污染底泥化學(xué)與生化修復(fù)中重金屬分布與形態(tài)的轉(zhuǎn)化

本課題的研究目的是通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)手段，系統(tǒng)研究污染底泥異位淋洗處理和原位生化修復(fù)過程中，淋洗劑或生化作用對底泥重金屬分布和形態(tài)的影響及可能引起的后果。課題預(yù)定研究內(nèi)容主要分類兩大部分：（1）底泥淋洗處理過程中重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制及遷移性研究；（2）底泥生化修復(fù)過程中重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制及遷移性研究。本課題所有研究工作已經(jīng)全部完成。 通過本課題研究發(fā)現(xiàn)重要結(jié)果：（1）化學(xué)淋洗過程使底泥重金屬形態(tài)分布發(fā)生變化，經(jīng)淋洗處理后底泥重金屬在環(huán)境中遷移性不同程度增加。各類淋洗劑淋洗后底泥重金屬遷移性大小為：酸類淋洗劑處理后底泥＞螯合劑處理后底泥≈過氧化氫溶液處理后底泥。（2）底泥在投加硝酸鈣或過氧化鈣修復(fù)過程中，底泥重金屬總量沒有發(fā)生明顯變化，但重金屬形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化。一部分重金屬（Cu、Zn）明顯由較穩(wěn)定形態(tài)向較不穩(wěn)定形態(tài)轉(zhuǎn)化，底泥重金屬的生物可利用性和生物可給性有不同程度的提高。（3）底泥原位注射硝酸鈣后，因發(fā)生硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)，將在5-10天內(nèi)生成并釋放氮?dú)?。隨著氮?dú)鈴牡啄嘞蛏细菜尫?，外加的硝態(tài)氮、自養(yǎng)反硝化中間產(chǎn)物亞硝氮、底泥中原有的氨氮將隨著氮?dú)庖苿?dòng)，被“吹入”上覆水中。在底泥原有氨氮含量較高的情況下，可能會(huì)引起底泥氨氮短期內(nèi)快速釋放。 本研究已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。大部分研究成果已經(jīng)形成科技論文，發(fā)表在SCI收錄的英文學(xué)術(shù)期刊或者國際會(huì)議。 本課題研究成果的意義在于揭示了這兩種污染底泥處理過程引起底泥重金屬遷移性增加和底泥無機(jī)氮向上覆水短時(shí)間內(nèi)快速釋放等后果的可能性及其產(chǎn)生的原因。但是受實(shí)驗(yàn)的尺度和時(shí)間所限，本研究仍未回答這些后果是否會(huì)給河道生態(tài)系統(tǒng)帶來確實(shí)的不良影響。因此，建議今后的研究依托河道污染底泥修復(fù)工程實(shí)例，對修復(fù)工程實(shí)施前、實(shí)施中、實(shí)施后河道生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo)（如水體中氨氮濃度變化、下游底棲生物體內(nèi)重金屬含量、下游底泥重金屬含量）進(jìn)行較為長期、系統(tǒng)的監(jiān)測，從而可基于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)作出較為可靠的判斷。 2100433B

底泥作為污染物蓄積庫，是水體二次污染的重要來源。污染底泥修復(fù)是從根本上改善水環(huán)境的重要途徑。目前，化學(xué)淋洗和生化修復(fù)技術(shù)對治理底泥有機(jī)污染已有較好的工程應(yīng)用。重金屬是底泥中普遍存在的非生物降解污染物，遷移性和毒性很大程度上決定于賦存的形態(tài)。由于對底泥修復(fù)過程中重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)制缺乏系統(tǒng)研究，應(yīng)用化學(xué)淋洗技術(shù)處理重金屬污染時(shí)存在處理過程復(fù)雜、成本高，難以推廣的問題；應(yīng)用生化修復(fù)技術(shù)時(shí)，對有機(jī)物降解同時(shí)導(dǎo)致的重金屬形態(tài)和釋放特性變化尚沒有清晰的認(rèn)識。從而使污染底泥修復(fù)技術(shù)應(yīng)用受到局限。本項(xiàng)目計(jì)劃通過實(shí)驗(yàn)手段，系統(tǒng)研究污染底泥化學(xué)淋洗處理和投加硝酸鈣的生化修復(fù)過程中淋洗劑/底泥微生物作用對底泥重金屬分布和形態(tài)的影響；揭示應(yīng)用這兩類修復(fù)技術(shù)時(shí)，底泥重金屬分布與形態(tài)轉(zhuǎn)化的機(jī)制；考察經(jīng)過修復(fù)的底泥重金屬遷移性的變化。為相應(yīng)的污底泥修復(fù)技術(shù)改進(jìn)和修復(fù)效果評估提供可靠的理論及數(shù)據(jù)參考。

