黃華山， 楊志敏， 周真明， 劉淑坡， 沈春花， 李飛， 苑寶玲

(華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021)

?

凈水廠污泥覆蓋控制底泥氮磷釋放效果

黃華山， 楊志敏， 周真明， 劉淑坡， 沈春花， 李飛， 苑寶玲

(華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021)

摘要：室內靜態(tài)模擬凈水廠污泥與沙、沸石、鎖磷劑(鑭改性膨潤土Phoslock?)等4種覆蓋材料控制底泥氮磷的釋放效果.結果表明：在覆蓋強度為2 kg·m-2條件下，與對照組相比，沸石覆蓋對氨氮的平均削減率為42.04%，沙覆蓋和鎖磷劑覆蓋對氨氮均沒有削減效果，凈水廠污泥覆蓋不僅對氨氮沒有削減效果，而且還會向水體釋放氨氮；鎖磷劑、凈水廠污泥、沸石和沙的覆蓋對正磷酸鹽的平均削減率分別為75.98%，53.73%，28.09%和10.69%.最后，分析幾種覆蓋材料控制底泥氮磷釋放的可行性及存在問題，表明凈水廠污泥開發(fā)為覆蓋材料控制底泥磷釋放是可行的.

關鍵詞：原位覆蓋； 底泥； 凈水廠污泥； 沸石； 鎖磷劑； 氮磷

氮和磷是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子，控制水體氮和磷的質量濃度能有效抑制水體富營養(yǎng)化[1-2].目前，控制底泥氮磷釋放的主要措施有清淤法和原位覆蓋法[3].覆蓋材料是原位覆蓋技術核心部分.覆蓋材料類型發(fā)展迅速，從傳統(tǒng)的沙[4]、礫石和潔凈土壤[5]等惰性材料發(fā)展到方解石[6]、活性炭[7]、焦炭[8]、沸石[9]及其改性產(chǎn)品[10-15]，以及其他礦物材料為基質改性的鎖磷產(chǎn)品[16](鑭改性膨潤土Phoslock?，也稱鎖磷劑)等活性材料.然而，上述大多數(shù)活性材料費用較高且大規(guī)模制備困難，因此，尋求開發(fā)經(jīng)濟、有效的覆蓋材料是非常必要的.凈水廠污泥主要以無機物為主，有機物成分質量分數(shù)較少，含有豐富的鋁或鐵等化合物，具有較高的比表面積，一般帶有正電荷，對磷具有很好吸附效果[17].利用凈水廠污泥除磷將是其資源化利用的新途徑，不僅減少了凈水廠污泥處置運行成本，而且作為經(jīng)濟有效的除磷產(chǎn)品，真正實現(xiàn)變廢為寶.目前，國內外學者針對凈水廠污泥除磷主要集中在水處理中[18]，對凈水廠污泥作為污染底泥覆蓋材料控制底泥氮磷釋放研究甚少.本文通過比較凈水廠污泥和沙、沸石和鎖磷劑3種常見底泥覆蓋材料控制底泥氮磷釋放效果，探討凈水廠污泥資源化利用的新途徑.

1材料與方法

1.1試驗材料

1.2試驗裝置與方法

試驗在10 L，瓶口徑為200 mm的廣口玻璃瓶中進行，每個瓶中底泥的質量約為1.39 kg，厚度約為5 cm.覆蓋材料的覆蓋強度為2 kg·m-2(質量為63 g).通過塑料軟管，利用虹吸原理，將湖水緩緩沿瓶壁加入玻璃瓶中，上覆水的體積約為8 L.試驗共有10個玻璃瓶，分為5組，每組2個平行， 分別編號為1#～5#.其中:1#為對照系統(tǒng)，未覆蓋任何材料；2#為沙覆蓋系統(tǒng)；3#為凈水廠污覆蓋系統(tǒng)；4#為鎖磷劑覆蓋系統(tǒng)；5#為沸石覆蓋系統(tǒng).

試驗于2015年5月8日開始進行，6月12日結束，歷時35 d.試驗在室溫下進行,玻璃瓶口敞開(不控制上覆水溶解氧(DO))，放置在室內，每天定時測定系統(tǒng)中水深10 cm處水溫、pH值和DO值.在歷時35 d過程試驗中，各系統(tǒng)中水溫變化范圍為24.1～29.9 ℃，pH值變化范圍為7.22～7.86，DO的質量濃度變化范圍為0.19～5.04 mg·L-1.定期取50 mL水樣，分別測定水樣中的氨氮、正磷酸鹽，取水樣后用原水進行補充至原刻度線.

