| 题名 | 胶东半岛海岸带沉积物中磷的再生机理与固化技术 |
| 作者 | 赵国强 |
| 答辩日期 | 2020-06-17 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 赵国强 |
| 授予地点 | 中国科学院烟台海岸带研究所 |
| 关键词 | 海岸带 沉积物 磷 再生 固定 |
| 英文摘要 | 磷是生态系统中重要的生源要素，不同形态磷的迁移转化与水环境质量演变密切相关，其中溶解态活性PO43-过剩会直接导致水体富营养化，而控制水体中磷含量被一致认为是解决该问题的有效途径。随着水质标准逐渐严格，磷的外源输入逐步得到有效遏制，内源再生逐渐成为水体中磷的主要来源。沉积物中磷的再生与其化学形态及环境因素密切相关，当环境条件适宜时，稳定形态磷能向活跃形态转化，最终以溶解态活性PO43-形式释放至上覆水中。海岸带水质水文条件较为复杂，咸淡水交替明显，硫酸盐含量高，磷污染负荷重，碱性磷酸酶活性不稳定等，均能显著影响沉积物中磷形态的转化，但是这些因素对各形态磷再生机制的认识还不够深入。胶东半岛入海河流较多，海岸带沉积物中磷的再生会直接诱发黄渤海的藻类爆发，而当前关于控制沉积物磷再生的应用技术研究还十分匮乏。因此，本论文系统地研究了上述区域滨海环境因素对流域-河口-近海沉积物中不同赋存态磷再生的影响机制，并据此研发功能材料来实现对沉积物中各形态磷的原位稳定化，有效防治其再生。主要研究内容和研究结果如下： （1）磷酸盐显色和有机磷（OP）消解条件的优化研究。通过对滨海积物中不同形态磷连续提取研究，优化了PO43-与钼酸盐显色条件和OP消解条件，提出一种适用于分析海岸带沉积物中不同形态磷的方法。研究结果表明，抗坏血酸还原条件下，钼酸盐与PO43-显色的最优pH范围为3 ~ 5.5，强酸强碱均能破坏抗坏血酸的化学稳定性；H2SO4和NaOH均能促进K2S2O8消解沉积物中OP效率，但最优的消解体系为“H2SO4 + K2S2O8”的酸式体系；磷连续提取法中消解剂的最佳用量为P: H2SO4: K2S2O8 = ~1.4×10−5:1:8（质量比）。 （2）硫铁还原对深层沉积物中磷再生的影响机制研究。采用优化的磷连续提取法，系统地研究了河口外近海区域柱状沉积物中S-Fe还原对不同形态磷再生的影响机制。研究结果表明，S-Fe还原能促进Fe(III)/Mn(IV)化合物结合的PO43-再生；稳定的Si-Fe复合物和Ca化合物结合态的PO43-，不受S-Fe还原的影响；S-Fe还原产生的S(-II)与Fe(II)生成FeSx沉淀，能提高碱性磷酸酶活性和OP酶解再生效率。 （3）高磷和盐度胁迫对表层沉积物中磷再生的影响机制研究。综合运用磷的连续提取法、核磁共振分析、X射线能谱等技术，深入探讨了入海河流表层沉积物中高磷和盐度胁迫对不同形态磷再生的影响机制。研究结果表明，Ca化合物比Al/Fe化合物优先结合PO43-，因而沉积物中PO43-含量较低时，Ca化合物结合的稳定态PO43-（Ca-Pi）占主导；沉积物中PO43-负荷较高时，Al/Fe/Mn化合物结合的不稳定态PO43-（Al/Fe/Mn-Pi）和稳定态Ca-Pi含量均较高，并呈正相关。高盐度会促进沉积物中Al/Fe/Mn-Pi再生，同时促进Ca-Pi形成和OP的埋藏。 （4）常量金属对OP和焦磷（PP）酶解再生的影响机制研究。以碱性磷酸酶为研究对象，考察了硫酸盐还原条件下Al、Fe、Ca对OP和PP酶解再生的影响机制。研究结果表明，AlOOH胶体聚沉、Fe(II)激发的自由基降解、Ca离子置换酶中活性位点是其抑制碱性磷酸酶活性的根本机制。通过模拟硫酸盐还原，进一步探索了硫酸盐还原条件下，Al、Fe、Ca对碱性磷酸酶活性的影响机制，发现少量的S(-II)能通过聚沉AlOOH胶体、沉淀去除Fe(II)、协同增加Ca2+抑制效应的方式，调节碱性磷酸酶的活性；而且过量的S(-II)能与酶中Zn形成ZnS沉淀，从而破坏碱性磷酸酶结构导致其酶活性降低。 （5）沉积物中PO43-、OP和PP的稳定化研究。基于上述机理过程等理论研究成果，研发了一种利用废弃炉渣合成NaP1型沸石，并负载胡敏酸（HA）和La(OH)3的新型“锁磷剂”，用以原位稳定沉积物中活性态PO43-、OP和PP。研究结果表明，材料中的La能和PO43-形成稳定的“双齿-双核”络合物，HA和La能与OP和PP生成稳定的“La-OP/PP”和“La-OP/PP-HA”络合物，并能降低磷酸酶活性，从而使不同形态磷牢固地“锁定”在沉积物中。本研究开发的“锁磷剂”制作成本低廉，磷固定化效率高且无环境安全风险，并已实现小批量生产和使用，具有一定的市场化前景。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/25314]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵国强. 胶东半岛海岸带沉积物中磷的再生机理与固化技术[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 赵国强. 2020. |
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