河道底泥原位生物修复技术研究简述*

(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)

引言

城市河道具有景观、供应水源、航道、文化等多种生态功能，是城市建设发展中非常重要的一部分。随着城市化进程加快，大量生活及工业废水未经适当处理排入河道中，会对河流、河道及周边土壤造成急性或慢性负影响。其中积累了许多无机物与疏水的持久性有机物等的河道底泥，具有复杂、持久以及累积等特性，当污染物达到一定浓度后，其中N、P、重金属、有机物等污染物会源源不断的从底泥中释放到上覆水，加重河流的污染。据《2018年成都市环境质量公报》显示，2018年成都市地表水水质总体良好，其中Ⅳ～Ⅴ类水质占19.8%；劣Ⅴ类水质占4.7%，主要污染指标为氨氮、总磷和化学需氧量。底泥沉积物中的污染物对人类健康和生态环境构成巨大威胁，其综合影响仍鲜为人知。

为了有效地控制河道底泥污染，可采取异位修复与原位修复两类技术。由于疏浚会引起污染物的大量迁移，对生态环境产生较大负面影响，因此，现多使用原位修复技术，或多种修复技术联用。原位生物修复由于其环境影响小，投入少，修复效果好等特点而得到广泛应用，具有良好的发展前景。

1 河道底泥原位修复技术

河流中产生黑臭水体的污染现象，主要是由于水中缺乏DO(溶解氧)而形成缺氧环境，厌氧微生物降解有机物产生大量臭味气体(如硫化氢、硫醇、氨等)、土臭素以及致黑物质(如硫化亚铁等)等，造成水体恶化、黑臭[1]。此外，水温上升，水体中氨氮浓度过高，以及重金属污染等也会引起水体发臭。水中污染物沉积吸附在底泥中，当污染物浓度达到一定量或者底泥受到扰动时，沉积物再悬浮会重新释放污染物到水体中，造成二次污染。

底泥修复处理技术中，异位修复(疏竣)是通过挖掘表层受到污染的底泥以达到减少底泥污染物释放的技术措施[2]。虽然能有效减少污染物量，但具有费用高、生态破坏、二次污染与工程量大等缺点[3]，因此，治理底泥污染多采用原位修复技术。底泥原位修复技术可分为物理、化学、生物三大类。

1.1 物理修复

物理修复包括截污，引水，覆盖，曝气等技术[4]。截污是水体污染治理的基本方法，通过截断污染物来源实现减少水体污染的目的。引水是引入水质较好的水冲刷污染的底泥并排出污染水体进行处理的方法，通过这种方法能够有效增加水的流动性，从而降低水体污染浓度和提高溶解氧含量，但耗水量较高，具有季节局限性，因此未能广泛应用。覆盖技术是指将洁净的底泥、砂砾、砖石等材料覆盖在原有河道底泥上，从而控制底泥污染物向水体释放的一种底泥修复技术，虽然修复效果较好，但会影响原生态环境，缩小水体容量，且不能从根本解决底泥污染。曝气技术就是向污染底泥中通入空气或氧气，增加溶解氧，改善缺氧环境，提高生物降解净化能力，从而减少底泥水体污染的方法，该技术可有效修复污染底泥，改善水生态环境。

此外，还有国内近些年新兴的技术——原位洗脱技术，其原理是用设备对表层底泥进行机械搅动或曝气搅动，然后用水泵抽走释放入水体的污染物，经搅动翻洗后的泥沙重新在上表面形成新覆盖层。经工程应用，发现该技术能有效抑制氮磷等物质的释放，在修复底泥中取得了良好的效果[5]。

1.2 化学修复

原位化学修复技术是指投加化学试剂到污染底泥中，改变水体氧化还原电位、pH值等，以减缓污染物释放，使底泥固化或无害化的措施。常用的化学试剂包含铝盐、硝酸钙、氯化铁、高锰酸钾、过氧化氢等。但直接向底泥中添加化学试剂会带来环境副作用，因此，化学修复在原位修复技术中应用潜力有限。

1.3 生物修复

生物修复技术即是利用微生物降解或植物净化等方式来降低底泥污染程度。底泥生物修复技术包括微生物修复、植物修复等。生物修复具有环境影响小，处理效果好，投资少等特点，现在被广泛应用于河道底泥处理中。

2 河道底泥原位生物修复技术

底泥中复杂的环境会限制原位生物或介质的有效性，而当环境得到改善时生物转化过程会得到加强，有效性就会增高。底泥生物修复技术主要包括两种类型，一类是通过修复底泥环境，促进生物对污染物的降解，也叫生物促生技术；另一类是投加微生物菌剂或引入植物来削减底泥污染。

2.1 生物强化技术

生物强化修复技术主要是通过技术筛选和驯化针对污染物的高效微生物菌种(或土著微生物)，投加到污染底泥中，利用微生物的生命代谢作用对污染物进行分解、转化与降解，以削减底泥中污染物浓度，改善河道生态环境。比如枯草芽孢杆菌，基因工程菌等。微生物在好氧环境下可以彻底将有机污染物降解为CO2、NO3-、H2O等无机物。同时，能将重金属转化为惰性状态并固定在底泥中，减少其迁移与释放。

