三种药剂对黑臭底泥原位修复效果的研究

2021-03-13 02:54杨明夏明升龚明杰孙玉童
工业用水与废水 2021年1期
关键词:黑臭沉水植物生石灰

杨明, 夏明升, 龚明杰, 孙玉童

(安徽省通源环境节能股份有限公司, 合肥 230031)

黑臭底泥治理是水环境治理的重要组成部分,如果底泥中污染物的释放不能得到有效控制, 水环境治理也将难以取得良好效果。 底泥治理可分为清淤疏浚和原位修复, 其中清淤疏浚通常需要投入大量机械设备和人力物力, 且清淤上岸的底泥需要较大的处理场地进行消纳, 在实际应用中存在一定制约[1]。 底泥的原位修复有着广泛的应用需求。 底泥原位修复技术主要分为两类: 一是生物法, 通过向水体或底泥中投加微生物制剂, 促进底泥有机物的降解[2]; 二是化学法, 常用的有向底泥中投加过氧化钙[3]、 过氧化氢[4]等具有强氧化性质的药剂, 氧化分解底泥中的有机物, 并减缓氮、 磷、 COD 向水体释放, 或向底泥中投加固化剂及辅助剂, 如石灰、火山灰、 水泥、 改性二氧化钛[5]等, 以降低氮、 磷、重金属等污染物的溶解度、 迁移性或毒性。

目前, 化学法在底泥原位修复方面有较广的应用前景和较多的应用案例。 已有较多关于水泥、 石灰以及过氧化钙等药剂对底泥原位修复的研究, 主要集中在对底泥和水体黑臭现象的改善[6]、 黑臭有机质的分解去除[7]、 氮磷物质的削减[8]等方面。 关于投加上述药剂对底泥向上覆水释放氮磷、 底泥和上覆水pH 值的综合变化, 以及对沉水植物存活生长的综合影响, 缺少相关的研究报道。 本研究采用水泥、 生石灰以及过氧化钙等3 种常见的化学药剂对黑臭底泥进行固化稳定化处理, 考察其对底泥污染释放的抑制作用以及对沉水植物生长的影响等,为该方法在水生态治理领域的工程适用性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 底泥采样

供试底泥采集于合肥市瑶海区二十埠河污染严重的黑臭区段, 周边有较多排污口。 采样工具为长柄铁锹, 底泥样品以表层稀泥为主, 采样深度为15 cm。 完成采样后, 将底泥带回实验室, 去除其中的大颗粒物、 塑料垃圾、 动植物残渣等杂物, 然后用小铁铲反复搅拌混匀, 置于4 ℃冰箱中保存待用。

1.2 试验材料

水泥为硅酸盐水泥, 标号为P·O 42.5; 生石灰粉末, 规格为60 目; 过氧化钙粉末, 规格为60 目。

沉水植物选用长势良好的新鲜苦草, 平均高度约为20 cm。

1.3 试验方法

(1) 试验分组及设置。 分为水泥组、 生石灰组以及过氧化钙组, 另外设置1 个空白对照组。 将底泥充分搅拌混匀, 装入4 个圆柱形透明容器中, 每个容器中加入200 g 底泥, 泥层厚度约2 cm, 然后分别向水泥组、 石灰组以及过氧化钙组投加6 g 相应药剂(经提前测试确定用量, 可确保底泥适度固结), 搅拌均匀, 静置3 d, 待底泥固结。 对照组不添加药剂, 其他处理同前述。

(2) 完成3 d 静置后, 向各试验组分别添加2 L 去离子水, 加水过程通过玻璃棒引流, 缓慢向各组加水, 尽量避免加水过程对底泥的扰动, 防止底泥泛起。 之后静置14 d, 再从各组的上覆水中取水样, 分别测定氨氮、 总氮、 总磷、 pH 值等指标,以探究各组的污染释放情况。

(3) 完成4 次水质指标测试后, 用玻璃棒轻戳各组底泥, 以了解底泥是否固结。 然后用玻璃棒对上覆水进行搅拌, 观察底泥是否上翻。

(4) 选取长势良好、 大小相近的新鲜苦草, 在试验组底泥中分别栽种5 株。 之后静置14 d, 期间观察植物的生长成活情况。 完成沉水植物试验后,倒出各组的上覆水, 测定底泥的pH 值。

