（市政工程专业论文）东洞庭湖沉积物中重金属吸附与释放规律研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo nh e a v ym e t a l sa d s o r p t i o no rr e l e a s ef r o m s e d i m e n t so fe a s td o n g t i n gl a k e b y g u oj u a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m u n i c i p a le n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh ux u y u e ，w u f a n g t o n g a p r i l , 2 0 11 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 孝 日期：p 、年r 月 游e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：喜? 娟 导师躲删弓 日期：1 1 年r 月刁6 日 日期：弘f 年，月西e l 一 摘要 选取东洞庭湖沉积物作为研究对象，分析了沉积物重金属的污染特性，探讨 了沉积物重金属的吸附释放规律，研究成果可为东洞庭湖湖体的污染控制及治理 提供相应的科学依据。主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 通过对六个取样点沉积物以及间隙水中重金属含量的测定，得知对生态 危害最为严重的是镉，其含量超过了国家三级土壤标准，湘江入东洞庭湖湖口污 染最严重。铜含量在国家一级土壤标准内( 泪罗江段除外) ；铅含量在国家一级 土壤标准内；锌含量在国家三级土壤标准以上( 岳阳县段除外) 。 ( 2 ) 东洞庭湖镉主要以残渣态为主，可交换态、碳酸盐结合态含量也较高： 铜主要以有机结合态和铁锰氧化态存在，残渣态也占有一定比例；铅主要以铁锰 氧化态存在，残渣态次之；锌的残渣态和有机结合态比例都较大。 ( 3 ) 地累积指数法和潜在生态危害法对沉积物中重金属评价结果表明湘江入 东洞庭湖湖口、岳阳市段、泪罗江段、新墙河段污染程度依次降低，扁山段与岳 阳县段污染最小；沉积物中间隙水中重金属浓度均超过地表水v 类标准限值十倍 以上。 ( 4 ) 单质吸附与竞争吸附中，重金属吸附随温度、p h 、离子强度的影响变 化趋势相似。温度条件对东洞庭湖沉积物吸附藿金属的影响相对较小，2 5 时的 单质吸附符合l a n g m u i r 和f r e u n d l i e h 吸附等温模型，竞争吸附符合l a n g m u i r 吸附等 温模型。p h 值的变化对吸附量有较大的影响，随p h 值的升高，金属离子吸附量 都有明显增加，单质吸附中，四种金属离子的吸附量大小排序为：铅 铜 锌 镉； 竞争吸附则是：铜 铅 镉 锌。随着离子强度的升高，沉积物对四种金属离子的 吸附量有很大的影响，单质吸附中，吸附量变化最大的是锌，其次为镉，再次为 铅、铜；竞争吸附中，沉积物对金属离子的吸附量均有下降，趋势与单质吸附一 致。镉、铜、铅、锌的竞争吸附量比单质吸附量要少。 ( 5 ) 东洞庭湖岳阳市段沉积物中重金属释放动力学符合e l o v i c h 动力学模型。 p h 对沉积物中重金属再释放的影响中，四种重金属均在酸性环境中释放快，随着 p h 升高，释放速率逐渐变慢直至趋于平衡。四种金属离子受温度影响的大小排序 为：铅 镉 铜 锌。随着离子强度的增加，四种金属的释放量都有所增加。从离 子强度为0 0 1 m o l l 至l j 0 1 m o l l ，受离子强度影响的大小排序为：镉 铜 锌 铅。 关键词：东洞庭湖；沉积物；重金属；污染评价；赋存形态；吸附；释放 一 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，s e l e c t i n ge a s td o n g t i n gl a k es e d i m e n t sa st h er e s e a r c ho b j e c t ， a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a v ym e t a lp o l l u t i o na n dt h ea d s o r p t i o n - r e l e a s er u l e o fh e a v ym e t a l si nt h es e d i m e n t s t h er