沸石和页岩陶粒对沉积物营养盐释放的抑制效果试验_孙健.pdf

净水技术 2023,42(2):140-146Water Purification Technology孙健,杨明,贺珊珊,等.沸石和页岩陶粒对沉积物营养盐释放的抑制效果试验J.净水技术,2023,42(2):140-146.SUN J,YANG M,HE S S,et al.Inhibitive effect test of nutrients release from sediments by zeolite and shale ceramsiteJ.Water Purification Techno-logy,2023,42(2):140-146.沸石和页岩陶粒对沉积物营养盐释放的抑制效果试验孙 健,杨 明,贺珊珊,蔡世颜,刘 琪,刘向荣(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北武汉 430010)摘 要 为探讨沸石和页岩陶粒对水体沉积物营养盐释放的抑制效果,设置了沸石、页岩陶粒覆盖沉积物和未覆盖沉积物试验,定期监测上覆水中 TP、TN、氨氮、CODCr和叶绿素 a(Chl.a)指标,并对比分析沉积物中微生物群落。结果表明,覆盖沸石和页岩陶粒能有效抑制沉积物中 N、P 营养盐向上覆水的释放,但上覆水中 CODCr含量上升。沸石和页岩陶粒主要通过吸附作用抑制沉积物中 P 的释放,通过基质吸附作用和 Ornatilinea 与芽孢杆菌属(Bacillus)微生物的脱氮作用抑制沉积物中 N 的释放,通过促进纤绳菌属(Levilinea)和长绳菌属(Longilinea)厌氧微生物对碳水化合物的代谢作用,引起上覆水中 CODCr含量上升。但沸石和页岩陶粒覆盖不能长期维持上覆水中较低的 N、P 含量,可考虑与沉水植物联合作用进行生态修复。关键词 沸石 页岩陶粒 沉积物 营养盐 抑制释放 微生物群落分析中图分类号:X52文献标识码:A文章编号:1009-0177(2023)02-0140-07DOI:10.15890/ki.jsjs.2023.02.018Inhibitive Effect Test of Nutrients Release from Sediments by Zeolite and Shale Ceramsite SUN Jian,YANG Ming,HE Shanshan,CAI Shiyan,LIU Qi,LIU Xiangrong(Central&Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China)AbstractTo investigate the inhibitive effect of nutrients from sediments by zeolite and shale ceramsite,set up zeolite,shale ceramsite-covered sediment and uncovered sediment tests.TP,TN,ammonia nitrogen,CODCr and Chl.a were monitored regularly in the overlying water.And microbial communities in sediments were analyzed.Results showed that zeolite and shale ceramsite effectively inhibited the release of N and P from sediment to overlying water,but CODCr content in the overlying water increased.Zeolite and shale ceramsite inhibited P releasing from sediments mainly through adsorption,inhibited N releasing from sediments mainly by adsorption and denitrification by Ornatilinea and Bacillus.Zeolite and shale ceramsite promoting the metabolism of carbohydrates by Levilinea and Longilinea led to CODCr content increasing in overlying water.However,only covering zeolite and shale ceramsite can not maintain low N and P content in overlying water for a long time,so zeolite and shale ceramsite combined with submerged macrophytes can be considered for ecological restoration.Keywords zeolite shale ceramsite sediment nutrients inhibitive release microbial community analysis收稿日期 2021-09-08作者简介 孙健(1989),男,博士,研究方向为水体生态修复与水污染治理,E-mail:sunjian813 。通信作者 刘向荣,正高级工程师,E-mail:liuxr211 。水体富营养化是一种严重的水质污染现象,给水生态系统和人类健康等带来许多不利影响1-2。外部污染源和内部污染源是水体富营养化的主要原因。污水、工业排放、农业径流等外部污染源含有大量的营养物质3-4,目前已有许多方法来控制外部营养物进入水体5。