李 佳,詹艷慧,林建偉,楊孟娟,方 巧,鄭雯婧 (上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306)

鑭改性沸石對太湖底泥-水系統(tǒng)中磷的固定作用

李 佳,詹艷慧,林建偉*,楊孟娟,方 巧,鄭雯婧 (上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306)

考察了不同反應時間、pH值、硅酸根離子濃度、DO濃度、老化時間以及初始磷濃度等條件下一種新型底泥改良劑-鑭改性沸石對太湖底泥-水系統(tǒng)中磷的固定作用.當水中磷濃度很低時,太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥均釋放出磷.鑭改性沸石改良太湖底泥的釋磷量少于太湖底泥.鑭改性沸石改良太湖底泥中金屬氧化物結合態(tài)磷(NaOH-P)和鈣結合態(tài)磷(HCl-P)等較為穩(wěn)定形態(tài)磷含量多于太湖底泥,而鑭改性沸石改良太湖底泥中氧化還原敏感態(tài)磷(BD-P)這種不穩(wěn)定形態(tài)磷含量少于太湖底泥.太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥對水中較高濃度磷酸鹽的吸附平衡數(shù)據(jù)均可以采用 Langmuir等溫吸附模型加以描述.鑭改性沸石改良太湖底泥對水中磷酸鹽的吸附能力明顯高于太湖底泥,且吸附能力隨老化時間的增加而降低.被鑭改性沸石所吸附的磷酸鹽主要以NaOH-P和HCl-P等較為穩(wěn)定形態(tài)磷存在,不容易被重新釋放出來.上述結果表明,采用鑭改性沸石對太湖底泥進行原位改良可以增強太湖底泥對磷的固定能力,減少太湖底泥磷的釋放.

鑭改性沸石；改良；磷；釋放；吸附

磷是引起湖泊富營養(yǎng)化的關鍵營養(yǎng)元素之一[1-3].湖泊水體中磷的來源包括外源輸入和內源釋放.底泥是湖泊的重要組成部分,輸入湖泊的外源磷經(jīng)過一系列的物理、化學和生物作用會蓄積于底泥中.當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時,蓄積于底泥中的磷會重新釋放進入上覆水,成為湖泊磷污染的內源[4-6].

目前,底泥磷釋放控制技術主要包括異位控制技術和原位控制技術兩大類[7-10].底泥疏浚和原位覆蓋是目前國內外應用較多的兩種底泥磷釋放控制技術.底泥疏浚技術存在的主要缺陷包括費用高、底泥疏浚過程中底泥再懸浮會對水體產生污染、需要額外的處理處置場地以及會破壞現(xiàn)存底棲生態(tài)系統(tǒng)等[11].底泥原位覆蓋技術存在的主要缺陷是對現(xiàn)存底棲生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴重[12].因此,研究開發(fā)新的底泥磷釋放控制技術非常必要.

底泥原位改良技術,即通過向底泥添加吸附劑以降低底泥中的污染物向水體遷移的風險,是近年來新出現(xiàn)的一種底泥污染物釋放原位控制技術[12].與底泥疏浚和原位覆蓋技術相比,底泥原位改良技術對現(xiàn)存底棲生態(tài)系統(tǒng)的破壞性更小[12].此外,底泥原位改良技術還可以與底泥疏浚技術聯(lián)合使用,即底泥疏浚后向殘留底泥中添加吸附劑以降低底泥再懸浮對水體的二次污染[12].

