富营养化湖泊沉积物磷原位控制技术

李安定 张 义 周北海 吴振斌



富营养化湖泊沉积物磷原位控制技术

李安定1, 2张 义3周北海1吴振斌3

(1.北京科技大学土木与环境工程学院环境工程系, 北京 100083; 2. 中日友好环境保护中心, 北京 100029; 3. 中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室, 武汉, 430072)

富营养化湖泊; 沉积物; 内源磷; 原位控制技术

湖泊沉积物是指湖泊中沉积的物质, 湖泊中大量营养盐富集在沉积物中。水体中各形态的磷通过污水排入、地表径流及水生生物残骸等多种途径输入至湖泊, 在温度、上覆水pH、溶解氧及氧化还原电位等环境因素的影响下, 经过一系列变化, 其中水体中的部分磷在沉积物吸附、化学絮凝、共沉淀等作用下蓄存于湖泊沉积物中, 使沉积物中各形态的磷逐步富集成为富营养化湖泊的内源负荷[1, 2]。当温度、上覆水pH、溶解氧、氧化还原电位及微生物活动等环境条件改变时, 沉积物中蓄积的各形态磷又会进入到湖泊沉积物—上覆水浮水界面的物质交换, 导致湖泊水体中磷含量增加, 造成湖泊富营养化[3, 4]。如由于内源负荷磷的影响, 西湖引水效果在停机10d 后即消失[5]。

沉积物污染控制技术主要分为原位处理技术和异位处理技术。沉积物异位处理技术主要是用泵抽取、机械挖掘等方法将沉积物移出湖泊后进行其他处理, 以防止其污染水体。异位处理技术主要包括疏浚、异位淋洗等技术。异位处理操作较复杂, 处理技术费用高且对环境破坏性大。原位处理技术是指在原地采用物理吸附、化学反应或生物方法对沉积物进行处理, 减少沉积物中污染物含量或降低污染物的溶解度、毒性或迁移性, 并通过一系列方法阻止污染物向上覆水释放[6]。目前, 原位控制技术已在国内外各污染湖泊水体得到了较广泛的应用, 应用较多的原位处理技术主要有曝气、物理化学覆盖、水利冲刷、生物生态修复等[7]。本文阐述了国内外富营养化湖泊沉积物磷原位控制技术的研究成果和应用概况, 对该技术应用于实际工程的前景进行了展望, 以期为我国富营养化湖泊内源磷负荷的有效控制提供技术参考。

1 沉积物磷原位控制技术特点

湖泊沉积物磷原位控制技术, 是指在原位对沉积物磷进行处理和控制的技术。目前, 对于沉积物磷的原位控制技术, 国内外研究学者已做了颇多研究, 研发了多种可用于原位去除或控制湖泊沉积物磷的方法。沉积物磷原位控制技术主要包括原位物理技术、原位化学处理技术和原位生物修复技术。相比于异位控制技术, 沉积物磷原位控制技术具有以下显著特点: (1)无需疏浚和机械挖掘, 直接在原地对受污染底泥进行处理, 可避免底泥再悬浮引起大量磷向水体释放, 还可减少由于转移底泥向周围环境流失其他污染物[8]; (2)原地控制技术不需要堆放或处理疏浚后的底泥, 因此无需占用额外的场地, 也无需监测疏浚底泥的处置设施或设备; (3)原位控制技术可显著降低沉积物中各形态磷含量, 并有效控制沉积物磷及其他污染物向上层水释放[9]; (4)原地处理技术成本较低。

2 原位物理控制技术

2.1 曝气法

2.2 原位物理覆盖技术

沉积物磷原位物理覆盖是在富营养化湖泊底泥上方铺设一层或多层覆盖物, 阻隔沉积物磷和上覆水的接触和物质交流, 阻止沉积物各形态磷向上覆水迁移和扩散。应用较多的覆盖物主要有未受污染的湖泊底泥、河流石沙、砾石、劣质黏土或一些人造复合材料等。原位物理覆盖可以将湖泊沉积物各形态磷与底栖生物、湖泊水体物理性地隔离开来, 可有效防止沉积物磷的多途径迁移或向上层水体再悬浮, 同时物理覆盖层可降低沉积物各形态磷在湖泊水体中的扩散通量[5]。

