论文题目：基于硝酸钙和覆盖改良材料组合技术控制底泥氮磷释放研究
摘要：在外源负荷得到有效管控下,底泥内源负荷的释放会进一步引起水质的恶化。因此,控制底泥内源氮磷的释放已成为治理水体富营养化的关键。硝酸钙（Ca（NO3）2）注射技术和原位覆盖技术均是控制底泥内源释放的重要方法,但就目前而言,对于二者的使用仍存在着一些争议,在修复过程中带来的影响还需要作进一步研究。本课题主要围绕硝酸钙处理和原位覆盖两种技术,针对单独使用硝酸钙注射技术存在的不足,系统考察了硝酸钙注射与阴离子交换树脂（AER）覆盖组合技术,基于硝酸钙、天然沸石（zeolite）和阴离子交换树脂组合技术,天然沸石与锆改性沸石（Zr MZ）组合覆盖技术,基于硝酸钙、反硝化细菌（Denitrifying bacteria,DNB）、天然沸石、锆改性沸石和阴离子交换树脂组合技术对底泥氮磷释放的控制效果以及锆改性沸石对底泥的改良作用,并评估了硝酸盐注入后硝态氮释放的风险,开发了四种鲜有文献报道的组合使用技术,可用于控制底泥氮磷的释放,并通过对各单项治理技术相互之间影响的比较,结合吸附作用理论和离子交换作用理论,讨论了各处理技术的作用机理以及可行性。最终通过实验研究得出以下结论:（1）采用硝酸钙注射与阴离子交换树脂覆盖组合使用控制底磷的释放以及降低硝酸盐的释放风险。结果表明,硝酸钙注射和阴离子交换树脂的组合使用技术不仅可以有效去除上覆水中的磷,去除率可达75.9%-98.7%,而且还可以降低底泥中DGT可移动态磷的浓度,进而在上层底泥中形成了静态层。虽然,该种组合技术对底泥中可移动态磷（P-NH4Cl+P-BD）,P-Na OH和P-HCl含量变化的影响较小,但是,却可以增加表层30 mm处底泥中P-Res的含量（提高了27.7%-42.9%）;硝酸钙与沸石联合处理组上覆水中NO3--N含量（1.7-6.5 mg/L）明显低于单独硝酸钙处理组（5.2-8.3 mg/L）。（2）基于硝酸钙、天然沸石和阴离子交换树脂组合使用控制底泥氮磷的释放以及降低硝酸盐的释放风险。结果表明,与单独硝酸钙使用技术相比,基于硝酸钙、天然沸石和阴离子交换树脂的组合使用技术不仅可以有效控制底泥中内源磷和氨氮向上覆水体的释放,同时还可以减少硝酸盐向上覆水体释放的风险（去除率为29.3%-71.1%）。Ca（NO3）2/zeolite/AER的组合使用对底泥磷释放的控制作用取决于硝酸盐的存在可以阻止磷结合态Fe（III）氧化物/氢氧化物的还原溶解,对底泥氨氮释放的控制作用主要取决于沸石的吸附作用。联合使用Ca（NO3）2/zeolite/AER处理底泥时,可以增加0-50 mm处底泥中P-Res的含量,降低0-10mm处底泥中可移动态磷的含量并提高0-10mm处底泥对NH4+-N的吸附能力。（3）锆改性沸石对底泥改良作用的效果。结果表明,与未改良底泥（NAS）相比,锆改性沸石改良底泥（Zr AS）对水中磷酸盐的吸附能力明显更强。但是,物理扰动却降低了锆改性沸石改良底泥对水中磷酸盐的吸附容量和吸附速率。在物理扰动状态下培养的锆改性沸石改良底泥的最大磷酸盐吸附容量(743 mg·kg-1),比在静止状态下培养的锆改性沸石改良底泥的最大吸附容量(902 mg·kg-1)低18%左右。物理扰动对锆改性沸石改良底泥的磷形态和生物可利用性产生一定的影响。