矿物基活性覆盖材料对富营养化湖泊沉积物磷的控制研究进展

论述了内源磷释放对湖泊富营养化造成的影响,根据不同的性质对黏土矿物进行了系统分类,归纳了国内外关于黏土矿物对控制沉积物磷释放的研究和应用进展,分析了黏土矿物控制沉积物磷释放的应用效果和作用机理,并对未来应用黏土矿物治理与修复湖泊沉积物的发展方向进行了展望。

鄱阳湖水位对沉积物磷释放的影响及总磷考核建议

为探讨干湿交替对湖泊沉积物内源磷释放的影响,结合基础资料和模拟试验,研究了鄱阳湖水位波动及其驱动下沉积物中磷的释放过程,并对湖区总磷(TP)考核提出建议。结果表明:2020~2022年鄱阳湖星子站水位高幅波动,最高水位差分别为15.01,11.42 m和12.69 m,导致水面面积也呈现高度动态性,最低水位时的裸露面积分别达到3433.92,3442.40 km^(2)和3618.36 km^(2),大面积沉积物会经历干湿交替过程;沉积物磷释放模拟试验结果显示,南矶山和青岚湖断面沉积物经历裸露-暴晒-淹水后,淹水初期沉积物TP的平均释放通量分别高达16.67 mg/(m^(2)·d)和13.23 mg/(m^(2)·d);综合考虑鄱阳湖水体中TP组成特征和水位波动的影响,建议湖区国控断面以活性磷酸盐(SRP)或者溶解性总磷(TDP)替代TP作为磷考核指标,并动态调整磷考核标准的阈值,当星子站水位低于11.00 m时以河流标准考核。

水体沉积物磷控制技术

水体中的磷主要来源于外源磷输入和内源磷释放,外源磷的输入已受到人们的广泛关注逐步得到控制,内源磷释放成为水体富营养化中磷的主要来源,因此研究内源磷释放控制技术具有重要意义。文章介绍了沉积物磷释放的影响因素,溶解氧,温度,pH值,微生物,盐度,扰动等因素都对沉积物磷释放有很大的影响。简要阐述了磷释放控制技术的研究进展及应用概况,包括沉积物中注入硝酸钙控制技术,HCl改性沸石和方解石复合覆盖层控制底泥磷释放,赤泥控制沉积物磷释放,水生植物控制沉积物磷释放。还介绍了沉积物磷释放控制技术的发展前景,认为在考虑处理效果的同时也应充分考虑经济效益,如利用赤泥,沸石等廉价材料。研究异位/原位联合生物修复技术控制沉积物磷也可能成为湖泊底泥污染的一个发展方向。

改性膨润土的制备及其对沉积物磷的吸附性能研究

通过盐酸、碳酸钠、高温焙烧及复合改性等多种方法对膨润土颗粒进行改性,并借助扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪以及转靶X射线衍射仪等仪器对其进行表征,探讨最合适改性方法,研究改性膨润土对富营养化浅水湖泊沉积物各形态磷的吸附性能和机理。结果表明:10%碳酸钠改性+450℃高温焙烧复合改性为最合适改性方法,对沉积物总磷的去除率为29.76%;阴离子配位交换吸附可能是改性膨润土吸附沉积物磷的主要途径。改性膨润土对湖泊沉积物磷具有较好的吸附效果,是一种可原位处理湖泊富营养化内源磷负荷的高效、经济型新材料。

改性沸石的沉积物磷钝化效果研究

通过室内模拟实验,对天然沸石及不同方法改性沸石的磷吸附性能及沉积物磷钝化效果进行了对比研究。磷吸附实验结果表明,磷吸附量大小为改性沸石Z3>改性沸石Z2>改性沸石Z1>天然沸石,35d的平均吸附量分别为832、466、168和70mg/kg。改性沸石的磷吸附量与沸石含量正相关,并随时间呈增长趋势,其中改性沸石Z3第35d的磷吸附量可达1690mg/kg。离子交换量测定结果显示,沸石经改性后促进了Ca2+的释放,同时减少了K+、Na+的释放量。沉积物磷钝化实验表明,改性沸石可有效减少沉积物TP、DRP的释放,减少释放量达80%以上。天然沸石主要通过表面吸附减少水体磷含量,其次,物理阻隔作用拓展了钝化作用的时间和空间。Al(OH)3絮凝物通过表面吸附、电中和及架桥作用可显著提高改性沸石的磷吸附量,增强沉积物磷钝化效果。

