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模拟条件下富营养化浅水湖泊真光层锁磷剂钝化沉积物中磷元素的固定与释放
2019-12-04
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模拟条件下富营养化浅水湖泊真光层锁磷剂钝化沉积物中磷元素的固定与释放




一.介绍


削减地表水中磷浓度是控制藻类过度生长和治理富营养化的重要措施

1、锁磷剂(Phoslock),即镧改性膨润土(LMB)粘土。

2、 Phoslock中镧元素在厌氧条件和pH5-9.7范围内对磷的结合能力非常强,因此新形成的这种矿物非常稳定。

3、 LMB已应用约200个水体的修复。一些试验证实了LMB对磷的结合在削减沉积物内源磷释放中的作用。

4、 LMB在沉降过程中能通过吸附作用大大削减水柱中的溶解态磷。当吸附了磷元素的LMB沉积到沉积层表面时,会在沉积物/水界面形成一层由LMB组成的新生层,进而拦截沉积物向上覆水释放的磷。

5、 物理扰动生物扰动会破坏覆盖层,使得LMB材料被垂直埋藏或者水平迁移,但这并不会影响该材料吸附磷的能力,反而能促进它捕获孔隙水中的磷

6、 浅水湖泊中,由于水动力的原因,沉积物常常会再悬浮到上覆水体的真光层中,相比于湖床,真光层中有着更高浓度的DO、DOC,更高的PH值以及更多的藻类

7、 尽管LMB在治理水体内源磷污染中应用广泛,但当LMB钝化沉积物再悬浮到真光层,人们对于此时磷元素固定和释放行为了解较少。

研究目的:模拟真光层条件下,研究真光层中再悬浮的LMB钝化沉积物中磷元素的固定与释放


二.研究方法

实验先通过柱培养试验检测出黑暗下沉积物+LMB+藻条件中上覆水的DO、pH、TP、TDP、DIP。并测定了低初始磷浓度(<300μg/L)下磷酸盐的吸附等温线,得到了EPC0。

在LMB修复后开展沉积物再悬浮实验

为评价LMB在光区沉积物反复受到干扰时降低水中磷含量的效果,进行了6组再悬浮试验:(1)仅沉积物;(2)沉积物+藻;(3)沉积物+LMB(LMB/可释放磷质量比为200:1);(4)沉积物+LMB+藻类,(5)沉积物+LMB×2(LMB/可释放磷质量比400∶1),(6)沉积物+LMB×2+藻。

实验在室温下用1.05L的池水在烧杯内进行三次。处理(1)、(3)和(5)保持在黑暗条件下,(2)、(4)和(6)持续光照。样品放置72小时后,开始进行再悬浮试验。在0、4、8、12、16、20、26和32天,在水—空气界面下10 cm处测定DO和pH值。然后提取60 mL水,测定上覆水中的TP、TDP、DIP叶绿素a和DOC浓度。再补充60毫升的新鲜池塘水。无论是否有LMB沉积物,都重新悬浮。使用搅拌器以300rpm操作15分钟,在沉淀—水界面上方放置8cm的搅拌器的叶片,进行再悬浮以产生完全混合的状态。

*后探究pH的影响,并进行统计分析。



三.结果分析

1、柱培养实验

在整个33天实验中未经处理的底泥和经改性粘土处理的底泥的水的pH值保持在一个相对恒定的值(范围在7.4~7.8之间)。DO浓度较低但处于缺氧状态DO未被耗尽(范围为0.8 ~ 2.5 mg/L)。未处理和LMB处理的底泥之间的DO浓度没有显著差异。光照条件下藻类的存在一般会增加pH值,但随着藻类生长状态的不同,在不同的采样时间pH值变化很大。平均pH值依次为:sediment,sediment-LMB, sediment-LMB×2与藻类生长状态一致(图2)

在实验过程中,无论是未处理还是LMB处理的水体中磷的浓度都呈现出逐渐下降的趋势。采用LMB覆盖可显著降低上覆水体中磷的浓度,然而随着培养时间的延长这种减少会增加。


图2

2、EPC0测定

用在初始浓度较低(< 300μg/L)时磷酸盐的吸附行为来检测沉积物磷浓度。sediment,sediment-LMB, sediment-LMB×2的EPC0为62μg、33μg和23μg因此可知沉积物的上氧带添加LMB降低了EPC0值,从而降低了沉积物释磷的风险,使沉积物由磷源变为磷汇。


3、再悬浮实验

LMB的存在控制了藻类的生长。sediment,sediment-LMB,sediment-LMB×2平均叶绿素a浓度分别为750μg/L,171μg/L,64μg/L但是随着实验的进行sediment,sediment-LMB水中藻类迅速繁殖。无藻类时水样中就含有12-14mg/L的DOC,藻类的增殖显著增加了DOC含量,sediment和sediment-LM**品的DOC含量远远高于sediment-LMB×2样品与叶绿素a含量的差异是相符合的。

在黑暗条件下有或没有改性粘土的沉积物上覆水的pH值相对稳定,在7.7~8.0之间波动。光照条件下藻类的存在一般会增加pH值,但随着藻类生长状态的不同,在不同的采样时间pH值变化很大。

