底泥磷污染的修复方法研究进展

2020-06-15孙宁宁陈蕾

应用化工 2020年5期

孙宁宁，陈蕾

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

目前，我国河流、湖泊及水库等水体多数面临底泥中内源污染的问题[1-2]。研究表明，当污染物的外源输入达到国家规定标准时，在特定的情况下，原本堆集在底泥里的污染物会上浮到水体中，从而可能造成二次污染[3]，并且二次污染后的水体情况比较复杂，使得底泥污染物的处理更加困难[4]。目前，针对底泥引起的内源污染，尚未有系统化的治理方法。根据底泥处理的位置不同，从大方向上可以分为原位修复和异位修复两种。本文按照顺序逐点分析了底泥的原位治理与异位处理的各种方法及其研究进展，并且分析了不同方法的实际应用情况。

1 底泥磷污染的来源

湖泊水体中底泥磷的污染源主要有三个方面：氮、磷营养物质，重金属以及有机污染物。一方面，流入湖泊中的水体尤其是生活污水和工业废水一般都有较高含量的氮、磷元素和重金属离子。这些元素和离子通常会沉积到底泥中，但当外部环境发生变化时，这些元素会向上覆水中释放，同时还会消耗大量溶解氧导致水体恶化。另一方面，由于过量喷洒农药和错误的垃圾处理方法将会导致有机污染物进入水循环系统，最终在吸附作用下堆积在底泥中。

2 底泥原位治理技术

底泥原位修复指的是在不进行疏浚的情况下，利用物理、化学和生物等技术就原位置对受污染的底泥进行治理和修复的技术，其可分成化学修复技术、物理修复技术和生物修复技术。

2.1 原位物理修复

原位物理修复即底泥覆盖技术，是目前应对底泥磷污染最常见也是使用率最高的一种技术。其原理是将污泥留在原处，在河道底泥上铺盖一层覆盖材料(目前主要为砂子、石块以及某些新型合成材料)将水体与底泥隔开，从而阻碍污染物的迁移活动[5-6]。

近年来关于使用原位覆盖法来控制底泥磷释放的技术，研究者进行了诸多研究。在应对底泥磷污染时，原位覆盖技术的最终成效取决于所使用的覆盖材料。目前底泥覆盖除磷材料主要分为 4 大类：铁盐、钙盐、镧改性和铝盐[7-8]。其中镧改性的除磷材料phoslock形成的LaPO4非常稳定，能够永久除磷，因此在欧美国家得到广泛工程应用[9-10]。

国内学者对底泥覆盖技术也进行了大量的实验和理论探讨，薛传东[11]摒弃了传统的覆盖材料，创新性的把粉煤灰和红土这两种物质结合起来进行铺盖，实验发现这种新型覆盖材料可以有效地阻碍底泥中磷向水体释放的进程。李书文等[12]把煅烧改性净水厂污泥( C-WTPS )作为覆盖材料，并研究了在此条件下底泥磷释放的差异，研究表明C-WTPS促进了底泥中易释放形态磷迁移到C-WTPS中，并转化较为稳定的形态磷，可见C-WTP覆盖对底泥磷的释放有控制和削减作用。

底泥覆盖技术对于一些污染程度较高的底泥有显著作用，但同时也有一定的缺陷和不足之处。由于底泥覆盖主要是通过铺盖材料使得污染物和水体避免接触，实际上污染物还是储存在底泥中，因此当在外力作用下覆盖层遭到损坏或在水动力的作用下发生迁移，底泥污染物仍会重新暴露并向水体扩散[13]。此外，由于铺设覆盖材料的缘故，河道会因此变浅，底泥也会出现更大范围的堆积，从而影响湖泊的过水能力和航运能力，这对河道的泄洪蓄水也存在着潜在的风险[14]。

2.2 原位化学修复

原位化学修复是指向受污染底泥中加入特定的化学制剂或酶制剂，这些制剂可与底泥中的营养盐定向发生络合反应，从而产生可以抑制磷释放的稳定结合物[15]。由于所使用的化学制剂和酶制剂的不同，原位化学修复技术主要有原位氧化还原技术和原位钝化技术[16]。

