Influence of sediment resuspension on the efficacy of geoengineering materials in the control of internal phosphorous loading from shallow eutrophic lakes

沉積物再懸浮對(duì)巖土工程材料控制淺層富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)磷負(fù)荷效果的影響

來源：Environmental Pollution 219 (2016) 568-579

 

論文摘要

本文摘要指出，改性粘土基固相磷吸附劑越來越多地被用作湖泊地球工程材料以控制富營養(yǎng)化。然而，關(guān)于這些材料在控制經(jīng)常發(fā)生沉積物再懸浮的淺水湖泊內(nèi)源磷負(fù)荷方面的可行性仍存在爭議。本研究使用沉積物再懸浮生成系統(tǒng)，模擬了中等到強(qiáng)風(fēng)對(duì)兩種地球工程材料（Phoslock®，一種鑭改性膨潤土；和熱處理的鈣基凹凸棒石，NCAP700）處理后的沉積物穩(wěn)定性的影響。研究分析了兩種淺水富營養(yǎng)化湖泊（太湖和巢湖）沉積物-水界面的磷動(dòng)態(tài)，并利用化學(xué)提取和薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）分別研究了風(fēng)速對(duì)處理后沉積物中磷形態(tài)和磷供應(yīng)能力的影響。結(jié)果表明，添加地球工程材料可以增強(qiáng)表層沉積物的穩(wěn)定性，從而減少風(fēng)引起的侵蝕深度。所有處理都能有效降低上覆水中的可溶性活性磷（SRP）濃度，其中Phoslock® 的表現(xiàn)最佳。然而，它們的效率隨著沉積物再懸浮發(fā)生次數(shù)的增加而降低。添加所選材料能有效減少沉積物-水界面的磷通量，并在再懸浮期間降低處理后沉積物的磷供應(yīng)能力。處理后沉積物中可移動(dòng)磷的減少以及鈣結(jié)合磷和殘余磷組分的增加，有利于湖泊內(nèi)源磷的長期管理。所有結(jié)果表明，所研究的地球工程材料適用于存在頻繁沉積物再懸浮活動(dòng)的淺水富營養(yǎng)化湖泊。

 

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

評(píng)估再懸浮對(duì)材料效能的影響：在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，量化沉積物再懸?。ㄓ刹煌L(fēng)速驅(qū)動(dòng)）對(duì)兩種地球工程材料（Phoslock® 和 NCAP700）控制沉積物內(nèi)源磷釋放效率的影響。

比較不同材料的性能：系統(tǒng)比較Phoslock® 和NCAP700在減少上覆水磷濃度、抑制沉積物-水界面磷通量以及改變沉積物磷形態(tài)方面的相對(duì)有效性。

探索不同施用方式的優(yōu)劣：針對(duì)NCAP700，比較直接覆蓋在沉積物表面與與表層沉積物混合這兩種施用方式對(duì)磷控制效果的影響，以確定更優(yōu)的應(yīng)用策略。

闡明作用機(jī)理：通過分析沉積物磷的形態(tài)變化和DGT測量的活性磷，揭示這些材料控制內(nèi)源磷的地球化學(xué)機(jī)制（如促進(jìn)形成穩(wěn)定的鈣磷或殘余磷）。

 

為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)：為將地球工程材料應(yīng)用于經(jīng)常受風(fēng)浪擾動(dòng)的淺水湖泊的修復(fù)實(shí)踐，提供關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

 

研究思路

本研究采用了“材料制備 - 模擬實(shí)驗(yàn) - 多指標(biāo)監(jiān)測 - 機(jī)理分析 - 效能評(píng)估”的系統(tǒng)思路：

 

材料與沉積物準(zhǔn)備：采集中國兩大淺水富營養(yǎng)化湖泊——太湖和巢湖的表層沉積物。制備兩種地球工程材料：商業(yè)化的Phoslock®和實(shí)驗(yàn)室熱處理的鈣基凹凸棒石（NCAP700）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：使用專利的Y形沉積物再懸浮裝置（圖1）來模擬真實(shí)湖泊中的風(fēng)浪過程。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了對(duì)照組（未處理）、Phoslock®處理組、NCAP700覆蓋組（材料覆蓋在沉積物表面）和NCAP700混合組（材料與表層2厘米沉積物混合）。

 

模擬環(huán)境擾動(dòng)：對(duì)上述處理后的沉積物施加中等風(fēng)速（5.1 m/s）和強(qiáng)風(fēng)（8.7 m/s）模擬，每種風(fēng)速重復(fù)模擬3次，以研究頻繁擾動(dòng)的影響。

綜合采樣與高頻監(jiān)測：在整個(gè)再懸浮和沉降過程中，按時(shí)間序列采集水樣，分析懸浮固體（SS）濃度和可溶性活性磷（SRP）濃度，并計(jì)算其通量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分析沉積物的磷形態(tài)組成。

