锆改性沸石覆盖控制河道底泥污染物释放试验研究

廖书林 浦燕新 许龙霞 周梦凯

摘 要：通过室内模拟试验，对比天然沸石与锆改性沸石对黑臭河道底泥污染物释放的处理效果。结果表明，天然沸石覆盖与锆改性沸石覆盖的试验组均可有效降低上覆水体的氨氮、总磷与COD的污染浓度。第30天，锆改性沸石试验组的上覆水体的氨氮、总磷与COD分别下降了35.5%、45.2%与15.9%，其中锆改性沸石覆盖对于总磷的去除效果显著优于天然沸石覆盖。

关键词：底泥污染物释放;上覆水体;锆改性沸石

中图分类号：X524 文献标识码：A 文章编号：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

水體富营养化是当今世界面临的重要环境挑战，氮磷是引发水体富营养化的关键元素。底泥是水体污染物重要的蓄积场所，水体中大量的有机污染物、重金属等最终在底泥中富集，底泥中的污染物同时向上覆水体释放污染物，造成水体持续污染[1]。因此，控制底泥中氮、磷等污染物的释放是防治地表水体富营养化的重要举措。

本研究通过试验考察了天然沸石与锆改性沸石对黑臭河道底泥污染物释放的处理效果，以期为重污染河道治理工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 底泥与水样的采集与处理

采用彼得森抓斗式底泥采样器从佛山市顺德区红岗涌采集表层30cm的底泥，清除泥样中的石块、动植物残体和垃圾等，混合均匀，滤去水分，储藏于黑色塑料袋中，运回实验室后于4℃下保存备用。在底泥采样点利用自制采样器采集上覆水水样。水样经0.45μm孔径的滤膜过滤，滤去藻类及部分悬浮固体物，以减少其对试验的影响[2]。

上覆水体的pH为7.14，DO为0.50mg/L，COD为68mg/L，氨氮为6.82mg/L，总氮为14.45mg/L，总磷为1.57mg/L。底泥的pH为6.98，氧化还原点位为-288mV，TOC为17.78mg/L，含水率为41.1%。

1.2 锆改性沸石的制备

试验所用天然沸石购自浙江省缙云县，粒径小于0.075mm。该天然沸石含58%斜发沸石、25%丝光沸石和17%二氧化硅（质量含量）。

准确称取100g天然沸石并放入250mL水中，形成悬浊液，再加入20g ZrOCl2·8H2O，通过磁力搅拌使氯氧化锆溶解且使天然沸石处于悬浮状态，再用2mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH为10.0。反应完成后进行固液分离，再采用去离子水清洗固体，直至上清液pH为7.0左右，最后将固体置于105℃烘箱内烘干，破碎后即得锆改性沸石。

1.3 试验方法

采用2.5L棕色试剂瓶作为模拟试验的反应器，将混合均匀的新鲜底泥自其顶部加入，使底泥层厚度保持约为5cm，并用黑纸遮住反应器以避免光线的影响。对底泥进行不同的覆盖处理，试验组1覆盖50g天然沸石，试验组2覆盖50g锆改性沸石，另设一组对照组，无任何覆盖处理。随后缓慢注入1 000mL处理后的上覆水水样，操作过程中尽量避免对底泥的扰动。试验在温室中进行（室温20～30℃）。

1.4 分析指标及测定方法

试验开始后，每3d取1次上覆水进行测试。取样后，向系统中加入相同量的备用水样。水样测试指标包括：化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）。化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）等化学指标按国家标准方法进行测定[3]。

