采用电动力学土工合成材料辅助真空预压结合电渗技术对不同重金属污染类型和水平下疏浚底泥进行脱水与修复的研究

《Geotextiles and Geomembranes》：Dewatering and remediation of dredged sediments under varying heavy metal contamination types and levels using electrokinetic geosynthetics-assisted vacuum preloading combined with electroosmosis

　　

摘要

电动力学土工合成材料辅助真空预压结合电渗（VPE）已被证明对疏浚沉积物改良有效。然而，现有研究主要关注脱水，对疏浚沉积物中脱水和修复的耦合机制理解不足。本研究使用VPE处理受Cu、Zn和Cu-Zn两种污染水平下污染的疏浚沉积物，研究其脱水和修复行为。结果显示，较高的初始Cu或Zn浓度导致更大的排水量。Cu浓度从50增加到800 mg/kg时，最终排水量增加7.5%；Zn浓度从200增加到2000 mg/kg时增加32%。与单独受Cu或Zn污染的疏浚沉积物相比，同时受Cu和Zn污染的沉积物表现出更强的脱水性能。随着初始污染水平的增加，尽管去除的Cu绝对量增加，但初始Cu库移除的比例从28%降至10%，而Zn去除的比例和绝对量均增加，前者从18%增加到33%。在相同的初始Cu浓度下，共污染疏浚沉积物中Cu去除得到增强，但Cu的存在并未促进Zn去除。

引言

疏浚广泛用于减少河湖沉积物中的污染物负荷并恢复水生生态功能（Fratini et al., 2025; Kato et al., 2025; Shi et al., 2026a; Wan et al., 2025）。疏浚作业不可避免地产生大量疏浚沉积物（Beljin et al., 2023; Liu et al., 2025; Meng et al., 2026; Yin et al., 2024）。仅在中国，估计每年产生超过10亿m³的疏浚沉积物（Wang et al., 2025a; Xiao et al., 2022）。疏浚沉积物通常具有高含水量、高压缩性和低渗透性的特征，且常受重金属污染（Berenjkara et al., 2019; Dong et al., 2025; Liu et al., 2024; Shi et al., 2026b; Wang et al., 2020）。如果管理不当，这些大量疏浚沉积物不仅占用大量土地资源，还会带来显著的环境风险。这将反过来限制河湖生态修复的有效性（Bates et al., 2015; Manap and Voulvoulis, 2015）。为了减轻疏浚沉积物处置的负担并缓解相关的环境风险，迫切需要脱水以减少疏浚沉积物体积，同时进行重金属修复（Cao et al., 2024; He et al., 2026; Reddy et al., 2006）。

真空预压结合电渗（VPE）是脱水低渗透土壤的有效方法（Hu et al., 2020; Peng et al., 2013; Zhang et al., 2025b）。近年来，VPE技术越来越多地应用于疏浚沉积物脱水（Bian et al., 2024; Liu et al., 2020）。与单独使用真空预压或电渗相比，VPE对疏浚沉积物脱水更为有效，因为它整合了两种方法的优势（Fu et al., 2017; Sun et al., 2017; Zhang et al., 2026）。例如，Qi et al. (2023)报道，在相同条件下，单独使用电渗或真空预压所获得的排水量仅为VPE技术所获排水量的50-60%。其他研究也观察到了类似的发现（Wang and Vu, 2010; Wang et al., 2025b）。然而，值得注意的是，VPE的脱水性能已被证明与土壤类型密切相关（Li and Zhu, 2024）。大多数关于VPE应用于疏浚沉积物脱水的研究主要关注未受重金属污染或仅受单一浓度Cu污染的疏浚沉积物（Chen et al., 2025; Lai et al., 2017; Li et al., 2024; Yu et al., 2026a）。对其他重金属污染的疏浚沉积物的脱水行为关注有限（例如，Zn是疏浚沉积物中常见的重金属）（Mastoi et al., 2021; Zhang et al., 2019），特别是在VPE处理涉及多种重金属的情况下。鉴于多种重金属在疏浚沉积物中广泛存在（Chen et al., 2019; Kim et al., 2011; Yu et al., 2026b; Zhang et al., 2014），以及不同重金属离子之间的相互作用可能影响脱水过程，研究多种重金属污染的疏浚沉积物在VPE条件下的脱水行为至关重要。