为了防止细菌丢失，并增强其降解能力，微生物也可以固定在各种载体上，如活性炭、醋酸纤维素膜等。Qing Wang[6]等人研制了一种以聚砜/颗粒活性炭(PS/GAC)复合膜为载体固定微生物的新型生物活性覆盖层，用于沉积物中硝基苯的修复，通过扫描电镜观察到所有膜的顶层为致密层，底层多孔，这种结构可阻断硝基苯从沉积物向水中的转移，并提高硝基苯的降解率。

2.2 植物修复技术

通过向底泥中引入具有净化功能的高耐受性植物(如挺水植物、沉水植物、亲水植物等)或藻类，可以通过根茎上附着的微生物分解、转换氮磷等物质，抑制底泥污染物悬浮再释放，也能在吸附污染物后通过收割植物来削减污染物。同时，植物的栽种能增加河道底泥与水体中溶解氧含量，提高生物多样性，为微生物降解污染物提供适宜的环境。据报道，沉水植物能显著去除并抑制底泥氮磷等营养物质，是控制水体内源污染的有效措施[7]。黄菖蒲和再力花对重金属(Cd与Pb)有较强的吸收能力，且能固定重金属避免其产生迁移引起更多的危害[8]。

2.3 生物促生技术

生物促生技术是指向底泥中添加一些制剂(如生物复合酶、共代谢底物、营养剂、电子受体等)以修复底泥，改善微生物生存繁殖条件，促进微生物降解底泥污染物。

生物复合酶是由多种生物酶、表面活性剂与营养物等合成的制剂，它能刺激和促进微生物分解污染物的反应，增强水体复氧能力，提高微生物活性与多样性，也能催化一些氧化反应，改善水体黑臭现象[9]。生物复合酶应用范围广，既能适用于好氧环境，也能适用于厌氧环境，且对生态环境具有无害性，在河道底泥修复中具有广阔的应用前景。

共代谢作用是指从外界提供另外一种基质作为碳源或能源，以增强微生物酶活性，降解同一介质中有机污染物的作用。具有共代谢功能的微生物有芽孢杆菌、黑曲霉、黄色杆菌、青霉、诺卡氏菌、弧菌等[10]。对于有抗酶分解性质的有机物可以采取共代谢作用来进行底泥污染物的降解。

此外，向底泥中添加吸附材料的修复技术成为国内外近年的研究热点。将吸附剂应用于河道底泥原位修复，可以利用其本身的强吸附性来减少底泥中污染物含量，降低生物利用度；可作为覆盖材料，限制污染物的释出重新进入水体。一些具有多孔结构的吸附剂在底泥中能作为微生物固定化载体，改善底泥孔隙结构，使微生物更加丰富和多样化。常用的修复剂有碳质材料如活性炭、改性膨润土、天然沸石等。其中活性炭具有很强的吸附性能，比有机碳的吸附力强100倍以上，在吸收多环芳烃PAHs、多氯联苯PCBs、金属等物质时，能降低其生物可利用性。活性炭修复技术的处理效果随沉积物污染率、活性炭用量与所考虑生物模型目标的不同而不同。林舒康[11]用沸石和活性炭作为微生物载体，投加到底泥中进行修复试验，上覆水中COD、氨氮、总氮、有机质等污染物浓度显著下降，水质明显改善。周岩梅等[12]向底泥中投加生物质活性炭，发现能有效降低底泥孔隙水中有机污染物(PAHs、PAEs与苯系物)的含量，降低率达93.2%以上，其中对PAHs的修复效果最好。

近年来纳米技术为去除环境污染物开辟了新的途径。纳米级零价铁(nZVI)是应用最广泛的纳米颗粒修复剂，可将一些有机污染物转化为毒性小的副产物，在去除污染物方面很有效。但其缺乏稳定性，难以从被提纯的介质中提取出来，且成本较高，相关研究也较少，仅限于小规模实验研究。Tomasevic Pilipovic[13]选择高岭石、膨润土和羧甲基纤维素负载nZVI原位修复河道底泥，实验室结果表明对重金属(Ni，Xn，Pb)去除率高达80%，nZVI的存在显著增加了高岭土等的表面积。

微生物电化学技术依赖于微生物直接或间接地使用固体电极的能力，对于污染物的氧化/还原降解来说具有无尽的电子供体/受体来源，仅需要较低的维护。沉积物微生物燃料电池(SMFCs)在促进沉积物中PAHs时非常有效。由于缺乏合适的电子受体，多环芳烃常作为污染物存在于缺氧底泥中。沉积物微生物燃料电池可作为电子受体来促进芳烃污染物的降解[14]。

3 结语

近些年，在国家政策大力支持下，全国大部分黑臭水体的治理都取得了良好成效。随着科研水平提高与经济不断发展，更希望寻求一些对生态环境影响小且修复效果显著的方法——原位底泥生物修复技术。将吸附剂应用于底泥修复技术中，能改善底泥环境，促进微生物对污染物的降解，吸附剂修复技术有望成为污染沉积物，特别是疏水性有机污染物的一种永久性和经济有效地解决方法。该方面研究大多集中于活性炭、改性沸石等吸附剂，其中鲜有文献研究木质素系吸附剂在底泥中的修复作用，及其对底泥中生物群落的影响。木质素系吸附剂已有研究证实其在污染水体与土壤中能有效地降低污染物浓度。此外，吸附剂修复底泥技术的吸附与反应能力是有限的，污染物并不能完全从底泥中去除，平流与扩散造成的污染物过度渗透会使沉积物可能成为一种固定风险。因此，需重视修复后沉积物的生态毒理影响。