Achieving simultaneous removal of nitrogen and phosphorus in sediment via combined adsorption and oxygen supplement  

通過組合吸附和氧補充實現(xiàn)沉積物中氮和磷的同時去除  

來源：Chemical Engineering Journal, 441 (2022) 136056

《化學(xué)工程雜志》，第441卷，2022年，文章編號136056

 

摘要

討論了湖泊沉積物釋放的氮(N)和磷(P)導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，研究開發(fā)了氧氣負載的鑭改性沸石(LOZ)用于同時吸附P和N，并通過氧補充觸發(fā)生物轉(zhuǎn)化。結(jié)果表明，鑭改性沸石(LZ)比原始沸石(NZ)提高了PO4 3-P和NH4+-N吸附能力（分別增強129.13%和27.53%），并具有更高的氧負載能力(0.73 mmol/g)。LOZ應(yīng)用顯著改善了上覆水和沉積物中的溶解氧(DO)水平（上覆水DO維持在3-5 mg/L，氧滲透深度達12 mm），減少了總磷(TP)和總氮(TN)從沉積物向上覆水的釋放（分別降低80%和92%）。同時，氧補充促進了沉積物中鐵結(jié)合磷的穩(wěn)定化和微生物群落變化，增強了氮的生物去除過程。該研究為水體污染修復(fù)提供了高效、可持續(xù)的方法。  

 

研究目的

評估氧氣負載的鑭改性沸石(LOZ)在控制沉積物內(nèi)部營養(yǎng)鹽（氮和磷）釋放中的潛在作用，通過同時實現(xiàn)吸附和氧補充，創(chuàng)建厭氧和好氧微環(huán)境以限制營養(yǎng)鹽釋放，并識別其機制，包括對溶解氧水平、硫化物形成和微生物群落的影響。  

 

研究思路

包括四個階段：1. 材料制備與表征：通過NaCl和LaCl3改性天然沸石制備LZ，并進行氧負載得到LOZ，使用XRF、BET和氧吸附分析表征材料特性。2. 吸附實驗：進行吸附動力學(xué)和等溫線實驗，評估NZ和LZ對PO4 3-P和NH4+-N的吸附能力，并用Langmuir和Freundlich模型擬合數(shù)據(jù)。3. 微觀世界實驗：收集沉積物和水體樣本，在實驗室設(shè)置對照組（無處理）和處理組（添加NZ、LZ、氧負載沸石OZ和LOZ），測量上覆水的DO、TP、TN、PO4 3-P、NH4+-N、NO2-N和NO3-N濃度隨時間變化；使用丹麥Unisense微電極測量沉積物-水界面(SWI)的DO垂直分布；使用DGT技術(shù)分析沉積物中SRP、NH4+-N、S2-和Fe(II)的剖面；計算營養(yǎng)鹽通量。4. 微生物分析：在實驗結(jié)束后，提取沉積物和水體樣本的DNA，進行16S rRNA測序，分析微生物群落變化。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

材料特性數(shù)據(jù)，包括BET表面面積、氧負載能力和XRD圖譜（來自Fig. 1）。研究意義：評估材料的物理化學(xué)特性，如LZ的氧負載能力(0.73 mmol/g)高于NZ，顯示鑭改性提高了材料對氧的吸收效率，為后續(xù)氧補充機制提供基礎(chǔ)（Fig. 1b顯示氧負載能力與壓力正相關(guān)）。  

 

 

吸附等溫線數(shù)據(jù)（來自Fig. 2）。研究意義：量化NZ和LZ對PO4 3-P和NH4+-N的吸附能力（如LZ的最大PO4 3-P吸附量為11.16 mg/g），表明LZ的化學(xué)吸附機制更有效，支持LOZ在同時去除N和P中的應(yīng)用潛力（Fig. 2a和2b顯示吸附量隨初始濃度增加）。  

 

DO濃度在上覆水中的動態(tài)變化（來自Fig. 3）。研究意義：監(jiān)測LOZ應(yīng)用后DO水平的改善（從初始<1 mg/L升至3-5 mg/L），證明氧持續(xù)釋放有效緩解缺氧場景，并為生物過程（如硝化）創(chuàng)造條件（Fig. 3顯示LOZ組DO維持較高水平）。  

 

