摘要
当前，以有害藻华（HABs）为特征的淡水生态系统人为富营养化是一个世界性的环境问题。磷作为藻类生长不可缺少的常量营养元素，被认为是导致淡水富营养化的主要限制营养物质。当外源磷输入得到有效控制后，沉积物内源磷的持续释放仍然会导致上覆水中磷浓度的升高。活性覆盖/改良技术被认为是控制沉积磷释放的一种很有前途的沉积物修复策略。选择高效、经济、安全且制备方便的钝磷材料是该技术的关键所在。铁基材料因普遍存在、低成本和环境友好等优点被认为是一种极具应用前景的活性覆盖材料/改良剂，近年来已引起国内外学者广泛关注。水铁矿和磁铁矿是常见的铁氧化物，如果能通过简便方法将水铁矿和磁铁矿进行复合，有望构建得到一种更加高效的可回收覆盖系统，从而可以更好地实现对水体内源磷释放控制和回收双重目的。然而，目前国内外关于基于水铁矿和磁铁矿的可回收覆盖系统的构建方法研究尚鲜见报道。此外，目前国内外对水铁矿和磁铁矿联用添加和覆盖控制沉积物磷释放的效果及机制仍知之甚少。 本研究首先通过批量吸附实验对比研究了不存在和存在Ca2+时水铁矿和磁铁矿对水中磷酸盐的吸附行为和机理，进而探讨了共存常见阴阳离子时Ca2+对水铁矿和磁铁矿吸附水中磷酸盐的影响。结果发现，不存在和存在Ca2+时，Langmuir和Freundlich等温线模型均可以较好地用于描述水铁矿对水中磷酸盐的等温吸附数据，而Freundlich等温吸附模型比Langmuir等温吸附模型更好地用于描述磁铁矿对水中磷酸盐的等温吸附数据。与准一级和准二级动力学模型相比，Elovich模型可以更好地用于描述不存在和存在Ca2+时水铁矿和磁铁矿对水中磷酸盐的吸附动力学数据。当不存在Ca2+时，水铁矿和磁铁矿对水中磷酸盐的吸附能力随着溶液pH值的增加而降低，而当存在Ca2+时，水铁矿对磷酸盐的吸附能力随着溶液pH值的增加变化较小，磁铁矿对磷酸盐的吸附能力则随着溶液pH值增加而变化较小或增加。当不存在Ca2+时，磷酸盐被水铁矿和磁铁矿吸附后形成铁-磷内层配合物。当存在Ca2+时，铁-磷内层配合物是水铁矿和磁铁矿吸附磷酸盐的主要机制，且Ca2+参与了磷酸盐的吸附过程。Ca2+促进了共存常见阴阳离子条件下水铁矿和磁铁矿对磷酸盐的吸附。Ca2+的促进机制是：首先Ca2+与水中磷酸盐发生反应，形成CaHPO40，所形成CaHPO40再被吸附到水铁矿和磁铁矿表面上形成以磷酸盐为架桥的Fe-P-Ca三元配合物；与H2PO4-和HPO42-相比，CaHPO40更容易被吸附，从而促进了水铁矿和磁铁矿对磷酸盐的吸附。 其次，进一步探究了共存多种阴阳离子条件下水铁矿和磁铁矿对水中磷酸盐的吸附性能和机理。结果发现，Na+、K+、Cl-和SO42-共存对水铁矿和磁铁矿吸附水中磷酸盐响不大，而Ca2+和Mg2+会与水铁矿和磁铁矿生成磷酸盐桥连的≡Fe(OPO3H)Ca+和≡Fe(OPO3H)Mg+，从而促进了水铁矿和磁铁矿对磷酸盐的吸附。HCO3-会抑制水铁矿和磁铁矿对磷酸盐的吸附。水铁矿对水中磷酸盐的吸附能力强于磁铁矿。当共存常见阴阳离子时，水铁矿和磁铁矿对磷酸盐的吸附机理是表面羟基被磷酸盐取代进而形成铁-磷双元内层配合物以及以磷酸盐为架桥的铁-磷-钙/铁-磷-镁三元配合物。 最后研究了水铁矿和磁铁矿联合添加和覆盖对沉积物磷迁移转化的影响，探讨了基于水铁矿和磁铁矿的可回收覆盖系统的构建方法及对沉积物磷释放的控制效果及机制。结果发现，在缺氧条件下，水铁矿/磁铁矿联合改良能有效地控制沉积物中内源磷的释放，其关键在于钝化沉积物中的DGT（薄膜梯度扩散）有效态磷以及潜在可移动态磷。水铁矿/磁铁矿联合覆盖均能有效地控制缺氧条件下沉积物内源磷向上覆水的迁移，上层沉积物中DGT有效态磷的钝化在水铁矿/磁铁矿联合覆盖控制沉积物内源磷向上覆水释放中起着关键作用。水铁矿/磁铁矿联合覆盖层对磷钝化的稳定性与其应用方式有关。在一般pH（5-9）和缺氧条件下，绝大多数（约90%）被基于水铁矿/磁铁矿混合物的覆盖系统所钝化磷的释放风险较低。水铁矿/磁铁矿联合覆盖不会增加沉积物中铁的释放风险，且对沉积物细菌群落多样性和丰富度影响不大。综合考虑控制效率、应用便利性、环境友好性和可持续性等多方面因素，基于土工织物包裹水铁矿/磁铁矿混合物的覆盖系统是一种很有应用前景的控制磷从沉积物向上覆水体中释放的方法。
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