PHOSLOCK 工程应用二十周年特辑——文献解读 5 (不同工程措施对内源磷释放控制效果) - 公司动态 - 企业动态

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Phoslock®锁磷剂工程应用二十周年特辑——文献解读（5）

Phoslock^®锁磷剂自2000s首次参与工程应用以来，一直受到国内外广大科研工作者及水环境工作者的关注，并在国内外学术期刊发表了逾百篇学术论文。目前学者们对该技术产品的研究已经涉及除磷效果、沉积物修复、影响因素、生态安全、深度开发等多个领域。

2022年，在该技术产品全球应用20周年之际，PET中国团队将针对热点关注话题，甄选文献加以解读分享，以便于广大科研工作者和水环境工作者深入了解Phoslock^®锁磷剂的学术背景及差异化特性。

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本期，我们针对“不同工程措施对内源磷释放控制效果”的话题，跟大家分享文献如下：

文章题目：清淤疏浚与原位钝化（Phoslock^®锁磷剂）控制富营养化湖泊沉积物磷负荷的效果与方式对比

发表期刊：Water Research

2021年影响因子/JCR分区：11.236/Q1

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116644

研究亮点：

一、对比了清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂两种沉积物修复技术对内源磷释放的控制效果和作用模式。

二、以典型富营养化湖泊高污染负荷沉积物为研究对象，研究过程在实地现场开展，还原实际工程的作用效果。

三、分析了清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂两种修复技术对沉积物中微生物多样性的影响。

四、现场实验时间长达一年，评估了清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂两种修复技术的长效性和稳定性。

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研究背景：

从生态系统物质循环和守恒定理来讲，在进行水体修复过程中，当我们采取措施有效减少“外源污染”负荷后，“内源污染”将会由“汇”转变成“源”，向水体中释放长时间积累的营养物质，导致水质恶化（Marsden, 1989; Schindler et al., 2016; Schönach et al., 2018）。研究表明磷营养盐可以周期性地从沉积物释放到上覆水体中，造成水体富营养化和藻类生长（Jeppesen et al.，2005；Søndergaard et al., 2013; Douglas et al., 2016)。据估计富营养化湖泊中90%以上的磷都存储在底泥中（Søndergaard et al., 2013)。因此，当外源的磷输入得到有效控制后，沉积物磷释放将成为水体富营养化＊重要的治理对象之一。

底泥清淤疏浚和原位钝化是库塘、湖泊、河口等水体富营养化常用的两种沉积物磷污染控制方法，选择合适的方法（清淤疏浚法和原位钝化法或联合应用）进行沉积物磷污染控制是水体有效修复的关键，甚至将在一定程度上决定修复的成功与否。目前，比较这两种方法在沉积物磷污染控制方面的研究还不多。因此，本研究通过沉积物岩心长达一年的现场培养实验，比较了Phoslock^®锁磷剂（LMB，镧改性膨润土）和清淤疏浚两种修复技术对降低沉积物磷负荷（磷通量、孔隙水磷浓度、磷形态转化等指标）的有效性，并分析了这两种技术对沉积物微生物环境和多样性的影响，为富营养化湖泊沉积物磷负荷的治理方法提供了参考。

研究方法：

本研究所用沉积物和上覆水均采集自巢湖污染负荷较大的水域（117.3489 N; 31.687 E），设置了三种不同处理组：（1）对照组——空白对照；（2）清淤疏浚组——切割并移除沉积物表面25cm的底泥；（3）Phoslock^®锁磷剂组——投加上覆水可溶性活性磷（SRP）及表层5cm沉积物中活性磷之和100倍的Phoslock^®锁磷剂。以上每种处理设置18个重复，将所有样品置于现场观测平台的湖泊底部，并以湖水淹没。此后分别在第30天，60天，90天，180天，270天和360天对每组各取三个样品进行分析，测定相关指标。

主要结果：

1、孔隙水磷浓度变化

与对照组相比，清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂组均有效降低了沉积物孔隙水中的磷浓度，在气温较高的季节（如2019年7月，2019年10月）尤为明显。270天后，清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂可使孔隙水平均SRP浓度分别降低60%和69%。这一结果对于富营养化湖泊沉积物内部磷负荷的管理至关重要，尤其是在可能发生藻华的夏季。Phoslock^®锁磷剂显著降低了沉积物孔隙水中磷含量的同时，也降低了沉积物中磷的释放量。