典型城市浅水湖泊沉积物磷原位物理化学控制技术

沉积物磷是受污染的典型城市浅水湖泊中重要的内源磷来源,关于沉积物控制技术的研究近年来受到广泛重视。针对沉积物磷原位处理技术,将其按原位物理技术和原位化学技术两方面进行了分类,并总结了各个类别中各技术的作用特点和研究进展,并对原位处理技术的未来发展进行了展望。

杭州西湖沉积物磷分析及释放风险

本研究以杭州西湖的茅家埠、小南湖以及乌龟潭等3个子湖中的沉积物为研究对象,研究其中沉积物磷赋存形态,通过对沉积物磷吸附指数(phosphorus sorption index, PSI)与磷吸附饱和度(phosphorus saturation, DPS)进行测定与计算并根据两者对西湖沉积物磷的释放风险进行了客观评估.对沉积物风险分析表明:杭州西湖沉积物呈还原态,表现出强氧化性;沉水植物的生长会对沉积物的氧化还原电位产生影响,沉水植物盖度越大,沉积物氧化还原电位越高,氧化性越强;沉积物磷污染状况严重,沉积物中磷的吸附容量主要与其中活性铁铝氧化物的含量有关;杭州西湖不同区域的沉积物磷的吸附指数有较大的不同,主要与区域的生态化逆境相关;受各种相关因素影响,杭州西湖沉积物磷的释放处于中度偏轻的风险状态.

镧改性膨润土对浅水湖泊水体磷浓度和沉积物磷形态的影响

分析湖泊沉积物磷形态的变化是揭示控制沉积物磷释放机理的关键.本研究分析了暨南大学南湖加镧改性膨润土前后水体磷浓度和沉积物磷形态变化,以探讨镧改性膨润土对削减水体磷浓度的效果.结果显示,镧改性膨润土添加后,上覆水磷浓度波动较大,总体呈下降趋势;至60d时,水体总磷、颗粒态磷、总溶解磷和溶解性反应磷分别比添加前下降了45.1%、44.1%、48.2%和85.3%;沉积物中的弱结合态磷和氧化还原敏感性磷含量减少,更稳定的磷灰石结合态磷和残渣磷含量增加,而金属氧化物磷和有机磷含量变化较小.本研究表明镧改性膨润土能改变沉积物磷形态,使活性磷转化为稳定的磷形态,从而提高沉积物对磷的滞留能力、降低湖水磷含量,改善水质.

不同溶解氧质量浓度和pH值条件下3种钝化剂对沉积物磷释放通量及磷形态的影响

为了探究环境因子对磷钝化剂作用效果的影响,在沉积物柱中设置了溶解氧(DO)质量浓度分别为0.60、4.00、8.00 mg·L^(-1)和pH值分别为5.5、7.5、9.5的环境条件,分别添加一定剂量的铝盐、铁盐和锁磷剂后,检测上覆水磷质量浓度,并探讨了沉积物磷释放通量和沉积物磷形态的变化。结果表明:随着溶解氧质量浓度的增加,铁盐组中沉积物磷平均释放通量逐渐降低,分别为0.35、0.20、0.10 mg·m^(-2)·d^(-1),主要是在好氧条件下,铁盐促进了沉积物中生物有机磷(NaOH-nrP)的分解,从而降低了沉积物活性磷的释放通量。铝盐和锁磷剂在厌氧或好氧条件下均能显著降低沉积物中弱吸附态磷(NH_4Cl-P)或NaOH-nrP的比例,抑制沉积物磷的释放,从而将上覆水总磷(TP)质量浓度控制在0.03 mg·L^(-1)以下。随着pH值升高,铝盐和铁盐组中沉积物磷平均释放通量呈增加趋势,在pH值为9.5时,铝盐或铁盐均不能降低沉积物活性磷质量分数从而抑制磷释放。锁磷剂组中沉积物磷平均释放通量随着pH值的升高均显著低于对照组,沉积物中活性磷NH_4Cl-P质量分数减少了0.12%,氧化还原敏感态磷(BD-P)减少了5.0%～12.0%,从而降低了沉积物活性磷的释放通量。因此,锁磷剂能显著抑制沉积物磷释放,受溶解氧质量浓度和pH值的影响较小,在沉积物内源磷控制中具有较广泛的适用前景。