物理扰动略微降低了改良底泥中氧化还原敏感态磷（P-BD）和金属氧化物结合态磷（P-Na OH）含量,但是却会略微增加改良底泥中残渣态磷（P-Res）含量。另外,物理扰动还会略微降低改良底泥中藻类可利用磷（AAP）和Na HCO3可提取磷（Olsen-P）这2种生物可利用性磷含量。（4）天然沸石和锆改性沸石组合使用控制底氮磷的释放。结果表明,在厌氧环境下,底泥中氮磷极易发生释放,并扩散至间隙水和上覆水中。天然颗粒沸石与锆改性沸石的联合覆盖以及天然粉末沸石与锆改性沸石的联合覆盖对上覆水体SRP的去除率分别可达80.4%-98.2%和88.3%-98.8%。且二者对上覆水中NH4+-N的消减效果分别为30.4%-86.1%和48.9%-84.7%,与单独天然沸石覆盖相比控制效果均明显提高。单独添加天然颗粒沸石或天然粉末沸石,均可促使其表层底泥中潜在可移动态磷、P-Na OH和P-HCl向P-Res发生转化;而当天然颗粒沸石和天然粉末沸石分别与锆改性沸石联合添加到表层底泥时,却可促使其表层底泥中更多潜在可移动态磷和P-HCl向P-Na OH和P-Res发生转化。另外,各组材料添加后均会导致其表层底泥以下10-20和20-30 mm底泥中P-Res含量的上升。（5）基于硝酸钙、树脂、天然沸石、锆改性沸石和反硝化细菌组合使用控制底泥氮磷的释放以及降低硝酸盐的释放风险。结果表明,培养初期（4-13 d）,添加反硝化细菌的Ca（NO3）2/DNB组和Ca（NO3）2/DNB/zeolite/Zr MZ/AER组上覆水中DO含量被快速消耗降至0.35 mg/L以下,两组SRP的释放速率及其浓度均显著高于其它组。两周以后,Ca（NO3）2/DNB组和Ca（NO3）2/DNB/zeolite/Zr MZ/AER组的SRP浓度开始下降并最终稳定保持在低浓度水平。整个培养期内,各反应柱上覆水体NH4+-N的平均浓度按照从大到小的顺序依次为:Ca（NO3）2/DNB组＞Ca（NO3）2组＞对照组＞Ca（NO3）2/DNB/zeolite/Zr MZ/AER组＞zeolite/Zr MZ组。Ca（NO3）2/DNB组中上覆水体NO3--N平均浓度为47.54 mg/L接近Ca（NO3）2组NO3--N平均浓度80.97mg/L的一半,而Ca（NO3）2/DNB/zeolite/Zr MZ/AER组NO3--N平均浓度仅有14.72mg/L更是不足Ca（NO3）2组的一半,即硝酸钙与反硝化细菌的组合使用可以较好的减少NO3--N的释放。
关键词：硝酸钙;覆盖改良材料;组合技术;底泥;氮磷释放
学科专业：环境科学与工程
摘要
abstract
第一章 前言
1.1 研究背景
1.2 控制底泥内源释放技术研究
1.2.1 硝酸钙修复技术
1.2.2 底泥覆盖改良技术
1.3 研究思路
1.4 研究内容及技术路线
1.4.1 研究内容
1.4.2 技术路线
第二章 硝酸钙注射和阴离子交换树脂覆盖组合技术控制底泥磷释放研究及硝酸盐释放风险评估
2.1 引言
2.2 材料与方法
2.2.1 实验试剂
2.2.2 实验方法
2.3 结果与讨论
2.3.1 AER对硝酸盐的吸附/解吸
2.3.2 AER覆盖对上覆水中p H、DO的影响
2.3.3 AER覆盖对硝态氮释放的控制效果