沉积物磷原位物理覆盖技术操作简便, 成本较低廉, 所以应用较广泛。目前, 已有许多研究学者在实验室或湖泊修复现场对沉积物磷进行了原位物理覆盖试验和工程应用。1978 年, 美国首次实施了湖泊原位覆盖工程, 20世纪80年代, 原位覆盖技术在日本、挪威及加拿大等国家相继得到了研究和应用[14]。现在原位覆盖技术已在全球多个国家的河道、湖泊、近海岸、河口等区域得到了广泛的实际应用[15]。该技术在我们还属于起步阶段, 还有一些应用瓶颈亟待解决, 如原位物理覆盖技术应用后, 会降低湖泊水深, 改变了水生植物和底栖生物的生活环境, 对底栖生态系统具有不可避免的破坏性, 且该技术在悬浮污泥较多的水域不太适用, 有些覆盖物还可能存在二次污染的风险。

2.3 水力冲刷技术

水力冲刷操作技术难度较大, 主要是将含低浓度营养盐的活水注入到富营养化湖泊的表层水域, 同时通过虹吸或其他技术将深水域富含高营养盐的水层经过输水管道排入到其他水域, 从而通过交换水体达到净化富营养化水体的目的[16]。并不是所有湖泊水体都适合应用水力冲刷技术, 对于能够保持较好的温度层的湖泊, 温度层将化学性质不同的上下水层分开, 适宜运用该技术。值得注意的是, 将水利冲刷技术应用于实际富营养化湖泊沉积物磷控制时, 应尽量减小水力冲刷对下游环境造成的不利影响。同时应特别关注排水口富含高浓度营养盐、硫化氢等物质的厌氧水体[17]。

3 原位化学控制技术

与物理覆盖技术不同, 沉积物磷原位化学处理技术主要是指向富营养化湖泊沉积物中投加媒制剂或化学药剂等, 通过化学反应转化或固化沉积物中的各形态磷, 或者通过絮凝作用增强对沉积物中活性磷的限制, 从而抑制沉积物磷向上覆水释放, 或者将沉积物磷固定于湖底。

3.1 化学药剂投加技术

将化学药剂投加到富营养化湖泊水体中, 化学药剂与沉积物中各形态磷发生化学反应, 改变沉积物磷的形态或反应生成其他难以降解的物质, 某些新生成物质还可为后续的微生物降解作用提供有利条件。根据投加药剂作用和反应过程的不同, 将沉积物磷化学药剂投加技术分为氧化处理技术和还原处理技术。目前, 应用较广泛的氧化剂主要有: 过硫酸盐、臭氧、金属阳离子、高锰酸盐、双氧水、Fenton试剂、硝酸钙以及硫酸盐等[18]。已有多种氧化剂在富营养化湖泊沉积物磷原位修复工程中得到应用。零价铁、硫酸亚铁等金属单质或金属氧化物是控制沉积物磷应用较多的还原剂。零价铁最先是广泛应用于受污染的地下水体治理工程。

3.2 化学覆盖技术

与原位物理覆盖技术类似, 沉积物磷的原位化学覆盖技术也是在沉积物表面铺设一定厚度的覆盖层, 不同的是化学覆盖技术主要是通过化学覆盖物和沉积物磷发生化学反应而达到封闭沉积物磷并抑制沉积物磷扩散的目的, 使最少量的磷释放至上覆水中[19]。通常根据上覆水以及沉积物磷的性质, 化学覆盖层选择不同特性的覆盖材。化学覆盖法与简单的物理覆盖技术不同, 物理覆盖材料主要是被动物理屏障(如无污染底泥、河沙、劣质黏土等), 物理覆盖层只是起到覆盖和阻断作用, 而化学覆盖层主要是通过化学材料与沉积物各形态磷的化学吸附、絮凝沉淀或化学反应等过程来稳定固化各形态磷或转化成稳定态不易溶解的磷形态。物理覆盖方法的覆盖层相对较厚, 厚度一般大于0.1 m, 而化学覆盖层由于这些反应特性使得它们的覆盖层相对较薄(2—5 mm)。化学覆盖技术在实际应用中有以下要求: 化学覆盖物成本低廉、可与各形态磷积极发生反应、具有物理化学稳定性、对生态环境影响较小、不会产生二次污染及水力传导性好以便降低其对覆盖层的扰动[20]。沉积物磷原位化学覆盖技术具有经济性好、适用性广、工艺操作简单等优势。20世纪80、90年代, 国内外开始研究和应用污染沉积物的原位覆盖技术, 对多类型的污染沉积物做了大量的研究报道, 包括受煤焦油、PCBs、PAHs和重金属等污染的沉积物的影响[21—23]。

