鋯改性沸石覆蓋控制河道底泥污染物釋放試驗研究

廖書林 浦燕新 許龍霞 周夢凱

摘 要：通過室內模擬試驗，對比天然沸石與鋯改性沸石對黑臭河道底泥污染物釋放的處理效果。結果表明，天然沸石覆蓋與鋯改性沸石覆蓋的試驗組均可有效降低上覆水體的氨氮、總磷與COD的污染濃度。第30天，鋯改性沸石試驗組的上覆水體的氨氮、總磷與COD分別下降了35.5%、45.2%與15.9%，其中鋯改性沸石覆蓋對于總磷的去除效果顯著優于天然沸石覆蓋。

關鍵詞：底泥污染物釋放;上覆水體;鋯改性沸石

中圖分類號：X524 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0141-03

Experimental Study on Release of Pollutants from River Sediment

Capped with Zirconium-modified Zeolite

LIAO Shulin PU Yanxin XU Longxia ZHOU Mengkai

（WELLE Environmental Group Co.， Ltd.，Changzhou Jiangsu 213001）

Abstract： The effects of natural zeolite and zirconium-modified zeolite on the release of pollutants from black and odor river sediment were compared by laboratory simulation experiments. The results showed that the test group of natural zeolite capping and zirconium-modified zeolite capping can effectively reduce the concentration of ammonia nitrogen， total phosphorus and COD in the overlying water. On the 30th day， the concentrations of ammonia nitrogen， total phosphorus and COD in the overlying water capped with zirconium-modified zeolite decreased by 35.5%， 45.2% and 15.9%， respectively， and the zirconium-modified zeolite capping has a significantly better removal effect on total phosphorus than the natural zeolite capping.

Keywords： release of sediment pollutants;overlying water;zirconium-modified zeolite

水體富營養化是當今世界面臨的重要環境挑戰，氮磷是引發水體富營養化的關鍵元素。底泥是水體污染物重要的蓄積場所，水體中大量的有機污染物、重金屬等最終在底泥中富集，底泥中的污染物同時向上覆水體釋放污染物，造成水體持續污染[1]。因此，控制底泥中氮、磷等污染物的釋放是防治地表水體富營養化的重要舉措。

本研究通過試驗考察了天然沸石與鋯改性沸石對黑臭河道底泥污染物釋放的處理效果，以期為重污染河道治理工作提供參考。

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紅崗涌采集表層30cm的底泥，清除泥樣中的石塊、動植物殘體和垃圾等，混合均勻，濾去水分，儲藏于黑色塑料袋中，運回實驗室后于4℃下保存備用。在底泥采樣點利用自制采樣器采集上覆水水樣。水樣經0.45μm孔徑的濾膜過濾，濾去藻類及部分懸浮固體物，以減少其對試驗的影響[2]。

上覆水體的pH為7.14，DO為0.50mg/L，COD為68mg/L，氨氮為6.82mg/L，總氮為14.45mg/L，總磷為1.57mg/L。底泥的pH為6.98，氧化還原點位為-288mV，TOC為17.78mg/L，含水率為41.1%。

1.2 鋯改性沸石的制備

試驗所用天然沸石購自浙江省縉云縣，粒徑小于0.075mm。該天然沸石含58%斜發沸石、25%絲光沸石和17%二氧化硅（質量含量）。

準確稱取100g天然沸石并放入250mL水中，形成懸濁液，再加入20g ZrOCl2·8H2O，通過磁力攪拌使氯氧化鋯溶解且使天然沸石處于懸浮狀態，再用2mol/L的NaOH溶液調節混合液的pH為10.0。反應完成后進行固液分離，再采用去離子水清洗固體，直至上清液pH為7.0左右，最后將固體置于105℃烘箱內烘干，破碎后即得鋯改性沸石。

1.3 試驗方法

采用2.5L棕色試劑瓶作為模擬試驗的反應器，將混合均勻的新鮮底泥自其頂部加入，使底泥層厚度保持約為5cm，并用黑紙遮住反應器以避免光線的影響。對底泥進行不同的覆蓋處理，試驗組1覆蓋50g天然沸石，試驗組2覆蓋50g鋯改性沸石，另設一組對照組，無任何覆蓋處理。隨后緩慢注入1 000mL處理后的上覆水水樣，操作過程中盡量避免對底泥的擾動。試驗在溫室中進行（室溫20～30℃）。

1.4 分析指標及測定方法

試驗開始后，每3d取1次上覆水進行測試。取樣后，向系統中加入相同量的備用水樣。水樣測試指標包括：化學需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）。化學需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）等化學指標按國家標準方法進行測定[3]。

