原位技术控制湖泊沉积物中磷释放的研究

TP 采用碱性过硫酸钾微波消解-钼锑抗分
300mm).将处置后的底泥样品均匀平铺放入底 光光度法, DR5000 型紫外可见分光光度(HACH);
部,厚度为 50mm.1#装置为模拟自然复氧状态研 DO 测定采用 HQ-30d 型便携式溶解氧测定仪
5期
孙士权等：原位技术控制湖泊沉积物中磷释放的研究
中国环境科学 2011,31(5)：845~851
China Environmental Science
原位技术控制湖泊沉积物中磷释放的研究
孙士权*,邱 媛,蒋昌波,杨 静,聂小保,谭万春,吴方同 (长沙理工大学,水沙科学与水灾害防治湖南省重点
实验室,湖南 长沙 410114)
摘要：通过实验室模拟试验研究曝气供氧、沸石覆盖和硝酸钙等原位控制东洞庭湖沉积物磷释放技术效果,试验结果表明:好氧时,曝气供
筛(筛孔尺寸 0.150mm),用于分析.底泥的 TP、容 首次运行时通入 99%氮气 2h.之后,每次取样和
重、含水率和 pH 值的均值分别为 1237.06mg/kg、 补充试验用水时,通入 99%氮气 1h.
1.27t/m3、58.39%和 7.65.
试验研究温度变化范围为 13~19℃;自然复
以上覆水中 TP 浓度变化来反应沉积物 TP 释
珠岩有限公司,粒径 1~3cm.其化学成分主要有 放水平,由 TP 释放水平表征原位控制技术效果.
SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、K2O、MgO 1.3 分析方法
和杂质等,各成分的含量分别为 64%、12.84%、
采用 EDTA“连续的化学提取”G[22-23]法研
少污染物释放的受污染底泥整治技术.
水量的试验用水,并标记刻度;4#装置内虹吸式注
底泥污染原位控制技术能够提高底泥-水体 入所需试验用水,并标记刻度,在室温下通过增氧
系的溶氧水平和氧化还原电位,能有效控制底泥 机/充氮机连续曝气.
氮、磷的释放,但是控制过程对氮、磷形态变化 尚不明确[16-20].本研究考察了曝气供氧、沸石覆 盖和硝酸钙等原位控制东洞庭湖沉积物磷释放
图 1 试验反应器示意 Fig.1 Schematic diagram of laboratory experiment
石等残渣,在 0~4℃保存备用.同时,取少量泥样在
采用通入 N2和 O2的方法控制上覆水中溶解
阴凉通风处风干,风干后的样品研磨后过 100 目 氧浓度.厌氧控制:试验在密闭条件下进行,试验
并使底泥表面上部形成覆盖层,阻止底泥向水体释 置的底泥表面均匀平铺一层沸石,厚度为 10mm,
放营养盐.底泥原位处理技术指的是原地利用物理 再以虹吸方式注入所需水量的试验用水,并标记
化学或生物方法减少受污染底泥的容积,减少污染 刻度;3#装置硝酸钙固体均匀平铺在底泥表面,投
物量或降低污染物的溶解度、毒性或迁移性,并减 加量为泥样重的 5%[21],然后虹吸方式注入所需
进水口
搅拌桨
废气排放 稀硫酸
技术效果及对水体水质变化和对底泥磷形态变
化,观察原位控制技术的综合性能.
1 材料与方法
氧气 氮气
取样口
1.1 材料
底泥
底泥利用自制“抓斗式”沉积物取样器,于
2009 年 5 月,在东洞庭湖区藕池河东支入湖口的 舵杆洲附近(112°49′57″E、29°28′36″N)采集,主要 为湖底沉积物表层 2.0cm 的泥样,除去植物和砾
底泥 0.5g 离心 35mL Ca-EDTA; pH=7~8; 2h
1%连二亚硫酸钠 残渣
离心 35mL Na2-EDTA;pH=4.5; 17h
铁磷 钙磷
残渣
离心 10mL 0.25mol/L 硫酸; 酸可提取有机磷
残渣
30min
10mL 2mol/L NaOH; 碱可提取有机磷
90℃;30min 残渣
试验的上覆水为洞庭湖上游的湘江水,上覆 氧在光照条件下进行,而厌氧在避光条件下进行;
水的 CODcr、TP、DO 和 pH 值的均值分别为 试验水土比采用 3:1 来进行[22].
18.2mg/L、0.018mg/L、6.7mg/L 和 7.6.
静态试验及动态试验流程见图 2.
试验天然沸石购自河南信阳平桥区中原珍
理都增大了水体耗氧量,其中以硝酸钙处理最为显著,可使水体复氧功能减弱.