e s e a r c hr e s u l t sc o u l dp r o v i d e ds c i e n t i f i cb a s i s f o rp o l l u t i o nc o n t r o l l i n ga n dg o v e r n a n c e t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sw e r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g hd e t e r m i n gt h ec o n t e n to fh e a v ym e t a l si ns e d i m e n t sa n dp o r ew a t e r o ns i xs a m p l i n gp o i n t s ，l e a r n e dt h a tt h ew o r s to fe c o l o g i c a lh a r mw a sc d ，i t sc o n t e n t e x c e e d e ds o l ln a t i o n a ls t a n d a r dg r a d e a n dt h ep o l l u t i o ni nd e l t ai m p o r tf r o m x i a n g ji a n gr i v e rw a st h em o s ts e r i o u s ；t h ec o n t e n to fc uw a sw i t h i nt h es o i ln a t i o n a l s t a n d a r d sg r a d ei i ( b e s i d e sm i l u or i v e rs e c t i o n ) ；t h ec o n t e n to fp bw a sw i t h i nt h e s o i ln a t i o n a ls t a n d a r d sg r a d ei ；t h ec o n t e n to fz nw a so u to ft h es o i ln a t i o n a l s t a n d a r d sg r a d ei i i ( b e s i d e sy u ey a n gt o w n ) ( 2 ) t h es t a t e o fc dw a sp r i o r i t yt or e s i d u a l ，i o ne x c h a n g ea n dc a r b o n a t e c o m b i n a t i o n p a t t e r n sw e r eh i g h e rl e v e l s ；c uw a sm a i n l yo r g a n i c a n df e m n o x i d e s i r o n ，t h er e s i d u a lr a t i ow a sl a r g e r ；p bw a sm a i n l yf e - m no x i d e s i r o n ，a l s o r e s i d u a lw a si nl a r g ep r o p o r t i o n ；z nw a sm a i n l yr e s i d u a la n d o r g a n i c ( 3 ) s e d i m e n t sw e r ea s s e s s e db yg e o a c c u m u l a t i o ni n d e xm e t h o d ，t h er e s u l t s h o w e dt h a tt h eo r d e ro ft h ef o u rh e a v ym e t a l sp o l l u t i o nl e v e rw a sd e l t ai m p o r tf r o m x i a n g j i a n gr i v e r ) y u e y a n gc i t y ) m i l u or i v e r ) x i n q i a n gr i v e r ) b i a n s h a n ) y u e y a n g t o w n t h ee c o l o g i c a lr i s ki n d e xa s s e s s m e n ts h o w e dt h a tp o l l u t i o no fb i a n s h a nw a st h e s l i g h t