河道底泥中的重金屬污染已成為各國面臨的重要環(huán)境問題。植物修復(fù)技術(shù)能有效利用植物及其共存的微生物體系吸收底泥中的重金屬，受到廣泛關(guān)注。目前對植物吸收底泥中重金屬過程的定量分析較少，因而不能準(zhǔn)確地把握其機(jī)理。如何對植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行精確的動(dòng)力學(xué)分析和調(diào)節(jié)，是研究植物修復(fù)底泥中重金屬污染問題的關(guān)鍵所在。本項(xiàng)目擬將控制科學(xué)中處理動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的魯棒控制理論和最優(yōu)控制理論應(yīng)用于植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過程的動(dòng)力學(xué)分析及最優(yōu)調(diào)節(jié)中，基于微分方程方法及分段線性化技術(shù)對植物吸收重金屬的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行建模，從而利用分段線性系統(tǒng)理論對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和調(diào)節(jié)?？紤]化學(xué)助劑對植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過程的影響，將植物吸收重金屬動(dòng)態(tài)過程的最優(yōu)調(diào)節(jié)問題轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題，設(shè)計(jì)智能優(yōu)化算法求解最優(yōu)控制器，從而得到一種最優(yōu)的調(diào)節(jié)機(jī)制使植物在生長周期內(nèi)最有效地吸收底泥中的重金屬，為植物修復(fù)重金屬污染問題的研究提供新方法。

《農(nóng)田重金屬污染危害與修復(fù)技術(shù)》從土壤重金屬污染的內(nèi)涵及特點(diǎn)出發(fā)，闡述了土壤重金屬污染對植物、土壤動(dòng)物、土壤酶以及通過食物鏈對人類的危害。在此基礎(chǔ)上，介紹了土壤重金屬污染的修復(fù)措施，主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、植物修復(fù)及微生物修復(fù)等。

河道污染底泥是導(dǎo)致河道水質(zhì)二次污染的重要原因，污染底泥的修復(fù)是治理河道的關(guān)鍵問題之一。根據(jù)典型河道底泥中污染物及生態(tài)環(huán)境的調(diào)研，有針對性的開展適于實(shí)際工程應(yīng)用的污染底泥的原位化學(xué)、生物生態(tài)、化學(xué)－生物生態(tài)協(xié)同修復(fù)理論及技術(shù)的研究，和異位修復(fù)及資源化利用的研究；探索修復(fù)的機(jī)理、化學(xué)修復(fù)對原有生態(tài)系統(tǒng)的影響、人工生物生態(tài)修復(fù)強(qiáng)化底泥及附近水體的自凈功能及自然生態(tài)的恢復(fù)；提出適于實(shí)際工程應(yīng)用的修復(fù)理論、技術(shù)方案及優(yōu)化實(shí)施條件，指導(dǎo)未來同類河道污染底泥的修復(fù)；為制定河道底泥修復(fù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。同時(shí)，篩選出適于污染底泥修復(fù)的藥劑、生物菌劑或濕地植物，研發(fā)適于優(yōu)勢微生物的分離、馴化、高密度培養(yǎng)及常溫保存方法，為未來底泥修復(fù)的工程應(yīng)用及推廣提供保障。 2100433B