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CREST专栏｜浙江大学梁新强课题组：水环境胶体磷的来源、发生、转化机制及生态友好型治理策略

时间：2024-03-15 来源：浏览：

CREST专栏｜浙江大学梁新强课题组：水环境胶体磷的来源、发生、转化机制及生态友好型治理策略

梁新强等环境人Environmentor

环境人Environmentor

微信号 Environmentor2017

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亮点

（1）揭示了水环境胶体磷主要来自农业面源、工业点源及内源污染等方面，农田退水胶体磷浓度明显高于地表淡水、地下水和海水；

（2）发现了水环境胶体磷能够通过团聚、解吸附、光降解等作用转化为真溶态磷或颗粒态磷，pH、盐度、共存离子及紫外辐射等是影响转化的关键因素；

（3）明确了生态沟渠、人工湿地、光照处理等生态友好型治理策略对胶体磷污染控制的有效性。

导读

胶体磷 （1-1000 nm）是全球范围内水环境中普遍存在却又常被忽视的磷素形态，威胁水生态安全。本文通过比较国内外研究报道的不同水环境样本胶体磷浓度，发现农田退水胶体磷浓度（平均浓度为122.6 μg/L，样本数n = 437）显著大于地下水（平均浓度为52.3 μg/L，样本数n = 26）、地表淡水（平均浓度为22.3 μg/L，样本数n = 246）以及海水样品（平均浓度为5.4 μg/L，样本数n = 36）。通过不同水环境理化参数、胶体组分含量与胶体磷浓度之间的相关关系分析，发现地表淡水理化参数（电导率、溶解性有机碳）、胶体铁与胶体磷含量呈极显著正相关，农田退水胶体磷含量与胶体铝含量呈极显著正相关。本文还阐述了水环境胶体磷的团聚、解吸附、光降解等主要转化机制，明确了pH、盐度、共存离子及紫外辐射等是影响水环境胶体磷转化的关键因子，提出了生态沟渠、人工湿地、光照处理等生态友好型胶体磷去除技术策略，分析了当前水环境胶体磷研究存在的问题与挑战，为未来水环境胶体磷污染治理提供了指导（图1）。

图1 图文摘要

主要内容

水环境胶体磷主要来源

水环境胶体磷主要来自农业面源、工业点源及水体内源污染等3个方面。胶体磷污染迁移过程包括：1）在降雨或者灌溉条件下，农田、林地以及草原土壤胶体磷能够通过淋溶、地表/地下径流输送至受纳水体；2）大气中携带磷的胶体颗粒通过沉降进入地表水体。3）工业含磷废水中磷素能与胶体结合形成胶体磷，未被有效处理的胶体磷通过废水排放进入周边水体；4）当河流、湖泊底泥受到扰动时，胶体磷能够释放至上覆水中；5）水环境细胞裂解过程也能够将胞内形成的胶体磷直接进入水体（图2）。

图2 水环境胶体磷主要来源

水环境胶体磷污染水平

农田退水相较于其他水环境胶体磷污染风险较高。基于国内外文献报道，本文将水环境胶体磷浓度数据分为四组（农田退水、地表淡水、地下水、海水）（图3），通过比较发现农田退水胶体磷浓度（平均浓度为122.6 μg/L，样本数n = 437）明显高于地表淡水（平均浓度为22.3 μg/L，样本数n = 246）、地下水（平均浓度为52.3 μg/L，样本数n = 26）、海水（平均浓度为5.4 μg/L，样本数n = 36）。通过不同水环境胶体磷浓度与理化参数之间的相关性分析，发现地表淡水胶体磷浓度与溶解性有机碳、电导率呈极显著相关（图4）。此外，通过分析胶体组分（铁、铝）含量与胶体磷浓度之间相关关系，发现地表淡水、农田退水胶体磷与胶体铁、铝呈极显著或显著正相关（图5）。

图3 不同水环境胶体磷浓度

图4 地表淡水胶体磷浓度与溶解性有机碳 (a)、电导率 (b)之间的相关关系

图5 农田退水（a, b）、地表淡水（c, d）胶体磷浓度与胶体铁、胶体铝之间的相关关系

水环境胶体磷转化机制

胶体磷在水环境中能够通过物理化学过程（如团聚、解吸附以及光降解）转化为真溶态磷（< 1 nm）或颗粒态磷（> 1000 nm），也能够被植物根系和藻类利用（图6）。胶体磷转化过程关键影响因素包括：1）pH。强酸或强碱性环境均能造成胶体磷浓度降低。2）共存离子。氟离子会与磷素竞争金属阳离子表面的吸附位点，导致胶体磷浓度降低。此外，较高浓度的钙离子会造成胶体磷团聚。3）紫外辐射。紫外辐射会导致有机质降解和金属阳离子还原，进而破坏以“有机质-金属氧化物-磷”三元复合物形式存在的胶体磷。4）盐度。在高盐度条件下，水环境胶体能够发生凝聚，进而导致胶体磷浓度降低（图7）。

图6 水环境胶体磷转化过程

图7 水环境胶体磷转化过程关键影响因素

水环境胶体磷去除策略

现有研究大多关注水体总磷和正磷酸盐去除，而忽视胶体磷防控。事实上，在环境因子驱动下，水环境胶体磷能够释放或者转化为生物有效磷（如正磷酸盐），导致水体富营养化风险增加。尽管部分除磷工艺（如水解酸化处理、活性污泥法等）已被证实能够降低废水胶体磷浓度，但这些技术对废水组分要求高、反应条件复杂且容易产生有害物质，无法有效处理胶体磷浓度较高的农田退水。基于胶体磷转化机制，本文总结并明确了生态沟渠、人工湿地、光照处理等生态友好型治理策略对胶体磷污染控制的有效性，为缓解水环境胶体磷污染提供了重要参考（图8）。

图8 生态友好型胶体磷去除策略

水环境胶体磷研究展望

当前水环境胶体磷研究主要存在以下不足：1）不同污染源对水环境胶体磷贡献差异缺乏定量化分析；2）胶体磷组分结构对多重水环境因素的响应机制尚不明确；3）胶体磷去除技术的实际应用成效有待进一步验证评估。未来水环境胶体磷研究应侧重于水环境胶体磷溯源解析方法构建、源汇过程迁转模型模拟、关键化学形态与亚级分类转化机制、胶体磷污染治理工艺研发与优化等。

原文链接：

https://doi.org/10.1080/10643389.2024.2317685

第一作者简介：

刘博弈 ，浙江大学环境与资源学院博士研究生，从事农业面源磷污染治理研究，目前以第一作者在Crit Rev Environ Sci Technol、J Environ Manage等期刊发表论文。

通讯作者简介：

梁新强 ，浙江大学环境与资源学院教授、博士生导师，国家自然科学优秀青年基金、浙江省杰出青年基金获得者、吉林省长白山特聘领军人才、兵团高校高层次人才队伍建设计划和浙江省151人才工程入选者，以第一完成人获神农中华农业科技二等奖、环境保护科学技术二等奖、中国专利优秀奖、全国农牧渔业丰收奖、浙江省生态环境科学技术一等奖。主要从事农业面源污染防治研究。目前已发表论文100余篇，其中SCI收录90余篇，包括：Nature、Crit Rev Environ Sci Technol、Environ Sci Technol、Water Res和Agric Ecosyst Environ等期刊论文。

通讯邮箱：liang410@zju.edu.cn

来源： 土壤与环境健康SEH 。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域 最大的学术公号 ，拥有 20W+活跃读者 。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群