镧改性沸石覆盖控制河道底泥污染物释放实验研究

谢苏峰，浦燕新，廖书林

(维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213125)

水体富营养化是环境领域面临的重要挑战，底泥中的氮磷等污染物释放是引发水体富营养化的重要因素。水体中大量的有机污染物、重金属等都在底泥中富集，同时底泥中的污染物也向上覆水体释放，造成水体持续污染[1]。因此，降低底泥污染物的释放量是水体富营养化防治工作的重要方向。

天然沸石是降低底泥覆盖常用的一种材料，它可以降低底泥氨氮向上覆水体释放的通量，但对水中磷酸盐的吸附能力较差。有研究表明，采用特殊的手段，对天然沸石进行改性，可大大提升对于底泥中的氮磷抑制效果[2]。为此，本研究通过实验考察了天然沸石和镧改性沸石对黑臭河道底泥污染物释放的处理效果，以便为黑臭河道治理提供技术支持。

1 实验材料和方法

1.1 底泥采集

从佛山市某河道采集河底表层30 cm的底泥，清除原样中的砂石、动物残体、树枝等杂质，混合均匀过滤后，用黑色PE桶运回实验室。在底泥采样点采集上覆水体水样。水样经0.45 μm孔径的滤膜过滤，滤去藻类及部分悬浮固体物，以减少其对实验的影响[3]。

底泥的pH=6.76，含水率42.5%。上覆水体污染物指标如下：COD 53.2 mg/L，氨氮6.88 mg/L，总磷1.62 mg/L，总氮12.66mg/L，DO 0.30 mg/L，pH=7.25。

1.2 镧改性沸石制作

本实验所采用的天然沸石购自丽水市，粒径小于0.075 mm，主要矿物成分为丝光沸石、斜发沸石、石英，以及少量长石、蒙脱石。

准确称取50 g天然沸石置于100 mL水中，形成悬浊液，再加入20 g氯化镧，通过磁力搅拌使氯化镧溶解并且使天然沸石处于悬浮状态，再用2 mol/L的NaOH溶液调节混合液的pH为10，再放置到振荡器上进行16 h振荡反应，反应完成后进行固液分离，再用去离子水清洗固体直至上清液为中性，置于105 ℃烘箱内烘干，最后破碎、磨成粉末状镧改性沸石。

1.3 实验步骤

实验采用2.5 L的棕色试剂瓶，从顶部加入混合均匀的底泥，使其厚度为5 cm，并用黑纸板遮住试剂瓶以免光线对实验产生影响，制作3组。接着，对底泥进行不同的覆盖处理，试验组1覆盖50 g天然沸石，试验组2覆盖50 g镧改性沸石，另一组为对照组，不做任何处理。随后，缓慢注入1 000 mL处理后的上覆水水样，注水时尽量减少对底泥的扰动。实验在室内常温中进行(室温20 ℃～30 ℃)。

1.4 分析指标及测定方法

2 结果及讨论

2.1 上覆水体化学需氧量(COD)变化

对照组上覆水体的COD浓度在试验初期快速上升，随后缓慢趋于稳定，第30 d时上覆水体的COD为71.6 mg/L，相比初始值上升了34.8%。这是由于底泥中的污染物释放造成的。天然沸石组与镧改性沸石组中的上覆水体COD变化类似，均为先快速下降，再缓慢上升，最后又缓慢下降的趋势。天然沸石组上覆水体的COD最低点出现在第4天，为47.8 mg/L，对照原始值降低了10.1%；镧改性沸石组的最低点出现在第6天，为45.8 mg/L，对照原始值降低了13.9%。在第30天,天然沸石组与镧改性沸石组的上覆水体COD分别为48.3 mg/L与47.4 mg/L，对照原始值分别降低了9.2%和10.9%。综上所述，覆盖底泥的天然沸石和镧改性沸石对COD均有一定程度的吸附作用，两者对底泥COD释放的抑制效果相近。天然沸石和镧改性沸石覆盖层通过材料本身吸附作用以及材料物理覆盖的共同作用抑制了底泥层污染物向上的扩散与释放。

2.2 上覆水体氨氮变化

图1为上覆水体氨氮浓度变化的规律。空白对照组随着实验时间的推移，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也逐渐增高，第30天，上覆水体的氨氮质量浓度达到了10.96 mg/L，相比初始值上升了59.3%。实验组中上覆水的氨氮浓度明显低于对照组。在实验初期，上覆水体的氨氮浓度迅速下降，在第10天时达到了最低点，天然沸石组与镧改性沸石组的上覆水体氨氮质量浓度分别为3.56 mg/L与2.94 mg/L。这是由于，天然沸石和镧改性沸石对氨氮都具有快速吸附的特点，刚开始时沸石的吸附能力最大，对氨氮的吸附作用较为突出。随着时间的推移，两者的上覆水体氨氮浓度有较为平缓的上升，这可能与沸石材料吸附能力逐渐趋于饱和有关。在第30天，天然沸石组与镧改性沸石组的上覆水体氨氮质量浓度分别为5.11 mg/L与5.21 mg/L，对比初始值分别下降了25.7%和24.3%，天然沸石组与镧改性沸石组对于底泥中氨氮的释放抑制作用相近。

图1 上覆水体氨氮浓度变化表

2.3 上覆水体总磷(TP)变化

对照组上覆水的总磷浓度呈现缓慢升高的趋势，第30天，上覆水体的总磷质量浓度达到了1.84 mg/L，相比初始值上升了20.2%。实验组中的上覆水体总磷浓度明显低于空白对照组。在实验初期，天然沸石组上覆水体的总磷浓度下降很快，在第10天时达到了最低点，其上覆水体总磷质量浓度为1.10 mg/L，相比初始值降低了34.5%。实验刚开始时，覆盖层突出的吸附作用大大降低了上覆水体中的总磷浓度。随着时间的推移，天然沸石的吸附能力趋于饱和，上覆水体的总磷浓度有缓慢上升，最后，其上覆水体的总磷质量浓度为1.32 mg/L，相比初始值下降了21.4%。镧改性沸石实验组在第10天时，上覆水体的总磷质量浓度最低，为0.73 mg/L，相比初始值降低了56.5%，显著优于天然沸石实验组。随着时间的推移，其上覆水体的总磷浓度总体趋于稳定，未呈现明显上升趋势。在第30天，其上覆水体的总磷质量浓度为0.76 mg/L，相比初始值下降了54.7%。这表明，镧改性沸石组的处理效果明显优于天然沸石组。研究表明[5]，镧改性沸石对水中的磷酸盐具备较强的固定能力，因此能够更加有效地控制底泥磷污染的释放。

3 结论

由于底泥释放，空白对照组的上覆水体污染物浓度均出现了不同程度的升高，而天然沸石和镧改性沸石覆盖的试验中化学需氧量、氨氮、总磷都有不同程度的降低。在第30天时，镧改性沸石组中的上覆水体化学需氧量、氨氮、总磷分别下降了10.9%、24.3%、53.1%，其中镧改性沸石覆盖比天然沸石覆盖对总磷的去除效果更好。