結(jié)合先進(jìn)技術(shù)：在實(shí)驗(yàn)前后，使用高分辨率孔隙水采樣器（Peeper）測量孔隙水SRP剖面，并使用薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）原位測量沉積物中的活性磷含量，以評(píng)估沉積物的磷供應(yīng)能力。

 

數(shù)據(jù)整合與機(jī)理闡釋：將SS、SRP的通量數(shù)據(jù)與沉積物磷形態(tài)變化、DGT數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合評(píng)估不同材料和處理方式在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)環(huán)境下的控磷效能、持久性及其背后的地球化學(xué)機(jī)理。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表和正文描述）：

 

懸浮固體（SS）濃度與通量（量化沉積物再懸浮程度和穩(wěn)定性）

 

測量指標(biāo)：上覆水中懸浮固體（SS）的濃度隨時(shí)間的變化以及SS通過沉積物-水界面的通量（Fss）。

研究意義：這些數(shù)據(jù)是評(píng)估沉積物穩(wěn)定性和再懸浮強(qiáng)度的直接指標(biāo)。圖2（太湖）和圖3（巢湖）清晰顯示，與對(duì)照組相比，所有地球工程材料處理均顯著降低了SS濃度，表明材料添加增強(qiáng)了沉積物抗侵蝕能力。其中，NCAP700覆蓋處理的效果最穩(wěn)定。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了材料本身對(duì)沉積物物理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固作用，這是其能長期有效控磷的物理基礎(chǔ)。

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖2，圖3。

 

可溶性活性磷（SRP）濃度與通量（直接反映控磷效果）

 

測量指標(biāo)：上覆水中SRP濃度隨時(shí)間的變化以及SRP通過沉積物-水界面的通量（FSRP）。

研究意義：這是評(píng)價(jià)地球工程材料控磷效率的核心指標(biāo)。圖5（太湖）和圖6（巢湖）表明，所有材料處理都顯著降低了上覆水SRP濃度。圖7進(jìn)一步顯示，材料處理顯著降低了從沉積物向上覆水釋放磷的通量。Phoslock® 在大多數(shù)情況下表現(xiàn)最優(yōu)。這些數(shù)據(jù)直接證明了材料在動(dòng)態(tài)條件下控制內(nèi)源磷釋放的有效性，同時(shí)也顯示其效率會(huì)隨著再懸浮次數(shù)增加而有所下降。

 

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖5，圖6，圖7。

 

沉積物侵蝕深度（直觀展示材料對(duì)沉積物物理穩(wěn)定性的增強(qiáng)）

 

測量指標(biāo)：不同風(fēng)況下，各處理組沉積物表面的侵蝕深度。

研究意義：圖4直觀地顯示了材料處理如何減少沉積物因風(fēng)力作用而被侵蝕的厚度。NCAP700覆蓋處理的侵蝕深度最淺，表明其形成的覆蓋層能最有效地保護(hù)下層沉積物。該數(shù)據(jù)將SS濃度的變化與沉積物表面的物理變化直接聯(lián)系起來，強(qiáng)化了材料增強(qiáng)沉積物穩(wěn)定性的結(jié)論。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4。

 

沉積物磷形態(tài)分析（揭示材料控磷的化學(xué)機(jī)理）

 

測量指標(biāo)：通過連續(xù)提取法測定的沉積物中不同形態(tài)磷的含量，包括可移動(dòng)磷（Labile-P + Fe-P + Org-P）、鈣結(jié)合磷（Ca-P）和殘余磷（Res-P）等。

研究意義：圖9和正文指出，材料處理顯著降低了沉積物中可移動(dòng)磷（Pmobile）的濃度，同時(shí)增加了穩(wěn)定的鈣結(jié)合磷（Ca-P）和殘余磷（Res-P）的比例。這揭示了材料的核心作用機(jī)制：將活性、易釋放的磷轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、不易被生物利用的形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)長期控磷目標(biāo)。這是評(píng)價(jià)材料長期有效性的關(guān)鍵化學(xué)證據(jù)。

 

數(shù)據(jù)來源：圖9，以及正文中對(duì)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的描述。

 

DGT測量的活性磷（評(píng)估沉積物磷的生物有效性和供應(yīng)能力）

 

測量指標(biāo)：利用DGT技術(shù)測得的沉積物中活性磷（CDGT）的濃度。

研究意義：DGT數(shù)據(jù)提供了沉積物磷的供應(yīng)能力和潛在生物有效性的信息。圖8顯示，經(jīng)材料處理的沉積物，其DGT活性磷濃度顯著低于對(duì)照組。這表明材料不僅減少了磷的釋放通量，還降低了沉積物內(nèi)部磷的活性和再補(bǔ)給能力，從“源”頭上減少了磷對(duì)水體的威脅。

