河道底泥处理的研究

张萧汉，刘文龙，刘琳，高如枫

河道底泥处理的研究

张萧汉，刘文龙，刘琳，高如枫

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

河道底泥作为水体的重要组成部分，累积了大量的污染物，尤其是当外源污染得到有效控制后，沉积在底泥中的氮、磷、重金属等污染物会再次从底泥释放到上覆水体中来，对水体造成严重的污染。因此，良好的底泥生态环境对于水环境污染控制具有重要意义。主要从底泥异位处理和原位处理两大方面，列举了一些底泥修复方式，并对未来的河道底泥处理提出了一些建议和展望。

底泥修复；原位处理；环保疏浚

河流是生态系统中的重要组成部分，具有良好的景观效果以及实际应用价值，是城市化建设中的一部分。但随着城市化进程的加快，大量的工业废水和生活污水未得到有效的处理排入水体，对水生态环境以及周围的土壤、地下水造成严重污染，甚至会影响到周边居民的饮用水安全。底泥作为水体的重要组成部分，累积了大量的污染物，尤其是当外源污染得到有效控制后，沉积在底泥中的氮、磷、重金属等污染物会再次从底泥释放到上覆水体中来，对水体造成严重的污染。因此，良好的底泥生态环境对于水环境污染控制具有重要意义。

1 底泥异位处理技术

底泥异位处理技术主要指清淤和疏浚，通常是将受污染的底泥从河道中挖除，做固化填埋或是物理、化学、生物再处理。河道污染底泥处理技术对于污染过于严重的底泥，原位处理技术一般不能起到显著的效果，修复难度较大[1]。传统意义上的疏浚工程在实际应用中工程量过大、成本高，而且对水体生态环境的破坏较为严重，容易造成二次污染。因此需要进行环保疏浚工程，或者采取异位化学处理技术，对受污染的底泥疏浚后，采取无害化、资源化处理，现阶段的底泥资源化处理方式主要有填埋堆肥、土地利用和建材利用等[2]，研究证实底泥中含有大量与建筑材料相似的黏土成分，可用于制作环保墙砖、陶粒以及水处理材料等，并已在实际生产中得到了广泛应用[3]。除此之外，根据底泥的不同理化性质采取不同的资源化方案也成了近些年来的研究方向，蔡家璇等比较了不同工艺条件下污泥中蛋白质的提取效果，结果表明盐析沉淀法和等电点沉淀法可回收底泥中85%以上的蛋白质，并提出将污泥提取蛋白质用作动物饲料添加剂和肥料是提取纯化出的蛋白质最有前景的应用方式[4]。

环保疏浚不同于传统意义上的工程疏浚，环保疏浚是指在保证环境效益的基础上，最大程度地清除底泥污染物、避免二次污染的疏浚工程。因此，在进行环保疏浚前，需要对底泥的性质、受污染程度以及水文特征等进行勘察，进而确定疏浚范围以及深度，制定相应的疏浚方案。

异位化学处理技术是指在清淤和疏浚工程后，投加化学药剂。多数化学药剂在投加进入水体后，可能会对水体生态系统造成影响，造成水生动植物及微生物的大量死亡，造成二次污染，而且对于投加量的把控一般也较为严格，这使得异位化学处理技术的稳定性和安全性更高。

