抽象

介绍

积聚在水体底部的沉积物被认为是有毒物质和生物蓄积性化学物质的汇，可以是化学物质的长期储存库，可以通过食物链转移到无脊椎动物和鱼类（USEPA 2005）。自20世纪70年代以来，建立有效的方法来减少受污染的沉积物构成的生态和人类健康风险一直是北美，欧洲和其他地方的监管优先事项。事实上，这表明风险降低使用传统的疏浚和隔离封盖办法说服所有利益相关方一直在挑战（NRC 2007 ; Bridges等人。2010）。虽然传统方法将继续成为沉积物清理补救措施的一个组成部分（例如，当污染沉积物存在于不稳定的环境中时），需要采用新的补救方法来补充或提供现有方法的替代方法。

通过污染物封存和固定进行的原位沉积物处理通常涉及将处理修正物施加到表面沉积物上或表面沉积物中（Luthy和Ghosh 2006）; 补充数据图S1）。本文回顾了用于原位应用基于激活C（AC）的处理修正的工程方法的重大进展，总结了2013年进行的现场规模示范试验和全面应用，并描述了最有希望的应用选项的经验教训。本文还讨论了平衡考虑使用AC相对于其他沉积物净化技术进行原位处理的潜在效益，生态效应和成本的必要性。这项工作的结果旨在确定工程，化学和生态学的一组共同特征，这些特征可以帮助指导和推进未来沉积物修复项目中基于AC的原位沉积物处理的使用。

治疗修正案和机制

从21世纪初开始，实验室测试和精心控制的小规模实地研究取得的令人鼓舞的结果引起了对原位污染沉积物的修复或管理的极大兴趣。这样做的机制主要提出了吸附处理修正，如AC，有机粘土，磷灰石，生物炭，焦炭，沸石和零价铁（USEPA 2013a）。其中三项修正案--AC，有机粘土和磷灰石 - 已被确定为原位沉积物修复的特别有前途的吸附修正案（USEPA 2013b））。其中，AC在实验室实验和现场规模应用中被更广泛地用于控制溶解的疏水性有机化合物（HOC）。这主要是因为AC作为水，废水和空气的稳定处理介质已经成功使用了几十年，并且因为AC的沉积物处理的早期测试显示出积极的结果。

AC的实验室测试和现场规模应用已证明其在降低HOC生物利用度方面的有效性。沉积物中的天然和人为黑色碳质颗粒，包括煤烟，煤和木炭，都强烈地结合了HOCs，沉积物中这些颗粒的存在已被证明可以大大减少生物吸收和暴露（Gustafsson等，1997 ; Cornelissen等，2005））。使用诸如AC的工程化黑碳增强了沉积物的天然螯合能力，导致HOC的原位生物利用度降低。当AC以最佳的位点特异性剂量施用（通常类似于沉积物的天然有机C含量）时，HOC的孔隙水浓度和生物利用度可降低70％至99％。此外，由于渐进式传质，AC调节的HOC隔离通常随着时间的推移变得更有效（Millward等人2005 ; Zimmerman等人2005 ; Werner等人2006 ; Sun等人2009 ; Ghosh等人2011 ; Cho等人，2012）。

鉴于这些有希望的结果，涉及使用AC修正案的原位沉积物处理越来越受到科学家，工程师和监管机构的关注，这些机构寻求扩大补救技术清单并解决与传统沉积物修复技术相关的记录或感知限制。根据作者的评论，AC现在是世界上最广泛使用的原位沉积物封存和固定化修正。

先前对原位AC修复方法的回顾（Ghosh等人，2011）报告了实验室研究和早期中试规模试验的结果，总结了治疗机制，强调了使用原位修正以减少污染物暴露风险的有希望的机会，并确定了使用这种创新技术的潜在障碍。Janssen和Beckingham的另一篇重要评论（2013年）总结了HOC生物累积对AC剂量和粒径的依赖性，以及AC修正对底栖群落的潜在影响（例如，较高的AC剂量和较小的AC粒径进一步降低HOCs的生物累积，但可能在某些生物中诱导应激） 。本文以这些早期的评论为基础，侧重于设计和实施方法，包括使用AC进行原位沉积物处理并总结主要经验教训。

展示现场的功效

直到最近，全面就地治疗方法的主要挑战是实验室和有限的实地试点研究已经产生了大多数经验。到2013年，然而，超过25场大规模示威或全面项目涵盖了一系列的环境条件，在美国，挪威和荷兰（表完成或正在进行中（表11和图1）。

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图1

原位沉积物治疗领域中的应用位点（数字指列于表位点表11）。

在超过25个项目中，格拉斯河下游（美国纽约马塞纳）和上运河（美国马里兰州阿伯丁）的现场示范包括最全面的评估和现场长期功效的现有文件。尽管已经报告了许多其他实地项目的类似结果，但仍采用了AC修复方法。出于这个原因，格拉斯河下游和运河上游野外示范在这里得到了最大的关注，如下所述。

