雷曉玲　韓繼陽　冉兵　楊程

(1.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院　重慶 401123；　2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院　重慶 400074)

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環(huán)境因子對(duì)底泥污染物化學(xué)鈍化修復(fù)的影響研究*

雷曉玲1，2韓繼陽2冉兵2楊程1

(1.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院重慶 401123；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院重慶 400074)

摘要通過模擬試驗(yàn)研究了環(huán)境因子擾動(dòng)、pH值以及溶解氧水平對(duì)底泥鈍化劑鈍化效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明，不同擾動(dòng)狀態(tài)下，PAC對(duì)COD，TP，TN的抑制效果均隨著擾動(dòng)程度的加強(qiáng)而增大；不同pH值條件下，PAC對(duì)COD，TP，TN均有一定的抑制效果，抑制效果隨酸性的增強(qiáng)而降低，也隨堿性的增強(qiáng)而降低，在pH值為6～8時(shí)抑制效果相當(dāng)，且弱堿性條件下效果最好；不同溶解氧水平下，PAC對(duì)TP的釋放抑制效果明顯，對(duì)COD和TN有一定的抑制作用。

關(guān)鍵詞底泥環(huán)境因子抑制率CODTPTN

0引言

三峽水庫蓄水后，水域環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，主要污染物大都吸附在泥沙顆粒上，泥沙淤積將大量的污染負(fù)荷轉(zhuǎn)移到底泥中，隨著水庫淤積和河床污染負(fù)荷的不斷累積和增加，在庫區(qū)富集并形成內(nèi)源污染。在一定情況下，底泥中污染物會(huì)大量分解、轉(zhuǎn)移并污染水體，造成富營(yíng)養(yǎng)化或加大庫區(qū)富營(yíng)養(yǎng)程度。因此，底泥污染的整治對(duì)河流污染治理來說顯得尤為關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的疏浚方式疏浚時(shí)會(huì)產(chǎn)生諸多問題，比如擾動(dòng)問題，對(duì)河道底部物理結(jié)構(gòu)的破壞以及底泥中污染物重新釋放引起的二次污染[1]?；瘜W(xué)鈍化控制技術(shù)就是通過在已污染的沉積物表層加入化學(xué)試劑, 使沉積物中的污染物得到轉(zhuǎn)化(無害化或固化), 從而減少污染沉積物環(huán)境影響的治理措施。對(duì)于水體污染控制主要是通過向水體投加化學(xué)鈍化劑將污染物去除或者轉(zhuǎn)化為其他無毒無害、相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì)，達(dá)到凈化底泥以及水體的目的。為了進(jìn)一步研究鈍化劑在不同環(huán)境因子影響下的鈍化效果，本文選取PAC這種常用鈍化劑，對(duì)其在不同擾動(dòng)條件、不同pH環(huán)境以及不同溶解氧水平下的鈍化效果進(jìn)行研究，以期為底泥治理提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)裝置和材料

底泥：利用自制柱狀采樣器(直徑20 cm)采集三峽庫區(qū)重慶段李家沱段河床表層15 cm左右厚度底泥，去除動(dòng)植物殘?bào)w、塑料及石塊等雜物，均勻混合，晾干，低溫密閉保存。

上覆水：為取得更好的效果，上覆水采用實(shí)驗(yàn)室制備的去離子水。

試驗(yàn)裝置為鋼化塑料水桶，高48 cm,桶底直徑為30 cm，桶口直徑為35 cm。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將準(zhǔn)備好的底泥平鋪在水桶底部，分別進(jìn)行擾動(dòng)水平控制、溶解氧水平控制和pH值調(diào)節(jié)等實(shí)驗(yàn)。每個(gè)桶平鋪2 kg底泥，鋪設(shè)厚度為6 cm，上覆水12 L，厚度36 cm，后向每個(gè)裝置中的底泥注入8 g PAC。

擾動(dòng)水平控制：結(jié)合挖泥船在不同挖泥功率下對(duì)底泥的擾動(dòng)情況，采用攪拌器進(jìn)行模擬，結(jié)合挖泥船不同功率對(duì)水體的擾動(dòng)時(shí)間不同，將攪拌水平設(shè)置為：第1組不攪拌，第2組以100 r/min攪拌1 min，第3組以200 r/min攪拌40 s，第4組以300 r/min攪拌30 s，擾動(dòng)在第6天進(jìn)行。其他條件為：溫度25 ℃，pH值為自然值，DO為自然復(fù)氧。

