污染底泥原位覆盖控制技术研究进展

朱兰保，盛 蒂

(蚌埠学院化学与环境工程系，安徽 蚌埠 233030)

由于长期的外源输入和水生生物残渣的沉积，底泥富集了大量的污染物，如重金属、氮、磷等营养物和难降解有机物等.在外源污染得到有效控制后，底泥中的这些污染物仍可能对水体产生“二次污染”［1-3］.许多实验［4-8］已经证明，水体底泥中的营养盐类、有毒化学物及毒性菌种的含量要比其在上层水体中的含量高出许多，受污染的底泥已在世界范围内对人类健康和环境构成了威胁.可以预见，随着外源污染控制技术的不断发展和治理效果的不断提高，底泥污染治理问题将日益受到重视.

污染底泥控制技术主要分为两大类:原位处理技术和异位处理技术.原位处理技术是将污染底泥留在原处，采取措施阻止底泥污染物进入水体，即切断内污染源的污染途径，主要有覆盖(掩蔽)、固化、氧化、引水、物理淋洗、喷气和电动力学修复等技术;异位处理技术是将污染底泥挖掘出来运输到其它地方后再进行处理，即将水体的内污染源转移走，以防止其污染水体，主要有疏浚、异位淋洗、玻璃化等技术.原位覆盖技术是底泥污染原位处理技术的一种，本文主要对这一技术作以简要介绍，并就其在我国的应用前景进行分析.

1 原位覆盖技术的原理与功能

原位覆盖技术是通过在污染底泥表面铺放一层或多层清洁的覆盖物，使污染底泥与上层水体隔离，从而阻止底泥中污染物向上覆水体的迁移，主要利用覆盖层材料和污染物之间的各种物理化学作用来对污染底泥进行修复，大致可以分为3类:①水力阻滞.水力阻滞作用反应了覆盖材料的水穿透能力，也反应出弱吸附溶解态污染物穿透覆盖层材料进入上覆水的能力.水力阻滞作用可用水力传导系数K来表示，K值越大，水力阻滞作用越小，化合物越容易穿透覆盖层而进入上覆水相中.②吸附.通过吸附作用，污染物被固定在覆盖层材料上从而降低溶解态污染物的浓度.③降解.降解作用是通过生化或化学反应将污染物高效、快速、彻底地降解转化成无毒无害的物质.在一些自然净化能力不强或污染物浓度较大的场址中，应考虑加入活性覆盖层材料，以促进污染物降解.

覆盖层是原位修复技术的核心部分，它可以是一种材料构成的单一覆盖层，也可以是多种材料构成的复合覆盖层.覆盖层的设计通常应满足以下基本功能［9］:通过覆盖层，将污染底泥与上层水体物理性隔开;覆盖使污染底泥固定，防止污染底泥的再悬浮或迁移;通过覆盖物的吸附作用，有效削减底泥中污染物的释放通量.

2 原位覆盖材料

2.1 天然材料

天然覆盖材料包括清洁的沉积物、土壤、沙子、淤泥、砂砾等，其中沙子是最为常用的材料.天然覆盖材料属于惰性覆盖层，本身对污染物并非起降解作用，主要通过水力阻滞与物理、化学吸附等作用减缓沉积物间隙水中的溶解性污染物向水体扩散与迁移.由于这些天然覆盖材料的有机碳含量较低，吸附作用均较小，而它们的水力传导系数 K相差较大，因此覆盖层材料的水力传导系数的大小在很大程度上反映了其对该种污染物的修复能力.

这类材料具有以下优点:对持久性有机污染物、重金属等有很好的截留作用［10-11］.此外，这类材料在自然界中广泛存在，运输方便，能满足工程的大量使用需求.在实际工程中，也可以采用从河流上游或相邻河流挖掘的清洁沉积物或泥沙，或从岸边高地挖掘的清洁土壤进行覆盖，成本低廉，无生态毒性，适合生物栖息，使生物群落能很快恢复［12］.