目前,研究人員已經(jīng)考察了向底泥添加鑭改性黏土(Phoslock?)[13]、給水處理廠廢棄鐵鋁泥(WTRs)[14-17]等吸附劑對底泥磷的固定效果.以往研究表明,鑭改性沸石對水中的磷酸鹽具備較強的固定能力[18-20].因此,向底泥添加鑭改性沸石預計可以增強底泥對磷的固定能力,降低底泥中磷向上覆水體遷移的風險.目前,國內外關于利用鑭改性沸石作為改良劑控制底泥磷釋放的研究鮮見報道.為此,本文通過實驗考察了向太湖底泥添加鑭改性沸石對太湖底泥-水系統(tǒng)中磷的固定效果,以期為應用鑭改性沸石控制太湖底泥磷釋放提供幫助.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用天然沸石購自浙江省縉云縣,粒徑小于0.075mm,化學成分為:SiO269.58%、Al2O312.20%、Na2O 2.59%、CaO 2.59%、MgO 0.13%、K2O 1.13%、Fe2O30.87%、灼失量 10.91%(質量含量).X射線衍射分析結果表明該沸石含66%的斜發(fā)沸石、19%的絲光沸石和 15%的二氧化硅(質量含量).底泥樣品于2011年10月采自江蘇太湖(31°31′56″ N,120°12′17″ E),運回實驗室后自然風干,破碎,過 0.075mm 孔徑篩,備用.底泥有機質含量分析方法參見文獻[21],pH值分析方法參見文獻[22],總磷含量分析方法參見文獻[23].分析結果顯示太湖底泥有機質含量為 2.3%,pH值為7.20,總磷含量為391mg/kg.實驗所用化學試劑均為分析純,均購自中國國藥集團化學試劑有限公司.實驗用水為去離子水.鑭改性沸石通過以下步驟制備得到:準確稱取 10g天然沸石置于100mL水中,形成懸濁液,再加入5g氯化鑭,通過磁力攪拌使氯化鑭溶解并使天然沸石處于懸浮狀態(tài),再用 2mol/L NaOH溶液調節(jié)混合液的 pH值為 10;反應完成后進行固液分離,再采用去離子水清洗固體直至上清液pH值為7左右,最后將固體置于 105℃烘箱內烘干,破碎后即得到鑭改性沸石.

1.2 實驗方法

1.2.1 不同反應時間條件下鑭改性沸石固定底泥-水系統(tǒng)中磷研究 配制濃度為 0.02mol/L的KCl溶液,并將它的 pH值調節(jié)至7.移取100mL的上述溶液置于錐形瓶中,并加入0.5g太湖底泥或0.5g太湖底泥和0.025g鑭改性沸石的混合物,再將錐形瓶置于 25℃的恒溫振蕩器中以200r/min進行振蕩.反應一段時間后對錐形瓶中混合液采用過濾的方式進行固液分離.采用鉬銻抗分光光度法測定濾液中溶解性磷酸鹽磷(DIP)濃度,并采用過硫酸鉀消解后鉬銻抗分光光度法測定濾液中溶解性總磷(DTP)濃度.

1.2.2 不同pH值條件下鑭改性沸石固定底泥-水系統(tǒng)中磷研究 配制濃度為0.02mol/L的KCl溶液,并將它們的pH值分別調節(jié)至4,5,6,7,8,9,10,11,12.分別移取 100mL上述溶液置于一系列的錐形瓶中,再向錐形瓶中加入 0.5g太湖底泥或0.5g太湖底泥和0.025g鑭改性沸石的混合物,再將錐形瓶置于 25℃的恒溫振蕩器中以 200r/min進行振蕩.反應 24h后對錐形瓶中混合液進行固液分離,再測定濾液中DIP和DTP濃度.

反應結束后收集錐形瓶中的固體樣品.采用文獻[24]的方法分析所收集的固體樣品中各種形態(tài)無機磷含量,該方法將底泥中的無機磷分為弱吸附態(tài)磷(NH4Cl-P)、氧化還原敏感態(tài)磷(BD-P)、金屬氧化物結合態(tài)磷(NaOH-P)和鈣結合態(tài)磷(HCl-P).采用歐洲標準測試委員會制定的SMT連續(xù)提取法分析所收集的固體樣品中有機磷(Org-P)含量[23].

1.2.3 不同硅酸根離子濃度條件下鑭改性沸石固定底泥-水系統(tǒng)中磷研究 配制含 KCl(濃度為0.02mol/L)和硅酸鈉(濃度為0～2mmol/L)的溶液,并將它們的pH值調節(jié)至7.分別移取 100mL上述溶液置于一系列錐形瓶中,再向錐形瓶中加入0.5g太湖底泥或0.5g太湖底泥和0.025g鑭改性沸石的混合物,再將錐形瓶置于25℃的恒溫振蕩器中以200r/min進行振蕩.反應24h后對錐形瓶中混合液進行固液分離,再測定濾液中DIP和DTP濃度.