溶解氧水平控制：利用溶解氧儀進(jìn)行溶解氧測(cè)定，將實(shí)驗(yàn)狀態(tài)設(shè)置為好氧狀態(tài)，(5±0.2)mg/L；自然狀態(tài)，(3±0.2)mg/L；厭氧狀態(tài)，(1±0.2)mg/L。好氧狀態(tài)利用魚缸用曝氣頭進(jìn)行曝氣；自然狀態(tài)不控制，為自然復(fù)氧；厭氧狀態(tài)將高純N2(體積分?jǐn)?shù)為99.999%)作為充入氣體，充氣0.1 h后用保鮮膜密封，全過程控制DO的質(zhì)量濃度。實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃，pH值為自然值，不攪拌。

pH值調(diào)節(jié)：本實(shí)驗(yàn)采用5實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)置5個(gè)水平的pH值進(jìn)行研究，采用HCl和NaOH調(diào)節(jié)上覆水的pH值水平，pH值水平設(shè)置：1#為4±0.2，2#為6±0.2，3#為7±0.2，4#為8±0.2，5#為10±0.2。其他條件為：溫度25℃，自然復(fù)氧，不攪拌。

1.3分析方法

采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP，堿性過硫酸鉀分光光度法測(cè)定TN，快速消解分光光度法測(cè)定COD。

為了更好地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果，采用抑制率來表示加PAC后與加PAC前的差異。

抑制率=(未加PAC上覆水中污染物濃度-加PAC上覆水中污染物濃度)/未加PAC上覆水中污染物濃度×100%。

2結(jié)果與討論

2.1擾動(dòng)對(duì)鈍化底泥污染物釋放的影響

2.1.1擾動(dòng)對(duì)鈍化底泥中磷釋放的影響

如圖1所示，加入PAC后，穩(wěn)定時(shí)抑制率達(dá)到85%以上，說明PAC對(duì)底泥向水體釋放TP起到了很好的抑制作用。結(jié)合第6.1天TP的抑制率來看，不同擾動(dòng)水平下，PAC的抑制效果不同，此時(shí)抑制效果空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，說明PAC在擾動(dòng)后2 h內(nèi)對(duì)TP的抑制效果隨擾動(dòng)強(qiáng)度增大而減弱。穩(wěn)定后抑制效果逐漸恢復(fù)，說明擾動(dòng)對(duì)PAC抑制效果的持久性并未產(chǎn)生大的影響。

聚合氯化鋁除磷的過程體現(xiàn)在兩個(gè)方面[2]。一是鋁鹽與底泥中不穩(wěn)定的磷反應(yīng)生成穩(wěn)定的Al-P，二是通過水解作用形成多核絡(luò)合物，能夠迅速吸附水中帶負(fù)電荷的雜質(zhì)，中和膠體電荷，促進(jìn)膠體脫穩(wěn)、凝聚和沉淀，從而表現(xiàn)出良好的除磷效果。擾動(dòng)后發(fā)現(xiàn)隨擾動(dòng)強(qiáng)度的增大，抑制磷的效果下降，這主要是擾動(dòng)破壞了原有的水解平衡，抑制了水解過程，同時(shí)一定程度地破壞了原來形成的絮體，導(dǎo)致吸附能力下降。穩(wěn)定后，水體中PAC的作用得到恢復(fù)，體現(xiàn)出了良好的除磷效果。

圖1　不同擾動(dòng)強(qiáng)度下PAC抑制TP釋放的情況

2.1.2擾動(dòng)對(duì)鈍化底泥中TN釋放的影響

如圖2所示，PAC對(duì)底泥向水體釋放TN起到了一定的抑制作用，但抑制效果不理想。結(jié)合第6.1天TN抑制率來看，不同擾動(dòng)水平下，PAC的抑制效果不同，此時(shí)抑制效果空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，說明PAC在擾動(dòng)后2 h內(nèi)對(duì)TN的抑制效果隨擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而減弱，擾動(dòng)一定程度上破壞了PAC的作用。穩(wěn)定后抑制效果逐漸恢復(fù)，但抑制效果仍是空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，說明擾動(dòng)對(duì)PAC抑制效果的持久性有一定的影響，但影響不大。

圖2　不同擾動(dòng)強(qiáng)度下PAC抑制TN釋放的情況

氮在水體中的形態(tài)多樣，雖然PAC對(duì)底泥向水體釋放氨氮幾乎無抑制效果，但是PAC水解形成的絮凝體具有混凝作用[3]，與水體中的膠體和懸浮物發(fā)生吸附架橋和卷掃等作用，對(duì)其他形態(tài)氮的釋放具有一定抑制作用。擾動(dòng)后造成的抑制差異與擾動(dòng)對(duì)混凝造成的影響大小是一致的。

2.1.3擾動(dòng)對(duì)鈍化底泥中有機(jī)物釋放的影響

如圖3所示，PAC對(duì)底泥向水體釋放COD也起到了一定的抑制作用。不同擾動(dòng)水平下，PAC的抑制效果不同，此時(shí)抑制效果空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，說明PAC在擾動(dòng)后2 h內(nèi)對(duì)COD的抑制效果隨擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而減弱。穩(wěn)定后抑制效果逐漸恢復(fù)，但抑制效果仍是空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，說明擾動(dòng)對(duì)PAC抑制效果的持久性有一定的影響。

