文献综述：水体底泥内源磷吸附与解析研究.docx

1、 温州医学院 专业 文献综述 题 目 : 水体底泥内源磷吸附与解析研究 姓 名 : 学院（部） : 环境与公共卫生学院 专 业 : 环境科学 班 级 : 08 级 学 号 : 指导教师 : 职称 : 副教授 2012 年 2 月 1 日 温州医学院环境与公共卫生学院制 摘要： 磷是水体富营养化的限制性因子，在外源污染受到控制时，内源磷负荷将是造成水体富营养化主要因素。本文阐述了磷形态， 环境因子 ， 底泥 理化特征 水体磷释放的影响。着重介绍不同固磷方式对底泥磷吸附作用，促进磷从上覆水向底泥转移，减缓水体富营养化。 为湖泊内源磷负荷处理提供相关依据以减小磷对水生生态态系统的危害。 关键词： 内

2、源磷 ；磷形态； 环境因子 ；底泥物 理化性； 固磷方式 ABSTRACT： Phosphorus is the restrictive factor for the eutrophication of water bodies, when external source pollution under control internal that phosphorus load will severely impede the restoration of eutrophic lake. This paper describes the impact of water phosphorus r

3、elease such as phosphorus forms, the environmental factors, sediment physical and chemical characteristics. Emphatically introduces different phosphorus fixation way on sediment phosphorus adsorption, which promotes the phosphorus from the overlying water to sediment transfer that retard the eutroph

4、ication. Provide evidence to reduce the harm of phosphorus to aquatic ecosystems. KEY WORDS ： endogenous phosphorus; phosphorus forms; environmental factors; phytormediation; sediment physical resistance 引言 底泥是水体重要的营养盐储存库 ， 对一个水体而言 ， 在外源输入逐步得到控制的情况下 ， 底泥对上覆水释放的氮、磷将成为水质恶化和富营养化的重要原因 1-2。 湖泊富营养化是世界性的严重

5、环境问题之一，内源磷负荷将严重阻碍富营养化湖泊的恢复 3。 磷是水体富营养化的限制性因子，因此针对底泥内源磷释放的控制是湖泊、水库富营养化污染治理成功与否的关键要素之一 。 近年来 ， 国内外研究了多种水生植物对氮磷营养物质的去除效果 ，结果表明 ： 挺水植物、沉水植物、浮水植物都能有效吸收水体中的氮、磷 ， 降低水体的富营养化水平。 研究底泥中磷的形态分布， 环境因子， 底泥 理化特征， 可以为富营养化水体中磷的污染防治提供科学依据。 目前国内外研究主要围绕底泥磷的赋存形态、含量分布以及迁移转化机制等问题展 开研究 ， 如 Fong5 等 2000年研究了河口氮磷营养物质的迁移转化规律，刘浏

6、等 2003年研究了密云水库底泥中磷的形态和分布特征 6， 张江山等 2006年以福州山仔水库为研究对象研究了环境因子对底泥磷释放的影响 7。 1 磷形态 1.1 无机磷 无机磷含量一般占水体总磷的 60%， 甚至达到 80% 以上 ， 因此无机磷的分析对于研究底泥中磷的吸附 释放 、 水体富营养化的贡献等有重要意义 。 无机磷的存在形式可以分为易交换态磷或弱吸附态磷 、 铝结合磷 、 铁结合磷 、 闭蓄态磷。易交换态磷或弱吸附态磷 ， 主要是指被底泥中活性的 Fe/Mn 氧化物 、 氢氧化物以及黏土矿物等颗粒表面吸附或共沉淀的磷。铁结合磷 ( Fe-P) 和铝结合磷 (Al-P) 是潜在的活

7、性磷，一定条件下可进入水体被生物利用；钙结合磷 (Ca-P) 主要以钙的磷酸盐形式存在 ， 作为一种难溶性的物质，从底泥向水体释放的促进作用较小 ， 也很难被生物利用；闭蓄态磷 (Oc-P) 主要是一层 Fe2O3胶膜所包裹的磷盐 ， 这种磷盐包括一部分 Al-P 和 Ca-P， 被底泥吸附后 ， 被一层 Fe2O3包裹在颗粒表面上 ， 能长时间地存在 。 Oc-P 的磷被认为是生物不可利用的磷 8。 1.2 有机磷 有机磷包括由陆源性排放物质组成的难降解性有机磷部分和由死亡的水生生物尸体组成的可降解性有机磷部分 9。其中可降解有机磷部分 ， 可以在早期成岩过程中随有机质的降解而释放 ， 甚至

