城市小型浅水湖泊沉积物磷的吸附释放特性及覆盖控制研究

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孔目湖是位于江西省南昌市某高校边的城市小型浅水湖泊,受校园及周边居民生活污水排放、动植物残骸和雨水径流等共同影响,水体富营养化程度相对严重。本文以孔目湖为研究对象,通过研究孔目湖沉积物磷的赋存形态、含量的变化规律,对沉积物不同赋存形态磷的空间分布特征及其相关性进行分析,并结合室内模拟实验探究沉积物磷的吸附释放特性及不同环境条件下对沉积物磷吸附释放行为的影响,同时对比高岭土、沸石、方解石三种覆盖材料对沉积物磷释放的抑制效果,在此基础上研究不同环境条件下对方解石覆盖控制沉积物磷释放的影响。主要结论如下:(1)孔目湖沉积物中TP含量为2338.63-2954.98 mg/kg,其主要形态为Fe-P;各采样点TP的含量的高低排序为:L8>L2>L1>L5>L7>L3>L4>L6>L9;沉积物的各形态磷含量由高到低的排序为:Fe-P>De-P>Ca-P>OP>Al-P>Oc-P>Ex-P。沉积物磷的赋存形态的水平分布特征表明,同一监测点不同形态磷Fe-P、De-P、Ca-P及OP的含量变化呈现相同变化规律,其含量大小均为Fe-P>De-P>Ca-P>OP;不同监测点同一形态磷的含量变化存在一定差异性。沉积物磷的赋存形态的垂直分布特征表明,沉积物磷呈现的表层富集现象揭示了内源污染较严重,其一方面受人工干扰的影响较大,其主要因素为大量外源磷的输入;另一方面可能与沉积物的特性也有关。通过相关性分析得知,沉积物中的TP含量与Fe-P含量间呈显著正相关,表明沉积物中TP的富集主要来自于Fe-P含量的增长。(2)孔目湖表层沉积物对磷的动力学吸附特征符合Lagergren准二级吸附动力学方程,表层沉积物对磷的吸附主要发生在0-3 h内,快吸附过程发生在0-1 h内,1-3 h内为慢吸附阶段。低浓度条件下,3个采样点均存在解吸行为,随着磷浓度的增加逐渐进入吸附阶段;高浓度条件下,表层沉积物对磷的吸附等温特征符合Langmuir模型,对磷的最大吸附容量(Qmax)变幅为555.56-625.00 mg/kg。孔目湖各采样点表层沉积物对磷的吸附/解吸平衡质量浓度(EPC0)的变幅为0.129-0.177 mg/L,其小于上覆水中磷酸盐的含量,表现为磷“汇”,可以初步判定孔目湖沉积物在短期时间内向上覆水释放风险较小,对上覆水水体磷起到缓冲效果。在酸性或中性条件下,表层沉积物对磷的吸附作用明显;而在碱性条件下,表层沉积物对磷的吸附作用不明显,且上覆水pH值越大,吸附量越小。(3)孔目湖沉积物磷的释放量随着时间的增加呈先上升后下降趋势,并在第7天释放量达到最大值,沉积物磷释放的最大浓度为0.380 mg/L。上覆水pH值对沉积物磷释放的影响特征明显,碱性环境条件下沉积物磷的释放量较大,酸性或中性环境条件下沉积物磷的释放量较小。上覆水温度对沉积物磷的释放影响很大,且温度越高,上覆水TP含量越大,沉积物磷的释放量越大,而低温条件下沉积物磷的释放反而得到抑制,上覆水TP含量最低,沉积物磷的释放量也是最小的。上覆水扰动对于浅水湖泊来说,是影响沉积物磷释放的一个重要物理因素。随着扰动强度的增加,上覆水TP含量也不断上升。但持续的扰动不能导致沉积物磷的不断释放,沉积物再悬浮颗粒物可以吸附上覆水中的磷,并产生絮凝沉淀作用进入沉积物中,随着扰动时间的增加,扰动所导致的沉积物磷释放的作用有所减弱。(4)通过室内模拟覆盖实验,三种覆盖材料对覆盖沉积物磷释放均具有较好的控制效果,且方解石>高岭土>沸石>空白组,其中覆盖沉积物磷释放的覆盖效果最好的是方解石组,第17天后上覆水TP含量为0.136 mg/L,抑制率为77.67%。方解石覆盖层材料用于孔目湖覆盖沉积物磷释放的最佳粒径为500目,第17天后上覆水TP含量为0.021 mg/L,抑制率为64.91%。方解石覆盖材料用于孔目湖覆盖沉积物磷释放的最佳厚度为3-5 cm,第17天后上覆水TP含量分别为0.136 mg/L、0.030 mg/L,抑制率分别为77.67%、95.02%。上覆水温度越高,方解石覆盖沉积物磷释放量越小,对沉积物磷释放的控制效果越好。第17天后上覆水水温为5℃、25℃、35℃条件下的方解石覆盖层的沉积物-上覆水水体中TP含量分别为0.017mg/L、0.051 mg/L、0.019 mg/L,相对应抑制率分别为97.15%、91.60%、96.97%。上覆水扰动强度越大,方解石覆盖沉积物磷释放量越大,且方解石覆盖沉积物磷释放的抑制率也相应降低。上覆水扰动强度50 r/min、150r/min、250 r/min条件下,抑制率分别为74.30%、72.63%、69.24%,说明上覆水扰动对方解石覆盖沉积物磷释放有一定的影响,但在短期内可以抑制内源磷的释放。
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