（环境工程专业论文）水库内源氮磷释放覆盖技术研究——以青岛产芝水库为例.pdf

水库内源氮磷释放的覆盖技术研究 一以青岛产芝水库为例 摘要 产芝水库是莱西城区和青岛市的主要供水水源地，在莱西市及青岛市区供水 中占有举足轻重的地位。随着工农业生产的迅速发展，产芝水库入库的污染物日 益增加，一些不合理的开发活动也给水库环境造成了不良影响，使水库水质污染 日益突出。经实地调查可知，产芝水库的污染源分为面源污染和内源污染两种， 虽然面源污染是水库的最大污染源，但内源污染由于处于水库底部而成为水库污 染治理的难点，且其在水库污染物负荷中占有一定的比重。因此，对产芝水库底 泥氮磷的污染治理显得尤为重要。 本文在区域自然环境调查的基础上，进行了大量的室内外试验，分析了水库 水体的污染特征，研究了底泥及其间隙水中氮磷的相关性和释放通量。通过对凹 凸棒土的改性，探讨了改性凹凸棒土对水中氮磷的等温吸附和动力学过程。最后， 研究了改性凹土对底泥氮磷释放的抑制效果以及不同凹土覆盖厚度，温度和粒径 对抑制效果的影响。通过上述研究，取得了一些新的认识和结论： ( 1 ) 通过污染源调查和水库水质评价，确定了水库的水污染现状。 研究结果表明：总的来说，氮磷含量在秋冬季节较高，在雨季较低；水库水 质随着时间变化规律明显，水质由i 类水将为v 类水；水库有机氮在总氮中所占 的比例较高，有机污染严重。 ( 2 ) 掌握了水库中底泥的污染特征以及底泥和间隙水中氮磷的相关性。 表层底泥的含水率和有机质含量较高，随深度增加逐渐减少；表层底泥疏松， 容易受风浪等外力扰动而发生再悬浮，对上覆水水质会有一定的影响；近年来水 库周围人类活动加强，内源氮磷负荷增加；底泥t n 、t p 和间隙水中t n 、t d p 的相关性较显著，水库底泥中赋存氮磷物质的多少，在一定程度上决定了间隙水 中氮磷含量的大小。 ( 3 ) 通过室内试验，计算了底泥中氮磷的释放通量，进而掌握了水库中底泥 的氮磷释放量。 根据底泥氮磷释放通量的估算，外源污染是产芝水库最大的污染源，内源为 次要污染源，但也占有一定比例。因此，控制内源污染对于改善水库水质是有必 要的。 ( 4 ) 研究了天然凹土经提纯、热改性、酸改性和盐改性后的粒径特征虬 通过对不同改性凹土的粒径分析，发现天然凹土经过后，粒径有所降低，比 表面积增大，吸附力进一步增强；其中经酸活化的凹土粒径最小，即酸改性的效 果最好。 ( 5 ) 掌握改性凹土对氨氮和磷酸盐的吸附等温特征和动力学特征。 研究结果表明：氨氮和磷酸根在4 种凹土上的吸附量都随着平衡液浓度的增 加而逐渐增加；与未改性凹土相比，经过改性后的凹土对氨氮和磷酸盐的吸附量 明显增大，热改性和酸改性凹土的吸附效果较好；f r e u n d l i e h 方程式能较好地描 述改性凹土对氨氮和磷酸根的等温吸附行为；4 种凹土与氨氮的反应速度较快， 与磷酸盐的反应较慢；温度升高有利于凹土的化学吸附；4 种凹土随着p h 从2 升高到1 3 ，氨氮和磷酸盐溶液的平衡浓度都呈现先降低，后又升高的趋势。 ( 6 ) 全面探讨了不同覆盖类型、覆盖物厚度、粒径和温度对底泥氮磷释放 的影响效果。 结果表明：与未加覆盖层相比，沙土覆盖和凹土覆盖都可以抑制底泥氮磷的 释放，且凹土覆盖优于沙土覆盖；覆盖层对总磷、氨氮和硝氮的释放抑制率较高， 对总氮的抑制率相对较低；覆盖层越厚，温度越低，粒径越小，则覆盖层对底泥 氮磷释放的抑制效果越好。 关键词：改性凹土；底泥；氮磷；释放 h c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e l e a s e f r o mr e s e r v o i rs e d i m e n t s ：ac a s es t u d yo fq i n g d a oc h a n z h i r e s e r v o i r a b s t r a c t c h a n z h ir e s e r v o i ri st h em a i nm u n i c i p a lw a t e rs u p p l yo fl a i x ia n dq i n g d a oe i t y ， p l a y i n ga l lv i t a lr o l ei nw a t e ro c c u p i e so fl a i x ia n dq i n g d a oc i t y w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n ，p o l l u t a n t sf l o w e di nc h a n z h i r e s e r v o i ri n c r e a s e d s o m ei r r a t i o n a ld e v e l o p m e n ta c t i v i t i e sa l s om a d ean e g a t i v e i m p a c t o nt h e e n v i r o n m e n t , l e a d i n g t h ew a t e r p o l l u t i o nb e c o m ei n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t