8、向其它结合态磷转化 10-11。 2 环境因子 2.1 溶解氧 水体溶解氧 (DO)含量对磷的释放有着非常重要的影响 。 水体 DO含量的变化改变了水 -土界面的氧化还原电位 (Eh)， 从而影响到底泥磷的释放 。 当表层底泥 Eh较高时 ， Fe与磷酸盐结合成不溶的 FePO4， 可溶性磷也被 Fe(OH)2吸附而逐渐沉降 ； 而当 Eh较低时 ， 有助于 Fe3+向 Fe2+转化 ， 使 Fe及被吸附的 FePO4转变成溶解态而析出 ， 且不溶的 Fe(OH)2转化成微溶 Fe(OH)2， 底泥磷的释放量增加 13。 厌氧条件释放大量的磷进入水体 ， 可加速水库水质的富营养化 。 这表明底

9、泥中 P的释放速率 随着溶解氧降低而提高，为了使底泥更好的吸附内源磷，应向水中通空气，增加水中溶解氧含量。 2.2 温度 底泥对磷的释放随温度升高而加大 ， 即温度的升高可以减少底泥中矿物对磷的吸附作用 。底泥释磷强度随温度的改变而变化显著 ， 温度升高 ， 释磷强度增加 ， 且温度越高增加幅度越大 。 因为 随着温度的升高 加快了还原溶解和置换反应速度 ，还能增加底泥中微生物和生物体的活动 ， 使其活性增加，耗氧增多， DO减少，从而使氧化还 原电位降低，有利于 Fe3+转化成 Fe2+ ，致使与 Fe3+结合的磷释放出来，使得 PO43-P 的吸附量基本上呈线性增加 14-15。微生物的活

10、动还可能使底泥中的有机质矿化速率提高从而使有机态磷转 化为无机态磷酸 ，将不溶性磷化物转化为可溶性磷， 促进底泥中内源磷的释放。 2.3 光照 光照决定着湖泊生产力的水平 。 在浅水湖泊中 ， 底泥中磷释放量的变化趋势与光照呈负相关 ， 与底栖藻类的生长量呈正相关 。 同时光照对上覆水体 pH值和温度的变化有较大影响 ，有利于其升高 。 2.4 搅动 表层底泥的扰动是浅水水体释磷的一个重要机制。自然因素和人为因素都可以引起水体扰动。水体扰动会使底泥颗粒再悬浮，增加了底泥一水界面的磷交换，扰动越大，底泥中磷释放量越大 21 。但当水体中悬浮物达到一定程度时，底泥将不再释放磷，此时底泥、水体和悬浮

11、物中的磷达 到一种动态平衡 22。 3 底泥理化特性 3.1 底泥干湿性 底泥对上覆水体中磷酸盐有明显的吸附作用 。随着气候的变化会造成河流、湖泊呈现干湿交替，导致底泥对内源磷吸附 -解析的影响。底泥 在枯水期较长时间的暴露于空气中在风干过程中易导致底泥中有机态磷的分解 16，从而再次淹水时会导致磷的释放，造成上覆水体中磷负荷的增加 。 底泥的风干会导致吸附作用的减弱和吸附容量的减少，不利于在枯季结束或在枯水季中对突发的高浓度含磷水中磷酸盐的吸附 。 因此，河流的断流不仅对河流生态系统具有重要的影响，对底泥水界面的物质循环也有重要的影响 17。 3.2 有机物 有机质对底泥中磷的释放有明显的促

12、进作用 。 植物在生长过程中会通过根系分泌大量有机物质，其中低相对分子质量有机酸是主要成分，它能够通过与铁、铝、钙等金属离子形成络合物影响磷等元素的释放及生物可利用性 18。 腐殖酸是底泥中沉积有机质的主要成分，约占 有机物总量的 60% 80%19。腐殖酸可以直接与 PO4-发 生 反应。 低相对分子质量有机酸能 活 化铁 结 合磷和钙磷， 当 低相对分子质量有机酸 浓度 为 0.01,mol/L时，底泥 产 生了 最 大的磷解吸量 20。 3.3 泥沙粒径 磷解吸量与泥沙中砂粒含量显著正相关，与细颗粒物质（粘粒和粉粒）含量呈显著负相关，泥沙底泥中细颗粒含量越高，磷吸附速率越大。泥沙磷的吸附