天然覆盖材料的不足之处主要有:有机碳含量低，吸附能力较差，不利于沉积物/间隙水相中污染物的固定，修复效率较低;材料颗粒间结合力弱，水化后密度降低，受沉积物与水体间水的对流、扩散作用和上覆水流的冲刷作用以及生物扰动的影响很容易受到侵蚀或上浮，破坏了覆盖层的完整性，降低了修复效果［12］.实际工程中往往通过增大覆盖层厚度来弥补这些缺点，但这又将降低水深，给水道通航带来不便.

2.2 改性粘土材料

为了提高污染底泥的修复效果，在天然覆盖材料基础之上，开发了多种能够促进污染物吸附的覆盖材料，这类材料主要为改性粘土.粘土粒径较小，粘度较大，水力传导系数较小［13］，与自然覆盖材料相比，能有效阻止污染物向上覆水体扩散.但是粘土是一类含有大量可交换阳离子亲水性无机矿石，其表面通常存在一层薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性的有机物质，降低了对有机污染物的截留作用，因此有必要对粘土进行改性.改性粘土包括有机改性粘土和商品化的AquaBlokTM材料.

有机改性后的粘土，有机碳含量提高，因此其对有机污染物的吸附能力也大幅提高，为未改性材料的10～30倍.尤其是经阴阳离子表面活性剂改性后的粘土具有了有机物质吸附层和离子吸附层的双层结构，可以同时修复重金属和有机物复合污染.常见有机粘土包括有机改性膨润土、有机改性沸石、有机改性高岭土等.AquaBlokTM［14］是商品化的改性粘土材料，是美国Hull＆Associate公司的注册产品.它是一种以粘土为基础，砂砾作为核心的复合材料.与天然的覆盖材料(沙子)相比，AquaBlokTM具有弱透过性、容易安装、抗侵蚀等特点，能有效截留污染物.AquaBlokTM的功效已经在一些工程实践中得到证实.

2.3 活性覆盖材料

零价铁、磷灰石、方解石等是常用的活性覆盖材料.活性覆盖材料产生于原位覆盖和原位处理两种方法的结合，原位覆盖技术为原位处理技术提供了具有降解活性物质或生物的载体，而原位处理技术则使原位覆盖材料具有了降解污染物的功能，拓展了覆盖材料的应用范围.Hull等［12］认为这2种方法的结合，尤其是使用相对弱透过性、抗侵蚀的以粘土为主的覆盖材料，既可以克服2种技术固有的缺陷，也加强了过程控制水平，因此有利于提高处理效果，降低了间接环境危害.

2.4 土工材料

土工材料是一类用聚合物为原料制造的主要用于岩土工程的材料.它主要包括4种类型的产品:土工织物(或称土工布)、土工网(或土工格栅)、土工膜和土工复合材料.根据使用用途可分为过滤型、排水型、分离型、加筋型和格栅型.土工材料的应用有着悠久的历史，在道路设计、水力工程、固体废物处理等领域取得成功的应用.最近几年，土工材料水体沉积物污染原位修复和异位修复工程中已经开始有了一些应用.

土工材料很少单独应用于沉积物修复工程中，而是将其它材料包裹其中［15］，这是因为土工材料本身对污染物并不起到吸附阻滞作用，但是其特殊的工程特性，可以使原位覆盖技术的应用范围不断拓展，覆盖层安置替换操作简单，效果监控方便.由于传统的覆盖材料比较松散，使其原位覆盖技术不容易在河床坡度较大的沉积物上进行，而利用加筋型土工材料则可以很好地解决这个问题.由于土工材料的致密性、高机械强度、化学稳定性等特点［16］，它的应用将能有效防止其他松散性材料的上浮，并且使得失效的覆盖材料的定期更换变成可能而又简单.

