随着城市化和工业化的快速推进,河流受人类活动的干扰越来越强烈,河流重金属污染现象也日趋严重。重金属可通过吸附、络合、沉淀等作用沉积到底泥中,当底泥外部环境发生改变时,底泥中的重金属易重新释放至上覆水中,易引起二次污染,对生态环境和人类健康造成巨大威胁。因此,寻找高效修复重金属污染底泥的新技术方法是水环境领域一直关注的问题。随着环境纳米技术的发展,利用铁系纳米材料作为稳定试剂以解决重金属污染问题逐渐成为研究的热点。其中,以纳米零价铁(NZVI)为代表的铁纳米材料具有比表面积大、还原活性高、反应速度快、吸附性强等特点,在治理重金属及有机物污染等一系列环境问题上已表现出优越的性能。但因NZVI还原性较强,在环境中易被氧化,且由于自身的磁性引力及颗粒间的范德华力等作用,NZVI颗粒易于团聚,进而降低了NZVI的反应活性及在底泥中的移动性,对环境污染修复工作不利。基于此,本研究采用海藻酸钠(SA)、鼠李糖脂(RL)、氧化石墨烯(GO)三种改性剂来制备分散型NZVI,用于提高NZVI的反应活性和迁移性,并以湖南省湘江长沙段镉(Cd)污染底泥为研究对象,深入研究分散型NZVI材料对底泥重金属Cd的稳定作用及行为机理,以实现重金属污染底泥的有效处理与河道生态环境改善。具体研究工作及创造性成果如下:第一部分为分散型NZVI的合成及其对Cd污染河道底泥的稳定性研究。成功制备并表征了海藻酸钠改性的纳米零价铁(SNZVI)、鼠李糖脂改性的纳米零价铁(RNZVI)和氧化石墨烯改性的纳米零价铁(GNZVI)。用制备出的分散型NZVI和未改性的NZVI修复Cd污染的河道底泥,通过测定Cd的化学形态、底泥微生物酶活性和细菌群落结构来评价稳定效果。结果表明分散型NZVI和NZVI均能有效地将Cd从不稳定态转化为稳定态,处理组中Cd的残渣态百分含量最大增加了64.82%,有效降低了Cd的移动性,其对Cd稳定性能大小依次为:GNZVI>RNZVI>SNZVI>NZVI。通过微生物酶活性、变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)及高通量测序分析发现,分散型NZVI的加入显著激活了底泥酶活性,改变了底泥细菌群落结构,增加了底泥细菌群落的多样性和铁还原菌的丰富度,并提高了有机质的生物利用度。从该部分研究可以得出材料对Cd的稳定机制包括材料本身对Cd的吸附、络合作用,以及提高了铁还原菌的相对丰度。铁还原菌通过还原Fe(III)矿物质可将铁氧化物结合态的Cd重新分配到更稳定的次生铁矿中,进一步降低Cd的移动性。第二部分为分散型NZVI对Cd污染河道底泥的修复效应研究。在确定重金属形态转化行为的基础上,考察修复底泥中Cd的浸出毒性(TCLP)和生物可利用性(PBET),探究重金属向环境中的潜在释放能力及环境毒性。研究表明三种分散型NZVI的加入均降低了Cd的TCLP浸出浓度和PBET可提取浓度,其对Cd的固定化效率分别高达96.33%和70.21%,有效降低了Cd的溶出性和生物可利用性。此外,材料的加入必然会引起底泥理化性质的改变,通过分析修复过程中底泥pH和氧化还原电位(E_h)的变化,进一步探究不同分散型NZVI的应用对底泥中Cd行为的影响机制。相比于对照组,材料的加入分别增加了底泥的pH值及降低了底泥的E_h值,这两个因素的改变有利于Cd的稳定。以上分析说明材料对Cd的稳定除了材料本身及增加铁还原菌的相对丰度外,还包括改变底泥pH和E_h值这方面的因素。第三部分为分散型NZVI在不同pH条件下对Cd的稳定化作用及铁(Fe)溶解风险。在实际修复重金属污染底泥的过程中,不仅需要考察稳定后底泥中重金属的浸出毒性浓度是否满足标准,还需考虑修复后环境条件的改变,如盐碱化、酸雨淋滤等外界环境因素所造成底泥pH值的改变对底泥中材料长效稳定Cd的影响,以及修复过程中可能造成的Fe溶解风险,以期为应用分散型NZVI修复重金属污染底泥提供风险评估。研究发现材料在中性偏碱性情况下有利于Cd的稳定,Cd在pH为7-11范围内浸出浓度较低。当pH为7时,GNZVI处理组中Cd的浸出浓度为0.01 mg/L,该浓度已基本达到我国地下水质量III级标准。本研究上覆水中Fe的浓度低于限定值,且在整个处理周期内各个处理组中上覆水Fe浓度呈现先升高后降低的趋势,上覆水中Fe浓度的变化表明次生矿物的形成与Cd的固定有关。第四部分为分散型NZVI修复Cd污染底泥的行为机理研究。构建吸附等温线模型、吸附热力学模型,同时对修复后材料进行结构表征和元素分析,探究分散型NZVI修复Cd污染底泥的行为机理。研究表明Freundlich直线模型能更好的反映材料吸附Cd的特征,Freundlich模型适用于描述非均相吸附位点,该拟合结果与NZVI和分散型NZVI表面含有大量铁氧化物的事实相吻合,从而导致其表面性质的不均匀性。根据Freundlich模型中的K_F值判断材料的吸附容量大小依次为:GNZVI>RNZVI>SNZVI>NZVI,说明GNZVI对Cd的吸附性能最好,具有较多的吸附位点。热力学结果表明材料对Cd的吸附过程是自发的,热力学上是可行的,且吸附过程属于化学吸附。修复后材料的表征结果显示各个修复材料原始结构中X-射线衍射峰均已消失,新生成了一些次生铁矿,主要有赤铁矿(Fe₂O₃)、磁赤铁矿(γ-Fe₂O₃)、纤铁矿(γ-Fe OOH)和针铁矿(α-Fe OOH),红外光谱图谱表明这些次生铁矿与Cd²⁺已发生吸附或共沉淀反应。本研究实现了从材料优化制备、底泥修复效应、风险评估和行为机理研究四个方面全面系统的考察了分散型NZVI对Cd污染河道底泥的治理。本文旨在推进底泥重金属污染修复技术与理论的发展,据此为分散型NZVI成功应用于重金属污染河道底泥的修复领域奠定理论基础。