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

煅燒對沉積物環(huán)境行為的影響：基于磷形態(tài)及界面特征的研究  

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

《環(huán)境管理雜志》第330卷，2023年，文章編號117103  

 

摘要內(nèi)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(zhuǎn)化為覆蓋材料以控制內(nèi)源磷釋放。核心發(fā)現(xiàn)：  

磷形態(tài)轉(zhuǎn)化：煅燒將活性磷（Labile-P、BD-P、NaOH-nrP）轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定形態(tài)（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(fēng)險大；700–800°C煅燒樣品釋放潛力最低（圖4a）。  

 

 

界面環(huán)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(jié)合磷釋放（圖5）。  

 

 

研究目的

闡明煅燒溫度對沉積物磷形態(tài)轉(zhuǎn)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(fēng)險。  

 

探究覆蓋層對沉積物-水界面氧化還原環(huán)境的改善作用。  

 

研究思路

材料制備：滇池沉積物經(jīng)干燥、研磨后，在120–800°C下煅燒1小時。  

 

表征分析：  

 

微觀結(jié)構(gòu)：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(zhuǎn)化  

 

 

磷形態(tài)：連續(xù)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(jiān)測覆蓋后DO、Eh及溶解性總磷（DTP）變化（圖5）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

磷形態(tài)分布（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：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(jìn)Ca-P穩(wěn)定相形成，顯著降低磷釋放風(fēng)險。  

吸附與釋放特性（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：550°C樣品吸附容量最高（2845.9 mg/kg），但釋放潛力達(dá)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(fēng)險，工程應(yīng)用需優(yōu)先選擇釋放潛力低的材料（700–800°C）。  

界面環(huán)境參數(shù)（圖5）  

 

數(shù)據(jù)：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(huán)境抑制沉積物磷釋放。  

 

結(jié)論

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

 

最優(yōu)溫度：700°C煅燒兼顧高磷穩(wěn)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(xiàn)磷固定與界面有氧環(huán)境營造，成本約675元/噸，具備工程應(yīng)用潛力。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

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

界面氧化狀態(tài)量化：  

 

電極數(shù)據(jù)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(huán)境。  

 

意義：高Eh值抑制Fe(III)還原為Fe(II)，阻止鐵結(jié)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(yōu)勢：  

 

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

 

意義：精準(zhǔn)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(tài)（Eh>0 mV），為微生物好氧代謝提供條件。  

過程關(guān)聯(lián)性驗證：  

 

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

 

意義：首次通過原位監(jiān)測證實煅燒沉積物覆蓋的“化學(xué)吸附+環(huán)境改善”雙機制協(xié)同作用。  

 

核心價值：Unisense電極提供的高精度Eh數(shù)據(jù)，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(shù)支撐，尤其對鐵磷耦合循環(huán)機制的研究至關(guān)重要。