我国水系底泥重金属含量普遍接近生态风险的阈值,特别是镉(Cd)等具有高毒性的重金属含量普遍较高。纳米材料因具有比表面积效应、小尺寸效应、极高的反应活性等特性,对底泥或者土壤中的重金属具有良好的吸附或者固定性能。因此,本文选用两种典型纳米材料(纳米羟基磷灰石(nHAP)和纳米零价铁(nZVI))用于修复底泥重金属Cd。同时为了提高材料对Cd的修复效果以及降低材料对底泥环境带来的负面影响,我们分别利用生物炭(BC)和海藻酸钠(SA)来改性纳米羟基磷灰石(nHAP)和纳米零价铁(nZVI)。具体研究内容如下:1.通过场发射扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)等一系列表征手段来观察材料的表观形貌,粒径大小和表面相组成。结果表明,nZVI呈现链条状,粒径范围大约在50~80 nm,且外表面具有一层厚度为3~4 nm的氧化壳的膜。SA/nZVI颗粒分散较为均匀呈现球状,粒径范围在100~120 nm之间,这主要是由于SA的包覆所致。XRD图像中,SA/nZVI没有出现氧化铁的峰,表明其没有被氧化;对比BC的SEM图,BC/nHAP的表面上出现了许多的白色颗粒,从EDS图中可以得出,这些白色颗粒即为羟基磷灰石。XRD结果表明纳米羟基磷灰石不仅分散在了生物炭的表面,也有部分分散在了生物炭的孔隙中,所以导致相应特征峰的峰值变低。因此,本实验分别成功的制备出了SA改性的nZVI和BC改性的nHAP。2.生物炭改性纳米羟基磷灰石(BC/nHAP)对底泥重金属Cd的稳定性研究。经过30天的修复,BC、HAP以及BC/nHAP处理的底泥样品中残渣态的转化率分别为36.1%,40.2%和62.0%。其中,BC/nHAP处理组中Cd残渣态转化率最高,表明该材料对重金属Cd的固定效果最好。同时,TCLP毒性浸出实验表明BC/nHAP处理组中可滤取态的Cd的含量最低,已经达到了0 mg/kg。pH和CEC的变化与Cd的修复机理紧密相关。BC/nHAP处理组中有效磷的含量最低,可能是生物炭担任了吸附剂的作用,吸附了磷酸盐材料释放的磷,大大降低了二次污染的风险。3.海藻酸钠改性纳米零价铁对底泥重金属Cd的稳定性研究。相比于nZVI,不同浓度的SA/nZVI对重金属Cd均具有更好的稳定效果。其中0.1 wt%SA/nZVI对Cd的稳定效果最好,经30天的处理,相比于未加任何修复剂的底泥样品,Cd最大残渣态质量分数增加了41.79%。SA/nZVI稳定Cd的机制主要是吸附和螯合作用。底泥样品中脲酶和过氧化氢酶的活性均呈现一定的上升趋势。0.10 wt%SA/nZVI处理的底泥样品中脲酶和过氧化氢酶的活性分别增大了4.75和1.77倍。酶活性的增加,可能是因为纳米材料的加入增加了底泥中Cd的残渣态含量,增加了其稳定性并降低了其生物可利用性。相比于对照组,纳米铁材料的加入均改变了底泥中细菌群落的结构,其改性的纳米零价铁显著提高了底泥细菌群落的多样性。