1.2.4 低溶解氧條件下鑭改性沸石固定底泥-水系統(tǒng)中磷研究 配制濃度為0.02mol/L的KCl溶液,通過添加亞硫酸鈉的方式去除溶液中的溶解氧(DO),使溶液中 DO濃度小于0.5mg/L,再將它的pH值調節(jié)至7.稱取25g太湖底泥或25g太湖底泥和1.25g鑭改性沸石的混合物置于1L的棕色試劑瓶中,再向試劑瓶中注滿上述的KCl溶液,再將試劑瓶置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中.培養(yǎng)23d后取出試劑瓶中的水樣.采用 pH計測定水樣的pH 值,并采用溶氧儀測定水中的溶解氧濃度.過濾后測定濾液中DIP和DTP濃度.

1.2.5 不同老化時間條件下鑭改性沸石固定底泥-水系統(tǒng)中磷研究 配制濃度為 0.02mol/L的KCl溶液,并將它的pH值調節(jié)至7.通過以下步驟制備了老化時間為 1,15,30d的鑭改性沸石改良太湖底泥:稱取10g太湖底泥和0.5g鑭改性沸石一并置于錐形瓶中,再向錐形瓶中加入100mL濃度為0.02mol/L的KCl溶液;將錐形瓶置于25℃的恒溫振蕩器中以 200r/min進行振蕩;反應1,15,30d后收集錐形瓶中的固體材料,風干,破碎,過0.075mm孔徑篩后即得到用于后續(xù)研究的固體樣品.

移取 20mL去離子水置于一系列錐形瓶中,再向錐形瓶中加入0.1g太湖底泥或0.1g鑭改性沸石改良太湖底泥,再將錐形瓶置于25℃的恒溫振蕩器中以200r/min進行振蕩.反應24h后對錐形瓶中的混合液進行固液分離,再對濾液中 DIP濃度進行測定.

1.2.6 不同初始磷濃度條件下鑭改性沸石固定底泥-水系統(tǒng)中磷研究 采用 KH2PO4和去離子水配制不同初始磷濃度(0.5～15mg/L)的磷酸鹽溶液.分別移取 20mL上述磷酸鹽溶液置于一系列的錐形瓶中,再向錐形瓶中加入0.1g太湖底泥或0.1g鑭改性沸石改良太湖底泥,再將錐形瓶置于25℃的恒溫振蕩器中以200r/min進行振蕩.反應 24h后對錐形瓶中的混合液進行固液分離,對濾液中DIP濃度進行測定,采用文獻[23-24]所報道的方法對錐形瓶中固體材料的各種形態(tài)磷含量進行分析.

2 結果與討論

2.1 不同反應時間條件下鑭改性沸石對底泥磷釋放的控制效果

底泥吸附磷還是釋放磷主要是由磷吸附-解吸平衡濃度(EPC0)和水中磷初始濃度(C0)之間的關系決定[25].EPC0是指當吸附量為零時水中磷的平衡濃度,它可以一定程度上反映底泥對水中磷濃度變化的補償能力[25].當C0EPC0時,底泥吸附磷[25].對于太湖這樣的淺水性湖泊,底泥擾動是影響底泥-水界面之間磷遷移轉化的重要因素[26].本研究考察了強擾動條件下反應時間對太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥釋放磷的影響,結果見圖1.

由圖1可見,當水中C0為零時,強擾動情況下太湖底泥釋放出磷,并且太湖底泥的釋磷量隨反應時間的增加而增加直至達到平衡.強烈擾動條件下,底泥大量懸浮,底泥-水接觸物理界面較大,底泥與水之間的磷交換較為頻繁,從而導致底泥磷的較多釋放[27].由圖 1還可見,當水中 C0為零時,強擾動情況下鑭改性沸石改良太湖底泥亦釋放出磷,并且鑭改性沸石改良太湖底泥的釋磷量亦隨反應時間的增加而增加直至達到平衡.此外,不同反應時間條件下鑭改性沸石改良太湖底泥的釋磷量明顯少于太湖底泥.說明采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良明顯減少了強擾動情況下太湖底泥磷的釋放.向太湖底泥添加鑭改性沸石后,強擾動情況下從太湖底泥中釋放出來的部分磷會重新被鑭改性沸石所固定,從而降低了水中磷的濃度.