e s t h e a v ym e t a lc o n t e n ti np o r e w a t e re x c e e d e dt h el i m i to fs u r f a c ew a t e r s t a n d a r dl e v e lvm o r et h a nt e n st i m e s ( 4 ) i ne l e m e n t a la d s o r p t i o na n dc o m p e t i t i o na b s o r p t i o n ，a d s o r p t i o n so fh e a v y m e t a lw i t ht e m p e r a t u r e ，p h ，a n di o n i cs t r e n g t hw e r es i m i l a r t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s o nt h ei n f l u e n c eo fh e a v ym e t a l sa d s o r p t e dt os e d i m e n t so fe a s td o n g t i n gl a k ew e r e r e l a t i v e l y m i n o r w h e n2 5 ，t h ea d s o r p t i o nw a sa c c o r d i n gw i t ht h e l a n g m i u r a d s o r p t i o ni s o t h e r mm o d e la n df r e u n d l i c ha d s o r p t i o ni s o t h e r mm o d e li ne l e m e n t a l a d s o r p t i o n ；i nc o m p e t i t i o na d s o r p t i o nt h ea d s o r p t i o nw a sa c c o r d i n gw i t hl a n g m i u r a d s o r p t i o ni s o t h e r mm o d e l t h ep ho nt h ea d s o r p t i o nq u a n t i t yo fc h a n g e sh a dam a j o r i n f l u e n c e w i t ht h ep hi n c r e a s i n g ，a d s o r p t i o no fm e t a li o n sh a do b v i o u s l yi n c r e a s e d i ne l e m e n t a la d s o r p t i o n ，t h eo r d e ro fa d s o r p t i o nq u a n t i t yo ff o u rk i n d so fm e t a li o n s _ w a sp b 2 + c a 2 + z n 2 + c d 2 + ；i n c o m p e t i t i o na d s o r p t i o nw a sc u2 + p b2 + c d2 + z n2 + i n e l e m e n t a la d s o r p t i o n ，a l o n gw i t ht h ei o n i cs t r e n g t hi n c r e a s i n g ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t y o fz n 2 + h a dt h eg r e a t e s tc h a n g e ，f o l l o w e db yc d 2 + 、p b 2 + 、c u + m e t a li o n si nt h e a d s o r p t i o nq u a n t i t yc o m p e t i t i o na d s o r p t i o nd e c r e a s e d ，a n dt r e n dw a sc o n s i s t e n tw i t h e l e m e n t a l a d s o r p t i o n f o rav a r i e t yo fr e a s o n s ，t h eh e a v ym e t a la d s o r p t i o ni n c o m p e t i t i o na d s o