改性沸石对太湖底泥-水系统中磷的固定作用

改性沸石对太湖底泥-水系统中磷的固定作用

磷酸是引起湖泊富营养化的重要养分之一。目前,底泥磷释放控制技术主要包括异位控制技术和原位控制技术两大类底泥原位改良技术,即通过向底泥添加吸附剂以降低底泥中的污染物向水体迁移的风险,是近年来新出现的一种底泥污染物释放原位控制技术目前,研究人员已经考察了向底泥添加镧改性黏土(Phoslock1材料和方法实验所用天然沸石购自浙江省缙云县,粒径小于0.075mm,化学成分为:SiO1.2不同硅酸根离子浓度条件下改性沸石固定底泥磷含量的测定1.2.1不同反应时间条件下镧改性沸石固定底泥-水系统中磷研究配制浓度为0.02mol/L的KCl溶液,并将它的pH值调节至7.移取100mL的上述溶液置于锥形瓶中,并加入0.5g太湖底泥或0.5g太湖底泥和0.025g镧改性沸石的混合物,再将锥形瓶置于25℃的恒温振荡器中以200r/min进行振荡.反应一段时间后对锥形瓶中混合液采用过滤的方式进行固液分离.采用钼锑抗分光光度法测定滤液中溶解性磷酸盐磷(DIP)浓度,并采用过硫酸钾消解后钼锑抗分光光度法测定滤液中溶解性总磷(DTP)浓度.1.2.2不同pH值条件下镧改性沸石固定底泥-水系统中磷研究配制浓度为0.02mol/L的KCl溶液,并将它们的pH值分别调节至4,5,6,7,8,9,1011,12.分别移取100mL上述溶液置于一系列的锥形瓶中,再向锥形瓶中加入0.5g太湖底泥或0.5g太湖底泥和0.025g镧改性沸石的混合物,再将锥形瓶置于25℃的恒温振荡器中以200r/min进行振荡.反应24h后对锥形瓶中混合液进行固液分离,再测定滤液中DIP和DTP浓度.反应结束后收集锥形瓶中的固体样品.采用文献[24]的方法分析所收集的固体样品中各种形态无机磷含量,该方法将底泥中的无机磷分为弱吸附态磷(NH1.2.3不同硅酸根离子浓度条件下镧改性沸石固定底泥-水系统中磷研究配制含KCl(浓度为0.02mol/L)和硅酸钠(浓度为0~2mmol/L)的溶液,并将它们的pH值调节至7.分别移取100mL上述溶液置于一系列锥形瓶中,再向锥形瓶中加入0.5g太湖底泥或0.5g太湖底泥和0.025g镧改性沸石的混合物,再将锥形瓶置于25℃的恒温振荡器中以200r/min进行振荡.反应24h后对锥形瓶中混合液进行固液分离,再测定滤液中DIP和DTP浓度.1.2.4低溶解氧条件下镧改性沸石固定底泥-水系统中磷研究配制浓度为0.02mol/L的KCl溶液,通过添加亚硫酸钠的方式去除溶液中的溶解氧(DO),使溶液中DO浓度小于0.5mg/L,再将它的pH值调节至7.称取25g太湖底泥或25g太湖底泥和1.25g镧改性沸石的混合物置于1L的棕色试剂瓶中,再向试剂瓶中注满上述的KCl溶液,再将试剂瓶置于25℃恒温培养箱中.培养23d后取出试剂瓶中的水样.采用pH计测定水样的pH值,并采用溶氧仪测定水中的溶解氧浓度.过滤后测定滤液中DIP和DTP浓度.1.2.5不同老化时间条件下镧改性沸石固定底泥-水系统中磷研究配制浓度为0.02mol/L的KCl溶液,并将它的pH值调节至7.通过以下步骤制备了老化时间为1,15,30d的镧改性沸石改良太湖底泥:称取10g太湖底泥和0.5g镧改性沸石一并置于锥形瓶中,再向锥形瓶中加入100mL浓度为0.02mol/L的KCl溶液;将锥形瓶置于25℃的恒温振荡器中以200r/min进行振荡;反应1,15,30d后收集锥形瓶中的固体材料,风干,破碎,过0.075mm孔径筛后即得到用于后续研究的固体样品.移取20mL去离子水置于一系列锥形瓶中,再向锥形瓶中加入0.1g太湖底泥或0.1g镧改性沸石改良太湖底泥,再将锥形瓶置于25℃的恒温振荡器中以200r/min进行振荡.反应24h后对锥形瓶中的混合液进行固液分离,再对滤液中DIP浓度进行测定.1.2.6不同初始磷浓度条件下镧改性沸石固定底泥-水系统中磷研究采用KH2结果与讨论2.1不同反应时期，滴加糊剂对土壤中的磷释放的控制效果底泥吸附磷还是释放磷主要是由磷吸附-解吸平衡浓度(EPC由图1可见,当水中C2.2不同形态磷含量分布特征上覆水的pH值是影响太湖底泥磷释放的重要因素图3为pH4、7和11条件下释放磷后太湖底泥和镧改性沸石改良太湖底泥的磷形态分布特征.