动水条件下河湖泥沙对磷吸附/解吸规律和机理研究

当前我国湖泊、水库和河流富营养化问题突出。磷作为河湖富营养化的主要污染物之一，在水体中的迁移转化规律与泥沙运动密切相关，一方面泥沙是磷的主要载体和归宿，另一方面，磷在随泥沙的运动过程中，通过解吸作用再次释放，产生二次污染，威胁水体生态健康和供水安全。本项目针对水体中磷的迁移转化特点，在系统研究不同泥沙理化参数对磷吸附/解吸影响规律的基础上，研究不同水动力条件下泥沙对磷的吸附/解吸规律，探讨不同泥沙运动形式和过程对磷在水固两相中的分配关系和吸附/解吸动力学过程的影响机制，建立不同水动力或输沙强度参数与磷吸附/解吸规律之间的定量关系，揭示动水条件下磷在"泥沙-水体"中的迁移转化规律，建立相应的预测模型，掌握动水条件下泥沙对磷吸附/解吸机理。研究成果不仅有助于揭示磷在动水中的迁移转化过程，为水体富营养化的防治奠定基础，而且对促进泥沙运动力学与环境科学的交叉具有重要的科学价值。

磷是河湖富营养化的重要限制因素之一，在水体中的迁移转化过程与水流、泥沙运动密切相关。本项目通过现场观测、室内实验、理论分析等手段，研究了动水条件下泥沙对磷吸附/解吸规律和机理。取得主要成果如下：.①泥沙理化特性对泥沙吸附/解吸磷的影响规律。.通过吸附动力学实验和平衡吸附实验，探讨了泥沙粒径、比表面积和泥沙表面化学组分等泥沙理化特性对泥沙吸附/解吸磷过程的影响规律，发现泥沙颗粒的比表面积、分形维数与泥沙的粒径密切相关，不同粒径组间泥沙对磷的吸附动力学过程和平衡吸附过程有明显差异，准二级反应模型可较好的描述吸附动力学过程，Langmuir等温吸附方程可较好的描述平衡吸附过程；通过选择性萃取的方法对泥沙表面的铁、锰氧化物及有机质等成分进行选择性萃取分离，而后，通过吸附实验发现：矿物成分对磷吸附总量的贡献最大，有机质的贡献与铁氧化物的贡献在同一水平而略低，锰氧化物的贡献低于有机质的贡献；单位质量各组分对磷的吸附贡献，铁锰氧化物最高，其次为有机质，矿物成分最低。.②不同水动力条件下污染物在上覆水-孔隙水-床沙中的分布规律现场观测。.在总结近年来关于水动力对污染物在河流水沙两相间分配规律影响研究的基础上，通过现场观测水动力过程前后，磷、铅、铜、砷及铬等污染物在上覆水-孔隙水-床沙中的浓度变化，发现水动力过程会显著影响目标污染物在水-沙两相中的浓度分布，并通过生态风险指数法评估了底泥中重金属的生态风险。.③动水条件下泥沙对磷泥沙吸附/解吸磷规律及机理。.通过室内环形水槽研究了水流流速和泥沙运动形式对磷在水沙两相中的分配规律的影响。结果表明，水槽实验中，泥沙对磷的吸附速率显著低于静态实验；随着水流流速的增大，泥沙对磷的吸附量越大；磷在床沙中的质量分数fb和t^(1/2)呈线性正相关，表明扩散作用在水槽实验中泥沙对磷的吸附过程中起主导作用，边界层模型可用于描述不同流速下床沙对磷的吸附过程。泥沙不同运动形式也会对泥沙吸附磷的过程产生影响，泥沙运动越强，水体中磷的减小程度越大，吸附24h后，泥沙不同运动形式下的fb大小关系为：泥沙悬浮＞普遍动＞中等动＞个别动＞静止，边界层方程可很好地刻画不同泥沙运行下液相磷浓度随时间的变化过程。.研究结果对于揭示动水条件下磷在泥沙-水体中的迁移转化规律和促进环境泥沙学的发展有十分重要的作用，还可为挟沙水流水质模型的改进提供理论依据。