应用方法和实例

在表中总结的AC应用项目表11个使用落入两大类（几个选项涉及载置修正图3）：

图3

直接修正与原位吸附剂应用的混合覆盖应用方法。

1. 在有或没有初始混合的情况下，直接将薄层吸附性碳基修饰物（可能包含重量或结合材料）施加到表面沉积物上
2. 将修正剂加入预先混合的干净沙子或沉积物的混合覆盖材料中，该材料也应用于沉积物表面

虽然这些方法存在一些差异，但两者的最终目标是减少底栖生物暴露于沉积物中的HOCs，并将沉积物中的HOC通量降低到水中（图3）。在任一种方法下，施加的AC可以通过生物扰动最终在整个生物活性层中混合。应用方法将在下一节中进一步介绍。

混合盖应用方法

混合覆盖物施用方法是美国环境保护局（USEPA 2005）描述的增强的自然恢复疗法的变体。在该方法中，将碳基吸附剂材料与相对惰性的材料（例如清洁的沙子或沉积物）预混合并放置在污染的沉积物表面上。虽然这种方法涉及在吸附剂之外引入材料，但在需要在空间上（垂直和横向）均匀施加AC到沉积物表面的地方可能具有优势（因为AC可以与沙子或沉积物）或需要更快速控制HOC通量的地方。

实验室实验和模拟研究（Murphy等人2006 ; Eek等人2008 ; Gidley等人2012）以及现场示范（McDonough等人2007 ; Cornelissen等人2011年，2012年）已经证实了混合覆盖应用方法降低移动HOC的通量。在可能需要对下层污染沉积物进行额外隔离或侵蚀保护的场所，一个相关但独立的选择是将吸附剂作为传统装甲隔离盖内的层施加。然而，本文没有回顾USEPA（2005）定义的常规或反应隔离帽。

2012年，位于纽约锡拉丘兹的奥内达加湖开始了混合交流应用的全面范例。沉积物清理补救措施包括在大约110公顷的湖泊沉积物中放置散装颗粒状AC（GAC）和干净的沙子，以及相关的装甲封盖，疏浚和栖息地恢复措施（NYSDEC和USEPA 2005 ; Parsons和Anchor QEA 2012）。2011年秋季成功进行现场演示后开始全面实施，目前计划于2016年完成。

将混合的GAC材料放置在奥内达加湖中正在使用液压扩散装置完成，该装置具有先进的监测和控制系统，能够在6米宽的车道中放置大约100立方米/小时的材料（图4））。粒状AC修正剂与沙子混合并通过扩散器驳船进行水力输送和铺展在沉积物（平均水深约5米）上。在与砂子水力混合之前，将GAC预浸泡至少8小时，以改善通过水柱的GAC的沉降。吊具驳船配备能量扩散器，均匀分布混合材料。吊具驳船采用电子位置跟踪设备和软件，可以实时跟踪物料放置位置。吊具驳船还配备有用于测量浆料密度和流速的仪器，它们共同提供所放置的混合材料的瞬时生产率。还使用蠕动计量泵和浆料密度流量计严格控制和监控颗粒AC施加率。将陆基浆料进料系统计量加入所需的GAC剂量。

图4

在Onondaga湖，Syracuse，NY的水力传播应用单位。

在为期5年的建设项目的前两年，混合的GAC材料被放置在奥内达加湖，没有任何可检测到的水柱损失。验证GAC放置是在放置之前使用位于沉积物表面上的原位捕获盘以及放置后收集的核心来进行的。这些验证的结果表明，GAC在水平和垂直方向均匀地放置在施加到湖中的砂层中（补充数据图S7）。

现场评估和设计考虑因素

2013年进行的超过25个实地规模示范或全面项目涉及一系列应用方法和环境条件（包括海洋，半咸水和淡水地点;潮汐湿地和泥滩;深水深度;陡坡;桥墩下;以及移动水[表[表1]）。1 ]）。总的来说，这些项目证明了使用吸附的碳基修正，特别是AC的原位沉积物处理的功效。因此，使用AC的现场沉积物处理已经准备好在一系列地点进行全面应用，需要经过仔细的现场特定设计分析，一般如下段所述。

为了确定现场条件是否有利于AC修正，可以通过将AC机械混合到沉积物中并进行直接的孔隙水或生物累积测试来进行AC修正的相对简单的台架测试（例如，Sun和Ghosh，2007）。以这种方式进行的短期台架测试可以快速识别适合用AC进行沉积物处理的沉积物位点，并且可以与聚焦模型或柱研究结合，以评估与地下水通量相关的HOC行为。基准测试也可用于优化AC材料（例如，粒度或孔隙率）和基于现场特定条件的剂量。（请注意，顶多在表中列出的站点表1，1最佳交流剂量与沉积物中天然有机碳含量相近。）