由图3可见,太湖底泥中各种形态磷含量从大到小依次为HCl-P>NaOH-P>BD-P>Org-P>NH2.3硅酸根离子对底泥磷释放的控制效果实际水体中可能存在一定数量的硅酸根离子.水中存在的硅酸根离子可能会影响底泥中磷的释放.由图4可见,水中存在的硅酸根离子促进了太湖底泥磷的释放,并且太湖底泥的磷释放量随水中硅酸根离子浓度的增加而增加.底泥对磷和硅的吸附存在共同的吸附位2.4在低溶解氧条件下，改性沸腾石对土壤中氮磷的释放具有控制作用研究表明,厌氧状态有利于底泥磷的释放2.5不同老化时间条件下改性沸石对底泥磷释放的控制效果镧改性沸石与底泥接触后,底泥中部分组分可能会与镧改性沸石发生相互作用,从而可能改变了镧改性沸石表面的性质,从而影响到了镧改性沸石对磷的固定能力.镧改性沸石与底泥的接触时间(即“老化时间”)可能是影响镧改性沸石固定底泥-水系统中磷的重要因素.当太湖底泥以及老化时间为1,15,30d镧改性沸石改良太湖底泥与水接触后,水中的DIP浓度依次为(0.069±0.006),(0.032±0.003),(0.035±0.006),(0.050±0.003)mg/L.这说明采用镧改性沸石对太湖底泥进行改良减少了太湖底泥磷的释放,并且随着老化时间的增加,镧改性沸石固定太湖底泥-水系统中磷的效率随之下降.推测原因可能是:太湖底泥中的天然性有机物可能会被吸附到镧改性沸石的表面,使得镧改性沸石表面的磷吸附位减少,从而降低了镧改性沸石对太湖底泥-水系统中磷的固定能力2.6不同老化时间改性沸石对底泥磷的等温吸附效果由图5可见,当水中磷浓度较高时(0.5~15mg/L),太湖底泥和镧改性沸石改良太湖底泥对磷的吸附量均为正值,并且均随初始磷浓度的增加而增加.镧改性沸石改良太湖底泥对水中磷的吸附能力明显强于太湖底泥.这说明采用镧改性沸石对太湖底泥进行改良明显增强了太湖底泥对磷的吸附能力.底泥对水中磷酸盐的吸附能力主要取决于铝和铁含量采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型由表2可见,与Freundlich等温吸附模型相比,Langmuir等温吸附模型可以更好地用于描述太湖底泥和不同老化时间镧改性沸石改良太湖底泥对水中较高浓度磷的等温吸附行为.根据Langmuir等温吸附模型,太湖底泥对水中磷的最大单位吸附量为405mg/kg,老化时间为1,15,30d的镧改性沸石改良太湖底泥对水中磷的最大单位吸附量分别为806,763,709mg/kg.显然,镧改性沸石改良太湖底泥对水中磷的最大单位吸附量明显高于太湖底泥,并且镧改性沸石改良太湖底泥对磷的最大单位吸附量随着老化时间的增加而下降.由图6可见,吸附磷酸盐后太湖底泥中各种形态磷含量从大到小依次为NaOH-P>BD-P>HCl-P>Org-P>NH2.7不同底泥磷吸附量的确定应用镧改性沸石原位改良技术控制底泥磷释放的一个关键技术问题是要确定镧改性沸石的添加量.理想情况下,镧改性沸石的添加量可以根据镧改性沸石的最大磷单位吸附量、底泥的潜在释放磷含量、以及需要控制的底泥总量等数据加以确定.供试的太湖底泥和镧改性沸石添加量为50g/(kg底泥)的改良太湖底泥(老化时间为1d)对水中磷的最大单位吸附量分别为405,806mg/kg,从而计算得到镧改性沸石对水中磷的最大单位吸附量为8421mg/kg.供试底泥的总磷含量为391mg/kg.假定供试底泥中磷会全部被释放出来,为了有效控制底泥磷的释放理想情况下计算得到的1kg供试底泥至少需要添加46g镧改性沸石.底泥与水体之间的磷交换过程是非常复杂的,它不仅包括磷的物理循环和化学循环,而且包括更为复杂的生物循环镧是一种对人体健康、生态系统有害的金属3不同底泥中磷酸盐的吸附能力3.1当水中磷浓度很低时,太湖底泥和镧改性沸石改良太湖底泥均释放出磷.镧改性沸石改良太湖底泥的释磷量少于太湖底泥.镧改性沸石改良太湖底泥中NaOH-P和HCl-P等较为稳定形态磷含量多于太湖底泥,而镧改性沸石改良太湖底泥中BD-P这种不稳定形态磷含量少