内部污染源,即富集的底泥,可以向水体释放养分,使水体恶化6-7。水体底泥的治理方法有底泥疏浚、底泥覆盖、投加药剂以及水动力控制等措施。其中,底泥覆盖是将一层或多层材料铺设在污染底泥上部,通过隔断底泥与上覆水以达到阻止或减弱底泥中污染物释放的目的。在实际应用中,一般将覆盖材料通过表层倾倒或撒布的方式铺设在底泥上。但底泥覆盖需考虑一些以下条件:(1)水体控源截污已经实施完成;(2)底泥中污染物的毒性较低且迁移率较慢;(3)覆盖材料可就近取材;(4)静止水体或者流速较缓;041(5)覆盖后水体现状及将来功能的影响较小。而覆盖材料的选择是该方法的关键,因为覆盖材料既能吸附养分,又能稳定沉积物8-9。笔者前期通过设置动态吸附试验和静态吸附试验研究发现,当沸石和页岩陶粒的组合配比为 2 1时,对沉积物营养盐吸收效果较好10。因此,为进一步模拟沸石和页岩陶粒对水体沉积物营养盐释放的抑制效果,本研究设置沸石和页岩陶粒覆盖沉积物的试验,定期监测上覆水中 TP、TN、氨氮、CODCr和叶绿素 a(Chl.a)指标,同时在试验结束时对沉积物和基质进行微生物群落分析,旨在为富营养化水体的治理提供借鉴。1 材料与方法1.1 试验材料1.1.1 沸石和页岩陶粒沸石和页岩陶粒用自来水和蒸馏水冲洗 3 次,然后 105 烘干 2 h,过筛网孔径为 24 mm,置于干燥器内备用11。沸石和页岩陶粒的物理性质如表 1 所示。表 1 沸石和页岩陶粒的物理性质Tab.1 Physical Properties of Zeolite and Shale Ceramsite材料比表面积/(cm2 g-1)孔隙率密度/(g cm-3)有效粒径/mm沸石9.8910422.86%2.454.20页岩陶粒0.9210413.02%1.464.281.1.2 沉积物沉积物样品采自武汉黄孝河的表层底泥,采集后沉积物过筛(10 目)除去杂质,待用。沉积物相关特征如下:氧化还原电位为 229.20 mV;pH 值为7.14;含水量为 162.12%;TP、TN、氨氮、总有机碳质量分数分别为(2.570.02)、(1.650.04)、(0.160.01)、(0.650.09)mg/g。1.2 试验方法试验在体积为 200 L 的 PVC 桶中进行,共设置2 个试验组,每组 3 个平行试验,试验周期为 84 d。(1)沉积物组(C1):在桶内铺设厚为 10 cm 的底泥,缓缓注入深度为 50 cm 的自来水。(2)沉积物+沸石和页岩陶粒组(C2):在桶内铺设厚度为 10 cm 的底泥,再铺上厚度为 10 cm 的沸石和页岩陶粒,缓缓注入深度为 50 cm 的自来水。1.3 样品采集与分析1.3.1 水体水质水质样品于每周二上午 10:00 采样 1 L,用于分析水体中的 TP、TN、氨氮、CODCr和 Chl.a 水质指标。TP、TN、氨氮和 CODCr的测定均按照国家环保局标准分析方法。Chl.a 的测定利用 GF/C 滤膜(0.45 mm)过滤,滤膜用 90%丙酮萃取 24 h 后,再用分光光度计测定。1.3.2 沉积物和基质微生物群落分析取各试验组的沉积物和基质,迅速地将离心管(EP 管)置于液氮冷冻 34 h,然后转移至温度为-80 的冰箱中保存待测。沉积物和基质每个样品DNA 提取 2 次,然后混合,获得的 DNA 于-80 进行保存。随后进行 16S rDNA 扩增和 Illumina MiSeq高通量测序。测序完成后,通过序列(barcode)区分各样本。1.4 数据分析使用 SPSS 统计软件中的单方差分析(One-way ANOVA)对试验组 C1 和 C2 中的 TP、TN、氨氮和Chl.a 数据进行差异分析,三维 ANOVA 统计分析(Tukey test)用于 TP、TN、氨氮、Chl.a 均值的多重比较,显著水平设定为 P0.05)和第 56 d(P0.05)、第 42 d(C2 高于C1,P0.05)、第 49 d(C2 高于 C1,P0.05)和第 70 d(C2 高于 C1,P0.05)外,C1 上覆水中 TP 含量均显著高于 C2 上覆水中 TP(P0.05)(图 1)。说明覆盖沸石和页岩陶粒能有效抑制沉积物中 TP 向上覆水释放速度。注:a,b 代表在相同时间不同试验组的显著差异(P0.05),n=3。图 1 沸石和页岩陶粒对 TP 的净化效果Fig.1 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on TP2.2 对 TN 的净化效果试验期间内,C1 上覆水中 TN 质量浓度为1.196.64 mg/L,没有呈现一定变化趋势。C2 上覆水中 TN 质量浓度为 0.434.95 mg/L,整体呈上升状态。经 C1 和 C2 对比发现,除第 6377 d(C1低于 C2,P0.05)外,C2 上覆水中 TN 含量均显著低于 C1 上覆水中 TN(P0.05)(图 2)。因此,沸石和页岩陶粒的覆盖能有效缓解沉积物中 TN 释放。注:a,b 代表在相同时间不同试验组的显著差异(P0.05),n=3。图 2 沸石和页岩陶粒对 TN 的净化效果Fig.2 Purification Effect of Zeolite and Shale Ceramsite on TN2.3 对氨氮的净化效果试验期间,C1 上覆水中氨氮质量浓度为 0.594.56 mg/L,在前 28 d 内先上升后下降,然后整体呈逐渐上升。C2 上覆水中氨氮质量浓度为 0.21 0.79 mg/L,整体逐渐上升。C1 和 C2 两者相比,C2上覆水中氨氮含量显著低于 C1(P0.05)(图 3)。所以,沸石和页岩陶粒能有效缓解沉积物中氨氮向上覆水的释放速度。2.4 对 CODCr的净化效果C1 上覆水中 CODCr质量浓度为 17.65129.00 mg/L,随着试验进行呈上升趋势。C2 上覆水中CODCr质量浓度为 12.