化学覆盖材料, 可用于减少沉积物中的沉积物溶解态反应性磷(DRP), 化学覆盖剂可将可逆的铁锰结合态磷转变成不可逆的覆盖剂结合态磷。此类材料主要包括: 天然材料, 如方解石等矿物、硫酸铝、明矾[25]等; 改性材料, 如改性工业材料产品[26]、改性金属镧等材料[27], 还有铝镁、硝酸盐等盐类改性沸石等。

4 原位生物控制技术

原位生物控制主要是通过生物的生命代谢行为降低沉积物中的各形态磷, 或者稳定沉积物磷, 对沉积物进行原位修复和水质净化。原位生物处理可直接对沉积物进行处理和修复, 不会损害原有生态环境, 具有生态环境效益好、成本低廉、修复效果好等特点。随着生物工程技术的发展, 近年来, 沉积物磷原位生物控制技术也得到了广泛研究和应用。生物修复主要包括微生物修复技术和植物修复等。

4.1 微生物修复技术

沉积物磷原位微生物修复技术是利用天然的或经驯化的微生物通过氧化、还原和水解等作用将沉积物中各形态磷转化、分解从而降低沉积物中磷含量。采用天然、人工驯化、固定化微生物和转基因工程菌能够有效去除或转化沉积物磷。但在实际应用中, 外加的微生物或其他物质易受温度、pH、溶解氧、水力条件及土著微生物等多种因素的强烈影响, 可能影响微生物作用, 难以达到预期的效果。

冯奇秀等[28]利用沉积物生物氧化复合制剂和土著微生物培养液对受污染的广州市朝阳涌进行原位处理, 治理效果较好。潘涌璋等[29]的研究表明, 通过投加某种微生物菌剂10d 后, 湖水中的总磷的去除率达到73%。闫艳春等[30]克隆抗型库蚊的醋酶基因, 在大肠杆菌中进行表达, 并将获得的工程菌固定后开展有机磷农药降解试验, 结果发现该工程菌可在较短时间内对有机农药进行高效降解。

4.2 植物修复技术

随着在污染治理中环境生态效益的要求越来越高, 植物修复技术作为一种应用于环境污染领域的生态修复方法, 已在环境领域得到越来越广泛的认可和应用。沉积物磷植物修复技术主要是通过水生植物或植物根系区微生物的营养吸收和分解代谢作用以减少沉积物中磷含量或转化沉积物磷。水生植物不仅可以通过自身消耗将沉积物和水体中N、P等营养元素输出湖泊, 促进湖泊营养输出; 且在水生植物种植密度较高的情况下, 还可改变湖水流向与流强, 影响上覆水与沉积物间物质交换平衡。

已有研究表明, 大部分沉水植物和挺水植物能大量吸收底泥和水体中的氮、磷等营养物质[31, 32]。包先明等[33]研究沉水植物影响富营养化水体沉积物中磷的形态, 通过研究太湖 6 种常见沉水植物对五里湖沉积物的种植试验表明, 沉水植物在其生长过程会引起上覆水 pH、氧化还原电位以及藻类含量的变化, 从而控制沉积物中铁磷、有机磷等主要化学形态磷的释放, 同时各种沉水植物生长后, 沉积物中总磷的含量也得到明显的削减。刘兵钦等[34]研究了菹草对湖泊沉积物磷状态的影响, 发现菹草生物量较高的沉积物表现出明显较低的碱性磷酸酶活性与最大反应速度。目前, 越来越多的研究致力于种植沉水植物对富营养化湖泊沉积物磷控制机理的探索性研究中[35, 36]。对底泥原位植物修复技术的研究结果表明, 苦草()、狐尾藻() 和菹草() 等沉水植物不仅能显著地降低上覆水体中氨氮、总磷、总氮和藻类的含量, 可以通过根系的吸收和根际微生物的作用降低沉积物中的各形态磷, 还可在一定程度上抑制沉积物中各形态磷的释放[37]。童昌华等[38]研究了狐尾藻、凤眼莲等水生植物控制湖泊沉积物营养盐释放的试验, 结果表明多种水生植物均能有效地抑制沉积物中总氮、总磷的释放。