2 底泥原位处理技术

2.1 物理法

物理法主要包括底泥覆盖、曝气、电动力处理技术、底泥洗脱等。底泥的原位覆盖技术是指在底泥的表面覆盖一层有机质材料，其中包括天然材料、改性黏土材料、活性覆盖材料和土工材料等，通过吸附或阻隔的形式防止底泥中的污染物释放到上覆水体。张华俊[5]等使用沸石分别与硝酸钙和过氧化钙混合的方式，探究其对底泥污染物释放的抑制效果，结果表明各种组合对底泥污染物的释放均有一定的抑制效果，但因后期覆盖层被破坏以及吸附作用饱和后，抑制效果会减弱。底泥覆盖的使用材料性状一般比较稳定，环境危害较小，但由于覆盖材料的加入，会造成水体库容减少，而且底泥中的污染物并未得到根本上的去除。溶解氧在水生态环境中是至关重要的，通常在受污染的河道中，通过曝气复氧以提高水体自净能力已经成为了较为常用的手段。底泥曝气初期会造成底泥再悬浮，使底泥中的污染物释放到上覆水体中，水体透明度急剧下降，但底泥曝气可以使水体内部的溶解氧化环境发生变化，下方水体的厌氧坏境得到显著改善，随着水体溶解氧浓度逐渐升高，水体中的污染物浓度会快速下降。李大鹏[6]等通过对底泥进行曝气使水体中的溶解氧得到了恢复，并有效地抑制了底泥中有机物和磷的释放。底泥的电动力处理技术是指在污染底泥中施加电场，在电场作用下带电荷金属离子定向移动，累积在电极附近，定期清理电极附近底泥即可降低目标淤泥的重金属含量。PEDERSEN[7]等采用优化的隔室电渗析方法去除港口底泥中的Pb、Cu、Zn，去除率可达73%～96%。杨磊[8]等研究了不同电极板间电压、化学增强剂种类和电极材料对底泥含水率、重金属Cd含量的影响，结果表明将阳离子聚丙烯酰胺作为化学增强剂，多孔碳作为电极，施加极板间电压30 V，在0.05 MPa的压力下抽滤，5 h内可使底泥含水率由75.00%降至34.17%，Cd质量分数由2.000 mg·kg-1下降至0.178 mg·kg-1，脱除率达到91%。电动力学方法具有快速、高效、低廉、使用化学药剂少、适用于原位修复等特点，具有很好的发展前景。

底泥原位洗脱技术是近些年来在国内兴起的一项新技术，该技术通过对表层污染底泥进行物理的机械或曝气搅动，从而使污染物质进入水相并将其用泵抽走作后续处理，同时搅动冲洗过的清洁底泥，重新覆盖形成新覆盖层[9]，于2018年开展的北京凉水河亦庄段现场洗脱工程就是该项技术在国内应用的典型案例。该工程用底泥洗脱船作为水上移动式底泥处理平台，通过进行洗脱、进水、混凝、出水的流程对长达5 km的河道进行洗脱施工，在长达 5个月的修复施工后，检测点的有机质、TP、TN均得到了显著的降低，水体环境得到了明显的改善。

2.2 化学法

化学法是指根据水体受污染的类型不同以投加不同种类的化学药剂。常见的原位修复化学氧化剂有过氧化钙、硝酸钙、氢氧化钙、过氧化氢、无机混凝剂及有机助凝剂等[10]。高锰酸盐是一种氧化性不强的氧化剂，其半衰期较长，因其反应产生羟基的速率较慢，所以通常高锰酸盐都可在水中与污染物接触的时间较长。过硫酸盐氧化的最大优势在于其不会对微生物种群造成影响，适合与其他生物法联用，但其反应后产生大量的硫酸盐，在去除污染物的同时也及易造成二次污染。采用过氧化氢和过氧化钙进行化学修复的原理有一定共性，二者都可以在酸性条件下，在二价铁离子催化过程中释放出大量羟基自由基，从而产生强氧化性，即类芬顿反应。相比之下，过氧化钙是一种效果更好的H2O2源。过氧化氢的释放效率与CaO2的溶解速率密切相关，且CaO2的溶解度较低，因此反应时间一般较长，有效地避免了H2O2在歧化反应过程中的提前消耗，且不会产生有毒的副产物。KAO[11]等最早提出将CaO2粉末制成混凝土颗粒，以避免释氧材料的过早消耗（混凝剂、过氧化钙、沙子、粉煤灰、氯化铵、磷酸钾、水），释氧周期长达3个月，成功用于地下水污染的现场修复，但有效氧损失率高达17%以上。王英秀[12]等利用硬脂酸对过氧化钙粉末进行包埋，并添加少量聚乙二醇加强黏合，为水体提供了一种长期高效的供氧源。但生石灰或过氧化钙一类的强碱性药剂会使底泥的碱度大幅上升，水生植物尤其是沉水植物将无法成活[13]。在另一方面，过氧化钙即便是兼具氧化性和释氧性的底泥修复药剂，但对底泥中氮的释放并无明显的抑制效果，针对黑臭底泥氮磷释放的问题，陈曦[14]在底泥上方铺设化学氧化层、物理吸附层和植物吸收层3层材料，并探究其不同组成条件的修复效果，结果表明过氧化钙+沸石+金鱼藻的组合控制底泥氮磷释放效率明显优于其他组合。