圖3　不同擾動(dòng)強(qiáng)度下PAC抑制COD釋放的情況

加入PAC后，聚合氯化鋁水解形成絮體，產(chǎn)生混凝作用。通過吸附架橋作用等對(duì)顆粒狀有機(jī)物進(jìn)行吸附去除[4]。擾動(dòng)對(duì)絮凝體的形成產(chǎn)生巨大的影響，擾動(dòng)一定程度上破壞了吸附架橋等作用，導(dǎo)致PAC去除有機(jī)物的效果下降。擾動(dòng)結(jié)束后一段時(shí)間，PAC的作用一定程度上得到了恢復(fù)。

2.2pH值對(duì)鈍化底泥污染物釋放的影響

2.2.1pH值對(duì)鈍化底泥中磷釋放的影響

如圖4所示，PAC對(duì)抑制底泥向水體釋放有機(jī)物起到了一定的作用，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，不同pH值條件下PAC的抑制效果差異明顯，說明pH值對(duì)PAC的作用有一定影響。結(jié)合不同反應(yīng)器TP抑制率可以看出， pH值在6～8范圍內(nèi)PAC對(duì)底泥向水體釋放磷的抑制效果差異小，抑制效果都非常明顯。PAC作用較明顯的環(huán)境是pH值為6～8。

圖4　不同pH值下PAC對(duì)TP的抑制情況

2.2.2pH值對(duì)鈍化底泥中TN釋放的影響

如圖5所示，從整體趨勢(shì)來看，PAC對(duì)底泥向水體釋放氮起到了一定的抑制作用，但作用不明顯。結(jié)合平均抑制率來看，PAC對(duì)TN的抑制效果較差，影響較小。同時(shí)可以看出，酸堿性條件下PAC的抑制效果均差于中性條件下的效果，并且弱堿性條件下好于強(qiáng)堿性條件、弱酸性條件下好于強(qiáng)酸性條件。

圖5　不同pH值下PAC對(duì)TN的抑制情況

2.2.3pH值對(duì)鈍化底泥中有機(jī)物釋放的影響

如圖6所示，PAC對(duì)抑制底泥向水體釋放有機(jī)物起到了一定的作用，不同pH值條件下PAC的抑制效果差異明顯，說明pH值對(duì)PAC的作用有一定影響?？梢钥闯觯琾H=6和pH=4對(duì)COD的抑制率要低于pH=7下的抑制率，同時(shí)pH=4條件下抑制效果比pH=6要差很多；pH=8和pH=10的條件下，COD的抑制率也要低于pH=7條件下的抑制率，且pH=10比pH=8抑制率要低很多。整體來看，堿性條件對(duì)PAC鈍化作用的影響比酸性條件要小，PAC作用較明顯的環(huán)境是pH值為6～8。

圖6　不同pH值下PAC對(duì)COD的抑制情況

鈍化劑對(duì)去除有機(jī)物的作用主要是通過混凝作用實(shí)現(xiàn)的[6]。不同酸堿條件下，鈍化劑的效果差異明顯，這是由于不同pH值下PAC水解行為的差異導(dǎo)致的。在水解過程中，鋁鹽水解產(chǎn)物形態(tài)有3種，分別是Ala，Alb，Alc，其中對(duì)混凝起主要作用的是Alb，在pH值為6～8時(shí)，Alb含量多，在強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境下Alb含量降低，且強(qiáng)堿環(huán)境優(yōu)于強(qiáng)酸環(huán)境，因此導(dǎo)致中性和弱酸弱堿環(huán)境下混凝效果好，強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境下混凝效果較差，且強(qiáng)酸條件下效果最差。

2.3溶解氧水平對(duì)鈍化底泥污染物釋放的影響

2.3.1溶解氧對(duì)鈍化底泥中磷釋放的影響

如圖7所示，不同DO值下，PAC對(duì)抑制底泥向水體釋放磷均起到了很好的作用，從最終效果和抑制率來看，不同的DO條件對(duì)PAC抑制磷釋放的效果幾乎沒有影響。

圖7　不同DO值下PAC對(duì)TP的抑制情況

2.3.2溶解氧對(duì)鈍化底泥中TN釋放的影響

結(jié)合圖8中抑制率來看，不同DO值下，PAC對(duì)水體中TN的抑制率比較低，且不同DO水平下PAC的抑制效果差異不明顯。說明鈍化劑PAC對(duì)抑制底泥向水體釋放TN有一定的作用，但鈍化效果受DO水平的影響不大。

