鑭改性沸石覆蓋控制河道底泥污染物釋放實驗研究

謝蘇峰，浦燕新，廖書林

(維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇 常州 213125)

水體富營養化是環境領域面臨的重要挑戰，底泥中的氮磷等污染物釋放是引發水體富營養化的重要因素。水體中大量的有機污染物、重金屬等都在底泥中富集，同時底泥中的污染物也向上覆水體釋放，造成水體持續污染[1]。因此，降低底泥污染物的釋放量是水體富營養化防治工作的重要方向。

天然沸石是降低底泥覆蓋常用的一種材料，它可以降低底泥氨氮向上覆水體釋放的通量，但對水中磷酸鹽的吸附能力較差。有研究表明，采用特殊的手段，對天然沸石進行改性，可大大提升對于底泥中的氮磷抑制效果[2]。為此，本研究通過實驗考察了天然沸石和鑭改性沸石對黑臭河道底泥污染物釋放的處理效果，以便為黑臭河道治理提供技術支持。

1 實驗材料和方法

1.1 底泥采集

從佛山市某河道采集河底表層30 cm的底泥，清除原樣中的砂石、動物殘體、樹枝等雜質，混合均勻過濾后，用黑色PE桶運回實驗室。在底泥采樣點采集上覆水體水樣。水樣經0.45 μm孔徑的濾膜過濾，濾去藻類及部分懸浮固體物，以減少其對實驗的影響[3]。

底泥的pH=6.76，含水率42.5%。上覆水體污染物指標如下：COD 53.2 mg/L，氨氮6.88 mg/L，總磷1.62 mg/L，總氮12.66mg/L，DO 0.30 mg/L，pH=7.25。

1.2 鑭改性沸石制作

本實驗所采用的天然沸石購自麗水市，粒徑小于0.075 mm，主要礦物成分為絲光沸石、斜發沸石、石英，以及少量長石、蒙脫石。

準確稱取50 g天然沸石置于100 mL水中，形成懸濁液，再加入20 g氯化鑭，通過磁力攪拌使氯化鑭溶解并且使天然沸石處于懸浮狀態，再用2 mol/L的NaOH溶液調節混合液的pH為10，再放置到振蕩器上進行16 h振蕩反應，反應完成后進行固液分離，再用去離子水清洗固體直至上清液為中性，置于105 ℃烘箱內烘干，最后破碎、磨成粉末狀鑭改性沸石。

1.3 實驗步驟

實驗采用2.5 L的棕色試劑瓶，從頂部加入混合均勻的底泥，使其厚度為5 cm，并用黑紙板遮住試劑瓶以免光線對實驗產生影響，制作3組。接著，對底泥進行不同的覆蓋處理，試驗組1覆蓋50 g天然沸石，試驗組2覆蓋50 g鑭改性沸石，另一組為對照組，不做任何處理。隨后，緩慢注入1 000 mL處理后的上覆水水樣，注水時盡量減少對底泥的擾動。實驗在室內常溫中進行(室溫20 ℃～30 ℃)。

1.4 分析指標及測定方法

2 結果及討論

2.1 上覆水體化學需氧量(COD)變化

對照組上覆水體的COD濃度在試驗初期快速上升，隨后緩慢趨于穩定，第30 d時上覆水體的COD為71.6 mg/L，相比初始值上升了34.8%。這是由于底泥中的污染物釋放造成的。天然沸石組與鑭改性沸石組中的上覆水體COD變化類似，均為先快速下降，再緩慢上升，最后又緩慢下降的趨勢。天然沸石組上覆水體的COD最低點出現在第4天，為47.8 mg/L，對照原始值降低了10.1%；鑭改性沸石組的最低點出現在第6天，為45.8 mg/L，對照原始值降低了13.9%。在第30天,天然沸石組與鑭改性沸石組的上覆水體COD分別為48.3 mg/L與47.4 mg/L，對照原始值分別降低了9.2%和10.9%。綜上所述，覆蓋底泥的天然沸石和鑭改性沸石對COD均有一定程度的吸附作用，兩者對底泥COD釋放的抑制效果相近。天然沸石和鑭改性沸石覆蓋層通過材料本身吸附作用以及材料物理覆蓋的共同作用抑制了底泥層污染物向上的擴散與釋放。

2.2 上覆水體氨氮變化

圖1為上覆水體氨氮濃度變化的規律。空白對照組隨著實驗時間的推移，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也逐漸增高，第30天，上覆水體的氨氮質量濃度達到了10.96 mg/L，相比初始值上升了59.3%。實驗組中上覆水的氨氮濃度明顯低于對照組。在實驗初期，上覆水體的氨氮濃度迅速下降，在第10天時達到了最低點，天然沸石組與鑭改性沸石組的上覆水體氨氮質量濃度分別為3.56 mg/L與2.94 mg/L。這是由于，天然沸石和鑭改性沸石對氨氮都具有快速吸附的特點，剛開始時沸石的吸附能力最大，對氨氮的吸附作用較為突出。隨著時間的推移，兩者的上覆水體氨氮濃度有較為平緩的上升，這可能與沸石材料吸附能力逐漸趨于飽和有關。在第30天，天然沸石組與鑭改性沸石組的上覆水體氨氮質量濃度分別為5.11 mg/L與5.21 mg/L，對比初始值分別下降了25.7%和24.3%，天然沸石組與鑭改性沸石組對于底泥中氨氮的釋放抑制作用相近。

圖1 上覆水體氨氮濃度變化表

2.3 上覆水體總磷(TP)變化

對照組上覆水的總磷濃度呈現緩慢升高的趨勢，第30天，上覆水體的總磷質量濃度達到了1.84 mg/L，相比初始值上升了20.2%。實驗組中的上覆水體總磷濃度明顯低于空白對照組。在實驗初期，天然沸石組上覆水體的總磷濃度下降很快，在第10天時達到了最低點，其上覆水體總磷質量濃度為1.10 mg/L，相比初始值降低了34.5%。實驗剛開始時，覆蓋層突出的吸附作用大大降低了上覆水體中的總磷濃度。隨著時間的推移，天然沸石的吸附能力趨于飽和，上覆水體的總磷濃度有緩慢上升，最后，其上覆水體的總磷質量濃度為1.32 mg/L，相比初始值下降了21.4%。鑭改性沸石實驗組在第10天時，上覆水體的總磷質量濃度最低，為0.73 mg/L，相比初始值降低了56.5%，顯著優于天然沸石實驗組。隨著時間的推移，其上覆水體的總磷濃度總體趨于穩定，未呈現明顯上升趨勢。在第30天，其上覆水體的總磷質量濃度為0.76 mg/L，相比初始值下降了54.7%。這表明，鑭改性沸石組的處理效果明顯優于天然沸石組。研究表明[5]，鑭改性沸石對水中的磷酸鹽具備較強的固定能力，因此能夠更加有效地控制底泥磷污染的釋放。

3 結論

由于底泥釋放，空白對照組的上覆水體污染物濃度均出現了不同程度的升高，而天然沸石和鑭改性沸石覆蓋的試驗中化學需氧量、氨氮、總磷都有不同程度的降低。在第30天時，鑭改性沸石組中的上覆水體化學需氧量、氨氮、總磷分別下降了10.9%、24.3%、53.1%，其中鑭改性沸石覆蓋比天然沸石覆蓋對總磷的去除效果更好。