13、和解吸过程均可分为快 、慢 、 动态平衡 3个阶段；磷吸附量和解吸量随反应时间而增加，均可用幂函数方程（ Qt = k ta，0a1）进行描述 。 快速吸附阶段主要是泥沙（土壤）中无定形 Fe、 Al 氧化物对磷的化学吸附及粘粒上盐基离子对磷的共价吸附，而慢速吸附阶段，可能由泥沙（土壤）对磷的物理化学吸附和物理吸附所引起 。 4 固磷方式 4.1 植物固磷 水生植物生长过程需要吸收大量营养物质如氮、磷合成自身物质 ， 利用植物的这一生理生化特性 ， 有选择地种植一些植物处理富营养化水体 ， 能够有效地吸收上覆水水体中的氮、磷元素 ， 减轻水体的富营养化程度 ， 实现对水体的原位修复 ， 还能在

14、一定阶段收获植物作为饲料 ， 获得一定的经济效益 4。近年来 ， 国内外研究了多种水生植物对氮磷营养物质的去除效果 ， 结果表明 ： 挺水植物、沉水植物、浮水植物都能有效吸收水体中的内源磷 ， 降低水体的富营养化水平。植物技术修复内源磷污染已经取得一定的进展，如种植美人蕉、 菖蒲、鸢尾等，在一定程度上既可以治理水体 富营养化，又可以美化湖泊景观。 4.2 微生物固磷 微生物能够经济有效地去除污泥中的磷，因此， 生物除磷已经成为现在污水除磷的主要技术之一。聚磷菌的筛选、培植是生物除磷的关键，现今已发现好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌两种菌种。微生物除磷需要严格的控制条件，如温度、氧气含量、 pH等。研究

15、表明 25 在 5-30的范围内 ， 均可以得到良好的除磷效果 ； pH 值在 6-8的范围内时 ， 磷的厌氧释放比较稳定 ；pH值低于 6.5时 ， 生物除磷的效果会大大下降 。 4.3 化学除磷 化学除磷 效率高，处理效果稳定，污泥在处理和处置过程中不会重新释放而造成二次污染。不同固磷方式对底泥磷吸附行为和间隙水溶解态可反应磷 (SRP)浓度有重要影响。 化学除磷技术有化学凝聚沉淀法 、 结晶法 、 吸附法。 化 学凝聚沉淀法是采用最早、使用最广泛的一种除磷方法，化学沉淀法除磷效率较高 ，一般高于生物除磷 ， 可达 75% 80% ， 且稳定可靠。化学沉淀通常分为 4 个步骤 ： 沉淀反应

16、、凝聚作用、絮凝作用、固液分离。化学凝聚沉淀除磷的基本原理是通过投加絮凝剂形成不溶性磷酸盐沉淀物 ， 然后通过固液分离从污水中去除。常用的沉淀剂主要有钙盐 (石灰 ) 、铝盐 (硫酸铝、聚合氯化铝 ) 、铁盐 (氯化亚铁、氯化铁、硫酸亚铁、硫酸铁 ) 以及现在发展较快的无机有机复合型絮凝剂等。 最常用的是石灰 、 硫酸铝 、 铝酸钠 、 三氯化铁 、 硫酸铁 、 硫酸亚铁和铝 、 铁聚合物（ AVR）等 。 磷酸盐沉淀是配位基参与竞争的电性中和沉淀，即通过PO43-与铝离子 、 铁离子或钙离子的化学沉淀作用加以去除。 一般情况下 ， 化 学凝聚沉淀法处理后出水 TP含量可满足 1mg/L 的排

17、放要求。化学凝聚沉淀法易于在现有条件下实施 ， 在我国目前状况下是值得推广和应用的方法之一。 结晶法除磷是向已投加钙盐的含磷污水中添加一种结构和表面性质与难溶磷酸盐相似的固体颗粒 ， 破坏溶液的亚稳态 ， 使磷酸盐以实用的速度结晶沉淀 ， 从而达到除磷目的。影响结晶法除磷的主要因素为污水 pH值、反应器的除碳酸效果及晶种的好坏。结晶法由于需要增加处理设备 ， 在资金不宽裕的情况下不易被采用。 吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面积的固体物质对水中磷酸根离子的亲和力来实现的污水除磷工艺。除磷吸附剂一般分为天然吸附剂和合成吸附剂两类。天然吸附剂有 ： 粉煤灰、钢渣、沸石、凹凸棒石、海泡石、活性氧化铝