3 原位覆盖技术施工方式

原位覆盖工程的施工方式与其成本密切相关，同时也影响覆盖实施后的效果.目前，原位覆盖技术的施工方式主要有以下几种［9］:①机械设备表层倾倒方式.即将覆盖材料采用卡车、起重机等机械设备直接向水里倾倒，通过覆盖物的重力作用自然沉降将底泥掩蔽住.这种施工方式的优点是施工工艺简单，成本低，但受卡车等机械所能够到达的范围与地理交通环境的限制，一般只适用于岸边的区域，同时覆盖的厚度也不均匀;②移动驳船表层撒布方式.用驳船载着覆盖材料在覆盖区域内缓慢移动，驳船底部是活底，可将其打开，撒布覆盖材料.这种施工方式不仅简单，经济，而且不受地理条件限制，可以覆盖整个水域的任何区域;③水力喷射表层覆盖法.用平底驳船载着覆盖沙子，然后用高压水将船上的沙子冲洗入水中.这种方法优点是通过水力冲洗可以防止人为不小心所造成的大量倾倒，适合水深小于4 m的水域的覆盖;④驳船管道水下覆盖法.通过驳船上的管子将覆盖物注入到水体下层，管子的下端是圆锥体的，可使覆盖物更好的分散开来.该方法的优点是直接水下覆盖，底泥的扰动小，对底栖生物不会造成掩埋，但施工工艺相对较复杂，成本也相对较高.

4 原位覆盖技术实例

迄今，已有许多实验室或现场的原位污染底泥覆盖工程试验.世界上首例原位覆盖工程是1978年在美国实施的，随后日本、挪威以及加拿大等国家相继实施了这一技术［2］.到目前为止，国外原位覆盖技术已经在河道、近海岸、河口等区域较广泛的使用，国外较成功的覆盖工程实例如表1 所示［9］.

表1 国外底泥覆盖的应用实例［9］

在国内，像这样单独的采用覆盖技术来控制底泥污染还只停留在实验探索阶段.如童昌华，濮培民等［17］通过对实验场地的底泥采取塑料包被的物理措施来模拟底泥在采用覆盖控制技术后的效果.但实验结果表明该包被技术虽在短期内能暂时控制底泥中营养盐的释放，但不能保持长久，并会在随后表现出一定的“补偿效应”.薛传东等［18］选取天然红土，添加适量的粉煤灰及石灰粉作为掩蔽覆盖物，对滇池富营养化水体进行现场修复实验.研究表明，用天然矿物材料减小底泥内源营养盐负荷的释放修复富营养化水体的效果良好.红土是有效的底泥覆盖材料，添加粉煤灰和石灰粉有助于消减底泥中TP，TN的释放量.

5 原位覆盖技术的优缺点

原位覆盖技术适用于多种有机和无机污染底泥，不仅可以有效控制底泥中氮、磷等营养盐的释放，还可以控制重金属及PCBs、PAHs、苯酚等持久性有机物的释放，对污染底泥的修复效果非常明显，工程造价低，而且覆盖技术采用的是清洁泥沙等天然矿物，性状比较稳定，一般不会改变水体的性质，对环境潜在的危害小.

覆盖技术当然也有它的不足之处，因而有一定的局限性.一方面，由于投加覆盖材料，会增加湖泊中底质的体积，减小水体的水深，改变湖底坡度，因而在浅水或对水深有一定要求的水域，如河岸、海岸及航线区域，不宜采用原位覆盖技术;另一方面，在水体流动较快的水域，覆盖后覆盖材料易被淘蚀，影响覆盖的效果.同时，由于原位覆盖会改变水流流速、水力水压等条件，如果对这些水力条件有要求的区域，覆盖技术则不能实行.另外，覆盖法的一个大问题是需要寻找便宜清洁的覆盖材料来源.

6 原位覆盖技术展望

目前，从研究成果来看，国外运用覆盖技术进行底泥污染释放的控制工程很多，而此技术在我国应用却并不广泛.笔者认为，至于覆盖技术是否适合在我国进一步推广，还需要更多的小试、中试等工程来验证.一方面，在实践中不断地总结覆盖控制技术在我国应用的效果;另一方面，在实践中不断地规范覆盖技术的设计规范及施工规范，这对确保客观的研究和评价该技术是十分必要的.再者，可以考虑覆盖和固体废物处理相结合，将经无害化处理的固体废物或废物的固化体作为覆盖材料，这样既达到了覆盖的目的，又处置了固体废物，一举两得.

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