圖1 反應時間對太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥磷釋放的影響Fig.1 Effect of reaction time on P release from unamended and lanthanum-modified zeolite(LaMZ)-amended Taihu Lake sediments

2.2 不同pH值條件下鑭改性沸石對底泥磷釋放的控制效果

上覆水的pH值是影響太湖底泥磷釋放的重要因素[28-29].由圖 2可見,實驗條件下,當 pH 值4～10時從太湖底泥中釋放出來的磷較少,而當pH值11～12時從太湖底泥中釋放出來的磷則較多.這說明高 pH值促進了太湖底泥磷的釋放.這個研究結果與前人的研究結果是一致的[28-29].高pH值條件下,水中的OH-離子會與磷酸鹽強烈競爭底泥中鐵、鋁等氧化物以及氫氧化物上的吸附位,從而導致底泥中磷的大量釋放[29].不同pH值條件下鑭改性沸石改良太湖底泥的釋磷量少于太湖底泥,特別是高pH值(pH 11～12)條件下鑭改性沸石改良太湖底泥的釋磷量明顯少于太湖底泥.這說明采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良減少了不同pH值條件下太湖底泥磷的釋放.

圖2 pH值對太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥磷釋放的影響Fig.2 Effect of pH on P release from unamended and lanthanum-modified zeolite (LaMZ)-amended Taihu Lake sediments

圖3為pH4、7和11條件下釋放磷后太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥的磷形態(tài)分布特征.由圖3可見,太湖底泥中各種形態(tài)磷含量從大到小依次為 HCl-P>NaOH-P>BD-P>Org-P>NH4Cl-P.鑭改性沸石改良太湖底泥中各種形態(tài)磷含量從大到小依次為 HCl-P>NaOH-P>Org-P≈BD-P>NH4Cl-P.鑭改性沸石改良太湖底泥的BD-P含量明顯少于太湖底泥,而 NaOH-P和HCl-P含量多于太湖底泥.對于 NH4Cl-P和Org-P含量,2種底泥差異不大.NH4Cl-P即弱吸附態(tài)磷,主要指很松散地被吸附到固體表面的磷[14].BD-P即對氧化還原敏感的磷,主要指被固定到鐵錳氧化物和氫氧化物表面的磷[14].NaOH-P即金屬氧化物結合態(tài)磷,主要是指被固定到鋁氧化物表面和鐵氧化物內部等的磷[14].HCl-P即鈣結合態(tài)磷,主要指被鈣和鎂等物質所固定的磷[14].底泥的NH4Cl-P和BD-P很容易被重新釋放出來,而NaOH-P和HCl-P則相對穩(wěn)定,不易被重新釋放出來[14].因此,采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良增加了太湖底泥中較為穩(wěn)定形態(tài)磷的含量而降低了不穩(wěn)定形態(tài)磷的含量,增強了太湖底泥中磷的穩(wěn)定性,降低了太湖底泥磷發(fā)生釋放的風險.Wang等[14]發(fā)現(xiàn),采用給水處理廠廢棄鐵鋁泥(WTRs)對太湖底泥進行改良增加了底泥中 NaOH-P這種較為穩(wěn)定形態(tài)磷含量而降低了底泥中NH4Cl-P和BD-P等不穩(wěn)定形態(tài)磷含量.與WTRs相比,采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良導致底泥中增加的 HCl-P含量更多.底泥中HCl-P與NaOH-P相比更難以釋放[13].因此,應用鑭改性沸石控制太湖底泥磷釋放與WTRs相比存在一定的優(yōu)越性.

圖3 太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥的磷形態(tài)分布特征Fig.3 Pfractionation of unamended and lanthanummodified zeolite (LaMZ)-amended Taihu Lake sediments

2.3 不同硅酸根離子濃度條件下鑭改性沸石對底泥磷釋放的控制效果

實際水體中可能存在一定數(shù)量的硅酸根離子.水中存在的硅酸根離子可能會影響底泥中磷的釋放.由圖4可見,水中存在的硅酸根離子促進了太湖底泥磷的釋放,并且太湖底泥的磷釋放量隨水中硅酸根離子濃度的增加而增加.底泥對磷和硅的吸附存在共同的吸附位[15].水中存在的硅酸根離子會與磷競爭底泥中的吸附位,從而導致底泥磷的釋放[15].此外,不同硅酸根離子濃度條件下鑭改性沸石改良太湖底泥的釋磷量均明顯低于太湖底泥,這說明采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良明顯減少了太湖底泥磷的釋放.