 

數(shù)據(jù)來源：圖8。

 

研究結(jié)論

 

地球工程材料能增強(qiáng)沉積物穩(wěn)定性：Phoslock® 和NCAP700的添加均能顯著提高表層沉積物的抗侵蝕能力，降低再懸浮強(qiáng)度和侵蝕深度，其中NCAP700覆蓋方式的效果最為突出。

材料能有效控制內(nèi)源磷釋放：兩種材料都能顯著降低上覆水中的SRP濃度和沉積物-水界面的磷釋放通量。在多次再懸浮事件后，雖然效率有所下降，但仍能保持較好的控磷效果。Phoslock® 的整體表現(xiàn)通常優(yōu)于NCAP700。

材料的控磷機(jī)制是轉(zhuǎn)化磷形態(tài)：材料的核心作用在于將沉積物中不穩(wěn)定、易釋放的可移動(dòng)磷（Pmobile）轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、惰性的鈣結(jié)合磷（Ca-P）和殘余磷（Res-P）。這種形態(tài)轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)長期內(nèi)源磷控制的基礎(chǔ)。

施用方式影響效果：對(duì)于NCAP700，直接覆蓋在沉積物表面的方式通常比與表層沉積物混合的方式控磷效果更好，尤其是在減少SRP通量和增強(qiáng)沉積物穩(wěn)定性方面。

 

材料適用于淺水湖泊：盡管頻繁的沉積物再懸浮會(huì)一定程度降低材料效率，但研究結(jié)果證實(shí)，Phoslock® 和熱改性鈣基凹凸棒石（NCAP700）對(duì)于控制經(jīng)常發(fā)生再懸浮的淺水富營養(yǎng)化湖泊的內(nèi)源磷負(fù)荷是可行且有效的。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense溶解氧（O?）微電極的測量數(shù)據(jù)雖然篇幅不長，但它是理解沉積物早期成巖過程、從而合理解釋磷釋放行為和控制效果的關(guān)鍵環(huán)境背景參數(shù)，其研究意義至關(guān)重要：

 

精確界定沉積物的氧化還原狀態(tài)：Unisense O?微電極能夠以極高的垂直空間分辨率（100微米）測量沉積物-水界面附近的溶解氧剖面。本研究利用它確認(rèn)了湖泊沉積物中氧氣滲透深度（OPD）非常淺，僅約2毫米（見正文3.1節(jié)及圖S2）。

為理解磷釋放的化學(xué)環(huán)境提供基石：溶解氧的垂直分布是控制沉積物磷循環(huán)的最關(guān)鍵因子之一。在氧化條件下，鐵氧化物能有效吸附磷；而在缺氧條件下，鐵氧化物被還原溶解，會(huì)導(dǎo)致吸附的磷大量釋放。Unisense微電極測得的淺層OPD表明，研究湖泊的表層沉積物迅速進(jìn)入缺氧狀態(tài)，這創(chuàng)造了利于磷從沉積物中釋放的化學(xué)環(huán)境。沒有這個(gè)關(guān)鍵的氧化還原背景信息，對(duì)磷釋放通量數(shù)據(jù)的解釋將缺乏堅(jiān)實(shí)的地球化學(xué)基礎(chǔ)。

 

間接支持地球工程材料的控磷機(jī)理：地球工程材料如Phoslock®（通過La形成LaPO?沉淀）和NCAP700（通過Ca形成Ca-P沉淀）的控磷機(jī)制，在一定程度上是獨(dú)立于沉積物氧化還原條件的。Unisense電極數(shù)據(jù)所揭示的強(qiáng)還原環(huán)境，恰恰凸顯了傳統(tǒng)上依賴鐵氧化物吸附控磷的局限性，從而反襯出這些新型地球工程材料在穩(wěn)定缺氧沉積物中控制磷釋放的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和必要性。它們的作用是創(chuàng)造一種不依賴于氧化還原狀態(tài)的、更穩(wěn)定的磷儲(chǔ)存庫。

 

綜上所述，丹麥Unisense O?微電極在本研究中扮演了“環(huán)境診斷師”的角色。其提供的高精度溶解氧剖面，是定義沉積物化學(xué)環(huán)境、理解驅(qū)動(dòng)磷釋放的內(nèi)在因子、以及正確評(píng)估地球工程材料在真實(shí)（常為缺氧）環(huán)境下的效能和機(jī)理的不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。沒有這項(xiàng)技術(shù)對(duì)沉積物微觀氧化還原結(jié)構(gòu)的精確刻畫，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的機(jī)理闡釋深度將大打折扣。