九龙江西溪流域沉积物磷的形态与时空分布特征

沉积物磷的内源释放是导致水体富营养化和水华爆发的重要原因。本研究通过现场监测、GIS技术、模型模拟、数理统计等方法,在人类扰动剧烈的九龙江西溪流域开展河流沉积物磷的赋存形态及分布特征研究。研究结果表明,西溪表层水磷浓度和沉积物TP含量在空间上都呈下游较高、上游较低的分布形态;此类TP含量处于143至1516 mg·kg^(-1)的范围内,均值是691 mg·kg^(-1),常见赋存形态是IP,但IP内主要的还是Fe/Al-P,多种形态磷的具体含量变化几乎都满足下列关系式:Ca-P<OP<Fe/Al-P;10月份沉积物TP含量最低,3月份含量最高,和水体内SRP浓度具有相同的变化规律。Fe/Al-P是西溪表面沉积物内TP含量提升的首要原因,OP次之。除此之外,IP与Ca-P对水体内磷含量产生了巨大影响,而氯离子与叶绿素a同样会对水体中磷的浓度产生显著影响,这两个值升高的时候,SRP、TDP与TP均会随之增多,同时温度升高也会增大水体的SRP与TDP浓度。研究结果对人类扰动剧烈的近海流域富营养化防治与水环境保护具有参考价值。

氧化还原条件对红枫湖沉积物磷释放影响的微尺度分析

选取贵州红枫湖为研究对象,在实验室条件下模拟了自然、好氧和厌氧条件下沉积物内源磷的释放过程,联合应用微电极技术和沉积物磷形态分析对沉积物—水界面开展了微尺度观测与研究.结果表明,厌氧条件下红枫湖沉积物总磷含量显著降低,且主要是NaOH提取态磷(NaOH-P)和残渣态磷(rest-P)含量降低所致,厌氧条件下沉积物孔隙水中磷酸盐浓度明显升高,而好氧条件下沉积物孔隙水磷酸盐浓度显著降低,反映厌氧条件显著促进了红枫湖沉积物磷释放.厌氧条件下沉积物内部溶解氧浓度下降、硫还原活动增强可能是导致NaOH-P释放的主要原因.O_2浓度的降低加速了沉积物还原作用并产生大量H2S,进而与二价铁离子形成硫化亚铁沉淀,最终导致NaOH-P(Fe-P)释放到孔隙水中.好氧条件向厌氧条件的转换可通过改变沉积物内部pH值分布和微生物活动促使rest-P释放:厌氧条件下,厌氧微生物不仅可以消耗硫酸根产生H_2S,导致pH值降低,还可消耗有机质,将有机磷转变为无机磷.上述研究结果表明,沉积物—水界面氧化还原环境可影响沉积物氧渗透深度、pH值分布、微生物活动、硫循环以及有机质降解过程,进而控制沉积物磷的形态转化与释放.联合应用微电极技术和沉积物磷形态分析对湖泊沉积物—水界面开展微尺度观测研究是揭示沉积物内源磷释放机制与控制因素的有效途径.

改性膨润土和沉水植物联合作用处理沉积物磷

首次将改性膨润土(modified bentonite,MB)作为原位吸附材料与沉水植物苦草(Vallisneria spiralis,V.spiralis)联合处理沉积物磷.研究结果表明,MB可以促进沉水植物V.spiralis的生长,V.spiralis可能通过根系分泌作用促进溶磷或是通过促进根际微生物群落的P代谢活性增加沉积物中的生物可利用性P含量.MB与沉水植物V.spiralis对沉积物P的联合作用效果优于MB和沉水植物V.spiralis单独作用之和.厚度5cm MB和V.spiralis联合作用对沉积物TP,IP,OP,Fe/Al-P和Ca-P的去除率可达59.8%,57.1%,67.8%,66.7%和44.7%.微生物试验结果表明,厚壁菌门Erysipelotrichaceae科的菌属PSB-M-3是联合组相比单一V.spiralis组或单一MB组微生物群落P代谢功能增强的主要贡献者.本研究还首次发现了Erysipelotrichaceae科微生物可作为沉积物中潜在的除磷菌.研究结果表明MB和沉水植物联合控制沉积物磷技术可进一步应用到富营养化湖泊沉积物控制工程.