圖4 硅酸根離子對太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥磷釋放的影響Fig.4 Effect of silicate on P release from unamended and lanthanum-modified zeolite (LaMZ)-amended Taihu Lake sediments

2.4 低溶解氧條件下鑭改性沸石對底泥磷釋放的控制效果

研究表明,厭氧狀態(tài)有利于底泥磷的釋放[30].由表 1可見,低溶解氧條件下太湖底泥釋放出大量的磷.對于太湖底泥-水系統(tǒng),當培養(yǎng)時間為23d時,上覆水的DIP和DTP濃度由初始時刻的0mg/L分別增加到了0.249和0.271mg/L.低溶解氧情況下,底泥中膠體狀的氫氧化鐵容易變?yōu)榭扇苄缘臍溲趸瘉嗚F,使得底泥中與鐵結合的磷脫離底泥進入孔隙水中,進而向上覆水擴散,從而導致上覆水中磷濃度的增加[30].鑭改性沸石改良太湖底泥-水系統(tǒng)中上覆水的DIP和DTP濃度明顯低于太湖底泥-水系統(tǒng).這說明采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良明顯減少了低溶解氧條件下太湖底泥磷的釋放.

表1 低溶解氧條件下太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥磷釋放情況Table 1 Release of P from unamended and lanthanummodified zeolite (LaMZ)-amended Taihu Lake sediments under low DO conditions

2.5 不同老化時間條件下鑭改性沸石對底泥磷釋放的控制效果

鑭改性沸石與底泥接觸后,底泥中部分組分可能會與鑭改性沸石發(fā)生相互作用,從而可能改變了鑭改性沸石表面的性質,從而影響到了鑭改性沸石對磷的固定能力.鑭改性沸石與底泥的接觸時間(即“老化時間”)可能是影響鑭改性沸石固定底泥-水系統(tǒng)中磷的重要因素.當太湖底泥以及老化時間為 1,15,30d鑭改性沸石改良太湖底泥與水接觸后,水中的DIP濃度依次為(0.069±0.006),(0.032±0.003),(0.035±0.006),(0.050±0.003)mg/L.這說明采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良減少了太湖底泥磷的釋放,并且隨著老化時間的增加,鑭改性沸石固定太湖底泥-水系統(tǒng)中磷的效率隨之下降.推測原因可能是:太湖底泥中的天然性有機物可能會被吸附到鑭改性沸石的表面,使得鑭改性沸石表面的磷吸附位減少,從而降低了鑭改性沸石對太湖底泥-水系統(tǒng)中磷的固定能力[31].

2.6 不同初始磷濃度條件下鑭改性沸石對底泥-水系統(tǒng)中磷的吸附效果

由圖 5可見,當水中磷濃度較高時(0.5～15mg/L),太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥對磷的吸附量均為正值,并且均隨初始磷濃度的增加而增加.鑭改性沸石改良太湖底泥對水中磷的吸附能力明顯強于太湖底泥.這說明采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良明顯增強了太湖底泥對磷的吸附能力.底泥對水中磷酸鹽的吸附能力主要取決于鋁和鐵含量[32].鐵、鋁氧化物或氫氧化物表面的羥基可以被水中的磷酸根陰離子交換,吸附到底泥表面上的磷酸根陰離子會與鐵、鋁活性位點之間形成配合物[32].鑭改性沸石吸附水中磷酸鹽的主要機制是配位體交換[18].因此,推測太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥吸附水中磷酸鹽的主要機制是配位體交換.鑭改性沸石改良太湖底泥對水中磷的吸附能力隨老化時間的增加而降低.推測原因可能是:太湖底泥中的天然性有機物可能會被吸附到鑭改性沸石的表面,使得鑭改性沸石表面的磷吸附位減少,從而降低了鑭改性沸石對太湖底泥-水系統(tǒng)中磷的固定能力[31].

圖5 初始磷濃度對太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥吸附水中磷的影響Fig.5 Effect of initial P concentration on P sorption onto unamended and lanthanum-modified zeolite(LaMZ)-amended Taihu Lake sediments

采用 Langmuir和 Freundlich等溫吸附模型[33]對圖5實驗數(shù)據(jù)進行擬合,結果見表2.

