污染底泥化学与生化修复中重金属分布与形态的转化

本课题的研究目的是通过实验室试验手段，系统研究污染底泥异位淋洗处理和原位生化修复过程中，淋洗剂或生化作用对底泥重金属分布和形态的影响及可能引起的后果。课题预定研究内容主要分类两大部分：（1）底泥淋洗处理过程中重金属分布与形态转化机制及迁移性研究；（2）底泥生化修复过程中重金属分布与形态转化机制及迁移性研究。本课题所有研究工作已经全部完成。 通过本课题研究发现重要结果：（1）化学淋洗过程使底泥重金属形态分布发生变化，经淋洗处理后底泥重金属在环境中迁移性不同程度增加。各类淋洗剂淋洗后底泥重金属迁移性大小为：酸类淋洗剂处理后底泥＞螯合剂处理后底泥≈过氧化氢溶液处理后底泥。（2）底泥在投加硝酸钙或过氧化钙修复过程中，底泥重金属总量没有发生明显变化，但重金属形态发生转化。一部分重金属（Cu、Zn）明显由较稳定形态向较不稳定形态转化，底泥重金属的生物可利用性和生物可给性有不同程度的提高。（3）底泥原位注射硝酸钙后，因发生硫自养反硝化反应，将在5-10天内生成并释放氮气。随着氮气从底泥向上覆水释放，外加的硝态氮、自养反硝化中间产物亚硝氮、底泥中原有的氨氮将随着氮气移动，被“吹入”上覆水中。在底泥原有氨氮含量较高的情况下，可能会引起底泥氨氮短期内快速释放。 本研究已经达到了预期的目标。大部分研究成果已经形成科技论文，发表在SCI收录的英文学术期刊或者国际会议。 本课题研究成果的意义在于揭示了这两种污染底泥处理过程引起底泥重金属迁移性增加和底泥无机氮向上覆水短时间内快速释放等后果的可能性及其产生的原因。但是受实验的尺度和时间所限，本研究仍未回答这些后果是否会给河道生态系统带来确实的不良影响。因此，建议今后的研究依托河道污染底泥修复工程实例，对修复工程实施前、实施中、实施后河道生态系统的关键性指标（如水体中氨氮浓度变化、下游底栖生物体内重金属含量、下游底泥重金属含量）进行较为长期、系统的监测，从而可基于长期监测数据作出较为可靠的判断。 2100433B

底泥作为污染物蓄积库，是水体二次污染的重要来源。污染底泥修复是从根本上改善水环境的重要途径。目前，化学淋洗和生化修复技术对治理底泥有机污染已有较好的工程应用。重金属是底泥中普遍存在的非生物降解污染物，迁移性和毒性很大程度上决定于赋存的形态。由于对底泥修复过程中重金属分布与形态转化机制缺乏系统研究，应用化学淋洗技术处理重金属污染时存在处理过程复杂、成本高，难以推广的问题；应用生化修复技术时，对有机物降解同时导致的重金属形态和释放特性变化尚没有清晰的认识。从而使污染底泥修复技术应用受到局限。本项目计划通过实验手段，系统研究污染底泥化学淋洗处理和投加硝酸钙的生化修复过程中淋洗剂/底泥微生物作用对底泥重金属分布和形态的影响；揭示应用这两类修复技术时，底泥重金属分布与形态转化的机制；考察经过修复的底泥重金属迁移性的变化。为相应的污底泥修复技术改进和修复效果评估提供可靠的理论及数据参考。

河道底泥中的重金属污染已成为各国面临的重要环境问题。植物修复技术能有效利用植物及其共存的微生物体系吸收底泥中的重金属，受到广泛关注。目前对植物吸收底泥中重金属过程的定量分析较少，因而不能准确地把握其机理。如何对植物吸收重金属的动态过程进行精确的动力学分析和调节，是研究植物修复底泥中重金属污染问题的关键所在。本项目拟将控制科学中处理动态系统的鲁棒控制理论和最优控制理论应用于植物吸收重金属动态过程的动力学分析及最优调节中，基于微分方程方法及分段线性化技术对植物吸收重金属的动态过程进行建模，从而利用分段线性系统理论对其进行动力学分析和调节。考虑化学助剂对植物吸收重金属动态过程的影响，将植物吸收重金属动态过程的最优调节问题转化成动态系统的最优控制问题，设计智能优化算法求解最优控制器，从而得到一种最优的调节机制使植物在生长周期内最有效地吸收底泥中的重金属，为植物修复重金属污染问题的研究提供新方法。

《农田重金属污染危害与修复技术》从土壤重金属污染的内涵及特点出发，阐述了土壤重金属污染对植物、土壤动物、土壤酶以及通过食物链对人类的危害。在此基础上，介绍了土壤重金属污染的修复措施，主要包括物理修复、化学修复、植物修复及微生物修复等。

河道污染底泥是导致河道水质二次污染的重要原因，污染底泥的修复是治理河道的关键问题之一。根据典型河道底泥中污染物及生态环境的调研，有针对性的开展适于实际工程应用的污染底泥的原位化学、生物生态、化学－生物生态协同修复理论及技术的研究，和异位修复及资源化利用的研究；探索修复的机理、化学修复对原有生态系统的影响、人工生物生态修复强化底泥及附近水体的自净功能及自然生态的恢复；提出适于实际工程应用的修复理论、技术方案及优化实施条件，指导未来同类河道污染底泥的修复；为制定河道底泥修复的技术标准提供依据。同时，筛选出适于污染底泥修复的药剂、生物菌剂或湿地植物，研发适于优势微生物的分离、驯化、高密度培养及常温保存方法，为未来底泥修复的工程应用及推广提供保障。 2100433B