粘土矿物对富营养化湖泊内源磷的钝化机制及其有机质的复合影响

Lake eutrophication has become a global concern for water pollution. The pollution control of sedimentary P-loading plays a decisive role in the restoration of eutrophication, under the reduction of external P input. In-situ inactivation is a highly effective technique to restrain P release from polluted sediments. In this study, four kinds of clay minerals (bentonite, attapulgite, goethite and boehmite) will be selected and modified treatment. P removal capacity and sorption thermodynamics will be compared between them and two traditional sorbents (aluminum sulfate and activated carbon), on the basis of the indoor simulation inactivation experiment of hypertrophic sediments from Lake Dianchi with high P contents. Moreover, the microscopic mechanisms and dynamic processes involved in-situ inactivation using various clay minerals will be elucidated, by combining phosphorus K-edge XANES, 31P NMR and chemical sequential fractionation. In addition, organic matter in phytoplankton, aquatic plants and sediments will be systematically studied. The interaction with clay minerals and phosphorus, and the combined impact on in-situ inactivation will be further clarified. This research will help us better understanding the principal and regulatory mechanisms of internal-P inactivation, and further provide the basis for extensive application of clay minerals and scientific management of eutrophication.

湖泊富营养化已成为全球性的水环境污染问题。当外源磷输入得到有效遏制后，沉积物内源磷的污染控制直接决定着湖泊治理成效。近年来，原位钝化技术在湖泊内源磷控制中受到重视。本项目选取我国贮量丰富、广泛应用的膨润土、凹凸棒石、针铁矿和勃姆石等4种典型粘土矿物，以重富营养化、磷含量高的滇池沉积物为例，通过室内钝化模拟实验，对比研究天然、改性粘土矿物与硫酸铝、活性炭的除磷性能及吸附热力学差异，着重应用磷的K边X-射线吸收近边结构谱(XANES)、磷核磁共振(31P NMR)和化学提取法，揭示不同粘土矿物钝化内源磷的微观机制与动态过程。在此基础上，综合浮游藻类、水生植物、沉积物等有机质的系统表征，阐明内源性有机质与粘土矿物、磷的相互作用及其对原位钝化的复合影响。研究成果将有助于深化认识湖泊内源磷钝化原理与调控机制，并为粘土矿物的推广应用及水体富营养化的科学治理提供依据。

磷是导致水体富营养化的关键性限制因子，其过量输入对水生系统和人体健康产生危害。因此，如何有效降低富营养化水体中磷酸盐的负荷已成为富营养化治理的重要内容。蒙脱石因其资源丰富、比表面积大、孔隙多、表面吸附性能优越的特点，在水污染治理中被广泛应用。锆氧化物水溶性低、无毒害，对磷酸盐有强烈的吸附能力。因此，采用锆改性蒙脱石制备吸附剂，应用于富营养化水体及沉积物中磷的污染控制是一种创新尝试。.本研究表征了我国主要产地、不同类型蒙脱石的物化性能，遴选出适宜的蒙脱石基质，采用水热法制备锆改性蒙脱石吸附剂，开展其对受污染水体和湖库沉积物磷的控制实验研究，取得了以下主要成果：.内蒙钙基蒙脱石呈弱碱性、纯度高、层间距适中，阳离子交换容量较高，且对水体磷酸盐具有一定的吸附作用，适宜于作为基质材料制备吸附剂。综合XRD、SEM-EDS、XRF等检测手段对所制备吸附剂进行表征，显示锆成功地负载在钙基蒙脱石表面及层间域，且负载量随着锆源添加比例的增加而增加，系列改性吸附剂Zr-CaM0.1、Zr-CaM0.5和Zr-CaM1中氧化锆的负载率分别为3.71 %、14.75 %和26.01 %。实验发现，锆改性蒙脱石对低浓度磷酸盐具有强烈的吸附作用，其吸附等温线数据更符合Langmuir模型，表明锆改性蒙脱石对水中磷酸盐的吸附机理属于单分子层的化学吸附。吸附动力学机制可以用准二级和Elovich模型进行很好地拟合。Zr-CaM1的最大吸附容量达22.41 mg/g，远高于Phoslock的9.49 mg/g。此外，Zr-CaM1吸附水体磷酸盐具有较宽的pH值适用范围（4～8.5）。共存阴离子HCO3-会一定程度地抑制除磷效果，而Cl-和SO42-影响甚微。钝化模拟实验结果表明，经投加锆改性蒙脱石15 d后，上覆水体磷浓度趋于稳定，保持在0.01 mg/L左右，孔隙水中SRP浓度快速降低。锆改性蒙脱石中锆、钙离子以配位离子交换形式与水体中的磷酸盐作用形成内圈配合物，并在沉积物-水界面以下形成“钝化静止层”，从而有效抑制内源磷的二次释放。.本研究成果深化了对湖泊内源磷钝化原理的系统认识，为蒙脱石的推广应用及水体富营养化的科学治理提供依据。