是其他几种材料的2～3倍,而且方解石对Pb2+具有明显的不可逆吸附现象,使得吸附后的Pb很难解析下来,说明方解石对水溶液中Pb2+的固定能力非常强。利用模拟自然水体性质的电解液对方解石吸附后Pb的生物有效性进行评价,结果表明被方解石固定后Pb的生物有效性非常低。最后结合方解石作为原位活性覆盖材料的经济可行性和生态风险性分析,说明方解石作为重金属污染沉积物修复的原位活性覆盖材料具有较强的实际可操作性,为后继的重金属污染沉积物的原位活性覆盖技术提供理论支持。     

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.     

沉降除藻协同沉积物覆盖对藻华水体甲烷释放的影响

本研究以藻华水体甲烷释放为对象,利用模拟柱培养实验,探究了沉降除藻和沉积物覆盖复合技术对富营养化甲烷释放的影响.结果表明,沉降除藻结合沉积物覆盖处理可有效改善水环境,实现对甲烷释放的控制,但不同覆盖材料的效果存在差异;活性炭效果要优于土壤和沸石.相比于对照体系水体溶解氧(DO)2. 5 mg·L-1和氧化还原电位(ORP)100 m V,沉积物界面ORP -125 m V,沉降除藻协同活性炭覆盖体系中水体DO和ORP分别升高至3. 1 mg·L-1和174 m V,沉积物界面ORP逆转为168 m V,实验期间甲烷释放量相对于对照组减少90. 2%.研究结果在富营养水体甲烷减排方面具有指导性意义.     

氢氧化镁对水体内源磷释放的控制作用

本研究首先通过批量实验考察了氢氧化镁对水中磷酸盐的吸附性能,再通过底泥模拟释放实验考察了氢氧化镁覆盖和添加控制底泥中磷向上覆水体释放的效果及机制.结果表明,氢氧化镁对水中磷酸盐具有良好的吸附能力,其投加量的增加有利于水中磷酸盐被其所吸附去除,与Langmuir模型相比,其对水中磷酸盐的等温吸附行为更适合采用Freundlich和Dubinin-Radushkevitch （D-R）模型加以描述.氢氧化镁覆盖可以有效地控制底泥中磷向上覆水体的释放,使得上覆水中SRP浓度处于较低的水平,即使覆盖层的结构完整性受到扰动破坏而导致覆盖材料与表层底泥的混合,氢氧化镁仍然可以有效地控制底泥中磷向上覆水体的释放.氢氧化镁覆盖和添加均可以有效地降低最上层（0~10 mm）底泥间隙水中SRP的浓度,这对于其覆盖和添加有效控制底泥中磷向上覆水体的释放是至关重要的.人工合成的氢氧化镁对水中磷酸盐的吸附性能优于商业购买的氢氧化镁,前者控制水体内源磷向上覆水体释放的效果也优于后者.以上结果显示,氢氧化镁是一种有希望用于控制水体底泥内源磷释放的活性覆盖和改良材料.     

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.     

Four kinds of capping materials for controlling phosphorus and nitrogen release from contaminated sediment using a static simulation experiment

• Lanthanum modified bentonite (LMB) can effectively absorb phosphorus (P). • Water treatment plant sludge (WTPS) capping is effective for controlling P release. •Aluminum-based P-inactivation agent (Al-PIA) is an efficient P control material. •The P adsorbed by WTPS and Al-PIA is mainly in the form of NAIP. We determined the effects of quartz sand (QS), water treatment plant sludge (WTPS), aluminum-based P-inactivation agent (Al-PIA), and lanthanum-modified bentonite (LMB) thin-layer capping on controlling phosphorus and nitrogen release from the sediment, using a static simulation experiment. The sediment in the experiment was sampled from Yundang Lagoon (Xiamen, Fujian Province, China), which is a eutrophic waterbody. The total phosphorus (TP), ammonium nitrogen (NH₄⁺-N), and total organic carbon (TOC) levels in the overlying water were measured at regular intervals, and the changes of different P forms in WTPS, Al-PIA, and sediment of each system were analyzed before and after the test. The average TP reduction rates of LMB, Al-PIA, WTPS, and QS were 94.82, 92.14, 86.88, and 10.68%, respectively, when the release strength of sediment TP was 2.26–9.19 mg/(m²·d) and the capping strength of the materials was 2 kg/m². Thin-layer capping of LMB, WTPS, and Al-PIA could effectively control P release from the sediment (P<0.05). However, thin-layer capping of LMB, Al-PIA, and QS did not significantly reduce the release of ammonium N and organic matter (P > 0.05). Based on our results, LMB, Al-PIA, and WTPS thin-layer capping promoted the migration and transformation of easily released P in sediment. The P adsorbed by WTPS and Al-PIA mainly occurred in the form of NAIP.     

覆盖法控制城市河涌底泥磷释放研究

建立了一套包含有城市河涌底泥、覆盖材料及上覆水的小试装置,采用粉煤灰、水泥、沸石、河砂、玻璃珠等不同物质作为覆盖材料,在厌氧条件下,覆盖材料对城市河涌底泥磷释放的控制效果进行了研究.结果表明,在培养温度为25℃,覆盖材料用量为6.0kg·m-2时,玻璃珠、河砂、沸石、粉煤灰、水泥对PO43-释放的抑制率分别为40.0%、46.7%、60.0%、75.6%、88 9%;覆盖材料对PO43-的抑制作用可归结为覆盖材料的覆盖效应、化学效应和吸附效应;覆盖材料对PO43-释放的抑制率均随着温度的升高而降低;覆盖材料用量对PO43-抑制率影响较大,对于水泥、粉煤灰、沸石、河砂,要达到约50%的PO43-释放抑制率,其用量分别为2.0、2.0、6.0、10.0 kg·m-2,选用粉煤灰作为覆盖材料较合适;从重金属毒理学方面讲,覆盖材料不会对底泥及区域土壤造成影响.