2 结果与讨论

2.1 上覆水氨氮变化

对照组中，随着时间的推移，底泥中的氨氮污染物不断向上部水体释放，其上覆水的氨氮浓度逐渐增高，当静置时间达到12天以后，上覆水体的氨氮浓度慢慢趋于稳定，表明水体与底泥之间的氨氮浓度达到了一种平衡状态;第30天，上覆水体的氨氮浓度达到10.76mg/L，与初始值相比上升了57.7%。试验组中，两组上覆水的氨氮浓度变化规律相似，均明显低于对照组。在试验初期，上覆水体的氨氮浓度迅速下降，在第6天时出现最低值，天然沸石试验组与锆改性沸石试验组的上覆水体氨氮浓度分别为3.00mg/L与2.45mg/L。这是由于沸石材料刚进入水体中后，其吸附能力容量最大，对氨氮的吸附能力较为显著。随着试验的进行，二者的上覆水体氨氮浓度均有小幅度上升，但明显低于对照组，这可能与沸石材料吸附能力逐渐趋于饱和有关。在第30天，天然沸石试验组与锆改性沸石试验组的上覆水体氨氮浓度分别为5.05mg/L与4.40mg/L，对比初始值，分别下降了25.9%和35.5%，锆改性沸石试验组的处理效果略优于天然沸石试验组。

2.2 上覆水总磷变化

图1为上覆水总磷浓度的时间变化规律。

从图1可知，对照组上覆水的总磷浓度呈现先缓慢升高，后趋于稳定的趋势，第30天，上覆水体的总磷浓度达到1.81mg/L，与初始值相比上升了15.3%。试验组中，上覆水的總磷浓度变化规律相似，均显著低于对照组。试验初期，天然沸石试验组上覆水体的总磷浓度迅速下降，在第9天时出现最低值，其上覆水体氨氮浓度为1.08mg/L，与初始值相比降低了31.2%。这是由于试验初期，覆盖层强大的吸附能力显著降低了上覆水体中的总磷浓度。随着试验的进行，天然沸石吸附能力趋于饱和，上覆水体的总磷浓度缓慢上升，在第30天，其上覆水体的总磷浓度为1.34mg/L，与初始值相比下降了14.6%，与最低值相比上升了24.1%。锆改性沸石试验组在第9天时，上覆水体的总磷浓度最低，为0.76mg/L，与初始值相比降低了51.6%，显著优于天然沸石试验组。随着时间的推移，其上覆水体的总磷浓度总体趋于稳定，未出现明显上升趋势。在第30天，其上覆水体的总磷浓度为0.86mg/L，与初始值相比下降了45.2%。可见，锆改性沸石试验组的处理效果明显优于天然沸石试验组。锆改性沸石对水中的磷酸盐具备很强的吸附力，因此能够更加有效地控制底泥磷污染的释放。

2.3 上覆水体COD变化

对照组上覆水体的COD浓度在第30天为80mg/L，与初始值相比上升了17.6%，这是由底泥中的COD污染物释放造成的。天然沸石试验组与锆改性沸石试验组上覆水体的COD浓度变化规律相似，都表现为先快速下降，再缓慢波动上升。天然沸石试验组的上覆水体COD浓度的最低值出现在第9天，为54.7mg/L，与初始值相比下降了19.5%;锆改性沸石试验组的最低值出现在第12天，为52.7mg/L，与初始值相比下降了22.5%。在第30天，天然沸石试验组与锆改性沸石试验组上覆水体COD浓度分别为58.6mg/L与57.2mg/L，与初始值对比分别下降了13.8%和15.9%。由此可见，天然沸石与锆改性沸石覆盖均可有效降低上覆水体的COD浓度。天然沸石与锆改性沸石覆盖层一方面可以通过材料本身吸附上覆水体中的COD污染物，另一方面，其表层的物理覆盖也在一定程度上抑制了底泥层污染物向上扩散与释放的趋势。

3 结论

空白对照组的上覆水体污染物浓度由于底泥释放，呈现出不同程度的上升趋势;而天然沸石与锆改性沸石覆盖的试验组均可有效降低上覆水体的氨氮、总磷与COD的污染浓度。第30天，锆改性沸石试验组的上覆水体的氨氮、总磷与COD分别下降了35.5%、45.2%与15.9%，其中锆改性沸石覆盖对总磷的去除效果显著优于天然沸石覆盖。

参考文献：

[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]孙士权，邱媛，蒋昌波，等.原位技术控制湖泊沉积物中磷释放的研究[J].中国环境科学，2011（5）：845-851.

[3]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.