2、沉积物磷通量的变化

与对照组相比，清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂组均有效降低了沉积物的磷通量，在270天后，清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂组的沉积物磷通量分别比对照组减少了80%和92%。整个观测过程与对照组相比，清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂组的沉积物磷通量分别平均降低了82%和90%。值得注意的是，在360天的现场实验过程中，Phoslock^®锁磷剂组的沉积物磷通量控制效果始终优于清淤疏浚组。

3、磷形态转化

活性磷，也称作不稳定态磷（Labile P），被认为是富营养化湖泊活性沉积物中磷含量的化学定义组分，这部分磷会在缺氧条件下或微生物作用下从沉积物中释放出来。因此，降低活性磷浓度是控制湖泊沉积物内源磷释放的有效方法。

巢湖西部区域湖底沉积物活性磷浓度为222-435 mg/kg，平均浓度为366 mg/kg，占总磷含量的33%。现场实验结果显示，Phoslock^®锁磷剂组沉积物中磷组分相对比例的变化与对照组和清淤疏浚组有显著差异。清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂组沉积物中活性磷浓度分别为104-313mg /kg（平均194 mg/kg）和72-173 mg/kg（平均149 mg/kg）。结果表明，清淤疏浚和投加Phoslock^®锁磷剂均能降低沉积物中活性磷的浓度，但清淤疏浚组中活性磷占总磷比例（26%）与对照组活性磷占比（34%）无明显差别，相比之下，Phoslock^®锁磷剂组明显降低了活性磷占总磷的比例（14%）。相对于对照组，Phoslock^®锁磷剂平均降低了60%以上的活性磷。

另外，Phoslock^®锁磷剂处理沉积物中Ca-P（惰性磷，即稳定态不释放磷）平均含量是对照和清淤疏浚组的4.6倍和5.2倍。这与之前的许多研究结果一致，即Phoslock^®锁磷剂可以增加沉积物中化学定义的Ca-P组分。将沉积物中活性磷转化为惰性磷组分，有利于富营养化湖泊沉积物磷的长期管理。

4、沉积物微生物多样性的变化

在30-180天四次采样结果中，Phoslock^®锁磷剂组的微生物多样性指数均高于对照组，而在30-60天和270-360天采样结果中，清淤疏浚组的微生物多样性指数均低于对照组。结果表明， Phoslock^®锁磷剂可以在沉积物-水界面上形成一个2-3 mm的薄层，创造出一种沉积物-水界面的新型微环境，有利于不同微生物在沉积物表面生长，从而提高沉积物微生物群落多样性。另一方面，清淤疏浚清除了大部分表层沉积物以及相关的微生物，改变了沉积物表层微环境，导致微生物多样性指数降低，不过随着时间的推移，清淤疏浚组的微生物群落又可以逐渐恢复。

5、两种内源磷控制模式及其对沉积物修复的启示

在本研究中，清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂都被证明可以降低沉积物的活性磷浓度，从而降低沉积物-水界面的磷通量。下图为清淤疏浚和Phoslock^®锁磷剂对沉积物内源磷负荷控制机制的示意图。在原位钝化机制中，Phoslock^®锁磷剂能显著减少沉积物磷通量，降低孔隙水磷浓度，将活性磷转化为惰性磷。清淤疏浚的目的是清除＊上层营养丰富的沉积物，以减少总营养物质存量，也减少有机物中的可吸收碳，这可能会促进微生物驱动的缺氧条件的发展，导致营养物质释放。然而，由于新的富含营养和有机质的沉积物积累，清淤疏浚的效果很可能随着时间的推移而逐渐减弱。相比之下，Phoslock^®锁磷剂的作用更为普遍，因为生物扰动可以将Phoslock^®锁磷剂和新的沉积物混合在一起，而不受温度或氧化还原状态的影响，Phoslock^®锁磷剂会将不稳定的磷转变成稳定的形式，不让其参与水体中物质循环。