原位还原处理技术是指通过对底泥原位注射还原剂，使得高价元素价位降低，从而在底泥中发生还原反应使得污染物得到降解。还原剂种类很多，但目前研究重点集中在零价铁作为还原剂的修复作用。张伟贤[18]把厌氧零价铁和剩余污泥微生物燃料电池结合以此来研究零价铁对有机污染物的作用。实验分析表明，零价铁作为还原剂时能够有效降低有机污染物的含量。

和原位氧化还原技术类似，钝化技术则是利用钝化药剂能够吸附污染物的特性，从而使得其会在底泥和上覆水之间形成一种分隔膜，使得底泥和上覆水变成两个没有污染物迁移交换的单独体，并可以有效避免再次污染。钝化药剂有很多，但就效果来讲国内外应用最为成熟的主要是铝盐、钙盐等。赵卫民等[19]针对不同钝化剂(铝盐、钙盐、铁盐)在底泥修复中呈现的效果做了实验研究，结果表明这三种钝化剂都能达到阻碍磷的释放，修复污染底泥的效果，但是相对来讲铁盐对底泥的修复力不如其他两种。此外，国外学者也对原位钝化技术进行了研究。Huser等[20]分析了用铝盐处理过的湖泊，数据分析发现处理前后TP、Secchi深度、Chl a的生长期均有明显差异，换句话说，铝盐处理过的水体质量有很大改善而且效果维持时间较长。Yin等[21]利用热处理富钙凹凸棒石(TCAP)对底泥污染物进行了相关的磷实验，结果表明使用TCAP可以有效抑制磷的迁移活动，即使用TCAP可以对底泥有一定的修复作用。

原位化学修复法发展时间早，技术成熟且性价比高，一直被广泛应用。但由于化学修复最重要的过程是对化学试剂的利用，因此这对水环境将是一个很大的隐患。

2.3 原位生物修复

原位生物修复技术是指通过一些特殊生物的自身代谢过程吸附分解底泥中的污染物，从而达到修复水体的目的。生物修复技术主要包括微生物修复技术和植物修复技术。

2.3.1 植物修复植物修复技术是指在河道种植去污能力强的浮水、沉水以及挺水植物，利用植物发达根系对某些污染物质吸收累积，从而降解底泥中的污染物[22]。活的大型植物不排泄磷，但可以通过呼吸活动降低溶解氧浓度或通过强化光合作用提高pH值来促进沉积物中的磷释放，另一方面，由于芽和根茎释放O2，表面沉积层被氧化，这降低了磷的释放速率[23]。水体中重新悬浮和随之而来的水浊度的增加对初级生产者、浮游动物群落和各种捕食者-猎物相互作用产生了很多影响。研究表明，大型水生植物可以促进细颗粒和沉积物的沉降从而显著减少沉积物的重悬和侵蚀[24]。

目前，植物修复法已经在处理底泥磷污染方面取得了很多有效进展。可以用作植物修复法的植物有很多种，最为典型的就是苦草。苦草能够有效地捕获污染物并且其生存能力强，在多种水环境下均能繁殖，因此我国多地均培植了苦草进行水环境修复[25]。王立志等[26]探讨了苦草根系对底泥污染物的影响，研究表明苦草在生长过程中能够降低沉积物中各层多种形态磷的含量，在苦草根系分布区沉积物中各形态磷的含量要比非根系分布区低得多，沉积物中各形态磷含量也随着苦草根系面积的增加而减小。

