三种药剂对黑臭底泥原位修复效果的研究

杨明， 夏明升， 龚明杰， 孙玉童

（安徽省通源环境节能股份有限公司， 合肥 230031）

黑臭底泥治理是水环境治理的重要组成部分，如果底泥中污染物的释放不能得到有效控制， 水环境治理也将难以取得良好效果。 底泥治理可分为清淤疏浚和原位修复， 其中清淤疏浚通常需要投入大量机械设备和人力物力， 且清淤上岸的底泥需要较大的处理场地进行消纳， 在实际应用中存在一定制约［1］。 底泥的原位修复有着广泛的应用需求。 底泥原位修复技术主要分为两类： 一是生物法， 通过向水体或底泥中投加微生物制剂， 促进底泥有机物的降解［2］； 二是化学法， 常用的有向底泥中投加过氧化钙［3］、 过氧化氢［4］等具有强氧化性质的药剂， 氧化分解底泥中的有机物， 并减缓氮、 磷、 COD 向水体释放， 或向底泥中投加固化剂及辅助剂， 如石灰、火山灰、 水泥、 改性二氧化钛［5］等， 以降低氮、 磷、重金属等污染物的溶解度、 迁移性或毒性。

目前， 化学法在底泥原位修复方面有较广的应用前景和较多的应用案例。 已有较多关于水泥、 石灰以及过氧化钙等药剂对底泥原位修复的研究， 主要集中在对底泥和水体黑臭现象的改善［6］、 黑臭有机质的分解去除［7］、 氮磷物质的削减［8］等方面。 关于投加上述药剂对底泥向上覆水释放氮磷、 底泥和上覆水pH 值的综合变化， 以及对沉水植物存活生长的综合影响， 缺少相关的研究报道。 本研究采用水泥、 生石灰以及过氧化钙等3 种常见的化学药剂对黑臭底泥进行固化稳定化处理， 考察其对底泥污染释放的抑制作用以及对沉水植物生长的影响等，为该方法在水生态治理领域的工程适用性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 底泥采样

供试底泥采集于合肥市瑶海区二十埠河污染严重的黑臭区段， 周边有较多排污口。 采样工具为长柄铁锹， 底泥样品以表层稀泥为主， 采样深度为15 cm。 完成采样后， 将底泥带回实验室， 去除其中的大颗粒物、 塑料垃圾、 动植物残渣等杂物， 然后用小铁铲反复搅拌混匀， 置于4 ℃冰箱中保存待用。

1.2 试验材料

水泥为硅酸盐水泥， 标号为P·O 42.5； 生石灰粉末， 规格为60 目； 过氧化钙粉末， 规格为60 目。

沉水植物选用长势良好的新鲜苦草， 平均高度约为20 cm。

1.3 试验方法

（1） 试验分组及设置。 分为水泥组、 生石灰组以及过氧化钙组， 另外设置1 个空白对照组。 将底泥充分搅拌混匀， 装入4 个圆柱形透明容器中， 每个容器中加入200 g 底泥， 泥层厚度约2 cm， 然后分别向水泥组、 石灰组以及过氧化钙组投加6 g 相应药剂（经提前测试确定用量， 可确保底泥适度固结）， 搅拌均匀， 静置3 d， 待底泥固结。 对照组不添加药剂， 其他处理同前述。

（2） 完成3 d 静置后， 向各试验组分别添加2 L 去离子水， 加水过程通过玻璃棒引流， 缓慢向各组加水， 尽量避免加水过程对底泥的扰动， 防止底泥泛起。 之后静置14 d， 再从各组的上覆水中取水样， 分别测定氨氮、 总氮、 总磷、 pH 值等指标，以探究各组的污染释放情况。

（3） 完成4 次水质指标测试后， 用玻璃棒轻戳各组底泥， 以了解底泥是否固结。 然后用玻璃棒对上覆水进行搅拌， 观察底泥是否上翻。

（4） 选取长势良好、 大小相近的新鲜苦草， 在试验组底泥中分别栽种5 株。 之后静置14 d， 期间观察植物的生长成活情况。 完成沉水植物试验后，倒出各组的上覆水， 测定底泥的pH 值。