2 结果与讨论

2.1 不同修复药剂对底泥的污染释放影响

从底泥上覆水取样检测, 考察不同修复药剂对底泥的污染释放影响, 结果如表1 所示。

表1 不同修复药剂对底泥的污染释放影响Tab. 1 Influence of different remediation agents on pollution release of bottom sludge

从底泥上覆水取样检测的结果显示, 各试验组均表现出一定的氨氮释放抑制效果, 上覆水中氨氮浓度均低于空白对照组, 各组底泥上覆水中氨氮浓度大小依次为生石灰组、 水泥组、 过氧化钙组, 表明过氧化钙对底泥氨氮释放的抑制效果相对较好。底泥作为黑臭水体的主要内源污染, 有向自然水体迁移、 释放氮磷营养盐的趋势[9], 因而对照组的底泥在未做处理的状态下, 氨氮向上覆水大量释放, 浓度最高。 水泥和生石灰具有对底泥的固化稳定化作用, 在固结状态下, 氮、 磷物质较难自由迁移[10], 从而抑制了这两组底泥的氨氮释放。 过氧化钙在底泥中可缓慢释放氧气, 提高氧化还原电位,具有较强氧化性[11]。 本研究中过氧化钙组氨氮浓度最低, 可能是因为底泥中的氨氮被氧化, 转化为硝态氮。

由表1 可以看出, 与空白对照组相比, 水泥组和生石灰组对总氮的释放有抑制效果, 其中水泥组的总氮抑制效果大于生石灰组。 过氧化钙组的总氮浓度高于空白对照组, 表明向底泥中投加过氧化钙在一段时间内将促进总氮的释放, 这可能是因为过氧化钙的强氧化性促进了底泥有机质的分解, 以及氨氮向硝态氮的转化, 从而增加了总氮的释放[11]。

由表1 还可知, 与空白对照组相比, 水泥组、生石灰组以及过氧化钙组均表现出良好的总磷释放抑制效果, 其中过氧化钙组的总磷抑制效果最好。徐垚[12]研究发现在底泥中投加过氧化钙能够加快有机磷的矿化速度, 铁铝结合态磷和钙结合态磷也明显增加, 使得内源磷持留能力增强。

2.2 对上覆水pH 值的影响

从底泥上覆水取样检测, 考察不同修复药剂对底泥上覆水pH 值的影响, 结果如表2 所示。 空白对照组的上覆水呈中性偏弱酸, 可能是因为底泥中的有机质酸有少量释放进入上覆水。 3 个修复剂处理组的上覆水均呈碱性, 其中生石灰组和过氧化钙组的pH 值均超过9, 呈较强的碱性。 陈奎章等[13]研究发现投加生石灰作为底泥稳定剂会明显提高上覆水的pH 值。 过氧化钙能够分解为氧化钙和氧气, 氧化钙与水反应可进一步生成氢氧化钙, 从而释放碱性物质。 较高的pH 值环境不利于沉水植物的成活与生长[14]。

表2 上覆水的pH 值Tab. 2 pH value of overlying water

2.3 沉水植物的栽种成活情况及底泥pH 值

采用不同修复药剂处理底泥后, 沉水植物栽种成活情况如表3 所示。

表3 沉水植物的成活情况Tab. 3 Survival status of submerged plants

各试验组栽种的苦草, 在测试开始第7 天即已全部死亡, 根部枯黄腐烂。 通过检测底泥pH 值,发现除对照组外, 各试验组底泥均呈强碱性, 该结果与王锋等[15]研究结论一致。 由于底泥碱度大幅升高, 沉水植物无法生存, 限制了3 种药剂在黑臭底泥原位修复中的应用。

3 结论

采用水泥、 生石灰以及过氧化钙对底泥进行处理后可抑制氮、 磷污染物的释放, 改善底泥的黑臭现象, 但造成的底泥强碱性环境让后续水生态工程无法实施, 沉水植物群落无法构建。 因此, 建议在黑臭水体治理工程中谨慎采用水泥、 生石灰以及过氧化钙进行底泥的原位修复。

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