外源硫酸盐对武汉墨水湖沉积物磷迁移的影响

对武汉市重污染湖泊——墨水湖沉积物及上覆水进行6周的室内模拟实验。结果表明,硫酸盐输入后促使上覆水中pH上升,而Eh出现下降。3周后外源硫酸盐在上覆水和沉积物间隙水中降至很低水平。SO2-4增强了有机质的分解,同时刺激了沉积物磷的释放,其释放量为沉积物上层>中层>下层,其浓度严重超过了富营养化水平。整体上,无机磷的含量占总磷的80%。上覆水和沉积物间隙水中溶解性活性磷(SRP)与SO2-4呈负相关,外源硫酸盐还原过程中因促进沉积物中磷的释放迁移,增加了湖泊上覆水的磷浓度水平。

湖泊沉积物内源磷通量定量方法与研究展望

磷是湖泊初级生产力的关键限制性元素。沉积物磷释放是湖泊水体磷的重要内源,特别是在外源磷输入得到有效控制的湖泊。量化湖泊内源磷通量对科学制定湖泊富营养化治理策略具有十分重要的现实意义。本文综述了现有的湖泊内源磷通量的定量估算方法,即原位观测法、沉积物柱芯培养法、孔隙水浓度剖面估算法、质量平衡法、同位素质量平衡法和经验公式法,系统分析了6种方法的原理、操作、优缺点及适用性;讨论了内源磷总通量与净通量的差异、时间和空间尺度的重要性以及深分层湖泊与浅分湖泊的区别。最后就加强湖泊内源磷通量及其环境意义的研究提出建议:为了正确评估内源负荷对湖泊水体磷的贡献,应强调总通量而不是净通量,重视沉降通量和沉积物再悬浮与再沉积的研究;应根据研究目的选择恰当的时空尺度;应重视内源磷负荷对湖泊初级生产力影响的研究。

景观水体上覆水硝态氮浓度对沉积物中磷释放的影响

通过为期60 d的静态模拟试验,探究再生水回用于景观水体时硝态氮浓度对沉积物中磷释放的影响。结果表明:上覆水较高的硝态氮浓度可提高水体氧化还原电位(ORP),降低沉积物脱氢酶活性(DHA)并抑制Fe2+的生成,从而抑制缺氧条件下铁吸附态磷(BD-P)还原造成的内源磷释放。硝态氮作为电子受体,可降低间隙水中总磷(TP)和磷酸盐浓度以及沉积物中易释放态磷(弱吸附态磷(NH4Cl-P)和有机磷(NaOH-nrP))的含量,从而根本上降低内源磷释放潜力和速率。当上覆水中硝态氮质量浓度为7.50 mg/L时,沉积物中磷释放可以得到有效控制,相较不添加硝态氮的对照组,上覆水中TP和磷酸盐质量浓度平均降幅分别达79.2%、83.9%。因此,当再生水回用于景观水体时,硝态氮浓度无需过度控制,不仅可大幅降低制水成本,而且上覆水中较高的硝态氮对沉积物中磷释放具有较好的控制效果。

九龙江河流-库区系统沉积物磷特征及其生态学意义

采用沉积物磷形态的标准测试方法 (SMT)分析了九龙江北溪河流-库区系统16个站位的沉积物磷含量和形态组成,探讨了该系统沉积物磷的空间分布、形态特征及其生态学意义.结果表明,沉积物总磷(TP)的含量为387～2 092 mg.kg-1,平均1 032 mg.kg-1.以无机磷(IP)为主要赋存形态,IP占TP的48%～98%,而IP中以铁铝结合态磷(Fe/Al-P)为主,占IP的43%～99%.TP和Fe/Al-P含量呈现上游高、下游低的空间分布规律,与表层水DTP含量和陆源污染负荷的分布一致.北溪沉积物TP含量的高低主要受Fe/Al-P控制.沉积物富磷、高Fe/Al-P比例(释放潜力大)以及"上游高下游低"的空间分布特征,加上九龙江上游水体较低的氮磷比值属于藻类生长磷弱限制,极可能是九龙江水华首先在上游暴发并向下游库区蔓延的主要原因.九龙江沉积物磷的这些特征在水华过程中具有重要的调控作用和生态学意义.