关键词：东洞庭湖；沉积物；原位控制；释磷
中图分类号：X703
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2011)05-0845-07
Effect of in-situ control techology of phosphorus release in lake sediments by laboratory simulation. SUN Shi-Quan*, QIU Yuan, JIANG Chang-bo, YANG Jing, NIE Xiao-bao, TAN Wan-chun, WU Fang-tong (Key Laboratory of Hunan Province of The Water Wand Science and the Water Disaster Prevent and Control, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：845~851 Abstract：Taking Dong Dongting Lake sediments as the research object. The effects of phophorus concentration and water quality of overlying water under in-situ control techology, including zeolite capping, calcium nitrate in-situ treatment and aeration, were analyzed, by laboratory simulation. The effects of the control of phosphorus concentration in overlying water in aerobic environment was very badly, when the dissolved oxygen saturation more than 20%, the concentration of phosphorus did not be changed in water, and the effects of control was followed by calcium nitrate in-situ treatment>zeolite capping>aeration≥untreated. When under anaerobic condition, the effects of contral was followed by calcium nitrate in-situ treatment > aeration>zeolite capping > untreated. Under the hydrodynamic condition, the effects of control was followed by calcium nitrate in-situ treatment>zeolite capping>aeration>untreated, however, under different of hydrodynamic condition, the stability of phosphorus concentration to maintain in overlying water under zeolite capping was better than calcium nitrate in-situ treatment; Zeolite capping and calcium nitrate in-situ treatment were increased the oxygen consumption in water, and calcium nitrate in-situ treatment was the most significantly, and it was made the water lose reoxygenation function. Key words：Dong Dongting Lake；sediment；in-situ control；phosphorus release
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(HACH); pH 测定采用 PHS-3C 型精密酸度计(上 海大普仪器公司)
a. 静态实验 自然复氧
b. 动态实验
每 3h 取样一次
0h 低速搅拌(50r/min)
厌氧
自然复氧
曝气
8h 后取样 12h
停止搅拌，静止
20h
24h
保持静止
56h
每 4h 取样一次
高速搅拌(100r/min)
图 2 静态、动态试验流程 Fig.2 The flow chart of static test and static test and dynamic test
50%硫酸; pH=1; 2h
消解
残渣磷
活性磷 胡敏酸-P 富里酸-P
图 3 曝气供氧条件下上覆水磷浓度变化规律 Fig.3 The law of phosphorus concentration of overlying
初始阶段,表层底泥溶解氧小,消耗溶解氧较快, 以对照组最为显著,但溶解氧都维持在 21%(好氧) 以上.4d 后,各环境下水体中溶解氧含量分别为 对照组 62.9%、沸石覆盖组 64.3%、硝酸钙组 66.1%. 随 后 , 对 照 组 水 中 溶 解 氧 缓 慢 上 升 , 到 第 10d 上覆水中溶解氧上升了 15.6%,达到 78.5%; 而沸石覆盖 4d 后水体溶解氧变化不大,维持在 64.3%~67.6%之间;硝酸钙原位处理使水体溶解 氧降低,第 10d 上覆水溶解氧下降了 20.3%,为 45.8%,可能是由于 NO3-的引入,增加了水体中营 养元素,加快了微生物繁殖速度,从而影响了水中 溶解氧含量.
氧对上覆水磷浓度的控制效果较差,当溶解氧≥20%,水中磷浓度不随溶解氧含量的增加而增加,控制效果依次为:硝酸钙原位处理>沸石覆
盖>曝气≥未处理;厌氧时,控制效果依次为:硝酸钙原位处理>曝气>沸石覆盖>未处理;扰动条件下,控制水体中磷浓度效果依次为:投加硝酸
钙原位处理>沸石覆盖>曝气>未处理,但硝酸钙处理在不同水力作用下保持上覆水磷浓度稳定性不如沸石覆盖;沸石覆盖和硝酸钙原位处
东洞庭湖流域内大量天然或人工合成有机
物、重金属、氮和磷等污染物和营养物汇入湖区, 并不断沉积聚集在湖底沉积物中,在条件充分时, 将向水体释放[1-5].大量的底泥污染及控制研究, 尤其是对磷的研究工作,开展已久[6-9].但主要控 制技术分为两大类:底泥污染易位控制技术和底 泥污染原位控制技术[10].易位控制技术主要包括 底泥疏竣及疏竣底泥的处理处置.湖泊疏浚的研 究多是针对疏浚对生态系统、底栖生物及水体水
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泥污染物向上覆水释放的一种底泥污染控制技术. 究(对照组);2#为沸石覆盖技术研究;3#为硝酸钙
化学钝化技术主要通过投加化学试剂(铝盐、铁盐 原位处理研究;4#为水体好/厌氧状态研究.1#装
和石灰等),固定水体和底泥中的营养盐(主要是磷), 置内虹吸式注入所需试验用水,并标记刻度;2#装
质等的影响,但疏浚对改善水质消除水体富营养 化尚存争议[11-13].底泥污染原位控制技术主要包 括底泥覆盖、底泥原位处理、化学钝化以及人工 曝气等[13-15].底泥覆盖是于污染底泥上部覆盖一 层或多层覆盖层使底泥与上覆水隔开和阻止底
收稿日期：2010-09-15 基金项目：湖南省科技厅科技计划资助项目(2010SK3024);水沙科学 与水灾害防治湖南省重点实验室开放课题(2008SS05) * 责任作者, 讲师, sunsprite8010@163.com
1.46%、0.08%、1.67%、3%、0.86%和 16.09%. 究沉积物磷的赋存形态,此法将内源磷分为:铁
1.2 装置和流程
磷、钙磷、有机磷、残渣磷.而弱吸附性磷和铝
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试验研究在 4 个图 1 所示装置内进行,装置 磷采用 GSD-12 法提取[24].G 法见图 3[16].
均 采 用 有 机 玻 璃 柱 状 容 器 (D×H=200mm×