影响富钙粘土对浅水湖内源磷原位钝化效力的主要因素与机制

The results of lot of studies indicated that it is the key issue to permanently control the sediment P loading and thus to solve the problem of lake eutrophication when exogenous pollution was effectively inhibited. The in situ inactivation technology using Al/Ca or La modified clay minerals was regarded as one of the effective measure to control P release from sediment internal loading. However, whether this technology can be used in shallow eutrophic lakes with strong wind turbulence and high input of organic matter has not been carried out. In this research, we use the low-cost thermally modified calcium-rich attapulgite as inactivation material to carried out laboratory and field experiments and relied on the simulated hydrodynamic force system, phosphorus synchrotron radiation, high resolution DGT measurement of P. We want to elucidating the molecule mechanism of P transformation using P chemical extraction and P microcosmic characterization and investigate the influence of wind turbulent motion, oxygen fluctuation and organic matter inputting on the stability of inactivation layer and their influence on the sediment P inactivation capability. At last, the compound mechanism with the influence of wind turbulent motion and organic matter was revealed through the laboratory and field results. The main influence factor and the method to use the modified clay mineral in shallow eutrophic lake for controlling the sediment internal P loading were given. The results of this study will be a guild to the remediation of shallow eutrophic lakes.

大量研究表明,在外源输入得到有效控制后，对湖泊内源磷进行持久控制才是解决湖泊富营养化问题的根本。基于铝、钙及镧改性粘土的原位钝化技术被认为是控制湖泊内源磷释放的有效措施之一，在国际上得到了越来越多的应用。然而，对该项技术在风浪扰动强以及有机质输入大的浅水湖泊中的应用却未系统开展。本项目以课题组前期选择的廉价热处理富钙凹土为钝化材料，开展室内模拟与现场原位钝化实验，应用风浪扰动模拟系统、磷同步辐射、高精度DGT磷测定等技术，基于磷形态提取与磷微观表征，阐明富钙粘土对底泥磷形态转化的分子机制；通过磷释放与界面特征测定，探讨风浪扰动、溶氧波动、有机质输入等因素对底泥磷钝化层的稳定性及磷钝化效力的影响；基于现场原位钝化和室内研究结果，揭示风浪扰动与有机质输入等因素对底泥磷钝化的影响机制，提出粘土基磷钝化剂在浅水湖中的应用条件，为我国浅水富营养湖泊的治理提供科学依据。

相关研究表明，即使外源得到有效控制后，湖泊内源磷的释放仍可在几十年内导致水体富营养化，大大延缓了湖泊的修复。而底泥原位钝化控磷是一种有效的内源控制方法，但其在风浪扰动强、有机质输入大的浅水湖泊使用效率等方面仍缺乏深入的研究。.本课题主要研究（1）钙质粘土的锁磷机制；（2）风浪扰动、有机质输入等因素对底泥原位钝化控磷的影响；（3）开展现场底泥钝化控磷实验，并结合室内结果，共同阐明钙型粘土的锁磷机制。. 以巢湖重污染底泥为对象，详细研究了富钙粘土（又称富钙凹土）材料添加对底泥磷活性、供应力以及原位修复的效果。结果发现材料的添加可以明显降低底泥中磷平衡浓度（EPC0）, 由此降低了底泥向上覆水中释放磷的风险。热处理凹凸棒钝化后的底泥受溶液pH值影响不大的特性,这与其等电点（可达到9与10之间）较高有关。富钙凹土添加可可显著提高底泥磷的吸附容量。这与富钙粘土含有较多氧化钙,遇水则转化成大量的Ca2+,与PO43-迅速发生沉淀反应有关，且富钙粘土的添加不仅可使活性磷向Ca-P转化,而且还可使惰性Al-P向更稳定的Ca-P转化,从而形成羟磷灰石和磷酸二钙化物,因此可稳定控磷。不同风浪扰动研究结果表明，添加富钙凹土仍可以显著降低上覆水悬浮物､溶解性磷（SRP）含量,但控磷效率随着风浪强度的增大而下降。即使在风浪扰动影响下,添加钝化剂的底泥中的可移动磷仍被有效削减,且底泥中钙磷明显增加。现场以及室内模拟实验表明，悬浮颗粒物（SPM）中含有大量的活性磷，由于其有机质含量较高，易吸附水体中的磷，且SPM中重金属的含量也较高；用EEM-PARAFAC对SPM提取的DOM进行建模分析，发现La(Ⅲ)对组分和Ca(Ⅱ)对SPM中的有机质分别有猝灭作用，与DOM形成络合物；SPM会增加沉积物-水界面磷的释放，并增加表层底泥中可移动磷的含量，由此增加了底泥中有效磷的浓度。然而，在SPM掩埋层以下底泥中的活性磷仍可以被有效削减，钙结合态磷显著增加。上述研究结果，可为我国富营养化湖泊修复提供较强的科学技术支撑。