黑臭水体底泥污染评估及治理技术

王雪纯，白波，胡娜，王洪伦

(1.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安 710054；2.中国科学院西北高原生物研究所，青海 西宁 810001；3.青海省藏药研究重点实验室，青海 西宁 810001)

近年来现代工业的迅速发展导致流域水体加速黑臭恶化，严重影响人居环境健康。自国务院2015年发布《水污染防治行动计划》以来，越发引起社会各界对黑臭水体治理的重视[1]。治理黑臭底泥是解决水体内源污染的关键。本文概括了黑臭底泥的产生原因、形成机理；按照污染物类型，系统归纳了氮磷营养盐、重金属、持久性有机污染底泥的常用评估方法；总结评述了三类不同污染型底泥的原位、异位、物理、化学、生物等修复技术；提出了现阶段所存在的瓶颈问题；对现阶段黑臭水体治理研究进行讨论展望，以期为绿色、可持续发展的科学治理底泥提供理论参考。

1 底泥污染物

底泥中的主要污染物分为：氮磷营养盐、重金属、持久性有机污染物。通过大气沉降、降水作用、废水排放、农田退水、灌溉施肥等方式，外界环境中的污染物进入底泥，并在受到扰动时向上覆水进行释放，造成水体二次污染[2]。

1.1 氮磷污染

图1 底泥氮磷来源及水体循环示意图

底泥中的磷主要来源于河流中颗粒态磷、矿物吸附溶解态磷、金属氧化物或氢氧化物结合态磷及生物体有机磷。磷在底泥——水界面的迁移转化受环境因子的影响[5]，以间隙水为媒介释放向上覆水最终迁移至生物体中。铁盐、钙盐、铝盐和镧系物等改性材料具有较好的除磷应用前景[6]。

1.2 重金属、持久性有机物污染

重金属和持久性有机物是底泥污染的重要来源。重金属随地面冲淋入河流并沉积于底泥，不易被环境降解，对人体危害极大，表1是我国七大水系底泥重金属污染现状。而持久性有机污染物(POPs)，包括总石油烃(TPH)、多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)和有机氯农药等，具有毒性、生物蓄积性和远距离环境迁移性[7]。

表1 我国七大水系底泥重金属含量(平均值)

2 底泥污染特性评估

科学开展底泥污染物检测，需要对污染底泥进行水质指标综合分析，查明底泥性质及污染物类型，结合不同评估方法全面了解底泥污染程度。

2.1 氮、磷营养盐污染底泥评估

对于氮磷营养盐超标的底泥，一般采用有机指数与有机氮指数法、污染指数法进行评估。

2.1.1 有机指数与有机氮指数法 底泥环境状况及受有机物的污染程度常用有机指数法(Org-index)判定；氮营养盐污染程度常用有机氮指数法(Org-N)来衡量[15]。

Org-Index=Org-C(%)·Org-N(%)

(1)

式中，Org-C(%)=OM(%)/1.724、Org-N(%)=TN(%)×0.95，OM表示有机质，TN表示总氮。

2.1.2 污染指数法 此法主要对底泥中TP污染状况进行评估，Pi计算公式为：

Pi=Ci/C0i

(2)

式中，Ci和C0i分别为底泥样品中营养物i的实测浓度及环境背景值，mg/kg。

2.2 重金属污染底泥评估

目前，结合评估方法的侧重点及适用范围，重金属污染底泥的评估方法有多种。

PLC技术在实际应用过程中主要包括四个阶段的内容。通过利用PLC技术可以对机械电气控制装置进行全面性的控制，保障设备运行的安全性和稳定性。例如：机械控制设备在运行过程中出现了故障，利用PLC技术可以在第一时间将故障的主要原因诊断出来，并将相关数据发送到计算机中，根据所规定的控制指令对设备运行过程中的故障进行及时的解决，以此来保障设备运行的安全性[2]。

2.2.1 潜在生态风险指数法(potential ecological risk index)

(3)

2.2.2 富集系数法(sediment enrichment factor)

KSFE=(Es/Als-Ea/Ala)/(Ea/Ala)

(4)

此法用来评价人类活动对重金属在底泥中富集程度的影响[17]，Es为沉积物中重金属的含量；Als为沉积物中Al的含量；Ea为未受污染沉积物中重金属的含量；Ala为未受污染沉积物中Al的含量(Al为迁移过程中的惰性元素)。富集系数越大，沉积物被重金属污染程度越高。

2.2.3 内梅罗污染指数评价法(Nemerow composite pollution index)

(5)

此法是当前国内外进行综合污染指数法计算的最常用方法之一。其中Pz是重金属的综合污染指数；Max是最大浓度值，i是重金属类别；Ci是重金属的测试值；Si是背景值；n是评估的种类总数。

PLI对重金属元素进行定量评估，对污染程度进行分级，量化该元素的环境污染贡献程度。污染因子(CF)的计算公式：CF=Ci/Cbi，式中Ci和Cbi分别为样品中金属i的实测含量和背景值[18]。不同CF值对应的污染等级和污染程度不同。

(6)

2.2.5 地质累积指数法(index of geoaccumulation)

又称Muller指数，该指数将自然地质过程造成的背景值和人为活动的影响均纳入考虑范围内，可直观反映人为活动对环境的影响程度。

(7)