t h ef i e l ds u r v e ys h o w st h a te n d o g e n o u sp o l l u t i o na n dp o i n ts o u r c c p o l l u t i o na r et h et w om a i np o l l u t i o ns o u r c e so fc h a n z h ir e s e r v o i r a l t h o u g hp o i n t s o u r c ei st h el a r g e s tp o l l u t i o ns o u r c 宅，i tc a nb et r e a t e dm o r ee a s i l yt h a ne n d o g e n o u s p o l l u t i o nw h i c hl o c a t e sa tt h eb o t t o mo fr e s e r v o i ra n di t st r e a t m e n tb e c o m ea n d i f f i c u l t y h o w e v e r , e n d o g e n o u sp o l l u t i o nl o a d sas i g n i f i c a n ts h a r ei nt h er e s e r v o i r p o l l u t a n t t h e r e f o r e ，i ti se s p e c i a l l ys i g n i f i c a n tt oc o n t r o ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u s p o l l u t i o ni nc h a n z h ir e s e r v o i r t h i sa r t i c l e ，b a s e do nt h en a t u r a le n v i r o n m e n ts u r v e yo ft h er e g i o n ，e x e c u t e da l a r g en u m b e ro fi n d o o ra n do u t d o o rt e s t s ，a n a l y z e dt h ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f w a t e rb o d y , a n ds t u d i e dc o r r e l a t i o n sa n df l u xo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nt h e s e d i m e n t sa n di n t e r s t i t i a l w a t e r t h r o u g ha t t a p u l g i t em o d i f i c a t i o n , a d s o r p t i o n i s o t h e r m sa n dk i n e t i c so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si nw a t e rh a sb e e nd i s c u s s e d f i n a l l y , t h ei n h i b i t o r y e f f e c to fm o d i f i e d a t t a p u l g i t ec o n t r o l l i n gn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e l e a s ea n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tb a r r i e rt h i c k n e s s ，t e m p e r a t u r ea n d p a r t i c l es i z ew e r er e s e a r c h e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c u r r e n tw a t e rp o l l u t i o ns t a t u sw a sa n a l y z e da n dw a t e rq u a l i t yw a se v a l u a t e d t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h a tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n t sa r eh i g hi na u t u m n a n dw i n t e ra n dl o wi nr a i n ys e a s o no v e r a l l ；w a t e rq u a l i t yc h a n g e ss i g n i f i c a n t l yo