18、等 ; 另一类是合成吸附剂。吸 附法的关键是吸附剂性能 ， 大多数吸附剂的研制集中在对天然材料进行表面改性 ， 但材料改性工艺复杂 ， 不太适合大规模生产和应用 26。 3 结 语 以上所述 内源磷形态，水体 环境因子，底泥理化性质，都对磷在水 底泥界面迁移转化产生影响， 底泥中磷的释放是各种因素综合作用的结果。植物修复是处理富营养化水体的有效技术手段。 磷是水体富营养化的限制性因子，对其应进行进一步研究。为了更合理、更有效的治理水体内源磷污染，应注重研究： （ 1） 拓展研究范围，开展水相 -沉积相磷的相互迁移转化研究；（ 2）深化不同类型植物对底泥磷的影响机制研究；（ 3）各种环境因子综合

19、对底泥磷的作用；（ 4）拓宽化学除磷药剂的联合技术。 参考文献 : 1 范成新 . 湖泊底泥疏浚对内源释放影响的过程与机理 J. 科学通报 , 2004, 49(15): 1523-1528. 2 范成新 . 湖泊底泥氮磷内源负荷模拟 J. 湖泊与海洋 , 2002, 33(4): 370-378. 3 刘云兵 , 张爱华 , 曹秀云 , 等 . 不同固磷方式对巢湖底泥磷吸附行为的影响 J. 水生生学报 , 2011, 35(2): 320-324. 4 秦巧燕 , 朱建强 .磷的环境效应及水生植物修复技术研究进展 J. 长江大学学报 , 2005, 6(4): 1673- 1679. 5 P

20、egy Fong, Joy B, Zedle, Sources, sinks, and fluxes of nutrients (N + P) in a small highly modify urban estuary in southern California J. Urban Ecosystems, 2000, 4 (2): 125-144. 6 刘浏 . 密云水库底泥中磷的形态和分布特征 J. 岩矿测试 , 2003, 22 (2): 81-85. 7 张江山 . 福州山仔水库底泥磷释放规律的研究 J. 云南环境科学 , 2006, 25(2): 35-37. 8 许春雪 , 袁建

21、, 王亚平 , 等 . 底泥中磷的赋存形态及磷形态顺序提取分析方法 J. 岩矿测试 , 2011, 30 (6) : 785-794. 9 陈豁然 , 杨梦兵 , 王中伟 . 底泥磷形态及分布特征对水体富营养化的影响 J. 污染防治技术 , 2009, 22(5): 81-84. 10 屈森虎 , 王逊 , 陈媛 , 等 . 不同水体底泥中磷的形态分析 J. 环境监控与预警 , 2011, 3(5): 34-37. 11 滑丽萍 . 不同芦苇生境下白洋淀底泥磷形态分析研究 J. 环境水利 , 2005, 3(2): 29-32. 12 徐升宝 , 蔡春芳 , 叶元土 , 等 . 溶氧 . 水温

22、和水流对东太湖底泥中氮 . 磷释放的影响 J. 安徽农业科学 , 201l, 39(9): 5175-5177. 13 HU X F, GAO X J, CHEN Z Let al. Preliminary study on nitrogen and phosphorus release from creek sediments in Shanghai suburbs J. Pedosphere, 2002, 12(2): 157-164. 14 朱广伟等 . 运河 ( 杭州段 ) 底泥磷释放的模拟试验 J. 湖泊科学 , 2002, 1(4): 343-348. 15 张智 , 刘亚丽 ,

23、段秀举 . 湖泊底泥磷释放影响因素显著性试验分析 J. 植物资源与环境学报 , 2006, 15(2): 16-19. 16 M LIU, L HOU, S XU. Adsorption of phosphate on tidal flat surface, sediments from the Yangtze stuary J. Environmental Geology, 2002, 4(2): 657-665. 17 邓焕广 , 张菊 , 张超 . 干湿交替对徒骇河底泥磷的吸附解吸影响研究 J. 土壤通报 , 2009, 40(5): 1041-1043. 18 Jone B L. Or

24、anic acids in the rhizosphere: A critical review J. Plant and Soil, 2002, 205(59): 25-44. 19 Cyr H, Mc Cabe S K, Numberg G K Phosphorus sorption experiments and the potential for internal phosphorus loading in littoral areas of a stratified lake J. Water Research, 2009, 43(6): 1654-1666. 20 迟杰 , 赵旭光 , 董林林 . 有机质和低相对分子质量有机酸对底泥中磷吸附 /解吸行为的影响 J. 天津大学学报 , 2011, 44(11): 968-772. 21 Kronvang B, Jeppesen E, Conley D J. Nutrient presures and ecological responses to nutrient loading reductions in Danish streams, lakes and coastal waters J. Hydrol, 2005, 304(5): 274-288.