式中，Igeo为地质累计指数；Cn和Bn分别为元素n在沉积物中的实测值和环境背景值，mg/kg；(系数K取1.5)污染程度由弱到强分为7个级别[19]。

2.3 持久性有机物污染底泥评估

底泥中持久性有机物评价目前的研究方法共有10余种，MacDonald等运用一致性基准(CBSQGs)获取了包含PCBs、PAHs等28种致污物的一致性基准[20]。该原理常用来应用于近海沉积物的环境质量评估，包括了阈值效应浓度(TEC)与可能效应浓度(PEC)，通过两者大小来预测有害生物效应发生的可能性[21]。表2对不同的底泥评价方法进行归纳总结，并将我国部分水体底泥中的评价方法应用实际进行举例。

表2 不同底泥评价方法之间的比较

3 底泥污染修复技术

从污染源控制原理角度出发，底泥污染修复技术可分为物理修复、化学修复和生物修复；按底泥处理方式可分为原位修复和异位修复；以下按照污染物性质归纳了氮磷营养盐、重金属、持久性有机物三类不同污染型底泥的修复方法。

3.1 氮磷营养盐污染底泥修复

对于底泥中富含的氮磷营养盐，其处理方法主要包括人工湿地、底泥覆盖、投加化学试剂钝化、微生物降解及人工曝气等。人工湿地是将自然环境中湿地对水质的改善性能通过构建含沙石底质进行模拟修复。Mohana 等对水力、化学、生物及土木等工程原理进行综合考虑，设计出底泥覆盖生态系统[32]。目前的原位覆盖技术常结合化学或生物技术进行联合修复。如沸石由于具有天然架状多孔结构常用来作吸附氨氮的覆盖材料，并通过加以化学试剂或进行微生物挂膜来增强氨氮吸附性能；许多含镧(La)、铝(Al)和铁(Fe)的膨润土锁磷材料是抑制沉积物中磷释放的有效途径。锁磷材料和氮粘合剂的组合可以钝化沉积物中的氮磷活性，控制其向上层水体的释放[33]。Yin等使用由NaCl改性的斜方沸石材料作为原位修复工程材料，辅以间接曝气，将上覆水氮磷浓度有效控制在较低范围，通过研究发现生活在底泥-水界面的管状寡毛纲水生蠕虫可在底泥垂向上构建廊道以促进泥水界面溶质交换，提高底泥对氮磷的截留能力[34]。

3.2 重金属污染底泥修复

重金属的毒性作用时间长且难以从环境中消除，某些金属的毒性大小也与其存在形式紧密相关。因此，通过影响重金属的物化性质来降低或消除其在底泥环境中的毒性是目前的技术关键。

重金属污染底泥的物理修复方式包括直接取出和间接消除两种。前者主要为疏浚、清淤，后者主要为填沙或固化掩蔽等。化学修复技术通过投入大量药剂进行化学反应，表3罗列了常用的重金属污染底泥化学修复方法。化学处理法通常反应时间短且效果显著，但成本较高，并会产生二次污染。与前两者相比，生物修复具有原位修复、成本低、环境友好、无二次污染等优势，是目前最具发展前景的重金属修复方法，主要原理是通过动植物或微生物的生命活动对底泥重金属进行吸收、转移和转化[35]。植物修复包括植物稳定、植物刺激、植物转化、植物过滤、植物挥发等。其中植物稳定是最有效的植物修复技术，物种的吸收潜力主要取决于植物组织中的重金属浓度和植物生物量，吸收和积累能力与其生长型有关，一般认为：沉水植物>浮叶植物>挺水植物[36]；有研究者发现大多数高蓄积植物虽显示出很高的重金属蓄积潜力，但其生物生产率却较低，而毛竹等植物不仅具有高耐受和有效吸收重金属的能力，且生长快速、总生物产率高，可作为理想的新型重金属修复植物[37]。

表3 重金属污染底泥化学修复[38]

3.3 持久性有机污染底泥修复

POPs等在生物圈中积累并通过食物网转移，对生物体和人类构成潜在威胁，最终经迁移转化沉积于土壤以及水体沉积相。有机污染底泥的物理处理法主要包括活性炭吸附、生物修复法、常需多种厌氧微生物协作完成。表4对不同类型的高级氧化法进行归纳，相对而言，化学氧化法处理更加高效快速、反应彻底。

表4 高级氧化法处理有机污染型底泥[39]

4 结束语

本文对黑臭水体底泥的形成机理和污染物特性进行评述，重点论述了底泥评估方法及治理技术，认识到建立全面的底泥评估体系、开展针对性的治理对策是当前研究的关键问题。因此，未来研究可深入考虑如下几个方面：①识别不同污染源类型、明确不同地区黑臭底泥的形成机理及污染物迁移转化过程；②完善底泥评估方法，建立系统全面的评价体系以明确污染程度；③在治理修复技术方面，现阶段底泥中氮磷污染物的修复主要以脱氮除磷材料原位覆盖技术为主、重金属污染物可通过生物技术修复，持久性有机污染底泥则通过高级氧化法进行处理；④对于底泥中复合污染问题，应协同发挥各技术优势，多措并举联合修复。