v e r t i m e ，a n dw a t e rq u a l i t yl e v e lf a l l s 舶mc l a s si i i t oc l a s sv ；o r g a n i cn i t r o g e no c c u p y ah i g h p r o p o r t i o no ft n ，a n do r g a n i cn i t r o g e np o l l u t i o ni s s e r i o u si nc h a n z h i r e s e r v o i r ( 2 ) p o l l u t i o n c h a r a c t e d s t i c so fr e s e r v o i rs e d i m e n tw e r ed i s c u s s e da n d c o r r e l a t i o n so fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb e t w e e ns e d i m e n t sa n di n t e r s t i t i a lw a t e rw e r e i i i a n a l y z e d m o i s t u r ec o n t e n ta n do r g a n i cm a t t e ro ft h es e d i m e n ti nc h a n z h ir e s e r v o i ra re h i g ho nt h es u r f a c ea n dd e c r e a s ew i t hd e p t h t h es u f f a c c - - s d i i m e n t s 舭l o o s ea n d i n s t a b l e ，w h i c ha r ev u l n e r a b l et os t o r m sa n do t h e re x t e r n a l d i s i u r b a n c e sa n dh a v e i m p a c t so nt h eo v e r l y i n gw a t e r r e c e n t l y , w i t ht h ei n c r e a s eo fh u m a na c t i v i t i e s ， e n d o g e n o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sl o a d i n c r e a s e c o r r e l a t i o n so ft na n dt p b e t w e e ns e d i m e n t sa n di n t e r s t i t i a lw a t e ra r en o t a b l ea n dt os o m ee x t e n t ，n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sc o n t e n t si ns e d i m e n t sd e c i d et h e i rc o n t e n t si ni n t e r s t i t i a lw a t e r ( 3 ) t h r o u g hi n d o o re x p e r i m e n t s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf l u xi ns e d i m e n t sw e r e c a c u l a t e di no r d e rt oe s t i m a t en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e l e a s eq u a t i t yf r o mr e s e r v o i r s e d i m e n t a c c o r d i n gt on i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf l u xe a c u l a t i o n ，i ti sk n o w e dt h a tp o i n t s o b r c ei st h el a r g e s tp o l l u t i o ns o u r c 4 0o fc h a n z h ir e s e r v o i ra n do c c u p yac e r t a i n p r o p o r t i o n c o n s e q u e n t l y , i ti sn e c e s s a r y t oc o n t r o le n d o g e n o u sp o l l u t i o nt oi m p r o v e r e s e r v o i rw a t e r ( 4 ) n a t u r a la t t a p u l g i t ew e r em o d i f i e db yt h e r m a