2 結果與討論

2.1 上覆水氨氮變化

對照組中，隨著時間的推移，底泥中的氨氮污染物不斷向上部水體釋放，其上覆水的氨氮濃度逐漸增高，當靜置時間達到12天以后，上覆水體的氨氮濃度慢慢趨于穩定，表明水體與底泥之間的氨氮濃度達到了一種平衡狀態;第30天，上覆水體的氨氮濃度達到10.76mg/L，與初始值相比上升了57.7%。試驗組中，兩組上覆水的氨氮濃度變化規律相似，均明顯低于對照組。在試驗初期，上覆水體的氨氮濃度迅速下降，在第6天時出現最低值，天然沸石試驗組與鋯改性沸石試驗組的上覆水體氨氮濃度分別為3.00mg/L與2.45mg/L。這是由于沸石材料剛進入水體中后，其吸附能力容量最大，對氨氮的吸附能力較為顯著。隨著試驗的進行，二者的上覆水體氨氮濃度均有小幅度上升，但明顯低于對照組，這可能與沸石材料吸附能力逐漸趨于飽和有關。在第30天，天然沸石試驗組與鋯改性沸石試驗組的上覆水體氨氮濃度分別為5.05mg/L與4.40mg/L，對比初始值，分別下降了25.9%和35.5%，鋯改性沸石試驗組的處理效果略優于天然沸石試驗組。

2.2 上覆水總磷變化

圖1為上覆水總磷濃度的時間變化規律。

從圖1可知，對照組上覆水的總磷濃度呈現先緩慢升高，后趨于穩定的趨勢，第30天，上覆水體的總磷濃度達到1.81mg/L，與初始值相比上升了15.3%。試驗組中，上覆水的總磷濃度變化規律相似，均顯著低于對照組。試驗初期，天然沸石試驗組上覆水體的總磷濃度迅速下降，在第9天時出現最低值，其上覆水體氨氮濃度為1.08mg/L，與初始值相比降低了31.2%。這是由于試驗初期，覆蓋層強大的吸附能力顯著降低了上覆水體中的總磷濃度。隨著試驗的進行，天然沸石吸附能力趨于飽和，上覆水體的總磷濃度緩慢上升，在第30天，其上覆水體的總磷濃度為1.34mg/L，與初始值相比下降了14.6%，與最低值相比上升了24.1%。鋯改性沸石試驗組在第9天時，上覆水體的總磷濃度最低，為0.76mg/L，與初始值相比降低了51.6%，顯著優于天然沸石試驗組。隨著時間的推移，其上覆水體的總磷濃度總體趨于穩定，未出現明顯上升趨勢。在第30天，其上覆水體的總磷濃度為0.86mg/L，與初始值相比下降了45.2%。可見，鋯改性沸石試驗組的處理效果明顯優于天然沸石試驗組。鋯改性沸石對水中的磷酸鹽具備很強的吸附力，因此能夠更加有效地控制底泥磷污染的釋放。

2.3 上覆水體COD變化

對照組上覆水體的COD濃度在第30天為80mg/L，與初始值相比上升了17.6%，這是由底泥中的COD污染物釋放造成的。天然沸石試驗組與鋯改性沸石試驗組上覆水體的COD濃度變化規律相似，都表現為先快速下降，再緩慢波動上升。天然沸石試驗組的上覆水體COD濃度的最低值出現在第9天，為54.7mg/L，與初始值相比下降了19.5%;鋯改性沸石試驗組的最低值出現在第12天，為52.7mg/L，與初始值相比下降了22.5%。在第30天，天然沸石試驗組與鋯改性沸石試驗組上覆水體COD濃度分別為58.6mg/L與57.2mg/L，與初始值對比分別下降了13.8%和15.9%。由此可見，天然沸石與鋯改性沸石覆蓋均可有效降低上覆水體的COD濃度。天然沸石與鋯改性沸石覆蓋層一方面可以通過材料本身吸附上覆水體中的COD污染物，另一方面，其表層的物理覆蓋也在一定程度上抑制了底泥層污染物向上擴散與釋放的趨勢。

3 結論

空白對照組的上覆水體污染物濃度由于底泥釋放，呈現出不同程度的上升趨勢;而天然沸石與鋯改性沸石覆蓋的試驗組均可有效降低上覆水體的氨氮、總磷與COD的污染濃度。第30天，鋯改性沸石試驗組的上覆水體的氨氮、總磷與COD分別下降了35.5%、45.2%與15.9%，其中鋯改性沸石覆蓋對總磷的去除效果顯著優于天然沸石覆蓋。

參考文獻：

[1] Su J， Bochove E V， Auclair J C， et al. Phosphorus Fluxes at the Sediment-Water Interface in a Temperate Region Agricultural Catchment[J]. Water Air & Soil Pollution， 2014（1）：1739.

[2]孫士權，邱媛，蔣昌波，等.原位技術控制湖泊沉積物中磷釋放的研究[J].中國環境科學，2011（5）：845-851.

[3]國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京：中國環境科學出版社，2002.