5 结论和展望

在沉积物磷的原位修复技术中, 异位修复技术在实际富营养化湖泊修复工程中得到了一定的应用, 该修复技术见效快, 但工程巨大, 同时投资成本较高, 且疏浚后污泥的处理有一定的难度。目前, 虽然沉积物磷的原位修复技术尚处在实验室研究阶段, 但由于该技术具有经济成本低、工艺操作简单、不易产生二次污染等优点, 富营养化湖泊沉积物磷的原位修复控制技术将成为今后解决水体沉积物磷内源污染的重要方向。在实际应用中, 原位控制技术还存在较多需进一步研究和探索的瓶颈, 如原位覆盖技术需大量覆盖材料, 可能对生境带来不可预见的影响, 不适于大规模应用于河湖; 化学处理技术由于存在化学药剂残留, 可能会对水质产生二次污染; 微生物修复在实际应用中会受到自然环境条件限制, 且微生物生长状态难以控制; 植物修复周期较长, 植物生长受地域、环境等影响。

为了使富营养化湖泊沉积物磷原位控制技术进一步应用到大规模的工程实践中, 达到更高的环境效益和社会效益, 应该加强进行该领域的前沿性研究。同时, 原位生物修复由于成本低、对原有生态环境无破坏性等特点, 具有广阔的应用前景, 水生植物修复可以有效的解决湖泊底泥磷污染, 随着研究的深入和技术的不断完善, 以大型水生植物为主的富营养化湖泊沉积物磷原位控制技术将会得到越来越广泛的应用。为进一步提高处理效果, 加强工程应用, 可充分利用各种原位修复技术的优势, 研发多种集成的修复技术体系, 如研究化学-生物联合处理技术、物理-生态耦合技术等, 使各个控制技术优势互补, 最大程度地发挥其原位修复功能。

[1] Ryding S O. Reversibility of man-induced eutrophication. experiences of a lake recovery study in Sweden [J]., 1981, 66(4): 449—503

[2] Hooda P S, Rendell A R, Edwards A C,. Relating soilphosphorus indices to potential phosphorus release to water [J]., 2000, 29: 1166—1171

[3] Zheng M Z, Lu S Y, Jin X C,. Effect of inactivation agents on the phosphorus release from sediment of lake Dianchi at different temperature [J]., 2008, 29(9): 2465—2469 [郑苗壮, 卢少勇, 金相灿, 等. 温度对钝化剂抑制滇池底泥磷释放的影响. 环境科学, 2008, 29(9): 2465—2469]

[4] Darren A, Graham B J, David M M. The application of sediment capping agents on phosphorus speciation and mobility in a sub-tropical dunal lake [J]., 2004, 55(7): 715—725

[5] Zhu G W, Chen Y X, Tian G M. Reviews on development of pollution control techniques of sediment [J]., 2002, 21(4): 378—380 [朱广伟, 陈英旭, 田光明. 水体沉积物的污染控制技术研究进展. 农业环境保护, 2002, 21(4): 378—380]

[6] Hong Z X, He P J, Shao L M.treatment of contaminated sediments [J]., 2002(10): 15—17 [洪祖喜, 何品晶, 邵立明. 水体受污染底泥原地处理技术. 环境保护, 2002, (10): 15—17]

[7] Roelofs J G M, Brouwer E, Bobbink R. Restoration of aquatic macrophyte vegetation in acidified and eutrophicated shallow soft water wetlands in the Netherlands [J]., 2002, 478(15): 171—180