r p t i o nw a sr e d u c e d ( 5 ) r e l e a s ek i n e t i c so fh e a v ym e t a l sf r o ms e d i m e n t si ny u e y a n gc i t ys e c t i o no f e a s td o n g t i n gl a k ew a sa c c o r dw i t he l o v i c hd y n a m i cm o d e l f o u rk i n d so fh e a v y m e t a l si na c i d i ce n v i r o n m e n tw e r e r e l e a s i n gf a s t e r , a sp hr i s i n g ，r e l e a s er a t ei n c r e a s e d s l o w l yg r a d u a l l yu n t i lt h ee q u i l i b r i u mt r e n d s t h eo r d e ra f f e c t e db yt e m p e r a t u r et o f o u rk i n d so fm e t a li o n sw a sp b 2 + c d 2 + c u 2 + z n ? + a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fi o n i c s t r e n g t h ，f o u rk i n d so fm e t a lr e l e a s eq u a n t i t yi n c r e a s e d f r o mt h ei o n i cs t r e n g t hf o r 0 o1m o l lt o0 1m o l l ，t h eo r d e ro fa d s o r p t i o nq u a n t i t yo ff o u rk i n d so fm e t a li o n s w a sc d2 + c u 2 + z n 2 + p b 2 + k e yw o r d ：e a s td o n g t i n gl a k e ；h e a v ym e t a l ；s e d i m e n t ；p o l l u t i o ne v a l u a t i o n ； e x i s t e n c ef o r m ；a b s o r p t i o n ；r e l e a s e ! i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景一( 1 ) 1 1 1 问题的提出( 2 ) 1 1 2 洞庭湖的背景y ( 3 ) 1 2 国内外研究现状( 3 ) 1 3 重金属的吸附与释放的影响因素一( 5 ) 1 4 沉积物中重金属污染评价( 7 ) 1 4 1 地累积指数法( 8 ) 1 4 2 潜在生态危害法( 8 ) 1 5 选题意义及研究内容( 9 ) 1 5 1 选题意义一( 9 ) 1 5 2 研究内容( 9 ) 1 5 3 技术路线( 9 ) 第二章实验材料与方法 2 1 样品的采集”( 1 1 ) 2 1 1 采样点设置( 1 1 ) 2 1 2 样品的采集和制备方法( 1 1 ) 2 2 实验材料( 1 2 ) 2 2 1 实验所需仪器”( 12 ) 2 2 2 实验所需试剂( 1 2 ) 2 3 分析测定方法( 12 ) 2 3 1 表层沉积物理化性质测定( 1 2 ) 2 3 2 间隙水中重金属总量的测定( 1 3 ) 2 3 3 沉积物重金属总量测定( 1 3 ) 2 3 4 沉积物重金属赋存形态测定( 1 3 ) 第三章东洞庭湖沉积物重金属污染状况及评价 3 1 沉积物物化性质( 1 6 ) 3 2 沉积物与间隙水重金属含量”( 1 6 ) 3 3 沉积物重金属含量分布分析( 1 8 ) 3 4 沉积物重金属赋存形态分布状况( 2 0 ) 3 5 沉积物重金属污染评价( 2 2 ) 3 5 1 地累积指数法( 2 2 ) 3 5 2 潜在生态危害法( 2 3 ) 3 6 本章小结一( 2 5 ) 第四章东洞庭湖沉积物重金属吸附规律研究 4 1 实验方案与计算公式”( 2 7 ) 4 1 1 实验方案( 2 7 ) 4 1 2 计算公式( 2 8 ) 4 2 结果与讨论( 2 8 ) 4 2 1 温度对吸附的影响( 2 8 ) 4 2 2p h 值对吸附的影响( 3 3 ) 4 2 3 离子强度对吸附的影响( 3 5 ) 4 3 