利用疏浚出的沉积物去除导致有害藻华的营养物质

《Journal of Environmental Management》：Beneficial use of dredged sediment for removal of harmful algal bloom fueling nutrients

　　

艾伦·J·肯尼迪（Alan J. Kennedy）| 马克·L·巴伦廷（Mark L. Ballentine）| 安妮·玛丽·科特尼（Anne Marie Coatney）| 露辛达·K·斯拉特里（Lucinda K. Slattery）| 卡罗琳·C·马斯特里亚（Caroline C. Mastria）| 艾丽莎·卡洛梅尼-埃克（Alyssa Calomeni-Eck）| 克里斯·格里格斯（Chris Griggs）

美国陆军工程研究与发展中心环境实验室，地址：3909 Halls Ferry Rd., Vicksburg, MS, 39180, 美国

摘要

有害藻华（HABs）在淡水和海水中普遍存在，因此需要改进对藻华的监测、预防和控制方法。通过拦截滋养藻华的营养物质径流来预防藻华的发生对于减少其未来影响至关重要。本研究结合了两个目标：减轻藻华的严重程度以及提高从封闭处置设施（CDFs）中获取的疏浚沉积物的有益利用。该研究创新性地使用了增材制造（AM）或3D打印技术，生成多孔且几何结构复杂的沉积物，以在径流排放到地表水之前吸附和拦截其中的营养物质。尽管这项技术应用范围广泛，但通过在一个完全3D打印的3x3英尺物理景观模型上放置一个3D打印的疏浚沉积物堆，证明了其去除营养物质的能力。该沉积物堆被设计成平行通道，以增加径流优先渗透到黏土沉积物中的效果。在泵送的径流通过经过改良（添加生物炭、商业树脂）或未经改良的疏浚沉积物结构前后，测量了营养物质含量，结果显示未经改良的海洋来源疏浚沉积物能够几乎立即将磷酸盐浓度降低79%至98%，硝酸盐浓度降低93%至99%。这一概念可以通过使用料斗、挖掘机和卡车将沉积物从附近的CDFs运输到径流现场进行实地演示和应用。

引言

美国陆军工程兵团（USACE）的任务目标包括高效疏浚沉积物以保障国家港口和码头的通航，负责任且经济高效地管理这些沉积物，并探索新的方式来有益地利用这些沉积物。虽然一小部分疏浚材料由于工业污染需要特殊处理（Dorleon等人，2025年），但大部分沉积物相对未受污染（Moore等人，2025年），可以评估其是否适合用于开放水域（USEPA/USACE，1991年；USEPA/USACE，1998a年；USEPA/USACE，1998b年），以及用于其他创新应用。最近有激励措施旨在到2030年增加疏浚材料的有益利用（BUDM）（Mohan等人，2023年；Ousley等人，2024年），其中包括对五大湖地区的考虑和益处（Suedel等人，2024年）。虽然人们正在考虑将疏浚材料用于基于自然的基础设施（Kennedy等人，2025a年；McQueen等人，2026年），包括使用水泥粘合剂（Lharti等人，2025年；Soleimani等人，2023年），但关于利用疏浚沉积物减少营养盐径流污染的近岸应用的研究还很少。

已知营养物质增加（例如富营养化）是导致有害藻华（HABs）形成的主要原因（Heisler等人，2008年；Sellner等人，2003年）。减少藻华的影响是国家水道管理的首要任务（Michalsen等人，2024年），因为藻华会对美观、娱乐活动、人类健康和生态系统以及渔业产生负面影响（Herrera等人，2015年；Paerl等人，2001年；Pokrzywinski等人，2021年；Smucker等人，2021年；Wurtsbaugh等人，2019年）。一种创新技术如果能够有益地利用疏浚材料来减少藻华对水道的影响，将对USACE的疏浚和水道管理任务具有双重价值，并能实现多个战略目标。藻华产生的毒素包括微囊藻毒素和柱孢藻毒素，主要影响肝脏，还有石房藻毒素和 saxitoxins，主要影响神经系统（Graham等人，2008年；USEPA，2019年）。毒素的产生取决于存在的蓝细菌种类（例如属、种、菌株）、毒素生物合成基因的存在和表达情况以及环境条件（Calomeni-Eck等人，2024a年，2024b年；Chorus，2001年；Puhnaty等人，2025年；Roberts等人，2025年）。尽管已经采取了处理地表水和饮用水的措施（CDC，2024年；AWWA/WRF，2015年；Kinley等人，2020年），藻类毒素仍可能引起人类（Carmichael等人，2001年；Texeira等人，1993年）、宠物（Trevino-Garrison等人，2015年）、农场动物（Haynie等人，2013年）、野生动物（Ash和Patterson，2022年）以及水生生物（Ochoa-Herrera和Sierra-Alvarez，2008年；Pokrzywinski等人，2021年；Smucker等人，2021年）的疾病（或死亡）。因此，除了事后处理外，预防措施显然是必要的。

