城市河网区河流沉积物磷释放潜力及原位固磷材料研究

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河流磷素在流域水环境系统的循环广受关注,尤其是沉积物中磷赋存状态在区域环境变化中发挥重要作用。随着城市化、工业化进程的推进,太湖流域平原城市河网的外源输入,以及其自身河道水力坡度小、密集、流速缓慢等原因,导致河网沉积物淤积严重,内源污染增大。为研究城市河网区河流沉积物磷释放潜力及研讨相应技术对策,本文选取嘉兴城市河网区为研究对象,在阐明研究区域沉积物磷释放潜力的基础上,制备两种固磷材料用以削减水体和沉积物磷负荷,在考量原位覆盖模式和覆盖强度对固磷影响的基础上进而联用硝酸钙,以期为河湖内源磷管理提供数据支撑。主要结论如下:(1)研究区域水体TP和TN浓度最高分别为1.145 mg·L-1和8.312 mg·L-1。沉积物TP含量均值为993.13 mg·kg-1,空间呈现北部>西部>南部河网区;基于单因子指数法的生态风险评价标准为Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级样品数目比例分别为10.91%、25.45%和63.64%。沉积物形态磷含量总体呈现TP>无机磷(IP)>钙结合态磷(HCl-P)>铁铝结合态磷(NaOH-P)>有机磷(OP),沉积物生物有效性磷(BAP)含量依次为NaHCO3提取态磷(Olsen-P)>藻类有效态磷(AAP)>水溶性磷(WSP)>易解吸磷(RDP)。沉积物垂直剖面的各形态磷含量整体随深度递增而降低。研究区域磷素主要由来水水质贡献,贡献率为40.8%。南部和部分西、北部河网区沉积物呈现磷“源”角色,不同区域沉积物在长短时间尺度下的潜在活性磷释放奉献仍较高。(2)本文研究了两种固磷材料:Fe3O4/La(OH)3改性凹凸棒土(MT-LHMT)和Fe3O4/La2(CO3)3改性凹凸棒土(MT-LCMT)。结果表明,材料的吸附磷动力学分别符合准二级模型和Elovich模型,吸附等温行为均符合Sips模型,两者对磷的理论最大吸附容量(Qmax)分别为75.79和58.12 mg·g-1;两种材料在水体p H为3~8或电解质(Cl-、NO3-、SO42-、K+、Ca2+、Mg2+)存在时表现出良好的吸附效能。被两种材料吸附的磷形态主要以HCl-P为主,移动磷(Mobile-P)占比极低。配位交换、内层络合、静电作用、表面沉淀是两种材料的主要吸磷机理。(3)覆盖实验结果显示,厌氧条件下的MT-LHMT在不同覆盖模式和覆盖强度中均能显著降低沉积物可移动态磷(Mobile-P)含量、上覆水可溶性正磷酸盐(SRP)浓度和沉积物-水剖面DGT有效磷(Labile-PDGT)浓度,从而降低磷释放风险;高覆盖强度(2X)的MT-LHMT覆盖在抑制沉积物磷释放到上覆水中具有更积极作用;织物包裹覆盖组在泥水界面(0~-25 mm)拥有极低的Labile-PDGT浓度(0.008 mg·L-1),此外也显著降低沉积物氮素释放风险。(4)材料与硝酸钙联用实验结果表明,厌氧条件下的各组对上覆水SRP浓度削减率呈现联用组(70.18%~97.95%)>MT-LHMT单用组(71.21~98.23%)>硝酸钙单用组(58.32~92.48%)。联用组显著降低沉积物-水系统不同反应磷(SRP、Mobile-P、Labile-PDGT)水平,其0~-40 mm的极低Labile-PDGT浓度(0.009 mg·L-1)的静态层是高磷控制效率的关键。硝酸钙添加和联用组均促进沉积物-水界面的氮迁移,硝酸钙添加组上覆水NO3--N浓度均随时间推移逐渐降低至较低水平(6.13 mg·L-1和28.58 mg·L-1),各处理组呈现上覆水NH4+-N浓度先升高后降低至较低水平。硝酸钙添加和联用组均引起上覆水SO42-浓度增加,对沉积物表层的酸挥发性硫化物(AVS)含量削减率分别为61.17%和58.8%。
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