黑臭底泥硝酸盐还原驱动铁硫氧化及其固磷作用研究

摘要

目前在南方城市河道中底泥黑臭现象十分常见，黑臭底泥向上覆水体释放污染物，是造成上覆水体水质恶化的主要原因。研究表明硫化物和亚铁的累积是造成底泥黑臭的主要因素，而磷是造成富营养化现象的关键因子；通过投加硝酸盐，可有效氧化底泥硫化物和亚铁，同时固定底泥磷释放；因此被认为是治理河道黑臭、抑制水体富营养化的有效措施。然而，目前通常认为硝酸盐（如硝酸钙）对磷的固定作用是Ca2+离子与磷酸盐产生钙磷；而对于硝酸盐还原驱动的铁硫氧化过程对固磷的影响研究较少。为进一步研究底泥黑臭治理过程中铁硫氧化对磷形态变化的影响，探讨氧化后底泥作为废水（上覆水）磷吸附剂再利用的可能性，本文选择城市黑臭底泥为研究对象，通过分阶段定量投加硝酸钠（以R=NO3-/(1.6*S+0.2*Fe)为投加比例因子）将底泥亚铁氧化和硫化物氧化分开，考察两个阶段底泥氧化特征，明确不同氧化阶段对底泥磷形态变化的影响，解释氧化底泥的固磷作用及机理。　　本研究结果发现：　　1）按R =0.5比例投加第一批硝酸钠后，第一阶段底泥以硫化物氧化为主，硫化物氧化率约为75%，亚铁氧化率约为30%，说明当硝酸盐不足的时候，底泥中的硫化物优先于亚铁被氧化；第二阶段按R =2.0比例投加硝酸钠后，底泥以亚铁氧化为主，亚铁氧化率达86%。从ORP变化来看，硝酸盐还原驱动的硫氧化及亚铁氧化过程都可使底泥都由还原状态变为氧化状态；从底泥颜色变化来看，底泥颜色变化与亚铁氧化有关。此外，硫化物氧化过程与铁氧化过程微生物群落结构存在显著的差异，其中， Proteobacteria变形菌门变化最为明显。　　2）原泥间隙水溶解性磷的浓度在2.9-3.7 mg/L之间，总磷的浓度在2.9-3.8 mg/L之间，说明间隙水中大部分磷是溶解性磷。投加硝酸盐后，底泥间隙水溶解性磷、总磷降至0.1-0.5 mg/L之间，可见投加硝酸盐后硫氧化及亚铁氧化过程均对间隙水SRP、TP有明显固定作用。原底泥中磷主要以无机磷为主，并以铁磷形态为主要形态。在硫氧化过程中，磷形态无明显变化；在亚铁氧化过程中，铁磷和氢氧化钠磷含量发生明显上升。说明投加硝酸盐黑臭治理过程中对磷的固定，与亚铁氧化过程密切相关。　　3）铁氧化过程和硫氧化过程对磷吸附动力学可以采用准二级动力学来描述，吸附等温线可用Langmuir等温线来拟合。铁氧化后的底泥（5g）在20℃、30℃和40℃的吸附速率分别为128、714和175 mg/(g·min)，饱和吸附量分别为82、104和78 mg/g，硫氧化后的底泥（5 g）在20℃、30℃、40℃的吸附速率分别为6、26和8 mg/(g·min)，饱和吸附量分别为14、61和21 mg/g，说明与硫氧化后的底泥比较，铁氧化后底泥的吸附速率和饱和吸附量更高，而且温度对铁氧化后的底泥影响不大，可见铁氧化后的底泥更适用于吸附废水中的磷。　　由以上结果可知，氧化底泥对磷的固定作用主要与亚铁氧化过程密切相关；同时从吸附动力学和等温线结果来看，氧化后底泥具有循环利用去除废水（上覆水）中磷的潜力。

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