圖8　不同DO值下PAC對(duì)TN的抑制情況

2.3.3溶解氧對(duì)鈍化底泥中有機(jī)物釋放的影響

結(jié)合圖9來看，不同DO值下，PAC對(duì)抑制底泥向水體釋放有機(jī)物均起到了一定的作用。結(jié)合絕對(duì)抑制率來看，不同DO條件下PAC的抑制效果均一般，差異不大，說明DO對(duì)鈍化劑PAC抑制有機(jī)物釋放的效果有一定影響。

圖9　不同DO值下PAC對(duì)COD的抑制情況

3結(jié)論

(1)不同擾動(dòng)強(qiáng)度下，PAC對(duì)COD，TP，TN的釋放有一定抑制作用，抑制效果隨擾動(dòng)強(qiáng)度的增加而減弱。因此，利用鈍化疏浚技術(shù)疏浚時(shí)，在滿足疏浚要求的前提下，盡量選擇對(duì)水體擾動(dòng)小的疏浚速度。

(2)不同pH值下，PAC對(duì)COD，TP，TN的釋放抑制情況存在差異，且不同pH值條件下PAC的絕對(duì)抑制效果也不一樣。PAC的作用受pH值影響較明顯。抑制效果隨酸性的增強(qiáng)而降低，隨堿性的增強(qiáng)而降低，在pH值為6～8時(shí)抑制效果相當(dāng)，且弱堿性條件下效果最好。因此采用鈍化技術(shù)時(shí)，PAC的使用選擇在pH值為6～8的范圍內(nèi)。

(3)不同溶解氧水平下，PAC對(duì)TP的釋放抑制效果明顯，對(duì)COD和TN有一定的抑制作用。PAC的抑制效果TP>COD>TN。不同溶解氧水平下，PAC對(duì)各種物質(zhì)的抑制效果相當(dāng),鈍化劑的抑制效果受溶解氧水平的限制較小。

參考文獻(xiàn)

[1]朱健，李捍東，王平. 環(huán)境因子對(duì)底泥釋放COD，TN和TP的影響研究[J].水處理技術(shù)，2009，35(8):44-49.

[2]郭鵬程，王沛芳，賈鎖寶. 河流內(nèi)源磷釋放環(huán)境影響因子研究進(jìn)展[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,32(3)：121-125.

[3]陶玉炎，耿金菊,王榮俊，等. 環(huán)境條件變化對(duì)河流沉積物“三氮”釋放的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013,36(6)：41-44.

[4]張麗萍,袁文權(quán),張錫輝. 底泥污染釋放動(dòng)力學(xué)研究[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(2):22-26.

[5]郭鵬程，王沛芳，賈鎖寶. 河流內(nèi)源磷釋放環(huán)境影響因子研究進(jìn)展[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,32(3)：117-121.

[6]劉敏，戴玉春，湛含輝，等. 混凝體系中鋁鹽水解行為及作用機(jī)制的研究與分析[J].環(huán)境污染與防治，2009,31(8):1-6.

Effects of Environmental Factors on Sediment Pollutants Chemical Passivation Repair

LEI Xiaoling1，2HAN Jiyang2RAN Bing2YANG Cheng1

(1.ChongqingAcademyofScience&TechnologyChongqing401123)

AbstractThrough simulation experiments, it is studied the influences of environmental factors disturbance, pH and dissolved oxygen levels on passivation effect of sediment. The results show that under different disturbance state, the inhibitory effect of PAC on COD, TP and TN increases with the increase of disturbance; under different pH conditions, PAC has a certain inhibitory effect on COD, TP and TN, the inhibition effect decreases with the increase of acidity, also decreases with the increase of alkaline and when PH value is 6-8, the inhibiting effect is quite the same and under slightly alkaline, the effect is the best; at different levels of dissolved oxygen, the release suppression effect of PAC on TP is obvious and it has some certain suppression on COD and TN.

Key Wordssedimentenvironmental factorsinhibition rateCODTPTN

*基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAB09B0103)，重慶市科技研發(fā)基地建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013gjhz20001)。

作者簡(jiǎn)介雷曉玲，女，1967年生，教授，清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程碩士，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)環(huán)境工程碩士，重慶市科學(xué)技術(shù)研究院低碳中心負(fù)責(zé)人，主要研究方向：城市給水排水水質(zhì)、工藝及管網(wǎng)系統(tǒng)研究，水環(huán)境污染物流動(dòng)、擴(kuò)散機(jī)理研究，城市水務(wù)管理。

通訊作者韓繼陽，男，1990年生，重慶交通大學(xué)碩士研究生，主要研究方向：飲用水水質(zhì)檢測(cè)及在線監(jiān)測(cè)設(shè)備開發(fā)。

(收稿日期：2015-08-21)