Reduction of sediment internal P-loading from eutrophic lakes using thermally modified calcium-rich attapulgite-based thin-layer cap

利用改性富鈣凹凸棒基薄層帽降低富營養化湖泊沉積物內部磷負荷

來源：Journal of Environmental Management 151 (2015) 178-185

 

摘要內容

該論文指出，湖泊富營養化是一個全球性問題，即使在外源污染得到控制后，沉積物中磷的持續釋放（內源負荷）仍可導致富營養化持續數十年。薄層覆蓋法被認為是控制內源磷負荷的有效方法，但其成功應用關鍵在于選擇經濟可行、環境友好且地理上易得的覆蓋材料。本研究評估了一種低成本材料——700°C加熱的天然富鈣凹凸棒石（NCAP700）——在降低湖泊沉積物內源磷負荷方面的能力。結果表明，NCAP700能有效固定沉積物中的可移動磷，并通過改變沉積物-水界面微環境來抑制磷的釋放。

研究目的

本研究旨在：

 

通過批量實驗，確定NCAP700有效固定不同類型湖泊沉積物中可移動磷所需的劑量，并建立劑量關系模型。

通過室內沉積物柱芯培養實驗，研究NCAP700薄層覆蓋對沉積物-水界面微環境的影響。

 

評估NCAP700對磷的固定能力，并闡明其可能的作用機制。

 

研究思路

研究采用從批量實驗到柱芯培養的多階段驗證策略：

 

劑量關系確定（批量實驗）：將不同劑量的NCAP700與來自多個湖泊的沉積物樣品混合，建立NCAP700投加量與可移動磷固定量之間的數學關系模型。

柱芯培養驗證：利用從巢湖污染嚴重區域采集的完整沉積物柱芯，在實驗室模擬厭氧條件進行培養。

 

實驗設置：設置覆蓋組（在沉積物表面覆蓋由劑量模型計算得出的NCAP700）和未覆蓋對照組。

微環境監測：在實驗開始（第4天）和結束（第40天）時，使用丹麥Unisense微傳感器測量沉積物-水界面的溶解氧、pH和氧化還原電位剖面。

磷動態監測：在實驗期間不同時間點，采集上覆水和孔隙水，分析溶解性反應磷濃度，并計算磷通量。

 

磷形態分析：實驗結束后，對沉積物柱芯進行分層切片，分析不同形態磷的含量變化。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

劑量-響應關系數據：

 

數據內容：批量實驗顯示，沉積物中可移動磷的固定量與NCAP700的投加量呈線性正相關。據此建立了劑量計算方程：M_NCAP700 = 302.9ΔP_mobile - 1702。

研究意義：為NCAP700在實際湖泊修復中的應用提供了關鍵的劑量計算依據，使修復工程的設計更具科學性和可預測性。

 

 

數據來源：該關系基于圖1和圖2的數據進行線性擬合得出。

 

微環境參數剖面（溶解氧、pH、氧化還原電位）：

 

數據內容：Unisense微傳感器測量顯示，與對照組相比，覆蓋組顯著提高了沉積物表層的氧化還原電位、pH值和溶解氧濃度。例如，第4天時，覆蓋層的氧滲透深度達到6.4毫米，而對照組僅為2.2毫米。這種增強效應隨時間的推移略有減弱。

研究意義：直接證明了NCAP700覆蓋層能夠改變沉積物表層的物理化學性質，創造一個更氧化、偏堿性的微環境，這有利于抑制磷的釋放。

 

 

數據來源：圖3展示了溶解氧、pH和氧化還原電位隨深度的剖面；表1提供了氧滲透深度和氧擴散通量的具體數值。

 

磷濃度與通量數據：

 

數據內容：覆蓋組上覆水中的SRP濃度在整個實驗期間維持在極低水平（0.011-0.016 mg/L），而對照組則很高（0.084-0.252 mg/L）。覆蓋組孔隙水中的SRP濃度也顯著低于對照組。基于濃度梯度計算的磷通量顯示，覆蓋組的磷釋放被抑制了27.1%至100%。