1.3項目測試方法

1.4數(shù)據(jù)處理

上覆水體氨氮和正磷酸鹽的削減率(R)的計算式為

(1)

式(1)中：ρC，i為取樣時覆蓋系統(tǒng)上覆水中氨氮或正磷酸鹽質量濃度(mg·L-1)；ρNC，i為取樣時對照系統(tǒng)上覆水中氨氮或正磷酸鹽質量濃度(mg·L-1)；i為取樣次數(shù).

采用方差分析覆蓋系統(tǒng)與對照系統(tǒng)之間削減氮磷效果的差異.

圖1　各系統(tǒng)上覆水中-N質量濃度的變化Fig.1　Changes of -N mass concentrations of overlying water in each system

2實驗結果與分析

2.1覆蓋材料控制底泥氨氮釋放效果

圖2　各系統(tǒng)上覆水中-P質量濃度的變化Fig.2　Changes of -P mass concentrations of overlying water in each system

2.2覆蓋材料控制底泥正磷酸鹽釋放效果

3覆蓋材料的應用和存在問題分析

沙作為污染底泥原位覆蓋的傳統(tǒng)覆蓋材料，價格便宜(一般50～100元·t-1)，來源廣泛，主要應用于厚層覆蓋，控制底泥釋放重金屬和難降解有機物.但厚層覆蓋存在減少水體容量，影響排洪能力和儲存水量能力等問題，且隨時間推移，存在高濃度污染物穿透厚覆蓋層進入水體的風險，致使水體污染物濃度快速上升[12].

沸石對氨氮有很好的吸附能力[22]，其多孔結構有助于化學改性[13-14]、微生物附著生長[10-12]，以及微生物可再生沸石吸附氨氮能力[10-12，23].因此，國內很多學者對沸石作為底泥覆蓋材料進行研究，其改性產(chǎn)品發(fā)展迅速[10-13，15，24].這些改性沸石不僅對氨氮有很好的吸附效果，而且對磷有很好的固定效果，實現(xiàn)同步除氮固磷.然而，改性沸石制備成本較高(僅天然沸石價格就有600～1 200元·t-1)，大部分大規(guī)模制備困難，目前，文獻報道的僅有新西蘭?zkundakci和Gibbs等研發(fā)的Z2G1有大規(guī)模制備、商品化及應用[14]，以及我國黃廷林團隊研發(fā)生物沸石大規(guī)模制備與應用示范工程[19].此外，沸石屬于稀有礦物資源，大規(guī)模開采使用必受到限制.

到目前為止，鎖磷劑(鑭改性膨潤土)廣泛應用于澳洲、歐洲，以及美國、加拿大、新西蘭等水庫和湖泊，大規(guī)模應用超過120個案例.鎖磷劑有快速(4 h內)削減水體中游離態(tài)磷，厭氧狀態(tài)下也能有效捕捉游離態(tài)磷，且LaPO4在自然狀態(tài)下具有極其穩(wěn)定、低毒性、高沉降性等特性[16]，并具有向水體復氧功能.研究也表明：在試驗進行的前7天內，鎖磷劑覆蓋系統(tǒng)中DO值為2～5 mg·L-1，明顯高于其他系統(tǒng)DO值(1 mg·L-1).然而，鎖磷劑成本較高，每噸大約為4 000美元，且LaPO4極其穩(wěn)定，不利于磷回收，大規(guī)模使用將會導致全球磷資源的耗竭.

1) 污泥煅燒.將凈水廠污泥經(jīng)過高溫煅燒，在煅燒過程中，不僅可以去除污泥中的氮污染物，而且可以去除污泥中少量有機物，但該途徑會大大增加制備成本，且在煅燒過程中產(chǎn)生的粉塵和廢氣會進一步污染大氣環(huán)境.

2) 污泥摻合沸石粉.文中研究粒徑為1～2 mm的天然沸石對氨氮有很好吸附能力，若在凈水廠污泥濃縮工藝過程中，將沸石粉加入排泥水，不僅能將沸石粉摻合在污泥中，而且加大污泥濃縮工藝污泥含固率，減少后續(xù)污泥脫水成本.最后，再通過離心脫水工藝，獲得摻合沸石粉的污泥，通過污泥中沸石粉吸附氨氮，不僅解決污泥釋放氨氮問題，也可以增加凈水廠污泥覆蓋控制底泥氮釋放效果.該途徑運行成本低，且對環(huán)境污染小.

