新型物化凝聚劑控制河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的研究

摘要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，考察了一種新型物化凝聚劑在不同投加量和反應(yīng)時(shí)間條件下控制污染河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的效率。結(jié)果表明，在污染河道底泥中注入新型物化凝聚劑48 h內(nèi)，底泥表層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多孔性的漸變過(guò)程，微生物生存環(huán)境得到一定的改善；對(duì)上覆水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，新型物化凝聚劑注入底泥中能有效抑制底泥中總氮（TN）、氨氮和總磷（TP）的釋放，同時(shí)也抑制了上覆水體中氧化還原電位（ORP）和化學(xué)需氧量（COD）濃度的上升；新型物化凝聚劑投加量越大，控制底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的效果越好。上述結(jié)果表明，采用新型物化凝聚劑對(duì)污染河道底泥進(jìn)行原位改良，可成為底泥就地處理和控制河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的一種技術(shù)方法和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：新型物化凝聚劑；底泥；營(yíng)養(yǎng)鹽釋放

中圖分類號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）17-4390-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.009

Abstract： Using a lab experiment， the efficiency of a new chemical flocculant on control of nutrient salt release from sediments in polluted river was examined under the condition of the different dosage and reaction time. The results showed that， after the new chemical flocculant was injected into the sediments of polluted river， the surface structure of sediment changed gradually into the state of the porosity， and the microbial survival environment was certainly to be some improvements in about 48 hours. The nutrient salt in the overlying water was measured， which showed the new chemical flocculant could effectively control the release of total nitrogen， ammonia-nitrogen and total phosphorus， and could control the increase of ORP and COD. The more dosing of the new chemical flocculant was used， and the better effect on control of nutrient salt release from sediments was obvious. The above results demonstrated that according to the experiment， the new chemical flocculant could still work effectively and would become the main measures adopted in the areas in the future.

Key words：new chemical flocculant； sediments； nutrient salt release

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市排污量的不斷增加，許多城市河流富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。匯入河流水體中的污染物和營(yíng)養(yǎng)物不斷沉積聚集在底泥中，造成了底泥的污染。當(dāng)河流的外源污染得到控制后，底泥中的污染物會(huì)向上覆水體釋放，造成河流的二次污染[1]。因此，對(duì)污染底泥的治理已成為控制河流污染的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，底泥控制技術(shù)主要分為異位控制技術(shù)和原位控制技術(shù)兩大類[2-4]。底泥異位控制技術(shù)主要是采用底泥疏浚的方法。底泥疏浚雖然短期內(nèi)成效較明顯，但疏浚具有成本高、工程巨大、后續(xù)淤泥的處理可能易對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞等弊端。底泥原位控制技術(shù)主要包括物理覆蓋、化學(xué)處理和生物修復(fù)。物理覆蓋是指在污染底泥上部放置一層或多層覆蓋物，使底泥與上覆水體隔開(kāi)，防止底泥中的污染物釋放至上覆水體。化學(xué)處理是指通過(guò)向水體中投加硫酸鋁（明礬）、硝酸鈣等化學(xué)藥劑來(lái)穩(wěn)定底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽，防止底泥向水體中釋放營(yíng)養(yǎng)鹽。生物修復(fù)是通過(guò)生物來(lái)減少環(huán)境中的污染物，使環(huán)境部分或完全恢復(fù)到原有狀態(tài)。

目前，國(guó)外科研工作者針對(duì)河流底泥污染原位控制技術(shù)做了大量的研究工作，結(jié)果表明，通過(guò)投加石灰、鐵鋁鹽、硝酸鹽[如Ca（NO3）2]等可固定水體和底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽，抑制底泥向水體中釋放營(yíng)養(yǎng)鹽，且有利于河流生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[5-13]。但國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究較少[14-17]。為此，本試驗(yàn)考察了向污染河道底泥投加新型物化凝聚劑對(duì)河道底泥—水系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)鹽的固定效果，為今后應(yīng)用新型物化凝聚劑控制河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放提供數(shù)據(jù)參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所使用的新型物化凝聚劑是某環(huán)保公司復(fù)合型水處理劑高新技術(shù)成果，該凝聚劑是由硫酸鋁、硫酸鈣、碳酸鈉構(gòu)成的主劑與pH調(diào)節(jié)劑、比重增加劑、螯合促進(jìn)劑均勻分散混合后制成的。其中的pH調(diào)節(jié)劑采用水泥制成，比重增加劑使用水泥或者磁性材料（鐵氧體）。螯合促進(jìn)劑是用鐵粉、硫代氧化鈉、甲克素、檸檬酸粉末制成。其功能是通過(guò)凝聚、吸附、電化學(xué)、螯合固定和分離作用，無(wú)論是處理有機(jī)系污泥（污水）還是無(wú)機(jī)系污泥（污水）都能使溶存在污水中的物質(zhì)（包括金屬類的污染物）和懸濁物很快凝集后沉降入污泥中，并促進(jìn)固體漂浮物與水分的充分分離，使污水轉(zhuǎn)化為水質(zhì)優(yōu)良的清潔水。

