謝蘇峰 浦燕新 廖書林

(維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213125)

水體富營養(yǎng)化是環(huán)境領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)，大量的研究表明磷是控制水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵性與限制性營養(yǎng)鹽之一[1]。底泥被普遍認(rèn)為是水體中磷的“源”和“匯”，底泥中匯集的磷可以向上覆水體釋放，從而對水生態(tài)系統(tǒng)健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

目前，原位控制底泥磷釋放的工程措施主要包括曝氣復(fù)氧和表層覆蓋。曝氣可以通過增加上覆水中溶解氧的含量來提高泥-水界面微域環(huán)境氧化還原電位，進(jìn)而增強(qiáng)底泥對磷的吸附和固定作用，有效抑制底泥中磷的釋放[2]。原位覆蓋技術(shù)通過底泥表層覆蓋形成隔離層，使污染底泥與上層水體隔離，從而阻隔底泥中污染物向水體的遷移。目前，有關(guān)孔曝氣聯(lián)合表層覆蓋技術(shù)對重污染河道底泥磷釋的試驗(yàn)研究相對較少。

為此，本文以佛山市順德區(qū)龍?zhí)镉亢诔艉拥赖啄酁檠芯繉ο?，通過試驗(yàn)考察了曝氣聯(lián)合表層覆蓋技術(shù)對重污染河道底泥磷釋的影響，以期為重污染河道底泥原位治理工作提供支撐。

1 材料與方法

1.1 底泥與水樣的采集與處理

采用彼得森抓斗式底泥采樣器從佛山市順德區(qū)石洛涌采集表層30cm的底泥，清除泥樣中的石塊、動(dòng)植物殘?bào)w和垃圾等，混合均勻，濾去水分，儲(chǔ)藏于黑色塑料袋中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后于4℃下保存?zhèn)溆?。在底泥采樣點(diǎn)利用自制采樣器采集上覆水水樣。水樣經(jīng)0.45μm孔徑的濾膜過濾，濾去藻類及部分懸浮固體物，以減少其對實(shí)驗(yàn)的影響[3]。上覆水體的pH為7.14，DO為0.63mg/L，COD為68.1mg/L，氨氮為7.62mg/L，總氮為15.11mg/L，總磷為1.44mg/L，可溶性正磷酸鹽為0.65mg/L。底泥的pH為6.94，氧化還原點(diǎn)位為-286mV，TOC為16.32mg/L，含水率44.8%。

實(shí)驗(yàn)所用天然沸石購自浙江省縉云縣，粒徑小于0.075mm，主要礦物成分為斜發(fā)沸石、絲光沸石和石英。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將處理后的底泥鋪于實(shí)驗(yàn)容器(有機(jī)玻璃材質(zhì)，φ30cm×100cm)底部，底泥厚度約30cm，緩慢注入處理后的上覆水水樣，使其水位高度達(dá)到50cm，操作中盡量避免對底泥的擾動(dòng)。試驗(yàn)分3組進(jìn)行。A組為單獨(dú)向底泥中投加1.5cm厚度的天然沸石覆蓋層，不進(jìn)行曝氣處理；B組為先投加與A組相同的天然沸石覆蓋層，隨后進(jìn)行曝氣處理；C組為空白對照組，不進(jìn)行任何處理；實(shí)驗(yàn)容器底泥部分用避光材料包裹，實(shí)驗(yàn)在溫室中進(jìn)行(室溫范圍20～30℃)。曝氣所用的曝氣頭(φ2.5cm×5cm)放置于泥水界面上方30cm處，采用間歇式曝氣的方式進(jìn)行，曝氣量為0.24L/min，風(fēng)壓0.25MPa，每天曝氣8h(8：30—16：30)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)30天。

1.3 分析指標(biāo)及測定方法

試驗(yàn)開始進(jìn)行后，每3d取1次上覆水進(jìn)行測試，取樣后，向系統(tǒng)中加入相同量的備用水樣。采用FJA-5型氧化還原電位(ORP)去極化法全自動(dòng)測定儀原位測量底泥的氧化還原電位(Eh)。溶解氧(DO)采用溶氧儀測定。

上覆水中總磷(TP)采用過堿性硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；將水樣經(jīng)0.45μm醋酸纖維濾膜過濾后，所得濾液再采用鉬銻鈧顯色測定可溶性正磷酸鹽含量(SRP)。底泥中磷形態(tài)分離提取采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)測試委員會(huì)框架下發(fā)展的SMT分離方法，分別測定底泥中可交換態(tài)磷(Ex-P)、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(NaOH-P)、鈣結(jié)合態(tài)磷(HCl-P)[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 上覆水體DO和底泥Eh的變化

