第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景、问题提出及实际意义
近几十年来，随着经济的快速发展和城镇化的迅猛推进，虽然取得了举世瞩目的成就，但也留下了诸多环境问题。2015 年的环境公报表明[1]，在国家监控的地表水中 26.7%的国控断面为Ⅳ~Ⅴ类水和 8.8%的国控断面为劣Ⅴ类水，42.5%监测点的地下水较差和 18.8%监测点的地下水极差级。由此可见，水体富营养化是我国当前面临最为严峻的水污染问题。
由于人类活动严重扰乱了良性运转的生态平衡，没有经过处理的工业生产污水和日常生活产生的废水汇入自然水体，农业中大量使用化肥和农药来提高粮食产量而残留的化肥和农药被雨水带入水环境，它们显著性提高了水中氮磷等营养元素的浓度，远远超过了水体的自净能力，进而导致一系列由水体富营养化引起的环境问题。例如在沿海出现“赤潮现象”和湖泊水库中频频发生的“水华现象”[2]。在这些富营养化水域中，随着营养盐的持续输入，藻类等水生植物大量异常繁殖和消亡，进而导致水域生态系统出现一系列的异常现象，例如：水体颜色会慢慢变黑，透明度会逐渐降低，加快了沉水植物的消亡；水体的溶解氧也会慢慢降低甚至形成厌氧环境，导致鱼虾等水生动物非正常死亡，破坏了水体食物链进而导致整个生态系统功能丧失；消亡的植物和动物在水中被分解则进一步增加了水体污染负荷并在厌氧状态下散发出刺激性极强的气味，最终变成黑臭水体。水体富营养化不仅会制约与水相关的产业发展，如养殖业、旅游业和自来水厂等产业的发展，甚至还可能会危害人类身体健康[3]。可见治理富营养化水体势在必行。
目前，富营养化水体的修复是世界水污染防治的重要组成部分[4]。国内外相关研究表明：氮和磷浓度过高是水体富营养化的主要因素[5]。在理论上认为只要控制水体中藻类等水生植物必需营养元素氮和磷浓度就可以抑制其恶性繁殖，然后逐渐修复富营养化水体。然而，随着研究的深入，许多学者提出磷的贡献大于氮，可见修复富营养化水体的有效措施是削减水中磷浓度[6,7]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 富营养化底泥修复技术的研究进展
内源（污染底泥）磷是上覆水磷的主要贡献者[5,7]，因此控制底泥易释放磷是削减水中磷浓度的有效措施[42,43]。
目前修复富营养化底泥的主要方法是疏浚法和覆盖法[44-47]。底泥疏浚是目前实际应用中常用的方法，但其存在工程量较大、费用高、底泥再悬浮对水体造成污染、底泥运输和处理过程容易造成二次污染并且还会破坏水底生态环境等诸多缺陷[48]。
覆盖法是用干净的材料覆盖在富营养化底泥表面，以便将污染底泥与上覆水隔离，主要通过物理掩蔽、物理或化学吸附和生物化学转化拦截底泥释放的污染物以达到修复富营养化水体。随着覆盖法的快速发展，它已经从惰性厚层覆盖[49]发展到如今的活性薄层覆盖[50-53]。由于覆盖法能够高效控制底泥释放污染物、成本较低并且不用考虑处置底泥带来的一系列问题，因此覆盖法成为了国内外学者和科研人员的研究热点并逐渐推广到实际工程中[53-55]。
覆盖法的核心是材料。目前覆盖材料可分为四大类[55,56]：天然材料、合成材料、改性材料和工业副产品。天然覆盖材料比如石英砂[49,57]、干净土壤[58]、碎石[55]、清洁沉积物[59]，其中石英砂是最常见的覆盖材料，这类天然覆盖材料虽然价格便宜且来源广泛，但是由于材料主要以物理掩蔽作用来控制底泥向上覆水释放污染物，因此所需的覆盖层厚度较大，进而导致水体容量减少并且底泥释放的污染物会在覆盖层下累积，当污染物穿过覆盖层进入上覆水时会造成更严重的水污染。此外，还有天然矿物类覆盖材料，比如天然沸石[60,61]、天然菱铁矿[62]、方解石[25,63,64]、白云石[65]、石灰石[66,67]、石灰[68]、高岭土、膨润土、硅藻土和粉煤灰等[69-71]等。
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第 2 章 煅烧改性净水厂污泥覆盖控制底泥磷释放效果
2.1 引言
WTPS 对磷具有很好的吸附效果，但课题组前期研究发现直接使用 WTPS会向水体释放氨氮和有机物[39,121]。针对 WTPS 再释放污染物造成二次污染问题，课题组采用煅烧改性 WTPS 制备得到 C-WTPS，并且显著性降低了材料释放氨氮和有机质的风险[121]。C-WTPS 在实验室配水实验中表现出高效的磷削减能力，且控磷效果优于 WTPS[121]。为进一步探究 C-WTPS 在实际环境中的控磷效果和相关问题，因此以福建省厦门市筼筜湖的表层底泥为研究对象，室内静态模拟试验研究了石英砂、C-WTPS 和 LMB 薄层覆盖控制底泥易释放磷；以华侨大学白鹭湖的表层底泥和上覆水为研究对象，室内动态模拟试验研究了石英砂、C-WTPS 和 LMB 薄层覆盖削减底泥磷释放效果。模拟试验比较了几种覆盖材料对底泥释放的 TP 的削减能力，初步分析了试验前后 C-WTPS 和各系统底泥中的不同形态磷的迁移转化途径。
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2.2.1 试验材料
静态模拟试验所用的底泥为筼筜湖表层底泥，动态模拟试验所用的底泥为华侨大学白鹭湖表层底泥。将所取底泥通过 16 目（孔径 1mm）的钢筛、混合均匀当作试验底泥。静态模拟试验的上覆水是实验室自来水，动态模拟试验水为华大厦门校区外湖的表层湖水，其水质情况如表 2.1 所示。