本章小结- ( 3 7 ) 第五章东洞庭湖沉积物重金属释放规律研究 5 1 实验方案与计算公式( 3 9 ) 5 1 1 实验方案”( 3 9 ) 5 1 2 计算公式( 4 0 ) 5 2 结果与讨论( 4 0 ) 5 2 1 释放动力学”( 4 0 ) 5 2 2p h 值对重金属释放的影响( 4 2 ) 5 2 3 温度对重金属释放的影响( 4 4 ) 5 2 4 离子强度对重金属释放的影响“( 4 5 ) 5 3 本章小结( 4 6 ) 第六章结论与展望 6 1 结论( 4 8 ) 6 2 展望( 4 9 ) 参考文献( 5 0 ) 致谢( 5 5 ) 附录a ( 攻读学位期间发表论文目录) ( 5 6 ) 附录b ( 攻读学位期间从事科研项目目录)( 5 7 ) 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 问题的提出 我国的地表水资源丰富，这些水资源具备供水用水、水利发电、水产养殖、 气候调节等多种功能。近数f 年来人类影响力越来越大，产生的环境效应越来越 明显，但人们的环保意识仍然十分薄弱。在这一过程中，地表水资源受到严重的 环境破坏，河流湖泊面临着水中悬浮物含量增大、重金属含量超标、水体富营养 化以及生物资源退化等诸多问题。其中，重金属造成的环境污染也已成为世界性 的问题。 通常情况下，若没有人为干预，水体中的重金属含量较低，不会对人类的健 康产生负面影响。但工矿业废水、生活污水等未经适当处理就直接向外排放、被 污染土壤及废弃物堆置场受到流水作用以及富含重金属的大气沉降物输入作用， 都使水体重金属含量急剧升高。尤其是冶炼业、采矿业、电镀业等的发展，向水 体中排放大量含重金属元素的废水。其中，电镀行业排放的废水中含有大量的 c u 2 + 、z n “、n i 2 十、c d 2 + 、c r 6 + c r 3 + 、a g + 、a u + 等金属离子，含量变化较大，浓 度高，成分还很复杂【1 1 ；电子行业排放的废水中含有大量的c u ”、n i 2 + 、p b 2 + 、s n 2 + s n 4 + 等金属离子，含量变化大，形态不一，既有固体悬浮金属颗粒，也有游离态 非络合金属离子，同时还有络合态的络合金属离子【2 】。就外来污染方面来讲，除 了污水排放外，还有日益增多的海上船舶对重金属的输入作用也不能小视。其正 常营运中产生的废弃物污染有：由船舶石油运输造成的石油污染；由散装液体化 学品运输而造成的散装有毒液体物质污染；由包装危险货物运输造成的包装有害 物质污染；船舶生活污水污染；船舶垃圾污染；船舶对空气的污染以及船舶压载 水、沉积物污染七个方面1 3 j 。 由于城市内河、湖水流速度缓慢，通过各种途径进入水体的重金属绝大部分 被水体中的悬浮颗粒物和沉积物吸附，而后在水动力的搬运过程中，当其负荷最 大于搬运营力能量时，便逐步沉积下来，致使沉积物中重金属浓度相对于水中浓 度要高得多【4 】。例如，2 0 世纪8 0 年代，我国通过对苏州河、湘江、太湖梅梁湾、 锦州湾等河湖的调查研究发现，许多水体均存在不同程度的重金属污染，其中严 重河段的水相重金属浓度已高达几i - t g l ，而沉积物中重金属浓度达上千g g g 。滇 池内湖滨c d 平均含量为1 6 3 3 m g k g ，c u 平均含量为1 5 9 5 4 m g k g ，z n 平均含量为 2 1 9 8 6 m g k g 5 1 。我国许多河流都已经或正在受到严重污染，且此趋势将愈演愈烈 【6 】。国外河流，如欧洲莱茵河流域、美国的五大湖地区、荷兰的阿姆斯特丹港口、 德国的汉堡港等沉积物的污染均十分严重r 7 1 。沉积物已被认为是水体污染的指示 剂哺】一旦河流中的水体环境发生突变，沉积物中的重金属和难降解有机物等就 会受影响而重新释放入水体，破坏上覆水水质，形成二次污染。另外，沉积物又 是底栖生物( 如螺类、海绵、比目鱼等) 的主要活动场所和食物来源，其间的污 染物质会对底栖生物和上覆水生物直接或间接地产生毒害作用，紧接着通过生物 富集及食物链放大等作用，进一步危及到陆地生物和人类的健康【9 ，l o l 。 沉积物重金属毛要来源于自然作用和人为污染。各种地质作用，如构造运动、 地震作用、陆地和海底岩石风化剥蚀作用、沉积作用和硬结成岩作用等，都会造 成重金属元素的再分布，如在水体中分散迁移及在沉积物中沉积聚集等。这种自 然作用的结果表现了环境要素在未受污染情况下重金属元素的正常含量，以及环 境中能量分布的正常值。陈静生等【l l 】通过对中国东部主要河流的研究，指出南方 河流沉积物中重金属元素含量高，是由该地区的地质环境( 广泛存在的有色金属 矿) 和南方更多变的天气( 亚热带气候) 状况引起的较强风化作用造成。