試驗(yàn)所用的底泥取自安徽省合肥市南淝河。現(xiàn)場(chǎng)采集的底泥4 h之內(nèi)運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室后立刻進(jìn)行底泥營(yíng)養(yǎng)鹽模擬釋放控制試驗(yàn)。底泥自然風(fēng)干后測(cè)定有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量。底泥的有機(jī)質(zhì)含量和總氮含量采用土壤理化性質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分析方法[18]進(jìn)行測(cè)定；底泥的總磷含量采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試委員會(huì)制定的連續(xù)提取法[19]進(jìn)行測(cè)定。底泥的有機(jī)質(zhì)含量為3.08%，總磷含量為685.7 mg/kg，總氮含量為1 080 mg/kg。上覆水的理化性質(zhì)采用文獻(xiàn)[20]推薦的方法進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)所用的化學(xué)試劑均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

采用1 L燒杯作為反應(yīng)器，倒入混合均勻的新鮮底泥，使底泥體積保持約為200 mL，然后分別加入0（CK）、40、80、120、160、200 mg的新型物化凝聚劑對(duì)底泥進(jìn)行攪拌處理。采用虹吸方法向反應(yīng)器注入600 mL清水，加水過(guò)程中盡量避免干擾底泥和試驗(yàn)試劑，并密閉保存。分別于2、4、8、12、24、36、48 h從反應(yīng)器中取出一定體積的上覆水，并向反應(yīng)器補(bǔ)充等同體積的清水，測(cè)定上覆水中總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮、化學(xué)需氧量（COD）以及氧化還原電位（ORP）。

1.3 測(cè)定方法

試驗(yàn)前測(cè)定底泥的基礎(chǔ)數(shù)值。水中TN通過(guò)堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度計(jì)法測(cè)定，TP通過(guò)鉬酸銨分光光度法測(cè)定，氨氮通過(guò)納氏試劑光度法測(cè)定，COD用HACH儀器測(cè)定，ORP用ORP測(cè)量?jī)x測(cè)定，底泥結(jié)構(gòu)采用掃描電鏡進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 新型物化凝聚劑對(duì)污染河道底泥的處理效果

河流底泥是由黏土、沙、各種礦物質(zhì)或者有機(jī)物構(gòu)成的沉淀于河流底部的泥狀土壤，底泥內(nèi)蓄積了大量污染物（包括N、P等營(yíng)養(yǎng)鹽）。底泥含有的水量較高，一般在82%～93%。當(dāng)注入新型物化凝聚劑后，試劑中所含的比重增加劑可以充分地分離底泥中的固體物質(zhì)和水分，從而對(duì)底泥進(jìn)行濃縮和脫水。濃縮后的底泥表層出現(xiàn)空隙，并形成了明顯的孔狀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。

2.2 新型物化凝聚劑對(duì)底泥中氮、磷釋放的影響

圖2、圖3、圖4分別為各投加量新型物化凝聚劑作用下上覆水TN、氨氮和TP質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的曲線。

由圖2可知，試驗(yàn)初始階段，各組的TN濃度均不斷升高，這是因?yàn)槌跏茧A段底泥向上覆清水中釋放大量的TN。從12 h開(kāi)始，投加新型物化凝聚劑各處理的TN濃度逐漸降低，這是因?yàn)樾滦臀锘蹌└纳屏说啄嘀形⑸锏纳姝h(huán)境，使微生物的活性得到了提高，當(dāng)這些微生物釋放到水體中，通過(guò)反硝化作用將更多的氮以氣態(tài)的形式釋放到空氣中，從而降低了水體中的TN。其中投加量為200 mg時(shí)，對(duì)TN的抑制作用最強(qiáng)，抑制率達(dá)到60.43%。由此看出，在清水底泥的環(huán)境中，新型物化凝聚劑明顯抑制了TN的釋放，且投加量越大，抑制底泥中TN釋放的效果越好。

由圖3可知，對(duì)照的氨氮濃度不斷升高，在48 h時(shí)氨氮釋放量達(dá)到9.36 mg/L，而其他5種投加了新型物化凝集劑的處理在作用12 h時(shí)氨氮濃度達(dá)到最高，為5.54～7.04 mg/L，48 h時(shí)降為最小值。5種投加了新型物化凝集劑的處理均呈現(xiàn)先升高后逐漸下降的趨勢(shì)。其中，處理效果最好的是投加量為200 mg新型物化凝集劑的處理，其氨氮釋放量在 48 h時(shí)僅為3.76 mg/L，較投加量為40 mg新型物化凝聚劑的處理組減少了59.83%。這是因?yàn)樾滦臀锘蹌┳⑷氲啄嗪螅岣吡宋⑸锏幕钚?，亞硝化?xì)菌通過(guò)硝化作用將更多的氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝態(tài)氮，然后再由硝化細(xì)菌將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，從而降低了水體中氨氮的含量。投加新型物化凝聚劑能夠有效地控制底泥氨氮的釋放，且投加量越大，其控制效果越好。