试验所用的石英砂为网上购买的普通石英砂，使用前将石英砂用自来水冲洗 3 遍，再用超纯水浸泡 6h 后，烘干待用。试验所用的 C-WTPS[41]：将取自厦门某净水厂离心脱水后污泥 WTPS 自然风干后放入马弗炉中，在 400℃下恒温煅烧 2.5h 制得 C-WTPS，通过粉碎和筛分获得 1-2mm 的试验材料。WTPS 和C-WTPS 使用前先用超纯水冲洗 3 遍，洗掉附着的粉末材料，然后烘干待用。试验所用的 LMB(Phoslock?)[29]是澳洲工业科学研究协会研发，由中国台湾大唐兴业有限公司提供。
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第 3 章 影响煅烧改性净水厂污泥控制底泥磷释放的因素................................... 27 3.1 引言.................................. 27
3.2 材料与方法................................ 27
第 4 章 煅烧改性净水厂污泥吸附饱和磷再释放....................... 55
4.1 引言.................................. 55
4.2 材料与方法............................... 55
第 5 章 结论与展望........................... 63
5.1 主要研究结论....................................... 63
5.2 研究展望................................ 64
第 4 章 煅烧改性净水厂污泥吸附饱和磷再释放
4.1 引言
在第 3 章探究了材料覆盖强度、缺氧环境、底泥二次覆盖和水力停留时间对 C-WTPS 控制底泥磷效果的影响，结果表明 C-WTPS 在不利环境中也能够有效控制底泥磷的释放，可见 C-WTPS 是一种非常有前景的活性覆盖控磷材料。但是随着时间的增加，C-WTPS 终究会达到磷吸附饱和。在复杂多变的环境中C-WTPS 吸附饱和磷材料会不会再释放仍然不清楚。因此，本章以制备的C-WTPS 吸附饱和磷材料为研究对象，模拟不同初始 pH 和低氧化还原电位（ORP）环境来探究 C-WTPS 吸附饱和磷材料中磷再释放情况。其研究结果可为 C-WTPS 覆盖削减底泥磷的实际应用提供理论和技术支撑。
试验在容积为 9L、直径为 200mm、高 300mm 的有机玻璃柱中进行，试验分为 4 组，其编号为 ABCD 每组 2 个平行样。其中，A 为自然环境未覆盖系统；B 为自然条件覆盖 C-WTPS 吸附饱和磷材料系统；C 为低 ORP 未覆盖系统；D为低 ORP 覆盖 C-WTPS 吸附饱和磷材料系统。采用无水亚硫酸钠模拟低 ORP环境[130]，将 10g 亚硫酸钠平铺在底泥表面。每个覆盖系统称取 20g C-WTPS 吸附饱和磷材料覆盖在底泥表面。每根柱中称取华大底泥 1.6 kg（1.5L），厚度约为 5cm。缓慢加入自来水 8L，上覆水高度为 25 cm。
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第 5 章 结论与展望
5.1 主要研究结论
（1）C-WTPS 控磷效果
①在静态模拟试验中，当筼筜湖底泥 TP 释放强度为 2.26~9.19mg/(m2 · d)、材料的覆盖强度为 2kg/m2 时，LMB、C-WTPS 和石英砂对 TP 的平均削减率分别为 94.82%、92.14%和 10.68%，结果表明 C-WTPS 能够有效控制底泥磷的释放。
②在动态模拟试验中，TP 初试浓度为 3.55mg/L、覆盖强度为 2kg/m2 的C-WTPS 经过 44d 可将 TP 浓度削减到 0.18mg/L，并且在后续 51d 维持上覆水低磷状态。此外，采用 SMT 分析了第 44d 和第 95d 的 C-WTPS 中 5 种不同形态磷含量变化情况，结果表明 C-WTPS 不仅能够快速削减上覆水高磷浓度同时还能够有效控制底泥磷释放。
（2）C-WTPS 控磷效果的影响因素
① 模拟 C-WTPS 覆 盖 强度试 验结 果表 明：在 底泥 TP 的释放 强度 为6.25~10.87mg/(m2 · d)时，覆盖强度为 0.25kg/m2、0.50kg/m2、1.00kg/m2、1.50kg/m2和 2.00 kg/m2 的 C-WTPS 对 TP 平均削减率分别为 59.68%、75.71%、88.75%、92.42%和 96.28%；可见覆盖强度为 1kg/m2 以上的 C-WTPS 能控制底泥中 90%以上的易释放 TP。
②模拟缺氧环境试验结果表明：在自然环境下筼筜湖底泥总磷的释放强度为 2.28~14.40mg/(m2 · d)时，覆盖强度为 2.00 kg/m2 的 C-WTPS 对 TP 的平均削减率为 96.55%；缺氧环境下底泥 TP 释放强度为 2.30~21.56mg/(m2 · d)时，覆盖强度为 2.00 kg/m2 的 C-WTPS 对 TP 的平均削减率为为 88.36%。此外，分析了试验前后 C-WTPS 中 5 种形态磷含量变化情况，其结果表明：缺氧环境不仅没有抑制材料对磷的吸附而且还加强了材料对底泥易释放磷的固定。
参考文献（略）