一般来 说自然来源的含量不会造成对人类的影响，其污染物主要通过大气沉降、废水排 放、水土流失、雨水淋溶与冲刷的方式进入水体，最后沉积并逐渐富集到沉积物 中2 1 。近些年来，人类活动对重金属污染存在较大的影响：海南三亚湾海湾水质 因旅游业的兴旺，人类活动频繁，河口水质已受严重污染，p b 含量明显超出标准 值，而且水体重金属含量近岸含量高，远岸含量低。千娜等1 1 3 j 也证实了重金属元 素含量变化主要受制于人类活动的强度和方式。 大多数藿金属毒性很强，很少量就会影响人们的健康，其危害性已远远超过 其他污染物。重金属元素易在沉积物中累积，这些污染物首先影响的便是水生生 物，然后通过食物链的形式影响到整个水生态系统1 1 4 1 。人们对于重金属污染的认 识由来已久，许多研究表明重金属元素( 包括类金属元素) 与生物大分子基团( 蛋 白质) 和遗传物质相互作用可致使多器官的发生畸变突变和癌变效应【l5 1 。历史上 曾发生过多次重金属中毒事件，主要因为饮用或食用过受重金属污染的水或食物： 1 9 2 9 年澳大利亚的某医生发现q u e e n s l a n d 城肾病发病率高，且早期死亡，进一步 研究探明是因为饮用了用含铅油漆漆过的屋顶收集而来的雨水【1 6 l ；日本曾发生过 因镉污染引起的“骨痛病”和因汞污染引起的“水俣病”事件；2 0 0 5 年，在湖南湘江 流域已有突发性a s 和c d 污染事件发生【1 7 】。 重金属在水体中的各种迁移转化过程并不是受单因素控制，而是综合因素作 用控制的过程，研究其在水体中的迁移转化规律需综合考虑各方面影响因素及过 程。同时，从重金属在水体中的迁移转化过程可以得出，要弄清河流沉积物中重 金属污染的变化规律，了解重金属在水体中的吸附与释放规律是十分重要的环节， 因此人们对吸附与释放的研究都保持着极大的兴趣和重视。近年来，人们普遍采 用疏浚来清除沉积物重金属污染，但是，新暴露的沉积物是否会再次成为重金属 2 释放的“源 与积累的“汇 与重金属在沉积物与上覆水中的形态转化、氧化还 原环境和微生物环境等因素之间的关系等这些问题都唾待解决。 鉴于我国河流重金属污染比较严重的现状，本文以东洞庭湖为研究对象，通 过对表层沉积物的分析测定，揭示东洞庭湖沉积物重金属污染的分布特征，并对 其进行生态风险评价；开展沉积物中重金属在不同环境条件下的吸附、释放实验， 研究沉积物重金属的吸附与释放规律。本文的研究成果可为东洞庭湖的污染控制 及治理提供科学依据，并为其它河流沉积物重金属的研究提供参考。 1 1 2 洞庭湖的背景 洞庭湖( 2 8 0 4 4 - - - 2 9 0 3 57 n ，1 1 1 0 5 37 1 1 3 0 0 5 e ) 跨湘鄂两省，位于湖南省北 部、长江荆江河段南岸，是中国第四大湖、第二大淡水湖和长江最重要的调蓄湖 泊，面积2 8 2 0 平方千米( 1 9 9 8 年) ，洞庭湖北面有松滋、太平、藕池、调弦( 1 9 5 8 年已封堵) 四口分泄长江来流，其下形成的河道分别称为松滋河、虎渡河和藕池 河( 简称松虎藕河道) ，西面和南面有湘水、资水、沅水、澧水四水汇入，周 边还有泪罗江、新墙河等小河流入湖，所有入湖之水，由东面的城陵矶一口流出， 直汇长江，形成向北开口的马蹄形盆地，最终流入东海【1 8 】。由于泥沙淤塞、围垦 造田等多种原因，洞庭湖被分为东洞庭湖、西洞庭湖( 目平湖) 和南洞庭湖( 万 子湖) 三个部分。东洞庭湖湖盆面积1 2 8 8 9 k i n 2 ，南洞庭湖9 0 7 2 k i n 2 ，目平湖 3 1 4 5 k m 2 【1 9 l 。湖区属亚热带季风湿润气候区，自然资源丰富，其中的东洞庭湖于 1 9 9 2 年，西洞庭湖和南洞庭湖( 包括万子湖和横岭湖) 于2 0 0 2 年，分别被国际 湿地公约组织列入国际重要湿地名册1 2 u 。 洞庭湖流域内的“四水 和“四口 每年携带大量泥沙入湖，其中，一部分 自城陵矾输出进入长江，另一部分则淤积在东、南、西洞庭湖及湖区洪道内。据 洞庭湖水文控制站泥沙资料统计【1 8 】，1 9 5 l 1 9 9 8 年，全湖平均来沙量为 1 7 5 1 0 xlc t ，输出量为4 4 8 6 x1 0 4 t ，输出比为2 6 ，近3 4 的泥沙淤积湖区。 在通常的物理化学条件下，河水中输送的可溶性重金属大部分都迅速地被悬 浮颗粒物质吸附，当水环境化学条件改变时，固定在底部沉积物中的重金属还能 释放出来。因而，洞庭湖沉积物成为其流域内重金属的“汇一和潜在的“二次污 染源”。 1 2 国内外研究现状 我国经历了多年的快速发展，国际影响力越来越强，但在发展工农业以及其 他行业的同时，依然延续了一些发达国家的“先污染，后治理 的老路，这对环 境造成了极大的污染破坏。