l ，a c i da n ds a l tm e a n s t h em o d i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp a r t i c l es i z eo fn a t u r a la t t a p u l g i t eh a s d e c r e a s e d , r e s u l t i n gal a r g e rs u r f a c ea r g aa n d b e t t e r a d s o r p t i o n a m o n gt h o s e m o d i f i z a t i o n ，a c i dm o d i f i c a t i o nh a st h e b e s ta d s o r p t i o ne f f e c t 一a d s o r p t i o n ( 5 1 i s o t h e r m sa n dk i n e t i c so fa m m o n i an i t r o g e na n dp h o s p h a t eo nm o d i f i e da t t a p u l g i t e h a sb e e ns t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a ta d s o r p t i o no fa m m o n i an i t r o g e na n dp h o s p h a t eo na t t a p u l g i t e i n c r e a s eg r a d u a l l y 、 r i t l lc o n c e n t r a t i o no fb a l a n c e da m m o n i as o l u t i o n c o m p a r e dw i t h u n m o d i f i e da t t a p u l g i t e ，m o d i f i e da t t a p u l g i t ec a ns i g n i f i c a n t l ya d s o r bm o r ea m m o n i a n i t r o g e na n dp h o s p h a t e ，a n dt h ea d s o r p t i o no ft h e r m a la n da c i dm o d i f i e da t t a p u l g i t e a r em u c hb e t t e r f r e u n d l i e he q u a t i o nc a l ld e s c r i b et h ea d s o r p t i o ni s o t h e r m so f n i t r o g e na n dp h o s p h a t eo nm o d i f i e da t t a p u l g i t e t h e s e4m o d i f i e da t t a p u l g i t er e a c t q u i c k l ya g a i n s ta m m o n i 岛s l o w l ya g a i n s tp h o s p h a t e t e m p e r a t u r ei s c o n d u c i v et o a d s o r p t i o n a st h ep hi n c r e a s ef t o m2t o 13 ，t h ee q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o n so f a m m o n i aa n dp h o s p h a t es o l u t i o nd e c l i n ea tf i r s ta n dt h e ni n c r e a s e ( 6 ) i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tb a r r i e rt y p e s ，t h i c k n e s s ，t e m p e r a t u r ea n dp a r t i c l es i z e o ns e d i m e n tn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e l e a s ew e r ed i s c u s s e dc o m p r e h e n s i v e l y i v r e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hn o n - b a r r i e r ，s a n da n dm o d i f i e da t t a p u l g i t e b a r r i e r sa r eb o t ha b l et oc o n t r o ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e l