表2 太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥對磷的等溫吸附模型參數(shù)值Table 2 Isotherm parameters for P adsorption onto unamended and lanthanum-modified zeolite (LaMZ)-amended Taihu Lake sediments

由表2可見,與Freundlich等溫吸附模型相比,Langmuir等溫吸附模型可以更好地用于描述太湖底泥和不同老化時間鑭改性沸石改良太湖底泥對水中較高濃度磷的等溫吸附行為.根據(jù)Langmuir等溫吸附模型,太湖底泥對水中磷的最大單位吸附量為405mg/kg,老化時間為1,15,30d的鑭改性沸石改良太湖底泥對水中磷的最大單位吸附量分別為 806,763,709mg/kg.顯然,鑭改性沸石改良太湖底泥對水中磷的最大單位吸附量明顯高于太湖底泥,并且鑭改性沸石改良太湖底泥對磷的最大單位吸附量隨著老化時間的增加而下降.

由圖 6可見,吸附磷酸鹽后太湖底泥中各種形態(tài)磷含量從大到小依次為 NaOH-P>BD-P>HCl-P>Org-P>NH4Cl-P.吸附磷酸鹽后鑭改性沸石改良太湖底泥中各種形態(tài)磷含量從大到小依次為HCl-P>NaOH-P>BD-P>Org-P>NH4Cl-P.吸附磷酸鹽后老化時間為1d的鑭改性沸石改良太湖底泥中HCl-P和NaOH-P含量多于吸附磷酸鹽后太湖底泥,而二者的 BD-P、Org-P和NH4Cl含量則差別不是太明顯.這說明被改良太湖底泥中鑭改性沸石所吸附的磷酸鹽主要以HCl-P和NaOH-P等較為穩(wěn)定形態(tài)磷形式存在,不容易被重新釋放出來.Meis等[13]研究發(fā)現(xiàn),被鑭改性黏土(Phoslock?)所固定的磷酸鹽中 21%的磷以 NH4Cl-P、BD-P等不穩(wěn)定形態(tài)磷存在,79%的磷以NaOH-P、HCl-P等較穩(wěn)定形態(tài)磷存在[13].與鑭改性沸石相比,被 Phoslock?所固定的磷酸鹽中容易發(fā)生釋放磷的含量更多.這說明應用鑭改性沸石控制太湖底泥磷釋放與Phoslock?相比存在一定的優(yōu)越性.

圖6 吸附磷酸鹽后太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥磷形態(tài)分布特征Fig.6 P fractionation of unamended and lanthanummodified zeolite (LaMZ)-amended Taihu Lake sediments after phosphate sorption

2.7 實驗結果對太湖富營養(yǎng)化防治的啟示

應用鑭改性沸石原位改良技術控制底泥磷釋放的一個關鍵技術問題是要確定鑭改性沸石的添加量.理想情況下,鑭改性沸石的添加量可以根據(jù)鑭改性沸石的最大磷單位吸附量、底泥的潛在釋放磷含量、以及需要控制的底泥總量等數(shù)據(jù)加以確定.供試的太湖底泥和鑭改性沸石添加量為50g/(kg底泥)的改良太湖底泥(老化時間為 1d)對水中磷的最大單位吸附量分別為405, 806mg/kg,從而計算得到鑭改性沸石對水中磷的最大單位吸附量為 8421mg/kg.供試底泥的總磷含量為 391mg/kg.假定供試底泥中磷會全部被釋放出來,為了有效控制底泥磷的釋放,理想情況下計算得到的1kg供試底泥至少需要添加46g鑭改性沸石.底泥與水體之間的磷交換過程是非常復雜的,它不僅包括磷的物理循環(huán)和化學循環(huán),而且包括更為復雜的生物循環(huán)[34].因此,底泥磷的釋放預計是一個緩慢的過程.將鑭改性沸石添加進供試底泥后,鑭改性沸石對水中磷的最大單位吸附量會隨老化時間的增加而降低.因此,為了有效控制供試底泥磷的釋放,實際應用所需的鑭改性沸石添加量應大于理想情況下計算得到的鑭改性沸石添加量.考慮到太湖不同湖區(qū)底泥的潛在釋放磷含量、有機質含量等理化性質存在差異,應用鑭改性沸石原位改良技術控制太湖底泥磷釋放之前需要全面評估添加鑭改性沸石對不同湖區(qū)底泥磷釋放的控制效果.

