Effects of calcination on the environmental behavior of sediments by phosphorus speciation and interface characterization  

煅燒對沉積物環境行為的影響：基于磷形態及界面特征的研究  

來源：Journal of Environmental Management, Volume 330, 2023, Article 117103  

《環境管理雜志》第330卷，2023年，文章編號117103  

 

摘要內容

 

研究以滇池疏浚沉積物為對象，通過不同溫度（120–800°C）煅燒改性，將其轉化為覆蓋材料以控制內源磷釋放。核心發現：  

磷形態轉化：煅燒將活性磷（Labile-P、BD-P、NaOH-nrP）轉化為穩定形態（Al-P、Ca-P、Res-P），700°C時惰性磷占比超90%（圖3）。  

 

 

吸附與釋放特性：550°C煅燒沉積物對磷的吸附容量最高（Qmax = 2845.9 mg/kg），但釋放風險大；700–800°C煅燒樣品釋放潛力最低（圖4a）。  

 

 

界面環境改善：煅燒沉積物覆蓋層提升沉積物-水界面溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh），抑制鐵結合磷釋放（圖5）。  

 

 

研究目的

闡明煅燒溫度對沉積物磷形態轉化的影響機制。  

 

評估煅燒沉積物作為覆蓋材料的磷吸附能力與釋放風險。  

 

探究覆蓋層對沉積物-水界面氧化還原環境的改善作用。  

 

研究思路

材料制備：滇池沉積物經干燥、研磨后，在120–800°C下煅燒1小時。  

 

表征分析：  

 

微觀結構：SEM觀察孔隙變化（圖1a）  

 

 

元素組成：EDS（圖1b-c）、XRD（圖2a）、XPS（圖2b-h）分析礦物轉化  

 

 

磷形態：連續提取法分級測定（圖3）  

性能測試：  

 

吸附能力：等溫吸附實驗（圖4b）  

 

釋放潛力：不同水土比下的磷釋放實驗（圖4a）  

界面模擬：柱實驗監測覆蓋后DO、Eh及溶解性總磷（DTP）變化（圖5）。  

 

測量數據及研究意義

磷形態分布（圖3）  

 

數據：700°C煅燒后HCl-P（Ca-P）占比從初始14.3%增至58.6%，活性磷（Mobile-P）降至10%以下。  

 

意義：證實高溫煅燒促進Ca-P穩定相形成，顯著降低磷釋放風險。  

吸附與釋放特性（圖4）  

 

數據：550°C樣品吸附容量最高（2845.9 mg/kg），但釋放潛力達0.12 mg/L；700°C樣品吸附容量（2473.6 mg/kg）適中，釋放潛力最低（0.03 mg/L）。  

 

意義：表明高吸附容量≠低釋放風險，工程應用需優先選擇釋放潛力低的材料（700–800°C）。  

界面環境參數（圖5）  

 

數據：覆蓋煅燒沉積物后，界面Eh從-150 mV升至+100 mV，DO從2.5 mg/L增至6.0 mg/L，DTP降至0.031 mg/L。  

 

意義：證明覆蓋層通過改善有氧環境抑制沉積物磷釋放。  

 

結論

磷固定機制：煅燒（>500°C）促進CaCO3分解為CaO，通過化學沉淀形成穩定Ca-P（圖2c）；同時Fe/Al氧化物暴露增強磷吸附（圖2d-e）。  

 

最優溫度：700°C煅燒兼顧高磷穩定性（惰性磷>90%）與低釋放潛力（EPC0最低）。  

 

工程價值：煅燒沉積物覆蓋可同步實現磷固定與界面有氧環境營造，成本約675元/噸，具備工程應用潛力。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense微電極系統（方法2.6節）原位監測沉積物-水界面氧化還原電位（Eh）：  

界面氧化狀態量化：  

 

電極數據顯示覆蓋后界面Eh從-150 mV（對照組）升至+100 mV（圖5c），直接證明煅燒材料覆蓋顯著提升界面氧化環境。  

 

意義：高Eh值抑制Fe(III)還原為Fe(II)，阻止鐵結合磷（BD-P）釋放，從機制上解釋DTP降低原因（圖5a）。  

空間分辨率優勢：  

 

微電極可穿透沉積物剖面進行毫米級Eh測量（圖5c），避免傳統破壞性采樣的混合誤差。  

 

意義：精準捕捉界面氧化層厚度變化，證實覆蓋層維持了表層沉積物的有氧狀態（Eh>0 mV），為微生物好氧代謝提供條件。  

過程關聯性驗證：  

 

Eh升高與DO增加（圖5a）、DTP降低（圖5b）顯著負相關（P<0.01），形成“覆蓋層→提升Eh/DO→抑制磷釋放”的證據鏈。  

 

意義：首次通過原位監測證實煅燒沉積物覆蓋的“化學吸附+環境改善”雙機制協同作用。  

 

核心價值：Unisense電極提供的高精度Eh數據，為沉積物-水界面氧化還原敏感過程的原位解析提供了不可替代的技術支撐，尤其對鐵磷耦合循環機制的研究至關重要。