景观湖底泥氮磷释放及其改性吸附试验研究

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城市景观湖属于浅水型湖泊,在垂直空间上具有边界层界限模糊、风生流特征明显、物质能量交换剧烈等特点,更加剧了底泥对上覆水体水质的影响。目前,景观湖泊多为人造湖,溢出的水直接连接到市政排水管网,缺乏长期稳定的补水,景观湖中水体难以保持良好的流动性,诸如N、P等营养盐会累积。当外来N、P营养盐输入量减少的情况下,仅内原始污染物释放仍可使水体处于富营养化状态,因此控制底泥中N、P等污染物向上覆水的释放对于地表水环境污染防治是十分必要的。针对上述问题,本研究分析了景观湖底泥中N、P的释放规律,基于底泥样品的物理化学性质(包括pH、WC、LOI、氮磷含量),提出通过煅烧改性来调控和改善底泥的吸附性能,并与絮凝池污泥、膨润土、沸石粉复合,制备改性底泥复合材料;进而通过多种表征手段(SEM、EDS、XRD、比表面积和孔结构)系统评估了底泥改性复合材料的吸附性能,并探讨了底泥改性复合材料原位覆盖控制底泥N、P释放的效果,具体研究内容如下:(1)底泥理化性质及景观湖富营养化现状评价:景观湖中底泥污染状况严重,TN、NH4+-N和TP的平均含量分别为6.703 mg/g、0.094 mg/g、0.327 mg/g,属于重污染水平;水体正常年份911月的综合营养状态指数在57.0261.40之间波动,总体呈轻度富营养状态。(2)环境因子对底泥氮磷释放影响:pH值、温度、DO及扰动对底泥中N、P的释放有很大的影响。升高温度、DO浓度低均可加速底泥中N、P的释放,酸性条件有利于TN、NH4+-N的释放,碱性条件有利于TP的释放;扰动可以加速底泥中氮的释放,扰动速度与释放量呈正比,但是对总磷释放影响不大。(3)景观湖底泥改性方法与优化配比研究:通过研究底泥及净水厂絮凝池污泥在不同煅烧温度下对NH4+-N和TP的吸附效果,确定最佳煅烧改性条件为:底泥最佳煅烧温度为550℃,此时对NH4+-N的吸附量为0.37 mg/g,对TP的吸附量为0.12 mg/g;净水厂絮凝池污泥最佳煅烧温度为400℃,此时对NH4+-N的吸附量为0.48 mg/g,对TP的吸附量为0.604 mg/g。同时通过单因素吸附试验对芦苇生物炭、沸石、硅藻土、高岭土、膨润土、氧化铝六种材料的吸附效能做出优选,进行材料的组合配比,通过设计正交试验,初步确定最优方案为:改性底泥:改性净水厂絮凝池污泥:沸石粉:膨润土=1:2:3:1。(4)底泥改性复合材料表征及覆盖底泥吸附氮磷效能研究:利用多种表征手段对复配前后的覆盖材料进行分析,材料具有良好的结晶性和丰富的微孔、介孔孔道结构,同时复合材料的比表面积和微孔孔容分别为37.332 m2/g和0.0036 cm3/g,远高于改性底泥(12.016 m2/g和0.0024 cm3/g),吸附性能良好。通过覆盖控制底泥N、P释放效果研究,与空白组相比,覆盖层厚度为3 cm时,底泥改性复合材料对上覆水中TN、NH4+-N、TP的削减率为61.58、79.59、82.20%,对控制底泥N、P释放及上覆水体中营养盐的削减均有显著效果。(5)通过模拟试验研究不同温度下底泥改性复合材料覆盖控制底泥氮磷释放的效果,结果表明温度升高会导致底泥中的N、P释放量增加,底泥改性复合材料对N、P具有良好的吸附作用,在控制底泥氮磷释放上可以克服温度升高带来的负面影响。
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