2 结果与讨论

2.1 不同修复药剂对底泥的污染释放影响

从底泥上覆水取样检测， 考察不同修复药剂对底泥的污染释放影响， 结果如表1 所示。

表1 不同修复药剂对底泥的污染释放影响Tab. 1 Influence of different remediation agents on pollution release of bottom sludge

从底泥上覆水取样检测的结果显示， 各试验组均表现出一定的氨氮释放抑制效果， 上覆水中氨氮浓度均低于空白对照组， 各组底泥上覆水中氨氮浓度大小依次为生石灰组、 水泥组、 过氧化钙组， 表明过氧化钙对底泥氨氮释放的抑制效果相对较好。底泥作为黑臭水体的主要内源污染， 有向自然水体迁移、 释放氮磷营养盐的趋势［9］， 因而对照组的底泥在未做处理的状态下， 氨氮向上覆水大量释放， 浓度最高。 水泥和生石灰具有对底泥的固化稳定化作用， 在固结状态下， 氮、 磷物质较难自由迁移［10］， 从而抑制了这两组底泥的氨氮释放。 过氧化钙在底泥中可缓慢释放氧气， 提高氧化还原电位，具有较强氧化性［11］。 本研究中过氧化钙组氨氮浓度最低， 可能是因为底泥中的氨氮被氧化， 转化为硝态氮。

由表1 可以看出， 与空白对照组相比， 水泥组和生石灰组对总氮的释放有抑制效果， 其中水泥组的总氮抑制效果大于生石灰组。 过氧化钙组的总氮浓度高于空白对照组， 表明向底泥中投加过氧化钙在一段时间内将促进总氮的释放， 这可能是因为过氧化钙的强氧化性促进了底泥有机质的分解， 以及氨氮向硝态氮的转化， 从而增加了总氮的释放［11］。

由表1 还可知， 与空白对照组相比， 水泥组、生石灰组以及过氧化钙组均表现出良好的总磷释放抑制效果， 其中过氧化钙组的总磷抑制效果最好。徐垚［12］研究发现在底泥中投加过氧化钙能够加快有机磷的矿化速度， 铁铝结合态磷和钙结合态磷也明显增加， 使得内源磷持留能力增强。

2.2 对上覆水pH 值的影响

从底泥上覆水取样检测， 考察不同修复药剂对底泥上覆水pH 值的影响， 结果如表2 所示。 空白对照组的上覆水呈中性偏弱酸， 可能是因为底泥中的有机质酸有少量释放进入上覆水。 3 个修复剂处理组的上覆水均呈碱性， 其中生石灰组和过氧化钙组的pH 值均超过9， 呈较强的碱性。 陈奎章等［13］研究发现投加生石灰作为底泥稳定剂会明显提高上覆水的pH 值。 过氧化钙能够分解为氧化钙和氧气， 氧化钙与水反应可进一步生成氢氧化钙， 从而释放碱性物质。 较高的pH 值环境不利于沉水植物的成活与生长［14］。

表2 上覆水的pH 值Tab. 2 pH value of overlying water

2.3 沉水植物的栽种成活情况及底泥pH 值

采用不同修复药剂处理底泥后， 沉水植物栽种成活情况如表3 所示。

表3 沉水植物的成活情况Tab. 3 Survival status of submerged plants

各试验组栽种的苦草， 在测试开始第7 天即已全部死亡， 根部枯黄腐烂。 通过检测底泥pH 值，发现除对照组外， 各试验组底泥均呈强碱性， 该结果与王锋等［15］研究结论一致。 由于底泥碱度大幅升高， 沉水植物无法生存， 限制了3 种药剂在黑臭底泥原位修复中的应用。

3 结论

采用水泥、 生石灰以及过氧化钙对底泥进行处理后可抑制氮、 磷污染物的释放， 改善底泥的黑臭现象， 但造成的底泥强碱性环境让后续水生态工程无法实施， 沉水植物群落无法构建。 因此， 建议在黑臭水体治理工程中谨慎采用水泥、 生石灰以及过氧化钙进行底泥的原位修复。