虽然迄今为止已经学到了很多东西，但是额外的重点实地规模示范可能对评估某些特定地点的HOC特别有用，例如二恶英，呋喃和甲基汞，其治疗效果可变或发展缓慢（即， AC混入in）和在尚未引导吸附性碳基修饰的环境中（例如，高能量，易侵蚀的位置）。同样重要的是要注意，在某些场地，与传统的沉积物清理技术相比，AC应用可能无法提供额外的保护。例如，在未加入清洁的沙子或沉积物覆盖材料的情况下，将AC混合到挪威Grenlandsfjords的混合覆盖物中，在9个月和20个月时仅减少了额外的二恶英和呋喃通量减少量，2012 ; Eek和Schaanning 2012）。

根据表中所列的油田规模项目成果的严格审查表1，1，具体的站点和泥沙特性可以减少相对于其他潜在的泥沙清理技术交流应用的有效性。这些特征包括（但不一定限于）相对较高的天然浓度的黑色碳质颗粒和相对较大分子量HOC的缓慢的沉积物 - AC转移率（Choi等人，2014）。为确保现场补救方法的有效性，必须正确考虑这些因素以及特定场地AC应用设计中的侵蚀力和混合或生物扰动等因素。

从表总结了案例研究的实验证据，建模和长期监测线表11都证实过的网站时AC应用程序的增加效果，其中没有从底层沉积物表面上的显著通量。在许多情况下，AC修正的完全治疗效果在安装后数年实现（例如，Werner等人2006 ; Cho等人2012）。延迟可能由（除其他因素外）AC分布的异质性（甚至小规模）引起，特别是在生物扰动率相对较低的地点，以及渐进式传质（图5）。

图5

模拟模拟孔隙水PCB浓度降低与不同的混合情景（改编自Cho等人2012）。

自然沉积物沉积和生物扰动速率（以及持续的污染源）的现场特定评估及其对AC混合的影响以及由此产生的恢复时间框架是制定适当的现场特定原位处理策略的重要设计因素。在沉积物环境之间，天然沉积物沉积和生物扰动引起的AC混合到生物活性区域的速率变化很大。例如，沉积物环境之间的表层沉积物生物扰动速率变化超过2个数量级，湿地和近海沉积物的速率相对较低，而生产性河口和湖泊的速率相对较高（例如，官员和Lynch 1989 ; Wheatcroft和Martin 1996 ; Sandnes等，2000; Parsons and Anchor QEA 2012; Menzie等。2014）。如果预期相对较慢的自然沉积和混合速率，则直接应用AC可以在多次应用中交错，以将修正更均匀地结合到沉积沉积物中，尽管具有潜在的成本影响。

正如USEPA（2005），NRC（2007），Bridges等。（2010年），ITRC（2014年）和其他人强调，所有沉积物清理技术的有效性在很大程度上取决于沉积物和场地特定条件。例如，在环境疏浚过程中，重新悬浮和释放沉积物污染物，特别是在有碎片和其他困难疏浚条件的地方（Patmont等，2013）。通过对应用于场地特定条件的沉积物净化技术的比较评估，考虑风险降低，补救风险和补救成本的定量估算，可以对污染沉积地点的风险管理进行优化（例如，Bridges等人，2012年））。图6显示了假设的比较风险降低评估，并重点介绍了不同沉积物修复技术之间可能出现的一些短期和长期权衡。与图6中所示的示例一致，在许多地点，AC放置可以实现类似于传统封盖的风险降低，但成本较低（见下文），并且还可以提供比环境疏浚更好的整体风险降低。虽然图6显示了北美相对常见的沉积物补救替代评估方案，但重要的是要注意，特定地点的条件将导致替代沉积物补救措施的风险降低结果不同。

图6

替代沉积物补救措施的假设比较净风险减少。实施例提出了使用以下命运和运输模型输入假设说明性目的：为400μm平均环境疏通生产速率3每天和大规模疏浚PCB的3％的释放（Patmont等人2013）; 通过为500μm清理面积平均水流3每秒; 实施有效的上游源控制; 净沉降速率为每年0.1厘米; 和典型的PCB移动性和生物累积参数。

潜在的负面生态影响

任何沉积物修复方案的可接受性将取决于与其他方案相比，该方法的益处是否超过潜在的不利环境或生态影响。由于原位处理技术涉及向沉积物中添加新材料，因此就地补救措施有可能至少暂时影响本地底栖生物群落和植被。Janssen和Beckingham（2013）最近的一篇综述发现，在82次测试（主要是实验室研究）的五分之一中观察到AC暴露对底栖生物的影响。重要的是，与实验室测试相比，在AC现场试验示范中很少观察到社区效应，并且在放置后的1或2年内通常会减少（Cornelissen等人2011）; Kupryianchyk等。2012），特别是在沉积环境中，随着时间的推移新的（通常更清洁的）沉积物继续沉积。