3) 污泥固定高效菌劑.將高效脫氮生物菌劑固定在凈水廠污泥上，制備成生物活性凈水廠污泥顆粒，制備方法參考文獻[19]的生物沸石制備方法.利用高效生物脫氮菌劑去除污泥釋放的氨氮，污泥中少量有機物也許可以補充高效菌脫氮過程所消耗碳源，解決高效菌后期缺少碳源問題，從而提高高效菌劑脫氮能力.生物活性凈水廠污泥顆粒具備同步脫氮固磷功能，該途徑不僅解決污泥釋放氨氮問題，而且能大大提高污泥覆蓋控制底泥氨氮釋放效果.但該途徑運行成本高于污泥摻合沸石粉，且大規(guī)模制備較為困難.

4結束語

凈水廠污泥覆蓋不僅不能控制底泥氨氮釋放，而且還會向水體釋放氨氮.凈水廠污泥覆蓋能有效控制底泥中正磷酸鹽釋放，同等覆蓋強度下，凈水廠污泥覆蓋對正磷酸鹽削減率僅比鎖磷劑覆蓋低22%.由于沸石屬于稀有礦物資源，大規(guī)模開采使用必受到限制，且鎖磷劑成本較高，凈水廠污泥具有開發(fā)成底泥覆蓋材料的潛力，將是其資源化利用新途徑.下一步的工作是，研究通過凈水廠污泥煅燒、摻合沸石粉和固定高效菌劑等途徑解決其向水體釋放氨氮的問題.

參考文獻：

[1]LEWIS W M，WURTSBAUGH W A，PAERL H W.Rationale of control of anthropogenic nitrogen and phosphorus to reduce eutrophication of inland waters[J].Environmental Science and Technology，2011，45(24):10300-10305.

[2]鐘繼承，劉國鋒，范成新，等.湖泊底泥疏浚環(huán)境效應： (I) 內源磷釋放控制作用[J].湖泊科學，2009，21(1):84-93.

[3]F?RSTNER U，APIT S E.Sediment remediation: U.S. focus on capping and monitored natural recovery[J].Journal of Soils and Sediments，2007，7(6):351-358.

[4]KIM G，JUNG W.Role of sand capping in phosphorus release from sediment[J].Journal of Civil Engineering，2010，14(6):815-821.

[5]XU Di，DING Shiming，SUN Qin，et al.Evaluation of in situ capping with clean soils to control phosphate release from sediments[J].Science of the Total Environment，2012，438(3):334-341.

[6]BERG U，NEUMANN T，DONNERT D，et al.Sediment capping in eutrophic lakes-efficiency of undisturbed calcite barriers to immobilize phosphorus[J].Applied Geochemistry，2004，19(11):1759-1771.

[7]CORNELISSEN G，AMSTAETTER K，HAUGE A，et al.Large-scale field study on thin-layer capping of marine PCDD/F-contaminated sediments in Grenlandfjords， Norway physicochemical effects[J].Environmental Science and Technology，2012，46(21):12030-12037.

[8]MCDONOUGH K M，MURPHY P，OLSTA J，et al.Development and placement of a sorbent-amended thin layer sediment cap in the Anacostia river[J].Soil and Sediment Contamination，2007，16(3):313-322.

[9]JACOBS P H，F(xiàn)?RSTNER U.Concept of subaqueous capping of contaminated sediments with active barrier system (ABS) using natural and modified zeolite[J].Water Research，1999，33(9):2083-2087.

[10]ZHOU Zhenming，HUANG Tinglin，YUAN Baoling，et al.Remediation of nitrogen-contaminated sediment using bioreactive， thin-layer capping with biozeolite[J].Soil and Sediment Contamination，2016，25(1):89-100.

[11]HUANG Tinglin，ZHOU Zhenming，SU Junfeng，et al.Nitrogen reduction in eutrophic landscape river using bioactive multilayer capping (BMC) with biozeolite and sand[J].Journal of Soils and Sediments，2013，13(7):1309-1317.

[12]HUANG Tinglin，ZHOU Zhenming，XU Jinlan，et al.Biozeolite capping for reducing nitrogen load of the ancient canal in Yangzhou city[J].Water Science and Technology，2012，66(2):336-344.