鑭是一種對人體健康、生態(tài)系統(tǒng)有害的金屬[35].鑭改性沸石應用到太湖底泥中后可能會釋放出一定數(shù)量的鑭進入水體,進而可能會對太湖水生生物產生一定的毒性作用.因此,探討鑭改性沸石改良底泥是否會對水生生物產生毒性作用對于鑭改性沸石的現(xiàn)場應用是非常必要的,這有待于進一步研究.

3 結論

3.1 當水中磷濃度很低時,太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥均釋放出磷.鑭改性沸石改良太湖底泥的釋磷量少于太湖底泥.鑭改性沸石改良太湖底泥中NaOH-P和HCl-P等較為穩(wěn)定形態(tài)磷含量多于太湖底泥,而鑭改性沸石改良太湖底泥中 BD-P這種不穩(wěn)定形態(tài)磷含量少于太湖底泥.

3.2 太湖底泥和鑭改性沸石改良太湖底泥對水中較高濃度磷酸鹽的吸附平衡數(shù)據(jù)可以采用Langmuir等溫吸附模型加以描述.鑭改性沸石改良太湖底泥對水中磷酸鹽的吸附能力明顯高于太湖底泥.鑭改性沸石改良太湖底泥對水中磷酸鹽的吸附能力隨老化時間的增加而降低.被鑭改性沸石所吸附的磷酸鹽主要以 NaOH-P和HCl-P等較為穩(wěn)定形態(tài)磷存在,不容易被重新釋放出來.

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Immobilization of phosphorus in Taihu Lake sediment-water systems by lanthanum-modified zeolite.

LI Jia, ZHAN Yan-hui, LIN Jian-wei*, YANG Meng-juan, FANG Qiao, ZHENG Wen-jing (College of Marine Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China). China Environmental Science, 2014,34(1)：161～169

In-situ sorbent amendment is a promising contaminated sediment remediation technology. The immobilization of phosphorus (P) in Taihu Lake sediment-water systems using lanthanum-modified zeolite (LaMZ) as a novel amendment was investigated by conducting a series of experiments. P could be released from unamended and LaMZ-amended Taihu Lake sediments at a very low initial concentration of P in water. The amount of P released from LaMZ-amended Taihu Lake sediment was less than that from Taihu Lake sediment. The content of NaOH-P (P extracted with NaOH) or HCl-P (P extracted with HCl)in LaMZ-amended Taihu Lake sediment was higher than that in Taihu Lake sediment. The content of BD-P (P extracted with bicarbonate dithionite)in LaMZ-amended Taihu Lake sediment was less than that in Taihu Lake sediment. The equilibrium sorption of phosphate from aqueous solution at a high initial concentration of P (0.5～15mg/L)could be described by the Langmuir isotherm model. The phosphate sorption capacity for LaMZ-amended Taihu Lake sediment was much higher than that for Taihu Lake sediment. The phosphate sorption capacity for LaMZ-amended Taihu Lake sediment decreased with increasing aging time. Sequential extraction of P from phosphate-sorbed Taihu Lake sediment and LaMZ-amended Taihu Lake sediment indicated that most of sorbed phosphate onto LaMZ existed in NaOH-P and HCl-P forms, and was relatively stable and unlikely to be released under anaerobic condition. Results of this work indicate that in-situ LaMZ amendment is a promising method for controlling P release from Taihu Lake sediment.

lanthanum-modified zeolite；amendment；phosphorus；release；sorption

X524

A

1000-6923(2014)01-0161-09

2013-05-03

國家自然科學基金項目(50908142);上海市科學技術委員會科研項目(10230502900);上海高校青年教師培養(yǎng)資助計劃項目(ZZhy12012);上海市教委重點學科建設項目(J50702);長江水環(huán)境教育部重點實驗室開放基金項目(YRWEF201107)

* 責任作者, 副教授, jwlin@shou.edu.cn

李 佳(1988-),女,遼寧朝陽人,上海海洋大學碩士研究生,主要從事水污染控制原理與技術方面的研究.發(fā)表論文5篇.