研究意義：從宏觀上量化了NCAP700覆蓋層對抑制沉積物磷釋放的有效性，證實其作為物理屏障和化學吸附劑的雙重作用。

 

 

數據來源：上覆水SRP數據來自圖S2；孔隙水SRP剖面來自圖4；磷通量數據來自圖5。

 

沉積物磷形態變化數據：

 

數據內容：磷形態分級表明，經過40天的修復，覆蓋組表層0-2厘米沉積物中平均有34.5%的可移動磷被固定，這些被固定的磷主要轉化為穩定的鈣結合磷。對2-4厘米深處沉積物的影響較小。

研究意義：從化學形態上揭示了NCAP700固定磷的核心機制，即促進可移動磷向難溶、穩定的鈣磷形態轉化，從而長期降低磷的生物有效性。

 

數據來源：圖6展示了實驗結束后覆蓋組與對照組沉積物中各形態磷的垂直分布。

 

結論

 

NCAP700能有效固定多種湖泊沉積物中的可移動磷，并建立了可靠的劑量-響應關系模型。

NCAP700薄層覆蓋能顯著改善沉積物-水界面的微環境，使其保持中性至偏堿性、有氧和氧化的狀態。

NCAP700覆蓋能有效抑制上覆水和孔隙水中的磷濃度，并大幅降低沉積物-水界面的磷通量。

 

NCAP700固定磷的主要機制是將沉積物中的可移動磷轉化為穩定的鈣結合磷。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的微傳感器（用于測量溶解氧、pH和氧化還原電位）獲得的數據具有至關重要的研究意義：

 

提供高分辨率的原位微環境證據：Unisense微傳感器能夠以亞毫米級的精度原位測量沉積物-水界面的化學參數垂直剖面（圖3）。這種高分辨率測量避免了傳統取樣方法對沉積物結構的破壞和化學梯度的平均化，直接“可視化”了NCAP700覆蓋層對界面微環境的真實影響。例如，數據顯示覆蓋層的氧滲透深度是對照組的近三倍，這為理解覆蓋層如何影響好氧/厭氧過程提供了直觀證據。

量化覆蓋層對氧化還原條件的改善：氧化還原電位（Eh）和溶解氧（DO）的剖面數據直接證明，NCAP700覆蓋層顯著提高了沉積物表層的氧化狀態。較高的Eh和DO水平有利于鐵、錳等金屬氧化物保持氧化態，從而增強其對磷的吸附固定能力，同時抑制硫酸鹽還原等厭氧過程，這些過程通常與磷的釋放相關。Unisense數據為解釋為何磷釋放被抑制提供了關鍵的化學環境背景。

揭示覆蓋層效應的時空動態：通過對比實驗初期（第4天）和末期（第40天）的微剖面數據（圖3和表1），Unisense測量揭示了覆蓋層效應的持續性。雖然增強效應隨時間略有減弱（如氧滲透深度從6.4毫米降至4.4毫米），但整體仍顯著優于對照組。這表明NCAP700覆蓋層在實驗期間保持了其改善微環境的能力，為其長期有效性提供了支持。

 

關聯物理化學變化與生物地球化學過程：Unisense測量的微環境參數（如pH升高）與磷形態轉化結果（Ca-P增加）相結合，強有力地支持了磷通過表面絡合吸附和鈣磷沉淀機制被固定的結論。沒有這些高分辨率的原位化學數據，對NCAP700作用機制的理解將停留在宏觀通量變化層面，而無法深入到控制這些變化的微觀界面過程。

 

總之，Unisense微傳感器提供的高精度、原位數據，是連接NCAP700覆蓋材料（物理干預）與沉積物磷循環（生物地球化學響應）之間的關鍵橋梁。它不僅證實了覆蓋層的有效性，更重要的是從機理層面闡明了其如何通過改變微環境來調控磷的形態和遷移，為NCAP700作為一種有前景的湖泊修復技術提供了堅實的科學依據。