[8] US EPA. Selecting remediation techniques for contaminated sediment, EPA 823-B93-001 [R]. Office of Water, Washington, D C. 1993

[9] US EPA. Contaminated sediments: relevant Statutes and EPA Program Activities, EPA 506/6-90/003 [R]. Office of Water, Washington, D C. 1990

[10] Spears B M, Carvalho L, Perkins R,Sediment phosphorus cycling in a large shallow lake: spatio-temporal variation phosphorus pools and release [J]., 2007, 584(1): 37—48

[11] Pomeroy L R, Smith E E, Grant C M. The ex-change of phosphorus between estuarine water and sediments [J]., 1980, 14: 1477—1481

[12] Fu Q H. Form Analysis and release study of phosphorus in lake sediments [J]., 1994, 13(4): 21—24 [傅庆红. 湖泊沉积物中磷的形态分析及其释放研究. 四川环境, 1994, 13(4): 21—24]

[13] Klapper H. Technologies for lake restoration [J]., 2003, 62(S1): 73—90

[14] Ao J. Reviews on development of release control techniques of contaminated sediment [J]., 2004, 30(126): 29—35 [敖静. 污染底泥释放控制技术的研究进展. 环境保护科学, 2004, 30(126): 29—35]

[15] Palermo M R. Design consideration for in-situ capping of contaminated sediments [J]., 1998, 37( 6-7): 315—321

[16] Klapper H. Technologies for lake restoration [J]., 2003, 62(S1): 73—90

[17] Doi H, Chang K H, Ando T,. Drifting plankton from a reservoir subsidize downstream food webs and alter community structure [J]., 2008, 156(2): 363—371

[18] Sun Y J, Li X P, Huang Y L,. Progress in remediation in-situ techniques of polluted sediments [J]., 2008, 34(1): 14—18 [孙远军, 李小平, 黄廷林, 等. 受污染沉积物原位修复技术研究进展. 水处理技术, 2008, 34(1): 14—18]

[19] Palermo M R. Design consideration for in-situ capping of contaminated sediments [J]., 1998, 37(6/7): 315—321

[20] Jacobs P H, Frstner U. Concept of subaqueous capping of contaminated sediments with active barrier systems (ABS) using natural and modified zeolites [J]., 1999, 33(9): 2083—2087

[21] Seunghun H, Chad T J, Linda S l,. Laboratory studies to characterize the efficacy of sand capping a coal tar contaminated sediment [J]., 2006, 63(10): 1621—1631

[22] Mohan R K, Brown M P, Barnes C R. Design criteria and theoretical basis for capping contaminated marine sediments [J]., 2000, 22(2): 85—93

[23] Azcue J M, Zeman A J, Mudroch A,. Assessment of sediment and porewater after one year of subaqueous capping of contaminated sediments in Hamilton Harbor, Canada [J]., 1998, 37(6/7): 323—329

[24] Hu X Z, Jin X C, L iang L L,. Inactivation of phosphorus from contaminated sediment of Dianchi Lake when treated with alum under different pH conditions and modified by clay mineral [J]., 2008, 28(1) : 44—49 [胡小贞, 金相灿, 梁丽丽, 等. 不同改良条件下硫酸铝对滇池污染底泥磷的钝化效果. 环境科学学报, 2008, 28(1): 44—49]

[25] Willianm F J. Alum: redox-sensitive phosphorus ratio consideration and uncertainties in the eatimation of alum dosage to control sediment phosphorus [J]., 2005, 21(2): 159—164

[26] Barry T H, Simon R, Robert J,. Active barrier to reduce phosphorus release from sediments: effectiveness of three forms of CaCO3[J]., 2003, 56(2/3): 207—217

[27] Akhurst D, Jones G B, McConchie D M. The application of sediment capping agents on phosphorus speciation and mobility in a subtropical dunal lake [J]., 2004, 55(7): 715—725

[28] Feng Q X, Xie J, Liu J. Biological oxidation of sediment and control black and odorous urban river [J]., 2003, 23(6): 42—44 [冯奇秀, 谢骏, 刘军. 底泥生物氧化与城市黑臭河涌治理. 水利渔业, 2003, 23(6): 42—44]

