摘要
本研究的目的是推广一种应用复合材料恢复富营养化水体的新方法。一种新的可持续应用方式是基于“袋泡茶”方法，将材料放置在透水袋中并浸入水柱中，以吸收磷酸盐，磷酸盐是造成富营养化问题的主要因素之一。特别是Phoslock的两种复合材料?（镧改性膨润土，LMB）和Bephos?（Fe改性膨润土，f-MB）进行了测试，并采用台架批量实验研究了它们在浆料和茶包形式下的吸附效率。部署了吸附动力学和相关的吸附等温线，同时还研究了材料对浊度及其老化的影响。实验结果表明，Phoslock?和Bephos?（作为茶包），在初始浓度范围：0.05–5mg/L时，它们分别保持7.80mg/g和25.1mg/g的最大吸附能力，这被认为是天然水生生态系统中磷浓度的足够速率。同时，这种新方法不会导致水柱浑浊，因为物质不会释放到水中，从而防止了对生物体的潜在有害后果。此外，“茶包”方法防止材料覆盖湖底，避免了海底生物窒息的现象。通过袋泡茶法，可以收集这些材料，以进一步用作土壤改良剂或作物肥料。最后，有人认为，将LMB和f-MB材料回收用于农业用途的可能性至关重要，这也对可持续生态和循环经济路线产生了积极影响。
关键词：LMB；f-MB；富营养化；湖泊修复；袋泡茶法；自然水生生态系统；循环经济
1.简介
全球人口增长的稳步增长和营养需求的增加与农业生产的集约化直接相关。虽然海鲜只满足人类营养的一小部分，但持续的全球人口需要农业集约化，在全球范围内过度使用化肥，这随后导致了富营养化的发生。事实上，在水环境中，污染是富营养化的主要原因，富营养化正在形成有害的藻华，减少对水源的溶解氧，并危及当地生态系统[1，2，3]，特别是在社会经济和技术评估方面[4，5]。
相关文献中对富营养化水体的恢复侧重于减少集水区的营养物质负荷，包括农业土壤的径流。通过限制蓄水层的存量进入，从而在主流路线上开发宽阔的河岸缓冲区和人工湿地，从而实现集水区修复[6，7，8]。
然而，在富营养化条件下，水体从沉重的内部负荷中的恢复仍然停滞不前。在富营养化条件下，沉积物向含水层中的磷释放仍然持续，尽管外部负荷减少，但它阻碍了生态系统的恢复[9]。值得注意的是，陆地富营养化现象主要发生在水体或土壤环境[10]。在这项研究中，富营养化、Bephos?,和Phoslock?在相关文献的基础上进行了介绍。
Bephos公司?（此后命名为：“f-MB”，Fe改性膨润土）是一种新型的低成本复合材料，在利用天然膨润土的层间空间的同时嵌入Fe、Cu离子和腐殖酸[11，12]。
此外，Phoslock?,或镧改性膨润土（此后命名为：“LMB”），是一种磷锁定技术，由膨润土粘土基质中的元素镧构成，以吸附和失活可溶性活性磷[13，14]。如今，LMB越来越多地被用于：首先，从水柱中剥离磷，其次，当用作活性覆盖材料时，防止磷从沉积物中释放[15，16，17，18]。
这种多元化的方法可以揭示修复策略，通过阻断磷的沉淀释放来降低养分通量的释放速率。由于这一研究领域的重要性，详细的文献综述分为以下三类：（a）基于pH的研究（b）选定复合材料的现场/现场应用，和（c）蓝藻水生生物/环境农业背景。
决定上述分类是因为可以灵活地共同评估所提供的类似研究方法，从而使读者能够更好地熟悉各种不同的补救技术，然后仔细审查和选择这些补救技术，这些技术可以在类似的研究/实验或世界各地的实地环境中复制。这些技术的共同功能是稳定沉积物的技术的有效性，最大限度地减少再悬浮和运输，以及随后控制营养物质向上覆水中的运输。
