Sediment Remediation with New Composite Sorbent Amendments to Sequester Phosphorus, Organic Contaminants, and Metals  

新型復合吸附劑改良劑在沉積物修復中固定磷、有機污染物和金屬的作用  

來源：Environmental Science & Technology vol.55, pages 11937-11947 (2021)

《環境科學與技術》第55卷，11937-11947頁（2021年）  

 

摘要內容：  

研究測試了兩種新型沉積物修復技術——鋁（Al）注入沉積物和Polonite（鈣硅酸鹽材料）薄層覆蓋（TLC），單獨或與活性炭（AC）復合使用，評估其對富營養化沉積物中磷（P）、疏水性有機污染物（HOCs）和金屬的同步固定效果。通過沉積物柱培養實驗結合被動采樣技術（DGT測量金屬/磷，SPMD測量HOCs），發現：  

? Al注入完全阻止磷釋放，顯著降低鎘（-97%）和鋅（-95%）釋放，但增加多環芳烴（PAH）釋放（+49%）；  

 

? Polonite與AC復合使用降低磷（-70%）、鎘（-67%）和鋅（-89%）釋放，但增加甲烷排放；  

 

? AC與兩種技術復合均降低HOCs釋放40%。  

 

結果證明復合吸附劑可同步固定多類污染物，但需關注對微生物過程（如產甲烷作用）的潛在影響。  

 

研究目的：  

1. 評估Al注入和Polonite TLC抑制沉積物磷釋放的能力  

2. 探究二者對金屬遷移性的影響  

3. 驗證與AC復合使用對HOCs、磷及金屬的協同固定效果  

4. 監測處理對沉積物生物地球化學過程（pH、甲烷產生等）的副作用  

 

研究思路：  

1. 采集瑞典Brunnsviken海灣污染沉積物柱（富營養化，含高濃度PAHs/PCBs/金屬）  

2. 設置五組處理：對照組（CTRL）、Al注入（AL）、Al注入+AC覆蓋（AL+AC）、Polonite覆蓋（POL）、Polonite+AC覆蓋（POL+AC）  

3. 135天實驗室培養，分五次孵化（見表1）模擬不同氧狀態（好氧/缺氧/厭氧）  

 

4. 測量污染物通量（磷/氮/金屬/HOCs/甲烷）、沉積物剖面（O?/pH/硫化物）  

5. 使用Unisense微電極獲取高分辨率沉積物剖面數據  

6. 統計分析處理效果差異  

 

測量數據及研究意義：  

1. pH梯度（圖1）  

 

? 數據：Al注入使沉積物0-2cm酸化（pH最低4.2），Polonite處理堿化（pH最高9.1）  

 

? 意義：解釋金屬溶出差異（酸化促進Fe/Pb釋放），揭示Al處理對微生物活性的抑制機制  

 

2. 磷酸鹽通量（圖2）  

 

? 數據：Al注入完全阻止厭氧磷釋放（0 μmol m?2 d?1），Polonite+AC降低70%  

 

? 意義：證明Al對磷的強固定能力，為富營養化治理提供優化方案  

 

3. 氧消耗與甲烷通量（圖3）  

 

? 數據：Al處理降低氧消耗（滲透深度增至1.04cm），Polonite使甲烷通量翻倍  

 

? 意義：警示Polonite堿化可能促進產甲烷作用，影響溫室氣體排放  

 

4. HOCs釋放（圖4）  

 

? 數據：Al單獨處理增加輕/中分子量PAH釋放（+74%/+56%），但AC復合使用降低HOCs 40%  

 

? 意義：揭示Al酸化促HOCs釋放風險，凸顯AC在復合技術中的必要性  

 

5. 金屬濃度（圖5）  

 

? 數據：Al處理使水中Fe/Pb濃度激增1700%/5600%，Polonite降低Zn 89%  

 

? 意義：證實pH對金屬行為的調控作用，Polonite可替代傳統沸石固定金屬  

 

結論：  

1. Al注入是最有效的磷固定技術（完全抑制釋放），但強酸化導致Fe/Pb溶出和PAH釋放風險  

2. Polonite+AC復合技術可同步降低磷（-70%）、金屬和HOC通量，適用多污染沉積物修復  

3. 所有處理均干擾氮循環：Al抑制氨化作用，Polonite促進硝酸鹽異化還原（DNRA）  

4. Unisense電極數據證實Polonite堿化顯著升高甲烷排放，需評估長期生態影響  

5. AC是HOCs固定的關鍵組分，復合使用可規避單一技術的副作用  

 

丹麥Unisense電極數據的核心研究意義：  

1. 高分辨率機制解析：  

   ? 微電極（型號OX-50、SULF-50、pH-100）以100μm間隔測量沉積物垂直剖面（圖1）  

 

   ? 發現Al處理雖使0-2cm層酸化（pH<5），但O?滲透深度增至1.04cm（vs. 對照組0.38cm），證明Al抑制好氧微生物代謝  

 

   ? 首次捕捉到Polonite處理下硫化物（Stot）積累（200μM）與甲烷通量正相關，揭示堿化促進硫酸鹽還原菌與產甲烷菌的耦合作用  

 

2. 環境閾值量化：  

   ? 明確厭氧產甲烷的臨界Eh（<-100 mV）和pH（>7）參數，為預測修復技術對微生物過程的影響提供基準  

 

   ? 證實<500 μm的沉積物表層微氧層（圖1徑向剖面）消耗O?維持內部厭氧環境，解釋污染物形態變化  

 

3. 技術不可替代性：  

   ? 傳統取樣無法獲取的毫米尺度化學梯度（如O?/H?S躍變層），Unisense實現原位實時監測，揭示Al/Polonite對沉積物微環境的改造機制  

 

   ? 數據直接關聯污染物通量（如低pH區對應Fe/Pb釋放高峰），為修復技術優化提供物理化學依據