其中河流污染不容忽视，为了控制和治理河流污染， 国内外对沉积物中重金属展开了大量的的研究工作。 3 目前，对沉积物吸附一释放重金属的实验研究，还主要以研究各种环境因予 的影响为主，而且侧重于单因子的影响研究。国外关于沉积物中重金属的吸附 解吸研究较早也较多。p a l h e i r o s 等【2 4 l 研究了沉积物对重金属c d 的吸附状况，讨论 了p h 值、吸附介质的离子强度以及水溶液中c r 含量等对吸附的影响，结果表明 p h 值在沉积物吸附重金属的过程中作用最大。j a i n1 2 5 1 通过研究几种重金属在k a l i 河( 印度) 沉积物中的吸附情况以及各种环境因子对其吸附的影响，得出其吸附 能力会随着p h 值的升高、沉积物浓度的增大及粒度的减小而增大，吸附过程分为 两个阶段，即：反应开始4 5 r a i n 的吸附量与时间呈线性关系阶段：4 5 m i n 后吸附趋 于平衡阶段。s o l t a n 等【2 6 j 以n i l e 河沉积物为研究对象，指出p h 值是影响沉积物对 重金属吸附的最重要因素，且沉积物对p b 和c d 的吸附最强，其次为z n 、c u 以及 m n ，并且这些重金属的吸附曲线符合l a n g m u i r 和f r e u n d l i c h 等温模型。 在开展环境因素对沉积物中重金属吸附释放的浓度变化值研究的同时，为了 更深入的解释产生那个变化值的原因，很多学者在沉积物组分、水体中物质含量 以及其他方面对重金属吸附释放的贡献方面进行了诸多研究。j e n n e1 2 7 j 报道了粘 土矿物颗粒中的有机质和次生矿物在沉积物对微量藿金属的吸附过程中起着主要 作用。r o s e 【2 引研究得出沉积物对重金属离子的吸附与其离子半径密切相关，即重 金属的离子半径越小，越易被沉积物吸附。k o e l m a n s l 2 9 1 研究了新西兰v o l k c r a k 湖 沉积物和悬浮物对c d 的吸附状况，指出c d 被沉积物吸附几乎全靠沉积物中的两 种地球化学相，即铁锰氧化物和有机物，且此两种地球化学相与粘土矿物含量有 一定的相关性，揭示了沉积物中粘土矿物作为机械基质的重要性。还有研究涉及 到了几种重金属离子混合液在沉积物上的竞争吸附。 我国对重金属在沉积物中的吸附一解吸研究始于七十年代末八十年代初。金相 灿等【3 0 1 通过对黄河中悬浮物对重金属吸附的影响研究，提出了“泥沙效应 ，即 黄河泥沙对重金属离子的吸附量会随泥沙含量的增加而呈负指数规律下降。黄廷 林等【3 1 1 研究了不同环境化学条件对沉积物中重金属释放的影响，指出环境化学条 件对沉积物中重金属的赋存形态以及重金属的释放量都有一定的影响。黄廷林等 口2 l 还研究了沉积物中重金属释放的粒度效应，即污染浓度条件相同时，粗颗粒沉 积物中重金属的初期释放量和释放强度较高，平衡释放浓度随沉积物粒度减小略 有增加，重金属释放的粒度效应较沉积物吸附重金属的粒度效应会更加明显。翁 伸颖等1 33 j 研究了沉积物粒度对重金属吸附的影响，指出不同粒度沉积物的吸附位 及组成是影响沉积物对重金属吸附的主要原因。另外，文湘华等【3 4 】还研究了恒定 容量模式、扩散层模式和三层模式在乐安江沉积物吸附重金属的拟合应用情况， 结果表明，三种表面络合模式均能较好地描述天然沉积物的吸附过程，但尚不能 确定哪种模式从化学原理上分析更优。方涛等1 3 5 1 研究了沉积物中酸挥发性硫化物 ( a v s ) 对重金属吸附一释放的影响，得出重金属由于不断地被沉积物吸附而在 4 水溶液中维持在一很低的浓度水平上；酸挥发性硫化物增加了沉积物的吸附容量。 魏俊峰等【3 6 j 研究了沉积物重金属在不同p h 条件下的释放能力以及酸性条件下重 金属的释放动力学，结果表明，p h 东洞庭湖( 偏重污染) 西洞 庭湖( 中度污染) 大通湖( 中度污染) 城陵矶( 轻度污染) 。对东洞庭湖沉积 物中重金属吸附一释放规律的研究还鲜有报道。 水体中沉积物与水界面的重金属吸附释放是一个多因素共同作用的过程，随 着周围某一种影响因子的变化会引起其他影响因子对沉积物的吸附释放产生影 响。沉积物中的重金属吸附、释放二者存在密切的关系。在自然状态下，沉积物、 水的两相界面上是动态的吸附与释放的平衡，沉积物与上覆水水体之间的物质交 换过程十分复杂，常常包括物质的生物循环，颗粒的沉降与再悬浮、溶解态物质 的吸附与释放、沉淀与溶解等等。这些物理化学、生物过程交织在一起，增加了 研究的难度。当吸附的反应速率大于释放时就表现为沉积物中重金属浓度的增加； 反之，重金属向水体迁移。随着外源控制不断得到加强，但是内源污染的释放依 旧阻碍着水质恢复的进程。 