电渗析同步提取分离淡水沉积物中磷与重金属的技术研究——沉积物特性的影响机制

本研究针对淡水沉积物中磷回收与重金属污染协同治理的难题，开发了3室和2室电渗析（ED）技术，实现了磷（35-50%）与重金属（Zn最高85%）的高效分离，获得无重金属污染的磷产品，为沉积物资源化利用提供了创新解决方案。

　　

在当今水资源保护与循环经济发展的双重挑战下，淡水湖泊沉积物的治理问题日益凸显。这些沉积物既是磷（P）等营养元素的"储蓄库"，又是重金属污染物的"聚集地"，形成了一种复杂的环境困境。磷作为生命必需元素和欧盟列出的关键原材料，其回收利用对农业可持续发展至关重要；而重金属如镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、铅（Pb）、锌（Zn）等则对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统的湖泊修复技术如铝盐或铁盐处理虽然能够暂时控制富营养化，但只是将磷沉积在沉积物中，并未实现真正去除，更无法解决重金属污染问题。 dredging（疏浚）作为常用的沉积物管理手段，往往导致大量污染沉积物被送往 landfill（填埋场），不仅造成磷资源的浪费，还需要占用大量土地并产生高昂的运输成本。

针对这一多重环境挑战，丹麦技术大学（DTU）的Aishwarya S. Paradkar、Pernille E. Jensen、Kasper Reitzel、Anna-Marie Klamt和Lisbeth M. Ottosen研究团队在《Waste Management》上发表了一项创新性研究，开发了基于电渗析（Electrodialysis, ED）技术的综合治理方案。该研究首次系统比较了3室（3C-ED）和2室（2C-ED）电渗析装置对淡水沉积物中磷与重金属的同步提取分离效果，为沉积物资源化利用提供了新的技术路径。

研究团队采用电渗析技术为核心方法，通过对比3室和2室ED装置的处理效果，系统评估了不同沉积物特性对处理效率的影响。实验选取了来自丹麦两个淡水水体（Slotssoen湖和Raadvad Millpond）的沉积物样本，分别代表轻度污染和重度重金属污染两种类型。研究通过 sequential extraction（连续提取）分析揭示了磷和重金属的形态分布特征，采用BCR四步连续提取法评估重金属在不同相态中的迁移转化规律。

3.1. 电压、pH和电导率的动态变化关系

研究发现，ED处理过程中电压、pH和电导率呈现明显的相关性。在3C-ED装置中，沉积物悬浮液的pH在最初几天保持稳定或略有上升，电导率下降，电压因高电阻而升高。随着处理进行，2C-ED装置由于阳极直接置于悬浮液中，酸化过程比3C-ED装置提前一天开始。当pH持续下降时，离子解离增加，导致电导率升高和电阻降低。S2-2C-11D实验中的电导率在第7天后急剧上升至74.5 mS/cm，表明酸化缓冲能力已耗尽。2C-ED装置由于仅使用一个离子交换膜且电导率更高，其电阻低于3C-ED装置，能耗也相应较低（S2-2C-11D为757.7 kWh/吨，而S1-3C-11D为1486.7 kWh/吨）。

3.2. 处理前沉积物特性分析

两种沉积物在电导率、有机质含量和重金属浓度方面差异显著。S2沉积物较粗糙，CaCO₃含量更高。重金属浓度顺序均为Zn > Pb > Cu > Cr > Ni > Cd。S1沉积物中的Cd浓度超过了丹麦农用废物处理标准，而S2沉积物中所有重金属浓度均超过了土壤改良剂和丹麦农用标准的限值。两种沉积物的磷浓度（1.3-1.5 g/kg）均高于农业土壤的平均水平（0.5-0.8 g P/kg）。

3.3. 磷的提取与分离效果

提取的磷主要存在于3C-ED装置的阳极室和2C-ED装置的滤液中。3C-ED装置阳极室中的磷完全不含重金属，表明其具有较高的回收潜力，可作为液体肥料使用。而2C-ED装置滤液中的磷并未完全与重金属分离，限制了其回收利用价值。磷的提取率随处理时间延长而提高，4天ED处理后S1和S2的磷提取率分别为20-30%和5-10%，延长至11天后提取率提高约20%。连续提取分析表明，HCl可溶性磷在ED处理过程中被完全提取，而其他磷组分（nrP、P-BD、P-NaOH和P-Residual）的迁移性较弱。

3.4. 重金属的提取与形态转化

重金属提取率随处理时间延长而改善，11天3C-ED处理后S2沉积物中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的提取率分别为73%、2%、52%、34%、53%、87%，高于S1沉积物（49%、8%、10%、18%、12%、82%）。2C-ED装置对S2沉积物中重金属的提取效果也较为显著。重金属在3C-ED装置中向阳极室的电迁移效率高于2C-ED装置，实现了磷与重金属的完全分离。连续提取分析显示，与可交换态和可还原态相关的重金属在ED处理过程中被有效提取，Zn和Cd的浓度降低了60-90%。与氧化态相关的重金属因搅拌诱导的氧化作用而部分迁移，2C-ED装置因阳极直接接触悬浮液产生氧气，对氧化态重金属的迁移效果优于3C-ED装置。

3.5. 处理后沉积物特性变化

11天ED处理后，沉积物中易溶组分（Ca、Cd、K、Mg、Mn、P、Zn、CaCO₃）减少，难溶组分（Cr、Fe、S、有机质）浓度因质量损失而相对增加。Ca和CaCO₃的 depletion（耗竭）最为显著，3C-ED处理的质量损失（27-30%）高于2C-ED处理（10-12%）。处理后S1沉积物中的重金属浓度符合农用标准，适合作为土壤改良剂回收利用；而S2沉积物尽管重金属浓度有所降低，但仍超过限值，需要进一步优化处理条件。

研究结论与意义

该研究成功证实了电渗析技术能够实现淡水沉积物中磷与重金属的同步提取与分离，获得无重金属污染的磷产品。3C-ED装置在磷提取和分离效果方面优于2C-ED装置，且能耗较高的缺点可通过优化操作条件来改善。研究还揭示了磷和重金属的迁移机制，为工艺优化提供了理论依据。这一技术创新不仅为湖泊沉积物治理提供了新的技术路径，更符合循环经济发展理念，实现了废物资源化利用的双重目标。未来通过优化电流密度、处理时间、搅拌速率等参数，特别是针对难迁移的氧化态重金属开发预处理技术，有望进一步提升处理效果，推动该技术在实际工程中的应用。