在相关文献中，对水源中营养物质循环的研究并不新鲜。值得注意的是，已经开展了一些工作，将波罗的海鲱鱼的饲料组成场景用作饲料原料生产和运输，从而导致波罗的海地区的营养物质循环。主要考虑因素是：消费者行为的变化及其对特定海洋原料的偏好，以及捕鱼燃料消耗数据稀疏、对当地鱼类养殖影响的模糊考虑和对环境影响的可行评估所造成的高度不确定性[19]。另一个具有环境意义的问题是富营养化问题。值得注意的是，在相关文献中，进行了实验，以检验种植两种观赏植物对环境修复的效果，以及城市河道污水中过量的富营养化物质磷和有机物对水质的改善[20]。
在管理河流沉积物中营养物质的负荷和命运时，值得注意的是，由于强烈的生物扰动，沉积粘土会随着时间的推移产生垂直运动。这种垂直运动加速了磷和氮在地下沉积物中的滞留能力，从而支持污染河流沉积物的修复。在这种框架下，可以通过间歇曝气来确定对所有总氮和可溶性氮和磷的有效控制，而生物扰动不会影响磷的控制效率，并对氮的去除产生负面影响[21]。
除了河流和海洋，关于营养物质命运的主要研究成果集中在池塘和湖泊[22]。在这些水源地，LMB应用的效用主要被认为是从水体中稳定去除可溶性磷的合适药剂，因为可溶性磷主要决定藻类水华[17，23]。特别是，Bishop和Richardson[22]研究了LMB在灌溉池塘中的应用，并监测了营养物质负荷的后处理和慢性蓝藻的繁殖。与此同时，确定沉积物磷在改变营养物比例和改变藻类组合的复合剖面方面的缓解作用至关重要[22]。此外，Bishop等人[13]强调了磷结合技术的决定性作用及其对藻类组合组成和水质参数的影响。此外，在早期的一项研究中，Robb等人[18]指出，实验室试验证明了LMB使用不到一毫米厚的粘土结合沉积物释放的磷的有效性，尤其是在夏季蓝绿藻过度泛滥的情况下。
在一项类似的研究中，在德国一个富营养化的浅水游泳湖中，对LMB的磷管理进行了后续研究，显示了人类产生的营养物质导致磷浓度过高的现象[24]。还讨论了来自水流和可能的其他外部来源的外部磷输入在北美两个湖泊的水处理中的作用。LMB水处理的良好结果使研究人员能够计划在魁北克湖和附近地区的其他几个省进行这一应用[25]，并在应用LMB后对18个湖泊的水质和大型植物剖面进行荟萃分析[26]。这种P控制可以通过监测湖泊和变量的数据可用性，特别是在接近应用日期时，支持快速的生态恢复。报告的主要参数是夏季叶绿素a的浓度和应用LMB时的Secchi圆盘深度[26]。具体而言，这些作者表示，在改善水质和大型植物群落的同时，受试的不同湖泊的水生大型植物反应差异显著[26]。
相关文献[27，28，29]对LMB进行了广泛研究。具体而言，在所提出的模型下，LMB可以有效地应用于控制厌氧条件下的沉积物磷释放，该模型涉及在湖泊环境修复中使用磷封端剂，实现成本效益并减少这些非目标效应；通过与单次高剂量相比应用多个较小剂量，并在有氧条件下释放沉积磷，比较在持续的长期厌氧条件下可以发生显著磷释放的说法[30]。除了处理过的水样中PO4-P和总磷（TP）在统计上没有差异的情况外，改性粘土的积极潜在作用在实践中仍然不清楚和值得怀疑[31]。LMB浓度增加的另一个结果是，由于快速沉降，电导率增加，浊度降低[29，32]。
还证明了铁的氧化还原循环在控制沉积磷的流动性方面起着主要作用。因此，更好地理解高效封端LMB通过改变铁氧化还原偶联磷的循环来固定沉积磷的方法至关重要[33，34]。考虑到全球范围内对化肥的需求正在增加，与全球磷酸盐供应短缺相反[35]，因为富磷化肥是水体中过度处置富营养化的某些决定因素。