DO与pH之间存在显著的相关关系,各沉积物的R2值均>0.8.因此藻类的生长也决定了DO的水平,较高的叶绿素a浓度对应于藻类光合作用产生的高pH和高DO。

再悬浮实验中黑暗条件下没有藻类和光照条件下有藻类TP、TDP、DIP含量遵循了同样的顺序:sediment≫sediment-LMB > sediment-LMB×2。光照条件下藻类的存在显著降低了LMB对磷的结合效率。但是藻类的存在显著增加了底质或LMB改性底质上的水体中TP的浓度。事实上,在藻类存在的情况下,TP大多以颗粒状磷(PP)的形式存在。这说明磷的积累是由于藻类对磷的同化和储存。

相反,在有藻类存在的情况下上覆水的TDP、DIP浓度明显减小。TDP的降低在很大程度上是DIP的浓度降低造成的。经过LMB处理的沉积物上的水的TDP和DIP较低,但在有藻类存在的情况下,TDP总体上有轻微的显著增加。


四.讨论



1、 第0天,在有或没有LMB的水柱中,初始DIP浓度远高于相应的EPC0,因此在试验过程中,DIP将存在从水到沉积物的通量,水柱中DIP浓度降低。

2、 实验结束时各组的DIP、PP、DOP的浓度都相比于初始值减少了。PP的减少可能是因为土壤颗粒物在静止条件下的沉降,LMB促进了颗粒物的沉降,有利于降低PP浓度;DOP的减少可能是因为颗粒物(LMB和沉积物)的吸收以及生物的分解作用。

3、 在柱培养实验中,LMB很大程度的降低了水中的磷浓度。但是LMB覆盖可能会促进缺氧条件的形成以及释放更多的DIP/DOP。因此静态的LMB覆盖必须要考虑这种问题。捕集释放磷的效果取决于磷的吸收能力和磷通量的大小。计算结果表明,如果LMB完全去除了水柱中的磷,LMB的捕磷能力也略有下降(<1%)。因此,LMB截留磷的潜力很大,此外,上覆水中的低水位将增加水柱和沉积物之间的浓度梯度,这将导致更大的扩散通量。因此,在第26天之后,当LMB钝化沉积物上的水DIP低(<3μg/L)时,拦截效果将显著;因此,磷从沉积物向上覆水的扩散将较高。

4、 在碱性条件下,LMB对磷的吸附受阻(图4)。同时,在碱性条件下,结合铁、铝氧化物等金属氧化物的磷可以从沉积物中释放到水中,更有研究表明,DOC会削弱LMB吸附磷的能力。因此,考虑到pH值和DOC浓度,我们希望在光照条件下有更高的DIP浓度。然而,我们的结果表明,与在黑暗条件下观察到的相比,在光照条件下沉积物的DIP浓度要低得多(表2)。对于LMB改良后的沉积物,在光和暗条件下的DIP浓度都非常低(表2)。光照条件下,水中的DIP浓度较低,可能是由于藻类吸收速度快,而pH值较高,DOC浓度较高。事实上,随着蓝藻的大量繁殖,沉积物上的水从第0天到第4天的浸提浓度急剧下降(图3)在LMB修正后的沉积物上覆水中,藻类和LMB的吸收导致DIP浓度更大程度的降低(图3)。因此,由于DIP的耗尽,藻类在沉积物或沉积物LMB的很长一段时间内或在沉积物LMB×2的整个培养期内生长不好(图3)。由于藻类对磷的快速吸收,DIP浓度保持在沉积物的EPC0以下,可能促进了磷的释放。因此,藻类和LMB在再悬浮和光照条件下的吸收结合起来,充当了将磷从沉积物中泵出的机制。此外,由于异养细菌能吸收磷,而且池塘水中含有大量的有机物,这些细菌在黑暗实验中的作用很重要。

5、 DIP浓度显著降低,但DOP略有增加,表明从水到藻类出现了大的DIP通量,从藻类到水出现了小的DOP通量。此外,LMB的存在导致DIP浓度显著降低,但DOP的变化很小,这意味着从水到LMB出现了大的DIP通量和非常小的DOP通量。

6、 有藻类存在的光照条件下PP浓度比无藻类的黑暗条件较高,因为两者都存在再悬浮现象,所以这可能是藻类中的磷导致的。从长远来看,藻类中的磷也可以作为DIP的来源,因为沉入沉积物中的藻类将成为可释放的有机磷组分的一部分,另一方面,LMB固定的磷主要以HCl-P的形式存在。因此,LMB可以通过降低水体中的磷含量和稳定的磷形态来控制藻的水华。




论文原文


Li Xiaodi, Zhang Zhiyong,Xie Qiang,Yang Renjie,Guan Tong,Wu Deyi. Immobilization and Release Behavior of Phosphorus on Phoslock-Inactivated Sediment under Conditions Simulating the Photic Zone in Eutrophic Shallow Lakes.[J]. Environmental science & technology,2019.



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