In situ simulation of thin-layer dredging effects on sediment metal release across the sediment-water interface

薄層疏浚對(duì)沉積物-水界面金屬釋放影響的原位模擬

來(lái)源：Science of the Total Environment 658 (2019) 501–509

 

論文摘要

本研究通過(guò)原位模擬實(shí)驗(yàn)，探討了薄層疏浚（清除表層約25厘米沉積物）對(duì)太湖沉積物-水界面重金屬釋放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，疏浚具有雙重效應(yīng)：一方面，它顯著降低了沉積物中鎳（Ni）、鎘（Cd）、銅（Cu）和鋅（Zn）的總含量；但另一方面，它卻促進(jìn)了活性態(tài)Ni、Cu和Zn的釋放通量和生物有效性。這種矛盾的效應(yīng)歸因于疏浚后氧化條件增強(qiáng)，導(dǎo)致深層厭氧沉積物中的金屬硫化物發(fā)生再活化溶解。因此，疏浚雖然減少了重金屬的總負(fù)荷，但可能短期內(nèi)增加其向水體的釋放風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)毒性。

 

研究目的

本研究的主要目的是：

 

通過(guò)原位模擬實(shí)驗(yàn)，評(píng)估薄層疏浚作為一項(xiàng)環(huán)境修復(fù)工程，對(duì)控制沉積物重金屬污染的實(shí)際有效性。

探究疏浚后沉積物-水界面附近重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化、遷移通量和生物有效性的變化。

 

從動(dòng)力學(xué)角度揭示疏浚影響重金屬釋放的內(nèi)在機(jī)制，特別是硫循環(huán)和氧化還原條件的變化所起的作用。

 

研究思路

本研究采用了 “原位模擬”與“多技術(shù)聯(lián)合分析” 的研究思路：

 

原位模擬：從太湖月亮灣采集未擾動(dòng)的原狀沉積物柱芯，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬疏浚操作（移除上層25厘米沉積物，保留下層沉積物），然后將處理后的柱芯放回湖底進(jìn)行為期一年的原位培養(yǎng)，以真實(shí)模擬疏浚后的環(huán)境條件。

多技術(shù)聯(lián)合分析：培養(yǎng)結(jié)束后，綜合運(yùn)用多種技術(shù)進(jìn)行分析：

 

傳統(tǒng)化學(xué)分析：測(cè)定沉積物的基本理化性質(zhì)（如pH、Eh、有機(jī)質(zhì)、酸揮發(fā)性硫化物AVS等）和重金屬總量。

連續(xù)提取法（BCR法）：分析重金屬不同化學(xué)形態(tài)（可交換態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)）的含量，評(píng)估其潛在遷移性。

薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）：以高分辨率（2毫米）原位測(cè)量孔隙水中的DGT有效態(tài)金屬濃度，反映其生物有效性。

DIFS模型：基于DGT測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如解吸速率常數(shù)K??等），定量評(píng)估重金屬?gòu)墓滔嘞蛞合嘣傺a(bǔ)充的能力與速率。

 

丹麥Unisense微電極：同步測(cè)量沉積物-水界面的氧氣、pH和氧化還原電位（Eh）的微剖面。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來(lái)源）

本研究測(cè)量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下：

 

沉積物理化性質(zhì)：

 

意義：提供理解重金屬行為的環(huán)境背景。數(shù)據(jù)顯示，疏浚后沉積物的有機(jī)質(zhì)、AVS含量和微生物活性顯著降低，而氧化還原電位（Eh）和氧滲透深度增加，表明環(huán)境從還原性向氧化性轉(zhuǎn)變。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)匯總于表1。

 

重金屬總量與形態(tài)分布：

 

意義：直接證明疏浚有效地移除了沉積物中的重金屬，降低了總污染負(fù)荷。形態(tài)分析顯示，疏浚后重金屬在活性較強(qiáng)的非殘?jiān)鼞B(tài)中的比例依然很高，暗示其具有潛在的遷移風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

來(lái)源：重金屬總量的垂直分布見(jiàn)圖2；四種重金屬的形態(tài)分布見(jiàn)圖3。

 

DGT有效態(tài)金屬濃度與釋放通量：

 

意義：這是本研究最核心的發(fā)現(xiàn)。結(jié)果表明，盡管總濃度下降，但疏浚區(qū)孔隙水中DGT有效態(tài)Ni、Cu和Zn的濃度和計(jì)算出的釋放通量卻顯著高于未疏浚區(qū)。這揭示了疏浚可能短期內(nèi)增加重金屬的生物有效性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