e a s ef r o mt h es e d i m e n t ， a n dt h ef o r m e ri sb e t t e rt h a nt h el a t e r t h e b a r r i e rh a sah i g hr e l e a s ei n h i b i t i o nf o r t p ，n h 4 + - na n dn 0 3 n ，b u tl o wt p w h e nt h eb a r r i e ri st h i c k e r , t h et e m p e r a t u r ei s l o w e ra n dg r a i ns i z ei ss m a l l e r ，c o n t r o lo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sf i o ms e d i m e n t sb y b a r r i e ra g eb e t t e r k e y w o r d s ：m o d i f i e da t t a p u l g i t e ；s e d i m e n t s ；n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ；r e l e a s e v 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 u 月i j 吾 污染水体的治理开始于2 0 世纪6 0 年代。但是，人们发现，尽管外源污染物 得到了较好的控制，水体中依然存在较多的污染物。底泥是黏土、泥沙及各种矿 物的混合物经长时间的相互作用沉积于水体底部而形成的，含有重金属，n 、p 等营养盐【l 】。如果水体中的这些营养物质含量过高，可能会向上释放，引起水体 富营养化。为此，世界上许多国家纷纷展开底泥污染控制技术的研究工作。底泥 覆盖，就是指在含有污染物的沉积物上部覆盖一些材料使沉积物中的污染物的释 放得到抑制。通常采用的覆盖材料包括清洁的沉积物、沙子和砾石等。 产芝水库位于大沽河干流中上游，莱西市郊区，是一座多功能性的水库。它 是胶东半岛最大的水库，也是青岛市和莱西市的供水水源地。然而，近年来，随 着工农业的发展，产芝水库中的污染物增加，水质逐渐恶化。目前环境容量研究 中，在数学模型建立及污染负荷计算时，内源负荷常被忽略。当水体主要外源被 切断后，内源常成为水污染的主要来源。因此有必要研究产芝水库底泥氮磷分布、 释放的情况及其抑制技术，为控制水库底泥氮磷含量提供依据。 本文在青岛市水利科技项目“产芝水库环境容量与生态安全预警系统研究 的依托下，对该水库进行了多次调查和采样，通过室内外试验，探讨了水库底泥 及其间隙水中t n 、n h 4 + - n 、n 0 3 - n 和t p 的空间分布特征和相互关系、凹凸棒 土的改性方法、改性凹凸棒土吸附水中氮磷的规律和效果、改性凹土对底泥氮磷 释放的抑制效果以及不同凹土覆盖厚度，温度和粒径对抑制效果的影响。在上述 工作基础上，作者撰写了两篇论文，分别被核心期刊环境科学学报和环境 污染与防治接收。 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 1 绪论 1 1 研究目的和意义 一 由于长期作用的沉积作用，重金属、氮磷等营养物在水库、湖泊等水体中累 积富集。如果水体中的这些营养物质含量过高，可能会向上释放，引起水体富营 养化。因此，对底泥污染物释放的控制工作显得尤为重要。底泥覆盖主要有物理 性隔离污染物与底泥、固定污染沉积物和降低污染物的扩散通量这三个主要功 能。许多试验结果显示，覆盖可以有效地抑制底泥污染物的释放 2 1 。 产芝水库是青岛市重要的饮用水源地之一，水质污染趋于恶化。1 9 9 8 年水 库氮、磷的含量已经超出富营养化的标准，该水源地存在较严重的污染现象和污 染威胁。 凹凸棒石黏土英文名称为a t t a p u l g i t e ，有时也被称为坡缕石( p a l y g o r s k i t e ) ， 是一种黏土矿物，富含镁铝硅酸盐【3 1 。由于它特殊的纤维结构、不同寻常的胶体、 吸附和脱色等性能，已在采矿、建材、食品、化肥、农药、印染、环保等多个领 域得到应用，素有“千面用土”之称。世界上存在具有工业意义的凹凸棒石黏土 的地区很少，如美、西、法、俄、英、中国、巴西、南非、尼泊尔等少数国家。 我国的江苏和安徽目前开发出的凹土质量好、储量大，探明的储量多于1 亿吨【4 1 。 凹土通过各种方式的改性，吸附能力会明显增大。改性后的凹凸棒土比表面积大、 化学稳定性好、吸附能力强，对处理工业废水具有成本低( 其成本远远低于活性 炭) 、效率高、效果好、再生简单等优点，且其储量大、价格低、对环境无污染， 是一类很有发展前景的优质廉价吸附剂。学者们研究发现，饲料中添加凹土，不 但可促进水产动物的生长，提高饲料的利用率，还可降低氮、磷、重金属等的排 放量。因此将凹土作为覆盖材料控制底泥氮磷释放具有很大的可行性和有效性， 目前国内外还没有学者对此进行研究。本文希望通过实验探明凹土对氮磷的吸附 特性以及对底泥氮磷释放的抑制作用，从而为控制水库底泥氮磷含量提供方法和 依据，具有较强的实际应用价值。