钝化沉积物中砷的精细变化过程与受控机制

Capping agents is one of the in-situ technologies for controlling sediment pollution, which is gradually applied to the arsenic (As) remediation in recent years. However, the research on the fine changing process and controlled mechanism of arsenic in capping agent-controlled sediments is lacking. On the basis of understanding As migration and pollution characters in sediments of Taihu Lake (a typical shallow eutrophication lake), this project aimed at investigating post-effects of capping agents, the commonly used chemical materials (ferric chloride) and modified mineral material (lanthanum modified bentonite, Phoslock®) on sediments in a contaminated lake bay. We will use the technologies of the high-resolution dialysis (HR-Peeper) and the diffusive gradients in thin films (DGT) to obtain the fine changing process of soluble As (III, V) and labile As (III, V) respectively in the sediment-capping layer-water profile. We will investigate the impact of hydrodynamic force, suspended solids and cyanobacteria on As immobilization efficiency. In combination of investigations of As adsorption mechanism in solutions and analysis of controlling factors for fine changing process of As, we will discuss the As immobilization mechanism and provide important scientific basis for treatment of As contaminated sediments.

覆盖钝化剂是原位治理沉积物污染的主要技术之一，近年来逐渐应用到沉积物砷（As）污染的治理，但对于钝化沉积物中As的精细变化过程与受控机制的研究较为缺乏。本项目在认识太湖沉积物As迁移污染规律的基础上，拟以污染湖湾沉积物为研究对象，以常用的化学材料（氯化铁）和改性矿物材料（镧改性膨润土，Phoslock®）为钝化剂，利用孔隙水扩散平衡（HR-Peeper）和薄膜扩散梯度（DGT）等高分辨采样技术，研究钝化剂覆盖后沉积物-钝化层-上覆水剖面溶解态和有效态As (III, V)的精细变化过程，考察水动力、悬浮物和蓝藻沉降等浅水富营养化条件对钝化作用的影响，系统评价钝化剂对沉积物As污染的控制效果。结合钝化剂对As 离子的吸附机制，以及沉积物As (III, V)精细变化的主控因子分析，探讨钝化沉积物中As的受控机制，为沉积物As污染的原位治理提供科学依据。

项目背景：.沉积物As的释放可能是导致水体As含量季节性升高和“超标”的重要原因，迫切需要对沉积物As污染进行治理。覆盖钝化剂是原位治理沉积物污染的主要技术之一，但目前对于沉积物中As的原位钝化及其机理缺乏系统地研究。..主要研究内容：.以典型富营养湖泊太湖为研究对象，研究的主要内容：(1)锁磷剂(LMB)和凹凸棒(ATP)及其氧化锆改性材料(Zr-LMB和Zr-ATP)的结构表征、As(III)和As(V)的吸附性能及其环境干扰因素研究；(2) LMB, ATP，硝酸钙(CN)、Zr-LMB和Zr-ATP的原位覆盖对沉积物中As和磷的钝化效果及其机理研究；(3)原位种植苦草对沉积物中P、As、Cd等多元素生物有效性的影响及其机理研究；(4) 在微尺度水平上开展太湖全年沉积物中铅(Pb)的迁移过程与机理研究。..重要结果：.两种新型的改性材料——Zr-LMB和Zr-ATP对As(III)和As(V)均表现出优良的吸附性能，抗环境干扰能力强，可用于多种常见水体As污染的修复；30d的Zr-LMB/Zr-ATP原位覆盖对沉积物剖面DGT有效态和溶解态As均具有良好的吸附钝化效果，作用深度达到80mm,其钝化是静电吸附、表面络合和物理拦截三种机制共同作用的结果；苦草根际通过分泌磷酸酶、有机酸以及H+从沉积物中获取磷，削减了根际沉积物总磷含量，根际泌氧和产生的铁氧化物降低了 Fe、As、Co、V 和 W在根际的迁移性,金属硫化物的氧化和质子诱导的矿物溶解增加了Mn、Ni 和 Cu在根际有效性，对沉积物中Cd、Cr、Mo、Pb和Zn的有效性没有影响；太湖水体夏季和秋季水体Pb污染严重，7月和10月沉积物溶解态Pb出现升高和向水体释放的现象，夏季7月蓝藻沉降形成了厌氧环境，导致了Fe/Mn氧化物的还原溶解和Pb的释放，随后发生Pb与有机物的络合有利于Pb的移动，秋季10月蓝藻分解引起了Pb的释放，但部分Pb受到硫化物沉淀和黄铁矿吸附的控制，释放减缓。..关键数据及其科学意义：.为沉积物As污染的原位治理提供了备选材料和机理分析；揭示了沉水植物苦草对沉积物中不同元素有不同的生物有效性影响，为沉积物中As等污染元素的原位化学钝化治理和生物修复技术的研究提供了重要的科学依据。