生态修复对浅水湖泊沉积物磷形态特征及湖水磷浓度的影响

以恢复沉水植物为主要手段在浅水富营养化湖泊修复中得到广泛应用,但修复后水质差异很大,可能与沉积物特征有关.暨南大学南湖是浅水富营养化湖泊,在削减外源负荷后,实施了沉水植物恢复等修复工程.本研究选择具有不同水质的区域,采集水样与沉积物,分析沉积物NH4Cl-P(弱结合态磷)、Fe-P(铁结合态磷)、Al-P(铝结合态磷)、Bio-P(细菌可利用性磷)、Ca-P(钙结合态磷)和Ref-P(残渣磷)6种形态的磷,并检测水质差异,以探讨生态修复对沉积物磷形态及水体磷浓度的影响.结果显示,沉水植物较丰富的2号点沉积物密度显著高于沉水植物较少的1号点,2号点沉积物中Fe-P、Al-P和Ref-P含量较高,沉积物磷最大释放潜力(P-MSP)为4.87 mg/L,大幅高于1号点的2.58mg/L,然而2号点水体磷浓度却低于1号点,1号点水体的总磷、颗粒态磷、总溶解性磷和溶解活性磷浓度分别为2号点的1.29倍、1.11倍、1.17倍和1.14倍,水质较2号点差.本研究说明沉水植物能抑制沉积物中磷的释放,提高沉积物对磷的滞留能力,从而降低水体磷含量,改善水质.

波浪作用下沉积物中氮、磷释放速率的试验研究

湖泊或海湾中的沉积物吸附氮(N)、磷(P)等元素所形成的沉积层成为水体富营养化的內源。在波浪作用下,尤其是强浪作用下,沉积物中的N、P会通过内源释放作用大量进入水体中。本文在自制的U型水槽中开展实验,采用不同水头差来模拟波浪的循环荷载作用,研究了沉积层中的N、P在静置固结状态(Ⅰ)、加波未液化状态(Ⅱ)、加波液化状态(Ⅲ)下的释放规律,并给出该试验条件下的沉积物释放速率的拟合方程。试验结果表明:沉积物中总氮(TN)和溶解性总氮(TDN)的释放速率会随着水动力作用的增强而增加;总磷(TP)、溶解性总磷(TDP)和活性磷酸盐(SRP)的释放速率也随着水动力作用增强而增加,但水体中悬浮物(SS)含量过高会限制其释放速率。

微生物对阳澄湖间隙水溶解活性磷释放的影响

为揭示微生物对阳澄湖沉积物溶解活性磷释放的影响,取江苏省阳澄湖表层沉积物,设置对照组和抑菌组连续进行11d的沉积物柱样室内培养试验。利用微电极和高分辨率Peeper技术,获取两组柱样高分辨率溶解氧DO、氧化还原电位Eh和溶解活性磷垂向分布情况,并分级提取柱样磷形态。结果表明,抑菌组沉积物DO、Eh垂向分布明显高于对照组;外加抑菌剂显著降低了间隙水溶解活性磷(SRP)浓度(P<0.001),抑菌组间隙水SRP浓度约为对照组的一半;抑菌组结合态磷的含量较对照组有所增加,NaOH-P与BD-P含量的增量是总增量的主要部分,这两种形态的磷含量的变化与微生物活性相关。研究结果有助于揭示阳澄湖沉积物溶解活性磷释放机理。

改性膨润土对杭州西湖沉积物各形态磷的吸附性能

通过盐酸、碳酸钠、高温焙烧及复合改性等多种改性方法对膨润土进行改性,并借助扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪及X射线衍射仪等仪器对其进行表征,探讨最佳的改性方法.结果表明,10%碳酸钠+450℃高温焙烧复合改性膨润土(Modified bentonite,MB)为最佳改性用土.对比改性前后膨润土颗粒对沉积物各形态磷吸附性能,发现MB颗粒对沉积物磷吸附性能优于膨润土原土(raw bentonite,RB)颗粒.在最佳动态吸附条件下,RB对沉积物TP、OP、IP、Fe/Al-P和Ca-P的吸附率分别为32.5%、25.4%、52.6%、34.6%和12.4%;MB对沉积物TP、OP、IP、Fe/Al-P和Ca-P的吸附率分别为35.5%、29.1%、54.5%、44.6%和10.7%.静态吸附实验结果表明:RB颗粒和MB颗粒在静态吸附时间为28 d时,对沉积物TP的吸附量分别为828.2 mg·kg^(-1)和977.2 mg·kg^(-1),相应的吸附率分别为58.2%和68.6%.MB对沉积物磷的吸附性能较好,可进一步用于富营养化湖泊沉积物磷控制.