城市湖泊内源磷释放特征及固磷材料的研究

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湖泊的富营养化现象不仅会破坏水体的生态环境,造成水生生物的大量死亡,而且也会危害到人类的身心健康。磷元素作为湖泊富营养化的限制因素,即使在外源磷得到有效的控制下,沉积物中的内源磷也会持续向水体释放,使富营养化问题难以解决。因此,为从根本上治理湖泊的富营养化问题,本研究首先探究了不同环境因子对湖泊沉积物内源磷的释放影响,然后基于凹凸棒土进行改性处理,制备了镧改性凹凸棒土(La-TCAP)这一新型固磷材料,最后通过室内实验模拟La-TCAP对湖泊内源磷的控制效果。本研究得到的主要结果如下:(1)溶解氧、p H、温度和水体扰动对沉积物中内源磷的释放有很大影响。溶解氧的浓度越高,内源磷的释放量越少;酸性环境或碱性环境都会促进内源磷的释放,且在碱性环境下磷的释放量更大;温度越高,内源磷的释放量越多;水体扰动能加速沉积物内源磷的释放,但随着扰动强度的增大并不会继续加大内源磷的释放量。(2)由实验可知,当La Cl3·6H2O的浓度为0.4 mol/L时,可制得最佳镧改性固磷材料La-TCAP。当初始磷溶液的浓度为5 mg/L或50 mg/L,La-TCAP的投加量为0.1 g/L时,p H和温度对La-TCAP的除磷效率影响不大。La-TCAP对磷酸根的吸附具有选择性,能抵抗常见阴离子的干扰,如SO42-、NO3-、Cl-和HCO3-。伪一级动力学模型和伪二级动力学模型均能较好地描述La-TCAP对磷酸根的吸附行为,Langmuir等温吸附模型拟合得到的La-TCAP对磷酸根的理论最大吸附量为9.777 mg/g。La-TCAP对磷酸根的吸附作用主要可能是由于La(OH)3与磷酸根之间的络合作用所致。(3)室内模拟实验研究表明,不论是好氧环境还是厌氧环境,La-TCAP对东湖上覆水以及间隙水中的磷含量均有良好的控制效果。好氧环境下,La-TCAP投加组中上覆水中的磷酸盐含量为对照组的27.84%~30%,间隙水中磷酸盐的最大浓度为对照组的49.27%~57.32%。厌氧环境下,La-TCAP投加组中上覆水中的磷酸盐含量为对照组的22.68%~28.33%,间隙水中磷酸盐的最大浓度为对照组的50.18%~58.88%,说明了La-TCAP具有良好的控磷效果。同时,La-TCAP的投加不会引起上覆水与间隙水中氮含量的增加。除此之外,La-TCAP的投加会使表层沉积物(0~4 cm)中Mobile-P的含量大大降低,而Al-P、Ca-P的含量则大大增加。La-TCAP投加组中Al-P的含量是对照组的1.52~1.62倍,Ca-P的含量是对照组的1.98~2.33倍,表明La-TCAP的投加会促进表层沉积物(0~4 cm)中的不稳定态磷向稳定态磷发生转化。扰动实验表明,在模拟高强度的扰动程度(v=200 r/min)下,粒径为0.15 mm的La-TCAP投加组中磷酸盐的浓度为0.063mg/L,而粒径为1.5 mm的La-TCAP投加组中磷酸盐的浓度为0.046 mg/L,表明粒径为1.5 mm的La-TCAP要比粒径为0.15 mm的La-TCAP固磷效果更好。
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