除其在脱水方面的作用外，VPE技术还能同时促进疏浚沉积物中重金属的去除（Wang et al., 2025b）。因为重金属离子能够形成水合阳离子，随后在水力和电压梯度的共同作用下与孔隙水一起迁移（Deng and Zhou, 2016; Pamukcu, 1992）。尽管已有几项研究采用VPE技术修复重金属污染的疏浚沉积物，但大多数研究关注单一浓度Cu污染的疏浚沉积物（Feng et al., 2025; Li et al., 2024; Shen et al., 2025）。对其他重金属的研究仍然有限，特别是关于多种重金属污染疏浚沉积物的修复。不同重金属表现出不同的迁移性和生物有效性（Caplat et al., 2005; Feng et al., 2023; Guevara-Riba et al., 2004），并且在VPE处理过程中它们之间可能发生相互作用（Bryan and Langston, 1992; Christensen, 1987）。这反过来会影响修复和脱水过程。为了更好地促进VPE在处理重金属污染疏浚沉积物中的应用，明确VPE条件下脱水和修复之间的耦合相互作用非常重要。需要在不同重金属污染条件下开展更多关于VPE下疏浚沉积物脱水和修复行为的研究。此外，目前关于重金属污染疏浚沉积物修复的研究主要关注重金属的去除量（Soetan et al., 2023）。然而，重金属形态的变化仍未得到充分探索。尽管重金属的去除量可以反映修复效果，但相关的环境风险更多地取决于其化学形态（Ding et al., 2022; Tiberg et al., 2021; Yang et al., 2013）。为了更全面地评估VPE技术在修复重金属污染疏浚沉积物中的效果，还应研究VPE处理过程中重金属形态的变化。

因此，本研究的主要目的是研究VPE处理的重金属污染疏浚沉积物中脱水与修复过程之间的耦合相互作用。考虑了各种重金属类型和污染水平。采用VPE技术处理单一Cu污染、单一Zn污染以及Cu-Zn共同污染的疏浚沉积物。选择Cu和Zn作为目标重金属是因为它们在疏浚沉积物中常见（Lager et al., 2005; Mamindy-Pajany et al., 2013; Wang et al., 2025a），且通常浓度较高（Guevara-Riba et al., 2004）。此外，Cu和Zn表现出不同的迁移特性，Zn通常表现出较高的迁移性，而Cu表现出中等迁移性（Feng et al., 2023; Lecomte et al., 2025）。选择Cu和Zn能够比较评估不同迁移性的重金属在VPE处理过程中的表现，并为其他重金属的迁移行为提供更广泛的见解。考虑到疏浚沉积物通常表现出不同水平的重金属污染，本研究基于地累积指数方法建立了两个浓度水平：低水平为50 mg/kg Cu和/或200 mg/kg Zn，高水平为800 mg/kg Cu和/或2000 mg/kg Zn。本工作将揭示VPE处理过程中疏浚沉积物中脱水与重金属修复之间的耦合相互作用。研究结果可为VPE技术应用于污染疏浚沉积物提供实用指导。

章节摘要

疏浚沉积物的采集

疏浚沉积物采集自中国安徽省芜湖市的一个疏浚工程现场（纬度31.1601，经度118.4885），如图1所示。该项目包括堤岸加固、河道疏浚、边坡和河岸保护以及堤岸生态修复。在进行VPE实验之前，疏浚沉积物在4°C下储存。对疏浚沉积物的子样品进行风干、分解和筛分后进行物理化学表征。

疏浚沉积物的表征

疏浚沉积物的平均pH值为8.0（见表3），呈弱碱性。其电导率为291 μS/cm。塑限和液限分别为30%和62%。此外，粒径分布结果表明，粘土（<5 μm）、粉土（5-75 μm）和砂（75-2000 μm）的含量分别约为25%、74%和1%（见图5）（Xu et al., 2026）。根据统一土壤分类系统，该疏浚

重金属污染条件对VPE脱水行为的影响

在本研究中，结果表明重金属类型和污染水平均影响VPE处理过程中疏浚沉积物的脱水。对于Cu污染的疏浚沉积物（T1和T2），Cu浓度从50 mg/kg增加到800 mg/kg导致累积排水量从约1840 mL增加到1980 mL，增加了7.6%。类似地，对于Zn污染的疏浚沉积物，增加初始Zn浓度

结论

以往关于真空预压结合电渗（VPE）用于疏浚沉积物改良的研究主要关注脱水性能，而脱水与重金属修复的耦合机制仍理解不足。本研究研究了VPE处理下受Cu、Zn和Cu-Zn共同污染的两个污染水平疏浚沉积物的脱水和修复行为。这些相互作用

CRediT作者贡献声明

冯建廷（Jianting Feng）：写作——初稿撰写、方法论、形式分析、概念化。沈洋（Yang Shen）：写作——审阅与编辑、资金获取。高洁培（Jiepei Gao）：写作——审阅与编辑、调查。高佳和（Jiahe Gao）：写作——审阅与编辑、调查。郑立高（Ligao Zheng）：写作——审阅与编辑、调查。邹伟烈（Weilie Zou）：写作——审阅与编辑。范科伟（Kewei Fan）：写作——审阅与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不知道任何可能影响本论文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中央高校基本科研业务费专项资金（资助号：B250201266）、江苏省优秀博士后人才资助计划（资助号：2026ZB559）、国家自然科学基金（资助号：52278343和52308349）以及黄河三角洲生态保护区重点实验室开放研究基金（资助号：LYBEPR202606）的支持。

冯建廷 | 沈洋 | 高洁培 | 高佳和 | 郑立高 | 邹伟烈 | 范科伟

教育部岩土力学与堤坝工程重点实验室，河海大学，南京，江苏，210024，中国