沸石/水合金属氧化物用于控制富营养化水体中底泥磷释放的研究

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近年来,水体富营养化现象愈演愈烈,而底泥内源磷释放成为导致富营养化问题的主要来源。本文针对分层或扰动不明显的富营养化水体,开发了价廉的沸石/水合氧化铝底泥覆盖剂;针对扰动明显的浅水富营养化水体,开发了效果良好的沸石/水合氧化镧覆盖剂。通过28天底泥柱覆盖实验及批量实验,研究了沸石/水合氧化铝对上覆水中磷的去除能力及控制底泥内源磷释放的效果。另外,还研究了经沸石/水合氧化镧改良后的太湖底泥对水中磷的吸附能力,以及在不同环境条件(pH、温度、厌氧)下和实际太湖水存在条件下该吸附材料对底泥磷释放的控制效果。对沸石/水合氧化铝的研究结果表明:1)沸石/水合氧化铝对磷、NH4+及Mn2+的最大吸附量分别为11.88、7.74和13.23 mg/g,是纯底泥对三者吸附量的7.3、10.3和10.5倍,说明该材料不仅能够吸附磷酸根离子,对部分阳离子态的污染物如NH4+及Mn2+也具有一定的吸附效果。2)随着水体环境pH值的升高,沸石/水合氧化铝对磷的去除能力逐渐下降,但依旧保持较高水平,即便当pH值为10时,该材料对磷的去除率仍保持在55%以上。3)采用连续提取法对沸石/水合氧化铝投加前后的底泥各级磷含量进行了分析,发现在底泥中添加该材料后,能够将部分易释放态磷(NH4Cl-P、BD-P和Org-p)转化为较稳定的NaOH-P及Res-P。与此同时,该材料也能有效地抑制厌氧条件下的底泥磷释放情况。4)通过28天的原位覆盖实验可以发现,相比传统吸附材料明矾而言,沸石/水合氧化铝对降低上覆水中磷的浓度及控制底泥磷释放更持久有效。另外,沸石/水合氧化铝覆盖在底泥表面能够增强底泥的稳定性,抗扰动能力增强。对沸石/水合氧化镧的研究结果表明:1)底泥中仅投加24‰沸石/水合氧化镧可使磷的最大吸附量达到3.02mg/g,即底泥磷吸附量增加约两倍。对磷的吸附过程满足Langmuir模型,通过计算得到的沸石/水合氧化镧最大固磷能力为61.44mg/g,明显高于文献中报导的其它底泥改良材料。2)磷分级结果表明,沸石/水合氧化镧能将底泥中的易释放态磷(NH4Cl-P、BD-P、Org-p及NaOH-P)转化成最稳定的磷形态(HCl-P和Res-P)。3)碱性pH(>9.0)、高温和厌氧条件能够促进底泥中磷的释放,但通过向底泥中投加沸石/水合氧化镧能显著抑制磷的释放情况。4)厌氧条件下底泥还出现了氨氮和锰离子释放的现象,但沸石/水合氧化镧也能够良好的控制这些具有生物毒性污染物的释放5)在实际太湖湖水实验中,沸石/水合氧化镧改良后的太湖底泥也显示出很好的控磷效果。因此,沸石/水合氧化镧是一种可以有效抑制底泥内源磷释放从而控制水体富营养化的新型底泥覆盖材料。综上所述,本课题从吸附机制、影响因素和实际应用角度研究了沸石/水合金属氧化铝及沸石/水合金属氧化镧对富营养化水体中的底泥磷释放控制效果。证明这两种材料不仅能够高效去除上覆水中的磷含量,对底泥内源磷的释放也具有良好的控制效果。此外,此类吸附材料利用了年产量巨大的固体废弃物粉煤灰,解决了粉煤灰的后期处置问题。因此,这两种吸附材料对富营养水体的控制具有极大的应用前景。
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