2.3.2 微生物修复微生物修复是指通过技术挑选出以污染物为营养物质的微生物，使其在生命活动过程中对污染物进行分解，以此来修复水体的方法。和其他方法比起来，微生物修复有很多独特的优点：①生物繁殖能力强，在环境适宜时可以大量生长，从而降低治理成本；②生物的自然净化不会对原有生态系统造成破坏[27]；③和其他修复技术相比，微生物修复有一定的固定性，即由于细菌本身的特性，特定的细菌只会对特定的物质发生作用，因此可以把不同的菌落聚集起来共同处理污染物[28]；④水体中微生物种类众多，各种微生物之间可能出现促进或者抑制作用，从而降解复合型污染物[29]。例如冯奇秀等[30]把微生物培养液和氧化剂融合后向底泥原位注射药物，研究发现水体含氧量不断增加，磷含量也显著降低。Rosa等[31]采用微生物燃料电池(MFCs)修复技术，对意大利西南部波佐利湾巴格诺利棕地钢铁厂前采集的海洋沉积物中的多环芳烃(PAHs)进行降解，初步研究结果表明MFCs确实在修复底泥污染物方面有积极的促进作用。

3 异位修复

异位修复技术主要为底泥疏浚。底泥疏浚(又称环境疏浚)通常是把上面一部分底泥直接去除，从而减小底泥厚度，降低底泥磷的释放。目前，由于底泥疏浚操作简单，施工成本也较低，许多国家在面临水体底泥污染时，较多采用此法。瑞典的 Trummen湖水体严重污染，采取截污等常规性外源措施已不足以解决问题，为此有关部门进行了底泥疏浚。湖泊经疏浚后其总磷浓度迅速下降，随后该湖营养水平也逐渐恢复正常[32]。此外，我国对受污染水体如滇池也进行了底泥疏浚措施，和Trummen湖水一样，经疏浚后的水体营养物质含量趋于正常水平，湖水黑臭问题也得到了解决[33]。

运用底泥疏浚法虽然有效地从根本上去除了污染源但是对于疏浚的修复效果还有很大争议。由于底泥疏浚挖去了浅层污泥，所以存在于底泥中的污染源也被去除，同时挖除后的水体水深增加，水体体积增大。但是赵章元[34]指出，虽然去除了部分底泥使得水体环境快速好转，但是由于外部污染源的持续输入，污染物很快又在底泥中堆积聚集，形成新的污染源，从这个角度来看，底泥疏浚的效果并不长久。此外，疏浚技术采用机械作业，在操作中难免会导致底泥的扩散悬浮，影响水体水质。底泥中的有机物质、甲烷等也会在操作过程中释放至水体，导致水生植物过度繁殖，微生物的生命代谢活动也会受到影响[35]。其次，由于大型机械的采用，疏浚工程会产生影响居住环境的噪声和尘土。在下雨天，尘土则会汇流影响其他水体水质。因此在使用底泥疏浚方法修复水体时，要充分关注施工过程对周围环境的影响，保护生态环境[36]。

4 其他修复方法

除了上述常见修复方法外，也逐渐发展了一些新型修复法，比如底层充氧法。缺氧条件可以触发湖泊沉积物中释放还原的金属和营养物，从而导致恶臭味道以及令人讨厌的藻类水华问题。保持低氧是控制这些金属和营养物释放的重要举措，低氧氧合系统通常用于增加湖泊和水库低水位的溶解氧(DO) 浓度。常用的氢氧系统的目的就是维持热分层，同时在底水中添加氧气。其主要优点是使得氧溶解度高于超磁曝气系统，并具有更高的氧转移效率，但是设计不当的氢氧系统反而可能会导致更高的浊度[37]。侧流过饱和(SSS)技术是指从湖中提取水，并在高压下注入浓氧气体，最后将含氧的水返回到蜂巢中的过程。采用此技术研究了位于美国维吉尼亚州文顿的一座浅水饮用水水库对SSS运行的敏感性[38]。研究表明，此技术能够成功地克服诱导沉积物需氧量，从而在不触发降层的情况下增加超磁溶解氧浓度，并且对沉积物中Fe、Mn和P释放均有抑制效果。换句话讲，SSS是改善瀑布溪水库(FCR)、浅水富营养饮用水水库水质的可行性方案[39]。