[29] Pan Y Z, Lu W L, Zhang N,. Study of purification of eutrophicated scenery water body by dominant bacterial agents [J]., 2005, 31(6): 73—77 [潘涌璋, 吕雯岚, 张娜, 等. 微生物菌剂净化富营养化景观水体的研究与应用. 给水排水, 2005, 31(6): 73—77]

[30] Yan Y C, Yao L T, Song X Y,. Degradation of phosphorus pesticide by engineered bacteria and immobilized cell [J]., 2001, 21(5): 412—416 [闫艳春, 姚良同, 宋晓妍, 等. 工程菌及其固定化细胞对有机磷农药的降解. 中国环境科学, 2001, 21(5): 412—416]

[31] Qiao J R, Ren C J. Study on the removal rate to TP in Lake Caohai by common submerged macrophytes [J]., 1996, 32(6): 785—789 [乔建荣, 任长久.常见沉水植物对草海水体总磷去除速率的研究. 北京大学学报: 自然科学版, 1996, 32(6): 785—789]

[32] Chong Y X, Hu H Y, Qian Y. Advances in utilization of macrophytes in water pollution control [J]., 2003, 4(2): 36—40 [种云霄, 胡洪营, 钱易. 大型水生植物在水污染治理中的应用研究进展. 环境污染治理技术与设备, 2003, 4(2): 36—40]

[33] Bao X M, Chen K N, Fan C X. Effects of restoration of submerged macrophytes on phosphorus forms in sediments under eutrophic water [J]., 2006, 37(4): 710—715 [包先明, 陈开宁, 范成新. 种植沉水植物对富营养化水体沉积物中磷形态的影响. 土壤通报, 2006, 37(4): 710—715]

[34] Liu B Q, Wang W X, Song C L,Influences of Potamogeton crispus L. on phosphorus status in lake sediments [J]., 2004, 22(5): 394—399 [刘兵钦, 王万贤, 宋春雷, 等. 菹草对湖泊沉积物磷状态的影响. 武汉植物学研究, 2004, 22(5): 394—399]

[35] Moss B. Engineering and biological to the restoration from eutrophication of shallow lakes in which aquatic plant communition are important components [J]., 1990, 200／201: 367—377

[36] He F, Wu Z B. Application of aquatic plants in sewage treatment and water quality improvement [J]., 2003, 20(6): 641—647 [贺锋, 吴振斌. 水生植物在污水处理和水质改善中的应用. 植物学通报, 2003, 20(6): 641—647]

[37] Wu Z B, Qiu D R, He F,. Effects of rehabilitation of submerged macrophytes on nutrient level of a eutrophic lake [J]., 2003, 14(8): 1351—1353 [吴振斌, 邱东茹, 贺锋, 等. 沉水植物重建对富营养水体氮磷营养水平的影响. 应用生态学报, 2003, 14(8): 1351—1353]

[38] Tong C H, Yang X E, Pu P M. Effects and mechanism of hydrophytes on control of release of nutrient salts in lake sediment [J]., 2003, 22(6): 673—676 [童昌华, 杨肖娥, 濮培民. 水生植物控制湖泊底泥营养盐释放的效果与机理. 农业环境科学学报, 2003, 22(6): 673—676]

Control Technology of Phosphorus in Sediment of Eutrophic Lake

LI An-Ding1,2, ZHANG Yi3, ZHOU Bei-Hai1and WU Zhen-Bin3

(1. Department of Environmental Engineering, Civil and Environment Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Sino-Japan Friendship Centre for Environmental Protection, Beijing 100029, China; 3. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Science, Wuhan 430072, China)

Eutrophic lake; Sediment; Internal phosphorus;control technology

2013-12-04;

2013-12-24

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101007-005)资助

李安定(1978—), 男, 湖南长沙人; 高级工程师, 在读博士研究生; 主要从事废水生物生态处理、湖泊富营养化控制、植物修复等研究。E-mail: andingli2004@163.com

X524

A

1000-3207(2014)02-0370-05

10.7541/2014.52