分析了LMB预处理和后处理的参数：pH、总悬浮物、电导率、浊度、颜色和磷酸盐浓度；磷酸盐阴离子PO43?的去除率达到95%，而LMB的应用不会导致最终出水的pH值变化[27]，而这种LMB的预处理和后处理表明，在应用LMB的几天内，处理水的pH值恢复到接近中性水平[28]。此外，应用LMB结合可溶性活性磷和释放营养物质显示出少量铵的释放，但它不会影响氧饱和度[29]和pH[30]。在另一项实验室测试分析中，LMP的应用表明，H2PO4-的单价磷酸根阴离子对吸附剂表面表现出高亲和力，而在较高的pH下活化能较低，因为在较高pH下吸附位点的损失不受离子强度的影响[16]。
在总结现场和中试规模复合材料应用的主要优势时，表明LMB可以快速有效地去除富营养化水体中的可溶性磷，长期保持水体中可溶性磷的低水平[23]，不同类型水体中溶解磷（DP）浓度的高去除率[28]，在将LMB应用于人造水库之前和之后的不同时间采样的沉积物岩芯中沉积物和基本P组分的短期组成变化，其中LMB可以在增加顶部沉积物高度时结合存在的逐渐减少的P流动，同时不影响沉积物P组分[36]，以及LMP在缓解因建筑材料而引起的陆地富营养化方面的良好适用性，以及开发富营养化潜力计算方法的必要性[10]。在一项类似的研究中，Burska等人[37]评估了使用透水非织造布袋作为P-吸附剂载体的可能性。这种袋子装满了吸附材料，当放置在水柱中时，由于流入袋子的水，袋子中的吸附剂降低了水中正磷酸盐（PO43?）的浓度。具体而言，对于研究中使用的三种合成吸附剂，PO43?的去除效果随着温度和初始PO43?浓度的升高而提高。此外，益生菌的加入有利于PO43?浓度的降低，而另一种合成吸附剂的加入则导致pH降低，甚至降至6.45。
在总结通过管理水生富营养化和水生生态系统进行环境修复的方法时，值得注意的是：使用LMB改性粘土和改性沸石进行原位沉积物修复，以控制河流氮磷沉积负荷和间歇性曝气[21]，LMB的应用控制了湖泊中高透明度和低水平的可溶性磷，这些磷是由生活和农业混合废水污染流入湖泊的[23]，其中LMB在湖底应用水槽拦截了沉积物磷释放产生的内部负荷的向上通量[25]。这样的磷管理可以：增加磷质量的暂停[26，30]；降低矿化过程的强度，防止大型藻类和蓝藻水华，增加湖泊的游泳和娱乐用途[24]；降低水柱总P的水平，导致流动沉积物P向残余部分转移[22]；控制富营养化，同时减轻蓝藻危害[31]；推进新技术，通过开发密集的沉水大型植物床来灭活磷并改善水质[29]。
我们研究的挑战性问题是在适当的条件下选择创新材料，可以将其作为“茶包”引入水柱，以吸收水柱中残留的有效磷，而不会对生态系统造成风险。应根据水柱中沉积物的潜在生物可利用流动P，准确计算以浆料形式使用的必要材料量，并且其外部流量可以通过所提出的“袋泡茶”方法吸附。此外，这项研究的重点是提高环境中磷的使用效率和可持续性的挑战和方法。在这一框架下，使用功能吸附剂从水中去除含磷化合物的技术应主要考虑捕获和去除的表面性质，将LMB和f-MB材料作为替代土壤肥料进行回收。具体而言，LMB和f-MB应用方面的挑战与它们的性质以及通过实施袋泡茶法将这些改性粘土用作肥料的潜在效用有关。
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