1 3 重金属的吸附与释放的影响因素 ( 1 ) p h 值沉积物中重金属的释放受p h 值影响较大，随着p h 的增大，沉 积物中的重金属的释放量呈增加趋势。随着p h 值的下降，会导致碳酸盐和氢氧化 物的溶解。同时，由于h + 的竞争，增加了金属阳离子的释放。p h 值的降低能使 重金属溶解度明显增加；在中性溶液中，溶解度可以增加几个数量级，而在p h = 4 时，大部分重金属可以溶解。p h 值能控制粘土矿物对重金属的吸附过程。同时， 酸碱度对水合铁氧化物的沉淀影响也非常显著。文湘华【37 1 指出乐安江沉积物样品 所含c u 、p b 、z n 和c d 的最大释放出现在最低p h 条件下。在接近样品原p h 条件 下，样品所含金属的释放比例及其绝对量和淡水中金属含量的背景值。郝向英等 【3 8 l 实验结果表明，颗粒物对金属离子的吸附随水溶液p h 值的增高而增强；在同 一吸附剂浓度f ，吸附质浓度增高，使吸附突跃区间向高p h 值方向移动。路永正 等1 3 9 1 研究了复合污染的藿金属体系沉积物对c u 2 + ，p b2 + 9 z n2 + 和c d 2 + 的吸附能 5 一 力随p h 的降低而减小，p h 的降低造成锰氧化物的溶解，可能在一定程度上影响 沉积物对重金属的吸附能力。 ( 2 ) 沉积物的组成成分沉积物中对吸附起作用的活性组分包括粘土矿物、 有机质( 包括腐殖质)以及碳酸盐等，这些组分一般情况下表面带有负电荷或 极性基团，能吸附带正电荷的重金属离子( 或水合离子) 4 1 l 。但当某一组分去 除则其对重金属的吸附贡献消除。另外，沉积物中某一组分的相对含量及对各重 金属离子的活性不同，这导致沉积物对蘑金属吸附影响的差异。蔡金娟等【4 0 j 深入 探讨了腐殖酸的不同组分对沉积物中c u 、p b 、c d 、z n 向水中释放的影响，结果 表明：腐殖酸的添加使沉积物中重金属的释放量受到显著影响。庄云龙等【4 1 】以淀 山湖沉积物作为研究对象，得出淀山湖沉积物的组成对重金属吸附有较大的影响， 其中沉积物中粘粒对c u 、p b 、c d 和z n 的吸附最强，沉积物中有机质对四种重金 属也有较强的吸附，特别对z n 的吸附最强。碳酸盐对z i l 的吸附较弱，而对c u 、p b 和c d 有较强的吸附。 ( 3 ) 离子强度重金属吸附量会随着溶液离子强度的增加递减。离子强度对 重金属吸附的影响中，阳离子的影响与它们的离子化合价有关，化合价越高则影 响越大。溶液中阳离子一般包括两大部分，即自然水体中的主要离子，如c a2 + 、 n a + 、k + 、m 9 2 + 等和污水中其他金属离子。当然，其他金属离子会和实验元素产 生竞争吸附，但是水体中的主要离子，无论从数量上，还是反应时间上都是不可 忽视的影响因素。 ( 4 ) 温度 温度是沉积物对重金属吸附反应中的重要影响因子，但相比p h 值、沉积物性质、离子强度，其对吸附的影响还是很小的。吸附过程中，吸附剂 对重金属的吸附既有随温度升高，离子交换能力增强的交换吸附，又有随温度升 高，吸附能力降低的分子吸附，而物理吸附和化学吸附都是放热反应，所以吸附 力综合作用的结果是在一定温度范围内具有较好的吸附作用。在吸附过程中，吸 附温度和吸附质的分压往往决定了吸附量的多少。释放则可认为是吸附的反过程， 释放量则随温度的适度升高而升高。 ( 5 ) 反应时间在吸附的初始阶段，吸附较快，随后吸附速度逐渐减慢， 吸附量也在缓慢增加，而随吸附时间的增加，吸附速率却在减小。章梦吟等【4 2 l 研 究了温州景山森林公园五种不同土壤的p b 的吸附动力学，指出五种土样均能在3 h 内达到吸附平衡。在吸附解吸过程中，释放反应达到平衡的时间要比吸附反应所 需时间长的多，释放速率存在几个数量级的差别。 ( 6 ) 溶解氧溶解氧主要是改变了水体氧化还原环境，而对沉积物中重金 属的稳定性产生影响，这种影响与其形态息息有关。在氧化型环境中( e h _ 4 0 0m v 是氧化环境，4 0 0 2 0 0m v 为弱氧化环境) ，重金属主要由铁锰氧化物等吸附固定， 当变为还原型环境后会因为铁锰氧化物被还原而释放出来；在还原型环境中 6 ( 2 0 0 0 m v 为中度还原环境，0 m v 以下为强还原环境) ，重金属主要由有机物和 硫化物吸附固定，当变为氧化型环境时，重金属也会因为载体氧化而被释放出来。 文湘华等【4 3 】认为铁锰氧化物吸附的重金属在缺氧环境下容易释放，并推测沉积物 主要是由铁锰氧化结合重金属。 ( 7 ) 上覆水中悬浮物质悬浮物中含有较强能力的活性物质，如难溶于水 的淤泥、黏土、有机物、藻类和微生物等。他们的种类和特性决定着悬浮沉积物 的吸附特性。赵锁志等【4 4 l 对黄河内蒙古段展开了研究，分析结果表明：除了舡元 素，悬浮物中h g 、c d 、p