利用净水厂残泥控制沉积物磷释放的机制与风险

Water treatment residuals (WTR) as a safe by-product of water treatment plant has strong capability of P adsorption. This work investigates the mechanisms, methods and risks of applying WTR to control P release from lake sediments. The sediment samples will be taken from Lake Taihu and Lake Baiyangdian which are respectively the typical algae-type and macrophyte-type lakes in China. By employing the methods of P sequential extraction, 31P-NMR analysis and molecular biology, the effectiveness of P immobilization, optimal dosage and application threshold of WTR will be investigated in detail through analyzing the transformation and the activity of organic P and inorganic P in the sediments. Impacts and effects of external P input on the stability of WTR that adsorb inner P of sediments will be examined. Moreover, the potential chemical and microecological risks of applying WTR to control P release from sediment will be inspected by determining the rates of exchangeable Al and heavy metals release from WTR as well as the evolution of microbiological community structure, function, diversity and abundance. Finally, a "Win-Win" stagey and method related to reuse of WTR controlling P release in sediment will be proposed, which provide a new way for WTR reutilization and also theoretical guidance and technical support for control of lake eutrophication.

净水厂残泥(WTR)是给水处理的安全副产物，具有极强的磷吸附能力，本项目研究WTR对沉积物磷释放的控制作用，探索其内在机制、技术方法和应用风险。以典型藻型和草型湖泊为研究对象，选取太湖和白洋淀表层沉积物，采用分级提取、核磁共振和分子生物学方法，重点研究WTR的固磷效果、最佳投药量和适用阈值，分析有机磷和无机磷的活性与转化，探究外源磷输入对WTR吸附磷的影响，研究WTR释放铝离子和重金属的速率，辨识底泥物理化学特征的变化，探究微生物群落结构、功能、多样性和丰度的演变。揭示利用WTR控制沉积物磷释放的稳定性，确定WTR对沉积物微环境与微生态的影响和潜在风险，提出利用WTR控制沉积物磷释放的"以废治废"技术方法与调控策略，为WTR的资源化利用开拓新途径，为湖泊富营养化控制提供理论指导与技术支撑。

净水厂残泥（WTR）是给水处理过程中的安全副产物，具有极强的磷吸附能力。本项目选取太湖和白洋淀表层沉积物为研究对象，从磷转化的角度分析了WTR的应用对有机磷和无机磷活性的影响，考察了环境因子（pH、有机质、离子强度和氧化还原电位）对固磷效果的影响，确定了最佳投药量以及WTR中草酸可提取铁铝含量与固磷能力的关系，摸清了WTR控制磷释放的机制。从微生态特征变化以及重金属释放的角度，确定了WTR对沉积物微环境与微生态的影响和潜在风险。主要研究成果有：. （1）WTR固定湖泊沉积物中磷的效果与稳定性。WTR主要将沉积物中可移动无机磷转化为NaOH可提取磷来达到固磷目的。在正常pH范围（5-9）内，以及不同沉积物有机质含量、氧化还原电位、离子强度条件下，WTR都可明显提高沉积物中磷的稳定性。WTR控制湖泊内源磷污染的用量，可根据其所含草酸可提取铁铝（Feox和Alox）对沉积物中可移动磷（Pm）固定能力的关系式[(Alox + Feox)WTR = 83*Pm - 40，单位：mmol g-1]确定。WTR控制内源磷释放作用是通过固定底层沉积物释放的磷和表层沉积物中可移动磷来实现的。. （2）WTR应用对湖泊沉积物中微生物的影响。WTR应用会促使沉积物中总菌结构发生改变，提高它在沉积物中的丰度，但对它的多样性影响小。有利于沉积物中厌氧氨氧化菌（anammox菌）聚集，提高其活性、丰度及多样性。同时会微弱提高沉积物的硝化作用速率，提高沉积物中好氧氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）丰度及多样性，但对AOB和NOB在沉积物中聚集形态无明显影响。. （3）WTR用于原位钝化技术的金属污染风险。WTR是无害的（根据美国浸出毒性标准评价），且大部分金属在WTR中稳定性较高，但生物可给性也较高。在大多数情况下，WTR的投加对沉积物中许多金属的释放作用影响不显著。因此，WTR应用对沉积物的金属污染风险无需特别关注。