來(lái)源：DGT有效態(tài)金屬濃度的垂直分布見(jiàn)圖4；基于濃度計(jì)算出的擴(kuò)散通量見(jiàn)圖5。

 

金屬釋放動(dòng)力學(xué)參數(shù)：

 

意義：通過(guò)DIFS模型計(jì)算的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（如R值、解吸速率常數(shù)K??增大）從機(jī)理上證明，疏浚后沉積物固相中的重金屬向液相再補(bǔ)充的能力更強(qiáng)、速度更快。這解釋了為何在總濃度降低的情況下，有效態(tài)濃度反而升高。

 

來(lái)源：關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

 

研究結(jié)論

 

雙重效應(yīng)：薄層疏浚能有效降低沉積物中重金屬的總儲(chǔ)存量，但可能短期內(nèi)增強(qiáng)剩余沉積物中重金屬的活性和釋放風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵機(jī)制：疏浚后，氧化條件增強(qiáng)是驅(qū)動(dòng)重金屬活化的主要因素。氧氣滲透加深導(dǎo)致原本在厭氧條件下穩(wěn)定的金屬硫化物（如FeS、CuS等）被氧化分解，將其結(jié)合的重金屬釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)化為更易遷移和生物有效的形態(tài)。

 

評(píng)估啟示：評(píng)估疏浚工程的效果時(shí)，不能僅看污染物總量的去除，必須重點(diǎn)關(guān)注其形態(tài)、生物有效性和短期釋放風(fēng)險(xiǎn)的變化。本研究指出，在富含硫化物的沉積物中進(jìn)行疏浚需謹(jǐn)慎，可能需要配套措施（如覆蓋層）來(lái)控制疏浚后的二次污染。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

在本文中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于測(cè)量沉積物-水界面附近氧氣（O?）、pH和氧化還原電位（Eh）的微剖面（這些數(shù)據(jù)在正文中提及，并在圖S3中展示）。

詳細(xì)研究意義如下：

 

提供高分辨率的原位環(huán)境證據(jù)：Unisense微電極能夠以亞毫米級(jí)的分辨率原位測(cè)量沉積物中的O?、Eh和pH。這種高精度數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)采樣方法無(wú)法獲得的。它直觀地揭示了疏浚如何從根本上改變了沉積物最關(guān)鍵的化學(xué)環(huán)境——從厭氧/還原狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚?氧化狀態(tài)。

直接關(guān)聯(lián)疏浚操作與重金屬行為變化：測(cè)量結(jié)果顯示，疏浚后氧氣的滲透深度增加，整個(gè)表層沉積物的Eh值顯著升高。這為論文提出的核心機(jī)制——“硫化物氧化”——提供了最直接、最有力的環(huán)境證據(jù)。正是這種氧化條件的建立，才使得金屬硫化物變得不穩(wěn)定而發(fā)生溶解。

定量化環(huán)境梯度的變化：微電極數(shù)據(jù)不僅定性地顯示了氧化性增強(qiáng)，還能定量地給出氧化還原梯度的變化程度。這對(duì)于建立環(huán)境參數(shù)（如Eh）與重金屬釋放通量之間的定量關(guān)系至關(guān)重要，增強(qiáng)了研究的科學(xué)性和說(shuō)服力。

 

支撐整個(gè)機(jī)理鏈條：Unisense電極獲得的數(shù)據(jù)是連接“疏浚工程”與“重金屬釋放”之間因果鏈條的關(guān)鍵一環(huán)。整個(gè)機(jī)理可簡(jiǎn)述為：疏浚移除表層富有機(jī)質(zhì)沉積物 → 沉積物耗氧量降低 + 水體氧更易侵入（由Unisense電極數(shù)據(jù)證實(shí)）→ 氧化還原電位Eh升高 → 金屬硫化物（AVS）氧化溶解 → 結(jié)合態(tài)金屬釋放 → DGT有效態(tài)金屬濃度和通量增加（本研究核心發(fā)現(xiàn)）。

 

因此，使用Unisense微電極獲得的高分辨率環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，為本研究揭示疏浚影響重金屬釋放的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供了不可或缺的、強(qiáng)有力的支持，使結(jié)論更加嚴(yán)謹(jǐn)和深刻。