氮（N）和磷（P）等营养物质的增加（例如富营养化）会促进有害藻华（HABs）的发生和加剧；来自人为来源的营养物质通量（例如农业作物施肥、牲畜、工业废水、污水/化粪池排放）在季节性和年度上都有不同规模的影响，对水质和生态系统健康造成严重影响，并导致富营养化和藻华，估计每年造成的损失超过10亿至24亿美元（Michalsen等人，2024年；Wang等人，2018年；Wurtsbaugh等人，2019年）。虽然化学和非化学处理方法都有助于控制活跃的藻华（Herrera等人，2015年；Herman等人，2017年；Pokrzywinski等人，2021年），但这些方法都是反应性的。积极采取措施防止营养物质在地表水中积累是可取的（Hamilton等人，2016年）。径流还会将营养物质带入沉积物中，通过扰动和沉积物的季节性循环进一步促进藻华的发生（Hamilton等人，2016年）。专家们一直在讨论减少磷（P）与氮（N）浓度的相对重要性；目前的最佳判断是同时减少这两种营养物质以限制藻华的发生（Hamilton等人，2016年；Paerl等人，2001年；Wurtsbaugh等人，2019年）。

需要创新、主动且成本效益高的方法来减少营养物质进入地表水的量，同时认识到沉积物是这些营养物质的最终储存库，因此也是藻华的另一个来源（Wurtsbaugh等人，2019年）。为了提供绿色技术和控制成本，值得研究利用已证明能去除氮（N）和磷（P）的天然材料，如介孔沸石和生物炭（Deng等人，2022年；Montalvo等人，2011年）。我们的研究创新在于利用疏浚沉积物中已有的天然吸附剂和配体，通过生成堆状结构来固定营养物质。据报道，沸石-生物炭复合材料在废水处理中可以吸附基于氮的营养物质（如硝酸盐（NO₃）和氨（NH₃）以及基于磷的营养物质（如磷酸盐（PO₄）（Kennedy等人，2022年；Montalvo等人，2011年；Yin等人，2018年）。然而，沸石对磷的亲和力低于对氮的亲和力，而单独使用生物炭的吸附能力可能较低（Yin等人，2018年）；因此，可能需要表面改性以实现相反的电荷/离子交换、热解和改良处理，以同时捕获这两种营养物质（Deng等人，2022年；Montalvo等人，2011年；Yin等人，2018年）。

有研究表明，需要研究解决湖泊地区藻类营养物质减少和碳捕获等问题（Michalsen等人，2024年）。本研究的目的是开发一种新型技术，利用易于获得的材料构建多孔结构，通过逐层打印设计让径流逐渐渗透并流动，从而在沉积物中去除营养物质，防止其进入地表水。该研究利用了增材制造（AM）的进步，特别是通过材料挤出（MatEx）的3D打印技术，以及新型天然原料（如黏土）的应用，实现了可扩展几何结构的自动化建造（Ballentine等人，2024年；Kennedy等人，2025a年）。我们的研究将挖掘出的土壤/沉积物与天然吸附剂-沉积物复合材料混合后，通过3D打印成堆状结构，用于拦截流向水体的地表/地下径流中的营养物质，以减少藻华的发生。在实验室规模的三维物理景观模型（基于3D打印的聚合物）中展示了其有效性，该模型模拟了USACE相关受藻华影响的区域（伊利湖内的Maumee河和Toledo港），证明了显著的营养物质减少效果。

章节摘录

测试材料

2024年12月12日，从布莱克利岛封闭处置设施（Mobile, AL；30°42′44.56"N, 88° 1′46.90"W）现场收集了疏浚沉积物（主要为黏土）。这种沉积物曾在之前的项目中使用过，因此作者专门开发了3D打印这种材料的方法。此外，选择这种海洋来源的沉积物是因为它含有较高水平的阳离子，这些阳离子有助于营养物质络合，这是海洋沉积物的一个固有优势。

特性分析

根据美国农业部手册第18号（USDA，1993年）对这种粉质黏壤土疏浚沉积物的特性进行了分类，见表1。可形成氧化物的金属阳离子（Al、Ca、Fe、Mg）含量相对较高，表明该沉积物具有良好的去除营养物质的能力。被认为可能对水生生物造成不良影响的金属浓度低于预期水平（Buchman，1999年）。所使用的细粒沉积物类型...

结论

本研究探索了一种新型的有益利用方法，即利用3D打印的疏浚沉积物从径流水中去除营养物质，作为一种潜在的预防技术，以减少藻华的发生频率和严重程度。打印出的沉积物在垂直柱实验（用于快速筛选材料）和一种新型的3x3英尺3D打印物理景观模型中进行了测试，以在营养物质进入地表水之前将其去除。

未来方向

这项工作提供了完全新颖的利用先前疏浚沉积物（或土壤）作为有害藻华预防措施的证据。虽然一些疏浚沉积物会受到工业活动的污染（Dorleon等人，2025年），但根据成熟的EPA方法评估，大多数沉积物的污染程度较低（Moore等人，2025年），这些方法用于确定淡水（USEPA/USACE，1998a年，b年）和海洋沉积物的适用性...

CRediT作者贡献声明

艾伦·J·肯尼迪（Alan J. Kennedy）：概念构思、数据整理、正式分析、资金获取、研究实施、方法论设计、项目管理、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。马克·L·巴伦廷（Mark L. Ballentine）：方法论设计、验证、初稿撰写。安妮·玛丽·科特尼（Anne Marie Coatney）：数据整理、方法论设计、初稿撰写。露辛达·K·斯拉特里（Lucinda K. Slattery）：数据整理、方法论设计、软件应用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

水生有害物种研究计划（ANSRP）资助，该计划隶属于陆军工程兵团（项目经理：Mandy Michalsen博士）。我们感谢陆军工程兵团莫比尔区提供的研究沉积物。我们也感谢匿名审稿人的意见，这些意见有助于提高本文的清晰度。