摘要：以3種粉煤灰為原材料，制備了粉煤灰基載氧沸石，通過構(gòu)建原位沉積物柱試驗(yàn)體系，探究了覆蓋厚度為0.5，1.0和2.0cm的粉煤灰基載氧沸石對沉積物-水剖面氮的去除效果與機(jī)制。結(jié)果表明，粉煤灰基載氧沸石能通過吸附和釋氧作用降低沉積物-水體系中的氮含量，并控制沉積物中氮的釋放，改善效果與材料覆蓋厚度正相關(guān).覆蓋25d后，0.5，1.0，2.0cm覆蓋厚度處理組中沉積物-水界面處的溶解氧濃度分別為1.79，3.69，6.26mg/L，上覆水中總氮的去除率分別為22.77%?30.37%和39.10%，沉積物中氨氮釋放通量相較于對照組分別削減了31.4%?47.00%和50.47%。此外，粉煤灰基載氧沸石提高了沉積物表層中參與硝化和反硝化作用的微生物豐度，并增加了硝化功能基因(amoA)，反硝化功能基因(narG?napA?nirS和nirK)和好氧反硝化基因(napA)的豐度，表明在表面沉積物中發(fā)生了耦合的有氧-缺氧反硝化過程.研究結(jié)果有望為粉煤灰的資源化利用和水體內(nèi)源污染治理提供新的視角。

目前，在外源污染得到良好控制的情況下，沉積物內(nèi)源污染造成的氮釋放仍然是水生態(tài)系統(tǒng)中氮污染的重要來源.沉積物主要通過兩種途徑釋放氮:第一種途徑是自由擴(kuò)散過程，即附著在沉積物顆粒物上的氮先釋放到間隙水中，再通過沉積物-水界面的濃度梯度或外力擾動，被擴(kuò)散到上覆水中;第二途徑是再懸浮過程，即在外界干擾下，沉積物中含有或者吸附有氮的顆粒物質(zhì)再懸浮到上覆水中。

自由擴(kuò)散過程主要受溶解氧、pH值和溫度等環(huán)境因子的影響，其中溶解氧是影響沉積物氮釋放的一個重要因素，相關(guān)研究表明隨著水體中溶解氧含量的增大，沉積物中氮的釋放通量將顯著下降.溶解氧含量主要通過調(diào)控微生物的氮轉(zhuǎn)化過程來影響沉積物中氮的釋放.在厭氧條件下，硝化作用受到抑制，同時氨的同化作用相對于好氧條件也較弱，因此氨氮是從厭氧沉積物中最先釋放的化合物之一.同時在厭氧條件下，由于異化硝酸鹽還原為氨，沉積物體系內(nèi)保留了生物可利用的氮，進(jìn)而易導(dǎo)致富營養(yǎng)化.而在好氧環(huán)境下，由于硝化作用的存在，沉積物中的硝酸鹽氮釋放量會增加，氨的釋放量會減少。

在內(nèi)源污染的原位處理技術(shù)中，原位覆蓋因具有比底泥疏浚更低的成本被廣泛應(yīng)用.原位覆蓋技術(shù)是通過在受污染的沉積物上覆蓋一層或多層材料，實(shí)現(xiàn)水體和受污染沉積物的物理隔離，并利用覆蓋材料和污染物之間的吸附和降解等作用，減少沉積物中的營養(yǎng)鹽?重金屬和難降解有機(jī)物等污染物向水體的遷移.在覆蓋材料的選擇上，較為傳統(tǒng)的方法是采用干凈的砂石進(jìn)行原位覆蓋，但近年來，活性炭、焦炭、有機(jī)黏土、含鈣礦石、沸石等材料逐漸被用于原位覆蓋并且取得了良好的水質(zhì)改善效果.然而覆蓋技術(shù)主要是通過物理隔絕?吸附等作用減少沉積物中污染的釋放，并未將污染物從沉積物和水體中徹底移除，因此在覆蓋層遭到破壞時仍存在污染物釋放到水體的風(fēng)險.同時，覆蓋材料在環(huán)境條件改變時也有發(fā)生解吸的風(fēng)險.因此，還需進(jìn)一步研發(fā)低成本、高效率且具有生態(tài)安全的覆蓋材料。

粉煤灰作為火力發(fā)電廠燃煤的副產(chǎn)品，其綜合利用率平均水平僅為16%~25%。粉煤灰的不當(dāng)處置可能會導(dǎo)致水和土壤的污染，進(jìn)而造成環(huán)境危害。

在粉煤灰資源化過程中，研究者發(fā)現(xiàn)粉煤灰的化學(xué)組分與一些天然沸石前體的成分相似，進(jìn)而將其制備成了各種類型的沸石，即粉煤灰基沸石，并應(yīng)用于各類環(huán)境治理中.隨著內(nèi)源污染的加重，粉煤灰及由其制備而成的沸石逐漸應(yīng)用于沉積物修復(fù)，發(fā)現(xiàn)其能有效去除上覆水與沉積物中的污染物與營養(yǎng)鹽.例如粉煤灰可降低了上覆水中多環(huán)芳烴的濃度，或是通過覆蓋和吸附作用去除富營養(yǎng)化湖泊沉積物中84.4%的磷酸鹽.此外Zou等進(jìn)一步采用NaOH浸泡、CaO高溫煅燒與10%水泥復(fù)合的方法對粉煤灰進(jìn)行了改性，發(fā)現(xiàn)改性粉煤灰覆蓋22d后對受污染河流沉積物中氨氮?總氮和總磷的去除率可分別達(dá)到90.91%?75.06%和90.63%。

盡管粉煤灰基沸石作為覆蓋材料在內(nèi)源污染去除中已有較多應(yīng)用，但現(xiàn)階段相關(guān)研究主要集中在對材料的改性以及對水質(zhì)的改善效果上，缺少對沉積物-水剖面氮削減過程的機(jī)制研究.此外，目前僅關(guān)注粉煤灰基沸石的吸附能力，忽略了將其作為載氧材料改善黑臭水體沉積物厭氧環(huán)境的潛力.因此，本研究以3種不同來源的粉煤灰為研究對象，首先評估其合成的粉煤灰基載氧沸石的氨氮吸附和載氧性能，并探究吸附和載氧材料最好的粉煤灰基載氧沸石對黑臭水體沉積物-水體系中氮去除的效果，解析其潛在的作用機(jī)制，以期為粉煤灰的資源化利用和水體內(nèi)源污染治理提供新的視角。