虽然应用相对较高的AC剂量或较小的AC粒径可以提高HOC的生物累积能力，但是更高的剂量和更小的粒径可能会在某些生物中引起更大的压力（Beckingham等，2013）。添加AC对底栖大型无脊椎动物和水生植物的负面影响，特别是在相对较高的剂量下，可能归因于与AC修正相关的营养物减少。

尽管AC的可用剂量依赖性影响数据并不全面，但现场试验和实验研究表明，通过将细粒AC剂量维持在约5％以下（干重基础;例如，参见讨论，可以），可以将潜在的负面生态影响降至最低。下格拉斯河AC演示）。与图6中总结的净风险降低比较类似，HOC生物累积减少的积极影响需要与潜在的负面短期影响进行平衡。此外，应将原位AC应用的现场特定结果与其他修复方法（如疏浚和常规封盖）产生的结果进行比较，这些方法通常大于原位处理产生的结果。

不同碳修正案的相对可持续性

尽管由不同碳源材料产生的修正通常表现出相似的效果和负面的生态效应，但不同类型的C修正具有不同的可持续性属性。例如，生命周期分析表明，由无烟煤产生的AC比生物质原料产生的AC更不可持续（Sparrevik等2011 ;例如，农业残留物），尽管无烟煤衍生的AC可以非常有效地结合HOC（Josefsson等）人2012）。生物质AC与可持续性相关的一个重要积极作用是其C被隔离并从全球C循环中移除（Sparrevik等人2011））。使用未活化的热解C或“生物炭”（Ahmad等人，2014）可以获得更好的可持续性结果，因为活化过程需要相当大的能量。然而，生物炭对许多HOC的吸附能力比AC低一个数量级（Gomez-Eyles等人2013）。

成本

根据表中所列的油田规模的项目进行严格审查表11足够的成本信息是可用的里面，我们总结了一个全面交流的应用大致低收入和高范围单位成本假设的5公顷沙清理网站。用于主执行元件，而不是所有这些都可以在特定位点需要成本摘要，总结在表表2。2。根据这一总结，AC应用通常可能比传统的疏浚或封盖方法成本更低。同样，特定地点的条件可能会导致替代沉积物补救措施产生不同的成本结果。

结论

使用AC的原位沉积物处理可以快速解决关键暴露（例如，无脊椎动物和鱼类中的生物累积），由于渐进式传质，通常随着时间的推移变得更有效。由于其相对较大的表面积，孔隙体积和吸收能力，AC具有数十年的有效用作水，废水和空气中稳定处理介质的记录。因此，AC非常适合于HOC在各种沉积环境中的原位隔离和固定。

当正确地设计为地址的位点特异性的条件下，控制（精确和空间上均匀的）AC-轴承处理材料的放置已使用一系列的常规施工设备和递送机制和在宽范围的水生环境（表的证明（表1 ），1），包括湿地。当受污染的沉积物存在于不稳定的环境中时，传统的封盖或疏浚补救措施可能是首选方案。然而，根据沉积物和场地条件，使用AC可以实现类似于传统封盖的短期风险降低和比环境疏浚更好的整体风险降低，与传统的沉积物净化技术相比具有更低的成本和环境影响。

随着国际上对可持续性的日益重视，原位沉积物处理补救措施提供了实现重大环境效益的机会，同时避免了通常与更具侵入性的沉积物清理技术相关的环境影响。与疏浚或传统的封盖补救措施相比，微创补救策略（例如使用原位AC应用的治疗）对社区和利益相关者的破坏性通常要小得多。重要的环境，经济和其他可持续性问题可能与原位沉积物处理有关，例如通过封存对生物可利用或可移动部分沉积物污染物进行低影响减少，改善恢复时间框架，以及减少能源使用和排放（例如， C; ITRC 2014）。

与其他沉积物净化技术相比，适当的场地特定平衡潜在效益，负面生态影响和原位处理成本对于全面成功应用这种方法非常重要。正如USEPA（2005）和ITRC（2014 年）所述），在大多数场地，应用于沉积物清理场地内特定区域的沉积物清理技术的组合将产生一种补救措施，可实现长期保护，同时最大限度地减少短期负面影响并实现更高的成本效益。从这里提供的大量实验研究和现场规模项目中可以明显看出，正确应用后，使用吸附性AC材料对沉积物HOC进行原位处理已经从创新的沉积物修复方法发展成为经过验证的可靠技术。实际上，它已准备好在一系列水生场所进行全面的补救应用。