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 凹凸棒土的改性和吸附 凹凸棒石的晶粒很小，达到了微米级( 长0 5 - - 5 1 m a ，宽0 0 1 - - - 0 1 0 p m ) 。俄 国学者隆科钦科夫和法国学者d e l a p p a r e n t 分别于1 8 6 2 年和1 9 3 5 年发现了凹凸 2 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 棒土，并分别命名为坡缕石和凹凸棒石；后来有学者证明它们是同一种物质。我 国1 9 7 6 年在江苏六合小盘山首次发现凹凸棒石粘土矿，中国学者许冀泉根据音 译同时兼顾该矿的晶体结构特征，译成“凹凸棒石”，近年来在国内传用p 】。 天然凹凸棒石粘土中所含的杂质会降低凹土的性能，削弱其处理效果，因此 需要进行和改性。凹凸棒石的改性一般分无机改性和有机改性2 种。常用改性 方法有：热处理法，在一定温度下高温焙烧；酸化法，用盐酸、硫酸等溶液浸泡； 形成复合凹土( 凹凸棒石粘土) 法，即添加无机或有机化合物与凹土形成复合物， 以满足不同需要；表面活性剂处理法；超声波处理法等。 以往国内外处理污水以生化法或絮凝沉淀法与活性炭吸附法组合处理为主， 但活性炭价格昂贵，再生过程复杂而限制了其使用范围。因此，探求高效低耗、 运行方便、投资省的废水处理新材料成为研究热点【5 】。由于凹凸棒石的结晶习性、 结晶形态、沉积方式和内部孔道等多种因素的影响而赋予其很高的比表面积，凹 凸棒石表面固有的原子结构和活化处理产生的表面电荷不平衡现象而形成了吸 附中心，二者的结合使凹凸棒石具有良好的吸附性能【6 】。 国内外许多学者就凹土的改性以及改性后的凹土处理污水进行了大量的研 究。f e n n a n d e zm n 等研究了凹凸棒土脱水效应对有机物吸附的影响，k a t sb m 等研究了凹凸棒土对酸性和碱性气体的吸附效果，k o n y u k h o v at e 等研究了凹凸 棒土对乙硫醇和硫化二甲醋的吸附效果【_ 7 引。l o p e zea 研究了凹凸棒土对水溶 液中罗丹明g 6 的吸附作用，s h a l i n ij 等研究了凹凸棒土等吸附天然有机物的朗 格缪日吸附等温线，g a r c i aa s 研究了凹凸棒土从工业废水中吸附重金属的作 用【9 1 。 王红艳等分别采用硝酸、硫酸、盐酸对凹土酸改性，发现凹土吸附重金属离 子的能力增强，比表面积增加的原因是由于凹土部分晶体结构被酸溶蚀，孔道扩 大【1 0 也】。包军杰等利用表明活性剂对凹土进行有机改性，结果表明改性后的凹土 能够吸附更多的苯酚【1 3 】。樊凯等【1 4 】用盐溶液改性与焙烧改性后的凹凸棒石处理 苯酚效果不明显，但改用酸改性凹凸棒石效果明显，去除率接近9 0 。胡涛等【1 5 】 用4 2 0 焙烧改性的凹凸棒石处理p h 为9 的1 0 0 m l 印染废水，c o d 和色度的 去除率随凹凸棒石投加量的增加而呈上升趋势，而投加量大于1 9 后，c o d 和色 度去除率的升高变化不明显。黄健花等【l6 】采用超声波以及十八烷基三甲基氯化铵 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 对凹土进行改性，并研究了不同工艺条件的影响，结果表明采用超声波技术进行 凹土的有机改性来增加其吸附性能是可行的。王连军等【1 7 】在处理染化废水的研究 。 中发现，高温焙烧土的吸附性能及脱色性能优于酸处理过的凹土，酸热处理土 吸附效果并不比热处理土有明显改善，当焙烧温度为4 2 0 时，c o d 去除率达 7 4 ，其改性制各过程简单，成本低，具有工业推广的价值。裘祖楠掣强】用自制 的凹凸棒石吸附剂处理电泳漆废水，对阳极电泳漆废水的色度和c o d 都有较好 的吸附去除效果，当在5 0 下操作时，废水c o d 值已降至9 5 1 0 6 m g l ，基本 达到排放标准。陈天虎【1 9 通过原土和不同方法改性凹土吸附对比实验，首次发现 1m o l l 磷酸改性凹土对染料和酚类物质吸附效果最好。王雅萍【2 0 】等人用凹凸棒 石粘土进行模拟氨氮废水的脱氮实验，结果表明，在氨氮溶液初始浓度为3 0 0 m g l - 1 、p h 为2 5 9 0 时，凹凸棒石粘土对氨氮的吸附量较高，吸附等温线符 合f r e u n d l i c h 方程，吸附动力学符合准二级吸附动力学模型，吸附主要以化学吸 附为主。董庆洁【2 l 】等人用凹凸棒土和氯化镁作为原料，在高温下进行灼烧得到粒 状的无机复合物，该复合物对水体中的磷酸根吸附的动力学服从l a n g m u i r 速率 方程，温度升高会加快吸附效率。在磷酸根初始浓度为1 0 0m g g - 1 、吸附温度为 2 0 、p h 为5 4 时最大吸附容量为3 4 8 m g g - 1 。 。综上所述，目前国内外学者主要是利用改性凹土处理印染或造纸废水中的有 机物和重金属离子，对无机离子，特别是氮磷的的处理研究的很少。 1 2 2 底泥覆盖技术 底泥覆盖，就是指在含有污染物的沉积物上部覆盖一些材料使沉积物中的污 染物的释放得到抑制。 2 2 】覆盖法具有许多优点，例如价格低，副作用较小，对有 机物和无机物都适用等等。事实上，一些发达国家很早就已经开始了底泥覆盖的 工程。