2.3 生物法

生物法主要是指水生植物的净化作用以及微生物处理技术，原位生物修复河道底泥一般对于环境影响较小，处理效果好，目前已经得到了广泛的应用。植物修复是指向水中引入具有一定净化效果的水生植物以及藻类，沉水植物对于水中的氮磷有着较好的吸收效果，使用沉水植物净化水体时，不会引入外来的污染物，除此之外还可以改善底泥中微生物的生活环境，增强微生物活性[15]。引入植物的过程中应当考虑当地的水体环境和气候条件，因地制宜。水生植物通过根系的吸收及微生物分解等，将水中的氮磷等污染物转化为用于自身生长发育所用的营养物质，同时植物也可以在光合作用下增加水体中的溶解氧，提供良好的水体环境，增强水体的自净能力。研究发现，黄菖蒲和再力花对重金属Cd和Pb有着较强的吸收能力，且能固定重金属避免其产生迁移引起更多的危害。相比之下，微生物处理技术的应用更为广泛，底泥微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，促进微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来削减底泥污染[16]。生物强化技术是指通过向传统的生物处理系统中添加具有一定功能的微生物，增加微生物的总浓度，从而提高降解速度和对污染物的去除率[17]。生物法处理含油污泥是通过培养、驯化能够降解底泥中污染物的优势菌种，将其投加到底泥中，或改变污水的水体环境，针对特定的污染物来创造适宜微生物生长的条件，在好氧条件下底泥中的有机污染物被微生物降解成CO2、H2O等无机物，或者将游离态的重金属离子转化为稳定态固定在底泥中使其不易向上覆水体中释放[18]。陈志强[19]等的研究表明，在传统污水净化处理的基础上，采用微生物强化技术，会使微生物具有较高的代谢效率，能有效去除黑臭水体中的氮磷元素。

除了传统意义上的植物修复或微生物修复之外，人工湿地、生态浮岛、生态护坡等环境友好型修复技术也是近年来国内外的研究热点。刘建林[20]等的研究发现，微纳米曝气结合生物膜技术可以有效实现黑臭底泥的原位消减，并显著改善水质指标。WANG[21]等通过改良膨润土颗粒吸附与枯草根系吸收的协同作用有效去除了西湖底泥中各类形态的磷。徐熊鲲[22]等的研究表明，投加土著微生物功能菌并结合底泥曝气能够明显改善上覆水水质，加快底泥的修复。

3 结束语

现阶段河道底泥修复的实际应用中，尤其对于污染较为严重的区域，清淤仍然是最直接应用最广泛的修复手段。采取环保疏浚并配合后期的生态修复工程，可有效地避免大规模清淤之后的二次污染。对于疏浚后的淤泥处置应分类进行，对不同污染类型的淤泥采取不同的稳定化、资源化处理方式。在针对水流流速较慢的河流或湖库的底泥修复时，更适合采用原位修复，例如生物淋滤、曝气生态浮岛等物理化学生物法相互结合的新型处理方法成为了国内外的研究热点，但这其中大多仍处于实验室研究阶段，在实际应用中需要考虑不同的水体条件、地质条件以及工程成本，针对不同污染类型污染程度的底泥以匹配不同的处理方式。

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Brief Introduction of Research on River Sediment Treatment

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（School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Rivers are an important part of the ecosystem, with good landscape effects and practical application value, and are part of the urbanization construction. However, with the acceleration of urbanization, a large amount of industrial wastewater and domestic sewage have not been effectively treated and discharged into water bodies, causing serious pollution to the aquatic ecological environment, surrounding soil and groundwater, and even affecting the drinking water safety of surrounding residents. As an important part of the water body, sediments accumulate a large number of pollutants, especially when the external source pollution is effectively controlled, the nitrogen, phosphorus, heavy metals and other pollutants deposited in the sediments will be released from the sediments to the upper surface again to cause serious pollution to the water body. Therefore, a good sediment ecological environment is of great significance to the control of water environment pollution. In this article, ex-situ treatment and in-situ treatment of sediments were introduced, some sediment repair methods were discuused, and some suggestions and prospects for the future river sediment processing were put forward.

Sediment restoration; In-situ treatment; Environmental protection dredging

2021-03-19

张萧汉（1997-），男，辽宁省沈阳市人，硕士研究生，2019年毕业于辽宁工业大学给排水科学与工程专业，研究方向：黑臭水体治理技术。

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1004-0935（2021）10-1511-04