2.3.4 AER覆盖对水体磷的控制效果
2.4 本章小结
第三章 基于硝酸钙、天然沸石和阴离子交换树脂组合技术控制底泥氮磷释放研究及硝酸盐释放风险评估
3.1 引言
3.2 材料与方法
3.2.1 实验材料
3.2.2 实验方法
3.3 结果与讨论
3.3.1 硝酸钙/沸石/AER组合使用对上覆水DO和 p H的影响
3.3.2 硝酸钙/沸石/AER组合使用对上覆水SRP、NO_3~--N、NH_4~+-N的消减效果
3.3.3 硝酸钙/沸石/AER组合使用对DGT有效态磷和DGT有效态铁的影响
3.3.4 硝酸钙/沸石/AER组合使用对间隙水NO_3~--N和 NH4~+-N的消减效果
3.3.5 硝酸钙/沸石/AER组合使用对底泥磷形态的影响
3.3.6 硝酸钙/沸石/AER组合使用对底泥吸附磷酸盐和氨氮能力的影响
3.4 本章小结
第四章 锆改性沸石对底泥的改良作用研究
4.1 引言
4.2 材料与方法
4.2.1 实验材料
4.2.2 材料制备
4.2.3 实验方法
4.3 结果与讨论
4.3.1 溶液pH对锆改性沸石改良底泥吸附磷的影响
4.3.2 反应时间对锆改性沸石改良底泥吸附磷的影响
4.3.3 初始磷浓度对锆改性沸石改良底泥吸附磷的影响
4.3.4 物理扰动对锆改性沸石改良底泥中磷形态分布特征的影响
4.3.5 物理扰动对锆改性沸石改良底泥中生物可利用性磷的影响
4.4 本章小结
第五章 天然沸石与锆改性沸石组合覆盖对底泥氮磷释放研究
5.1 引言
5.2 材料与方法
5.2.1 实验材料
5.2.2 实验方法
5.3 结果与讨论
5.3.1 天然沸石与锆改性沸石组合覆盖对上覆水中DO和pH的影响
5.3.2 天然沸石与锆改性沸石组合覆盖对上覆水中磷和氨氮的去除效果
5.3.3 天然沸石与锆改性沸石组合覆盖对沉积物上覆水剖面磷和氨氮的消减效果
5.3.4 天然沸石与锆改性沸石组合覆盖对间隙水中氨氮的消减效果
5.3.5 天然沸石与锆改性沸石组合覆盖对底泥中磷形态分布的影响
5.3.6 底泥对氨氮的吸附效果
5.4 本章小结
第六章 基于硝酸钙、树脂、天然沸石、锆改性沸石和反硝化细菌组合技术控制底泥氮磷释放研究及硝酸盐释放风险评估
6.1 引言
6.2 材料与方法
6.2.1 实验材料
6.2.2 实验方法
6.2.3 样品分析
6.3 结果与讨论
6.3.1 不同实验处理对上覆水DO和pH的影响
6.3.2 不同实验处理对上覆水SRP浓度变化的影响
6.3.3 不同实验处理对上覆水NH_4~+-N浓度变化的影响
6.3.4 不同实验处理对上覆水NO_3~--N浓度变化的影响
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 结论
7.1.1 硝酸钙注射和阴离子交换树脂覆盖组合技术控制底泥磷释放研究及硝酸盐释放风险评估
7.1.2 基于硝酸钙、阴离子交换树脂和天然沸石组合技术控制底泥氮磷释放研究及硝酸盐释放风险评估
7.1.3 锆改性沸石对底泥改良作用研究
7.1.4 天然沸石与锆改性沸石组合覆盖对底泥氮磷释放研究
7.1.5 基于硝酸钙、树脂、天然沸石、锆改性沸石和反硝化细菌组合技术控制底泥氮磷释放研究及硝酸盐释放风险研究
7.2 展望
参考文献
致谢