圖1為上覆水體DO濃度變化曲線。從中可以看出，對照組與覆蓋試驗(yàn)組上覆水體的DO變化規(guī)律相似，都是呈現(xiàn)緩慢下降趨勢，曝氣+覆蓋試驗(yàn)組的上覆水體DO在試驗(yàn)初期迅速上升，隨后趨于穩(wěn)定的趨勢，第30天，其DO濃度值達(dá)到了3.05mg/L。底泥的Eh變化曲線表明，曝氣可以明顯提升底泥的氧化還原電位。第30天時(shí)，曝氣+覆蓋試驗(yàn)組的氧化還原電位為-144mV，遠(yuǎn)高于對照組的-220mV。底泥氧化還原電位處于低位時(shí)，底泥容易產(chǎn)生發(fā)黑現(xiàn)象，曝氣措施可有效抑制致黑致臭物質(zhì)產(chǎn)生。

圖1 上覆水體DO與底泥Eh濃度變化曲線

2.2 上覆水體磷的變化

圖2為上覆水總磷(TP)和溶解性正磷酸鹽(SRP)含量的變化曲線。從圖中可以看出，覆蓋試驗(yàn)組的TP含量呈現(xiàn)先快速下降，后緩慢回升的趨勢，第15天總磷含量最低，為0.91mg/L，第30天TP含量為1.12mg/L，相比初始值下降22.2%。沸石覆蓋層通過材料本身吸附作用以及材料物理覆蓋的共同作用抑制了底泥層TP的釋放。曝氣+覆蓋試驗(yàn)組的TP呈現(xiàn)先上升，后快速下降，再趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。第9天TP的含量最高，達(dá)到了1.73mg/L，相比初始值上升了20.1%；第30天TP含量為0.82mg/L，相比初始值下降43.0%。初期的TP上升可能與曝氣作用加速了TP向上釋放的速率，隨著水體DO的逐步增加，底泥的氧化還原電位逐步提高，底泥中Fe2+被氧化為Fe3+，并與磷酸根相結(jié)合形成沉淀，這對底泥磷酸鹽的釋放過程會(huì)產(chǎn)生抑制作用[5]，因此后期上覆水體的TP下降速度更快，且未見明顯上浮現(xiàn)象。上覆水體的SRP變化規(guī)律與TP類似，覆蓋試驗(yàn)組第15天總磷含量最低，為0.39mg/L，第30天TP含量為0.48mg/L，相比初始值下降26.2%。曝氣+覆蓋試驗(yàn)組的SRP體現(xiàn)出了更好的處理效果，第6天SRP含量最高為0.91mg/L，第30天SRP含量為0.28mg/L，相比初始值下降達(dá)到了56.9%。

圖2 上覆水體總磷和可溶性正磷酸鹽濃度變化曲線圖

2.3 底泥磷形態(tài)分布的變化

圖3為試驗(yàn)第30天時(shí)河道底泥中的磷形態(tài)的分布規(guī)律。Ex-P和NaOH-P均屬于易于釋放的生物可利用磷，這部分磷生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較大，為河道底泥磷釋放主要來源。HCl-P為鈣磷，通常被認(rèn)為是生物難利用磷，相對穩(wěn)定[6]。對照組中的底泥以NaOH-P為主要形態(tài)，占比為45.6%，其次為HCl-P，占比為38.9%，Ex-P占比最低，為15.5%。

覆蓋試驗(yàn)組的磷形態(tài)分布與對照組相近，HCl-P、Ex-P和NaOH-P分別占到37.9%、14.3%和47.8%。這表明，單獨(dú)的底泥覆蓋未能改變底泥的磷形態(tài)分布，其對底泥磷的抑制主要依賴于物理隔離與本身的吸附作用。曝氣+覆蓋試驗(yàn)組的HCl-P占比顯著高于對照組和覆蓋試驗(yàn)組，達(dá)到了59.4%，Ex-P和NaOH-P占比分別減少到了8.9%和31.7%?？梢姡貧?覆蓋處理可促使表層底泥磷形態(tài)由易釋放組分向難釋放組分轉(zhuǎn)化，從而更加有效地降低表層底泥磷釋放而造成的水生態(tài)與水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 底泥磷形態(tài)分布圖

3 結(jié)論

曝氣措施可以顯著提升底泥的氧化還原電位與上覆水體的DO濃度，抑制致黑致臭物質(zhì)產(chǎn)生。相比單獨(dú)的覆蓋處理，曝氣+覆蓋處理可以更加有效地抑制底泥的TP與SRP釋放，其第30天上覆水體的TP與SRP去除率分別達(dá)到了43.0%和56.9%。單獨(dú)的底泥覆蓋未能改變底泥的磷形態(tài)分布，曝氣+覆蓋處理可促使表層底泥磷形態(tài)由易釋放組分向難釋放組分轉(zhuǎn)化，從而更加有效地降低表層底泥磷釋放而造成的水生態(tài)與水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)。

*基金項(xiàng)目：“水專項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化二次開發(fā)與市場化推廣研究課題”編號：2018ZX07208010。