国外最早开始工程实践的是美国，另外还有加拿大、日本、挪威等等【2 3 1 。 2 0 0 7 年，第四届博泰尔污染沉积物修复国际会议顺利举行；在此次会议上，有 数十篇论文是关于底泥覆盖方面的【2 4 1 ，由此可以了解到到了底泥覆盖法发展迅 速。j a c o b s 和f o r s t n e r 2 s 这两位学者在1 9 9 9 年提出了活性覆盖系统，认为沙子、 沸石等活性材料可以作为覆盖层对底泥污染物的释放进行抑制。他们用含有沸石 的沙子作为覆盖层来控制底泥中二价铁离子和锰离子的释放；结果表明，该覆盖 层基于离子交换作用能够较好的控制底泥中二价铁离子和锰离子的释放，而钙离 4 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究- 以青岛产芝水库为例 子、黏土矿物等是影响抑制作用的因素。有学者将清洁的底泥、沸石和沙子作为 覆盖材料来抑制底泥锌的释放，并对抑制效果进行了对比；结果表明，将5 m m 的清洁底泥作为覆盖层抑制底泥锌释放，效果最好，其次是厚度为1 0 m m 的沸石 和沙混合物，底泥锌的释放通量在试验期间内( 2 个星期) 大大降低，而单纯采 用厚度为2 0 m m 的沙覆盖层无法抑制底泥锌的释放【2 6 】。b e r g 等学者【2 7 】采用方解 石作为活性覆盖系统的覆盖层来抑制底泥磷的释放，结果表明，在试验期间2 3 个月内，厚度为l e n a 的方解石覆盖层能够抑制底泥磷的释放，其释放通量减少 了8 0 之多，并且通过改变水体的水化学状况，此覆盖层抑制底泥磷释放的效率 也会发生变化。b a r r y 等【2 8 】将3 种不同形式的碳酸钙分别作为覆盖层来抑制底泥 磷的释放效果；结果表明，其中的2 种沉淀方解石对于底泥磷释放的抑制效果很 好，且释放处于厌氧状态下，而石灰石的效果较差。o l s t a 掣2 9 】认为新型的活性 覆盖材料厚度小，在一定程度上节省了空间和材料，并且指出沸石、活性炭、零 价铁、有机粘土等可以作为活性覆盖材料使用。目前覆盖法已经在一些港口、河 口和河道成功的进行了实践，例如美国华盛顿的s i m p s o n t a c o m a 滨海地区、e a g l e 港，日本的湖泊k i h a m a 、a k a n o i ，以及挪威的e i t r h e i m 湾等掣3 0 】。b o n a 等【3 1 】 采用一种整体评价方法对意大利的l a g o d e it e n e r i 区覆盖以沙土来治理受污染的 底泥，该评价方法含有栖息地质量评价、毒性测定以及化学分析等。结果发现， 在污染程度较轻，水动力扰动较小的情况下，仅利用用沙土作为覆盖层就能够抑 制底泥污染物的释放，并满足底栖生物对氧气的需要。此外，在航道污染控制中， 可以将底泥覆盖法与底泥疏浚法相结合，先疏浚底泥然后施加覆盖层。 我国开始实施覆盖法工程实践是在1 9 9 8 年广州的河涌整治过程，对部分疏 浚后的河床铺以砂子或鹅卵石。这类覆盖材料在一定程度上抑制了底泥污染物的 释放，然而，这类材料对污染物的抑制主要是通过物理覆盖和隔绝作用，效果有 刚3 2 】。国内采用覆盖技术来控制底泥污染的研究和应用都很少，还只停留在实验 探索阶段【3 3 】。薛传东等将天然红土作为覆盖材料( 其中添加了一定量的粉煤灰和 石灰粉) 来修复发生富营养化的滇池水体：结果显示，此覆盖材料对于抑制底泥 内源氮、磷等营养盐的释放效果良好，滇池富营养化的水体得到了一定程度的修 复3 4 1 。叶恒朋【3 2 1 等将沸石、粉煤灰、河砂、水泥和玻璃珠等作为覆盖材料用以 抑制底泥磷的释放，结果显示，在试验温度为2 5 o 和覆盖面积为6 0k g m 2 的 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 条件下，沸石、水泥、河砂、水泥和玻璃珠控制底泥磷释放的抑制率分别为6 0 、 8 8 9 、4 6 7 、8 8 9 和4 0 ；并且，温度升高有利于覆盖物对底泥磷释放的抑 制；覆盖层主要通过吸附功能、化学功能和覆盖功能对底泥磷的释放进行抑制。 张亚雷等3 5 1 在实验室模拟的条件下，研究了混匀和覆盖这2 种不同的c a 0 2 投加 方式下，上覆水活性磷酸盐( s r p ) 含量的变化趋势，表明在同样的c a 0 2 投加量和 控制条件下，与混匀方法相比，覆盖处理能持续抑制磷酸盐的释放。林建伟等人 研究过采用天然沸石，有机改性沸石，方解石，沸石和方解石组合，无机盐改性 沸石，硝酸盐和负载硝酸盐改性沸石等多种材料作为覆盖物来抑制底泥氮磷释 放，结果表明上述材料均能不同程度的控制底泥氮或磷的释放3 “3 1 。 1 3 主要研究内容 研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 产芝水库水质污染现状及评价 对研究区域的自然环境状况进行了调查，分析了产芝水库主要水质指标的空 间分布特征；并根据现有水质监测资料，对水库的水质污染现状进行了评价。 ( 2 ) 底泥的污染特征分析 针对产芝水库独特的环境背景，选择了四个监测点，采集了底泥原柱状样， 分析了底泥中含水率w c 、有机质含量l o i 的变化，底泥和间隙水中氮磷的分布 特征及底泥和间隙水中氮磷含量的相关性。 ( 3 ) 底泥中氮磷释放通量研究 通过室内柱状试验，研究了沉积物的氮磷释放通量，并建立了氮磷释放通量 与释放时间的定量表达式，然后结合产芝水库的实际情况，对底泥中氮磷释放量 进行了估算。 ( 4 ) 天然凹土的提纯和改性 通过室内试验，对凹土进行了提纯，然后对提纯凹土进行热改性、酸改性和 盐改性。 ( 5 ) 改性凹土对氮磷的吸附研究 在室内试验的基础上，研究了原土、热改性、酸改性和盐改性凹土对氨氮和 磷酸根的等温吸附和吸附动力学过程，并研究了不同温度和p h 值条件下，各种 凹土对氨氮和磷酸根的吸附效果。 6 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究一以青岛产芝水库为例 ( 6 ) 改性凹土抑制底泥氮磷释放的覆盖技术研究 通过室内试验，研究了不同覆盖层类型、覆盖层厚度、温度和粒径对对底泥 氮磷释放的的影响。 1 4 技术路线 本文所采用的技术路线见图1 1 。 图1 1 技术路线图 f i g 1 - 1t e c h n i q u er o u t e 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 2 研究区自然环境概况 2 1 自然地理 2 1 1 地理位置 产芝水库，位于大沽河中上游、莱西市市区西北1 0 k m 处，地理位置为东经 1 2 0 0 2 3 _ 1 2 0 0 2 8 ，北纬3 6 0 5 6 - - 3 7 0 0 1 ，是一座多功能性的水库，起到饮用、养殖、 灌溉和防洪等作用。坝址座落在水集街道办事处产芝村东北约8 0 0 m 的大沽河上。 它是胶东半岛最大的水库，也是莱西城区和青岛市的主要供水水源地，控制流域 面积8 7 9 k m 2 ，水库总库容为4 0 2 1 0 9 m 3 ，兴利库容为2 1 5 1 0 9 m 3 ，死库容为 0 0 8 m 3 。该流域内有招远市的四个镇齐山、勾山、毕郭和东庄和莱西市的四个镇 河头店、日庄、南墅、马连庄( 图2 1 所示) 。 1 - j 一一一 ：e 一 一 ， ， -。 - 。j 图2 i 产芝水库地理位置图 f i g 2 1l o c a t i o no fc h a n z h ir e s e r v o i r 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 2 1 2 气象 产芝水库位于莱西市西北处，境内气候为温带季风型大陆性气候，四季变化 和季风进退都比较明显。空气湿润，气候温和，四季分明。春季雨少、风大、多 干旱：夏季高温多雨、湿度大；秋季多晴干早；冬季漫长干冷。年平均气温1 1 7 ，极端最高气温3 8 2 ( 2 0 0 2 年7 月1 5 日) ，极端最低气温2 1 1 ( 1 9 8 1 年 1 月2 7 日) 。全年7 月份最热，平均气温2 5 3 ；1 月份最冷，平均气温3 3 。 降水量年平均为6 3 5 8 毫米，降水最多为1 4 2 0 4 毫米( 1 9 6 4 年) ：最少仅3 7 7 0 毫米( 1 9 8 1 年) 。一日最大降水量为1 6 2 2 毫米( 1 9 9 4 年6 月2 9 日) 。夏秋两季 降水多，冬春两季降水少，雨量集中出现在汛期，即七、八月份，其中七月份的 雨量最大；降水量呈现出丰、枯水段交替出现的年际变化特点，丰期和枯期的丰、 枯水程度极端，降水量年际变化幅度大。主要风向为东南风和西北风，东南风出 现在4 月到8 月，西北风出现在9 月到翌年3 月，年平均风速为3 6 米秒。日平 均气压为1 0 0 7 6 百帕。年平均日照时数2 6 5 6 0 小时，年平均蒸发量为1 4 2 3 5 毫 米。 2 1 3 水文 产芝水库控制流域面积8 7 9 k m 2 ，流域形状大体呈扇形，流域平均宽度约 1 6 7 k i n ，长度约5 3 k m ，干流平均坡降为0 0 0 1 4 。流域地处浅山丘陵区，其中浅 山区约占2 0 ，大部分分布在招远市境内；丘陵区约占8 0 ，多分布在莱西市 境内，地势由北向南坡度逐渐变缓。产芝水库位于青岛市大沽河的中上游，芝河、 马家河等支流汇入库中。流域内还有马连庄和李家洼这2 座小型水库。马连庄水 库和李家洼水库分别位于马连庄北面和南墅镇李家洼村东北，是大沽河一级支流 石桥河的中游和芝河的上游，汇水面积分别为1 l k m 2 和9 k m 2 ，总库容分别为 2 8 4 x 1 0 6 1 3 1 3 和2 3 7 x 1 0 6 m 3 。 大沽河：其流域位于胶东半岛西部，约在东经1 2 0 0 0 3 1 2 0 0 2 5 ，北纬 3 6 0 1 0 3 7 。1 2 之间。流域总面积4 6 3 1 3 平方公里，其走向大致与干流走向 相同。流域北部为山区和浅山丘陵区，南部为山麓平原和平原洼地，地势 北高南低，地形坡度由北向南逐渐变缓。流域内山区5 2 7 6 平方公里，丘陵 区1 5 9 7 4 平方公里，平原区1 7 0 5 1 平方公里，洼地8 0 1 2 平方公里，分别 占流域面积的1 1 4 、3 4 5 、3 6 8 和1 7 3 。 9 水库内源氮磷释放的覆盖技术研究以青岛产芝水库为例 芝河：源头为李家崖村，自东北向西南流入黄河，全长为6 2 k m 。 图2 2 是产芝水库的流域分布图。 图2