N和P濃度在上覆水中的變化（來自Fig. 4）。研究意義：追蹤TP、TN、PO4 3-P、NH4+-N、NO2-N和NO3-N濃度（如LOZ組TP減少80%），證實LOZ通過吸附和生物轉(zhuǎn)化減少營養(yǎng)鹽釋放，評估短期和長期控制效果（Fig. 4a-f顯示LOZ顯著降低P和N濃度）。  

 

DO水平在沉積物-水界面的垂直分布（來自Fig. 5）。研究意義：使用丹麥Unisense微電極測量DO剖面（如第3天LOZ組氧滲透深度達12 mm），量化氧在沉積物中的擴散范圍和強度，表明氧補充促進了表層沉積物的好氧過程（如Fe(II)氧化）。  

 

 

P和N通量數(shù)據(jù)（來自Fig. 6）。研究意義：計算沉積物向上覆水的營養(yǎng)鹽通量（如LOZ組TP通量變?yōu)?8.06 mg/m2/d），顯示LOZ逆轉(zhuǎn)釋放通量為負值，證明材料有效阻斷了內(nèi)部營養(yǎng)鹽負荷，支持吸附和氧補充的協(xié)同作用（Fig. 6a-b顯示通量顯著降低）。  

 

微生物群落數(shù)據(jù)（來自Fig. 7）。研究意義：分析門和屬水平的微生物組成（如LOZ組表層沉積物中Dechloromonas豐度增加），揭示微生物群落變化與氮循環(huán)（硝化和反硝化）的關(guān)聯(lián)，解釋生物去除機制（Fig. 7a-b顯示氧誘導(dǎo)的菌群演替）。  

 

 

DGT剖面數(shù)據(jù)。研究意義：測量SRP、Fe(II)和S2-在沉積物中的濃度變化（如LOZ組S2-減少），表明氧補充抑制了FeS形成，穩(wěn)定了磷-鐵結(jié)合，減少P釋放。  

 

結(jié)論

LOZ通過組合吸附和氧補充，成功減少了沉積物中氮和磷的釋放（TP和TN釋放分別降低80%和92%）。鑭改性提高了沸石的吸附能力和氧負載效率（0.73 mmol/g），而氧補充改善了沉積物-水界面的DO水平（上覆水DO維持在3-5 mg/L，氧滲透深度達12 mm），促進了Fe(II)氧化為Fe(III)，穩(wěn)定了磷結(jié)合，并抑制了FeS形成。同時，氧擴散改變了微生物群落，增加了硝化菌（表層沉積物）和反硝化菌（深層沉積物）的豐度，支持了同步硝化-反硝化過程。該研究提供了一種快速、可持續(xù)的水體修復(fù)方法，能有效控制內(nèi)部營養(yǎng)鹽負荷。  

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來數(shù)據(jù)的研究意義

在研究中，使用丹麥Unisense OX-100微電極測量沉積物-水界面（SWI）的溶解氧（DO）垂直分布數(shù)據(jù)（來自Fig. 5），這些數(shù)據(jù)具有關(guān)鍵研究意義。首先，通過高分辨率（垂直分辨率100μm）測量DO濃度隨深度的變化（如第3天LOZ組DO在SWI為12.60 mg/L，滲透深度12 mm），直接量化了氧從LOZ材料向沉積物內(nèi)部的擴散程度和強度。這證明了氧補充能創(chuàng)建微好氧環(huán)境，促進沉積物中的氧化反應(yīng)，如Fe(II)氧化為Fe(III)，增強磷酸鹽與鐵氧（氫）氧化物的結(jié)合，從而穩(wěn)定磷并減少其釋放。其次，數(shù)據(jù)揭示了氧滲透深度與微生物活性的關(guān)聯(lián)：表層沉積物的好氧條件支持硝化過程（將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3-N），而深層的厭氧區(qū)域則有利于反硝化，實現(xiàn)氮的生物去除。同時，這些測量幫助識別了氧對硫化物（S2-）形成的抑制效應(yīng)（如S2-濃度降低，減少FeS生成），避免了由FeS引起的磷釋放。總體而言，Unisense電極數(shù)據(jù)提供了原位氧分布的直接證據(jù)，是評估LOZ氧輸送效率和其對沉積物生物地球化學(xué)循環(huán)影響的核心，為理解內(nèi)部營養(yǎng)鹽控制機制提供了實驗依據(jù)。