[13]YANG Mengjuan，LIN Jianwei，ZHAN Yanhui，et al.Immobilization of phosphorus from water and sediment using zirconium-modified zeolites[J].Environmental Science and Pollution Research，2015，22(5):3606-3619.

[14]?ZKUNDAKCI D，HAMILTON D P，GIBBS M M.Hypolimnetic phosphorus and nitrogen dynamics in a small，eutrophic lake with a seasonally anoxic hypolimnion[J].Hydrobiologia，2011，661(1):5-20.

[15]SUN Shujuan，WANG Lei，HUANG Suiliang，et al.The effect of capping with natural and modified zeolite on the release of phosphorus and organic contaminants from river sediment[J].Frontiers of Environmental Science and Engineering，2011，5(3):308-313.

[16]MEIS S，SPEARS B M，MABERLY S C，et al.Assessing the mode of action of Phoslock?in the control of phosphorus release from the bed sediments in a shallow lake (Loch Flemington， UK)[J].Water Research,2013，47(13):4460-4473.

[17]帖靖璽，趙莉，張仙娥.凈水廠污泥的磷吸附特性研究[J].環(huán)境科學與技術，2009，32(6):149-151.

[18]崔寒，任新，趙雪松，等.凈水廠污泥在污水處理中的應用研究[J].中國給水排水，2015，31(6):16-21.

[19]周真明.城市河湖污染沉積物原位生物/物化組合修復技術研究[D].西安:西安建筑科技大學,2013:35，101-115.

[20]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學出版社，2002:243-246,276-281.

[21]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2005:49-55.

[22]CAPUTO D，PEPE F.Experiments and data processing of ion exchange equilibria involving Italian natural zeolites: A review[J].Microporous and Mesoporous Materials，2007，105(3):222-231.

[23]LAHAV O，GREEN M.Ammonium removal using ion exchange and biological regeneration[J].Water Research，1998，32(7):2019-2028.

[24]LI Zhaohui，BOWMAN R S.Sorption of perchloroethylene by surfactant-modified zeolite as controlled by surfactant loading[J].Environmental Science and Technology，1998，32(15):2278-2282.

(責任編輯： 錢筠英文審校： 劉源崗)

Efficiency of Controlling Nitrogen and Phosphorus Release From Sediment Using Thin-Layer Capping With Water Treatment Plant Sludge

HUANG Huashan， YANG Zhimin， ZHOU Zhenming，LIU Shupo， SHEN Chunhua， LI Fei， YUAN Baoling

(College of Civil Engineering， Huaqiao University， Xiamen 361021， China)

Abstract：The efficiency of controlling nitrogen and phosphorus release from sediment using four capping materials (including water treatment plant sludge, sand， natural zeolite and lanthanum-modified bentonite) were evaluated through sediment incubation laboratory experiments lasted for 35 days. The results showed that, under the condition of dose rate 2 kg·m-2, the average reduction efficiency of ammonia nitrogen in overlying water by zeolite capping was 42.04%, and there was no obvious effect on ammonia nitrogen reduction between sand capping and lanthanum-modified bentonite capping. More notably, water treatment plant sludge capping not only failed to control ammonia nitrogen release from sediment but also released ammonia nitrogen into overlying water. The average reduction efficiency of orthophosphate in overlying water using lanthanum-modified bentonite, water treatment plant sludge, zeolite and sand capping was 75.98%, 53.73%, 28.09% and 10.69%, respectively. Finally, the feasibility and difficulties were analyzed when the four capping materials were used, which indicates that the water treatment plant sludge is a feasible way for developing as a sediment capping material to control the nitrogen and phosphorus release from sediment.

Keywords：in situ capping； sediment； water treatment plant sludge； zeolite； lanthanum-modified bentonite； nitrogen and phosphorus

中圖分類號：X 524

文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51408243， 51378227)； 福建省自然科學基金資助項目(2012J05094， 2015J01213)； 福建省泉州市科技計劃重點項目(2014Z128)； 華僑大學中青年教師科研提升資助計劃(ZQN-PY313)

通信作者：黃華山(1978-)，男，講師，博士，主要從事水污染防治理論與技術的研究.E-mail:huanghuashan@hqu.edu.cn.

收稿日期：2016-03-15

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0347

文章編號：1000-5013(2016)03-0347-05