由圖4可知，試驗(yàn)開(kāi)始12 h內(nèi)，各組的TP濃度都明顯增加，這是因?yàn)榈啄嘀嗅尫懦鰜?lái)的磷先進(jìn)入底泥的間隙水中，然后在間隙水和上覆水中磷的作用下，將大量的溶解性磷酸鹽釋放到水體中，導(dǎo)致上覆水中TP濃度的增加。12 h后，沒(méi)有投加新型物化凝聚劑的對(duì)照組的上覆水中的TP濃度持續(xù)升高，而投加了新型物化凝聚劑的各處理的上覆水的TP濃度呈現(xiàn)回落的趨勢(shì)。其中，投加量為200 mg新型物化凝聚劑處理的上覆水的TP濃度從12 h時(shí)的0.79 mg/L直接降低到了48 h時(shí)的0.36 mg/L，與對(duì)照相比，48 h內(nèi)上覆水中TP的釋放量降低了81.73%。這主要是因?yàn)樾滦臀锘蹌┩都拥降啄嘀校ㄟ^(guò)凝聚、吸附及螯合固定等作用使底泥空隙水及底泥上覆水體中的各種磷酸根鹽結(jié)合成不溶性的鹽，沉淀吸附在底泥顆粒表面。這樣不僅有助于水體中TP含量的降低，而且可以有效抑制底泥中TP的釋放。因此，新型物化凝聚劑注入底泥中，對(duì)TP的釋放有抑制作用，隨著投加量的增加，抑制作用越顯著。

2.3 新型物化凝聚劑對(duì)上覆水體中COD的影響

從圖5可以看出，試驗(yàn)開(kāi)始12 h內(nèi)，各組底泥均向上覆清水釋放大量有機(jī)物，導(dǎo)致上覆水中的COD濃度明顯上升，由于新型物化凝聚劑的物理阻隔及吸附作用，各新型物化凝聚劑處理組COD濃度偏低。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，未加入凝聚劑處理的底泥仍不斷向上覆清水釋放有機(jī)物，COD濃度達(dá)到了83 mg/L，而加入凝聚劑處理的上覆水的COD濃度最低達(dá)到39 mg/L。各投加新型物化凝聚劑處理組的COD一直低于未加入凝聚劑的對(duì)照組，且投加量越大，上覆水COD的濃度越低。這是因?yàn)樽⑷胄滦臀锘蹌┖?，底泥中脫氮微生物的活性得到提高，刺激反硝化作用，從而使NO3-轉(zhuǎn)化為N2，降解水體中的有機(jī)物。同時(shí)因有硫酸鈣和碳酸鈉的大幅度的電位差和硫酸鋁的電位相對(duì)峙，產(chǎn)生的凝聚作用可以使水體中的大分子有機(jī)物凝聚沉降。

2.4 新型物化凝聚劑對(duì)上覆水體中ORP的影響

底泥中的有機(jī)物釋放到水體中會(huì)發(fā)生一定的氧化還原反應(yīng)，水體中的氧化還原電位是多種氧化物與還原物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的綜合結(jié)果，ORP是反映水體中氧化還原狀態(tài)的綜合指標(biāo)。由圖6可以看出，各組ORP隨時(shí)間變化都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但各投加新型物化凝聚劑處理組的ORP下降速率較為緩慢。這是因?yàn)榈啄嘀械奈⑸镝尫诺缴细睬逅校瑢⑺w中的溶解氧消耗，導(dǎo)致ORP不斷下降；由于釋放到水體中的有機(jī)物受到新型物化凝聚劑的抑制，各處理組中的溶解氧消耗速率下降，同時(shí)空氣從反應(yīng)器表面的進(jìn)入和消耗之差逐步增加，因此與未加入凝聚劑的對(duì)照組相比，各投加新型物化凝聚劑處理組的ORP下降速率較低。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬，進(jìn)行了采用新型物化凝聚劑控制河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的研究。結(jié)果表明，①向底泥中注入新型物化凝聚劑后，其與底泥中的污染物質(zhì)反應(yīng)，通過(guò)抑制其污染物質(zhì)向水體中釋放來(lái)達(dá)到與水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)保持平衡狀態(tài)。由于試驗(yàn)開(kāi)始后沒(méi)有新的污染源，因此清水中N、P的增加都來(lái)自底泥。在向底泥中注入新型物化凝聚劑后，底泥中TN、氨氮及TP的釋放都得到了明顯的抑制。②對(duì)投加不同量的新型物化凝聚劑進(jìn)行比較，注入底泥的新型物化凝聚劑量越大，對(duì)污染河道底泥營(yíng)養(yǎng)鹽釋放的總體抑制效果越好。③底泥中注入新型物化凝聚劑后，通過(guò)對(duì)上覆水體中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的分析，加入新型物化凝聚劑比未注入新型物化凝聚劑的上覆水體中TN、TP等濃度明顯要低。新型物化凝聚劑可能成為今后處理解決城市河流底泥污染、防止污染河道底泥中的營(yíng)養(yǎng)物釋放的一種有效方法和發(fā)展方向。

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