污染底泥原位修复技术研究进展

徐云杰　赵成东　褚淑祎　 戴显钦

摘 要：底泥是水体污染物的“汇”与“源”。随着外来污染源逐渐得到有效控制，底泥引发的内源污染成为水体污染的主要原因。与异位修复相比，原位修复操作方便，成本较低，二次污染较小。该文介绍了原位覆盖、化学修复、生物修复和植物修复等底泥原位修复技术，分析了这些技术的特点、研究现状以及存在的问题，并结合底泥的污染特性，提出了今后底泥污染修复的发展方向。

关键词：污染底泥;原位修复;研究进展

中图分类号 X52 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）07-0136-03

底泥是水生态系统的重要组成部分，是水体污染物的“汇”与“源”。水体受到污染后，部分污染物通过吸附、络合、絮凝、沉降等作用在底泥中蓄积，形成一定厚度的含有多种污染物的沉积层[1]。受浓度差扩散、底栖生物活动影响，或当环境条件发生变化时，底泥中污染物会向水中释放，对水体造成二次污染[2]。随着外来污染源逐渐得到有效控制，底泥污染物引发的内源污染成为水体污染的主要原因[3]。如武汉东湖，截污工程完成后，本應在3年内恢复水质，但若考虑底泥的释放作用，则需要35年以上才能恢复[4]。因此，底泥内源污染的控制和修复是水体修复的关键因素之一。底泥污染也是目前普遍存在的环境问题。

底泥污染控制技术主要有异位和原位修复2种类型。异位修复主要采用底泥疏浚方法去除富含污染物的表层沉积物来控制污染物的释放，是目前广为采用的治理措施。然而疏浚底泥一般含水率较高，产泥量大，成分复杂，且堆存过程占用土地，易产生二次污染。近年来，疏浚底泥处置不当造成的环境和生态问题越来越严重，引起社会各界的广泛关注。原位修复技术通过物理、化学或生物等方法原位削减污染底泥体积、降低污染物含量或生物有效性。与异位相比，原位修复操作方便，成本较低，二次污染较小，被认为是未来污染底泥治理的主流技术[5]。

1 原位覆盖技术

原位覆盖是应用最多的原位修复技术，始于20世纪70年代后期，迄今在美国、德国、日本、挪威及加拿大等国进行了应用[6]。原位覆盖法通过在污染底泥表面铺放一层或多层覆盖物，使底泥与上层水体隔绝，从而阻止底泥中污染物向上覆水体迁移。覆盖材料包括天然惰性材料、改性材料和活性材料[7-9]，成本较低，材料来源广泛，对环境影响较小。但这种技术没有从根本上去除污染物，当外界条件发生变化或覆盖层遭到破坏时，污染物可再次释放进入上覆水体，且一定程度上会增加底泥厚度，减少水体容量。

2 化学修复技术

在底泥中投加化学药剂，通过混凝、沉淀、氧化、还原、络合等作用，可使污染物从底泥分离，转化为低毒或无毒形态。原位化学修复效果显著，投资和能耗较低，易于实现。硝酸钙、过氧化钙、零价铁是目前研究和应用较多的化学药剂[10-12]。硝酸钙对于底泥中磷、硫化物、油类污染物等具有良好的去除效能，此外还可刺激底泥中异养微生物的活性，促进脱氮细菌的反硝化作用[13]。过氧化钙作为氧气缓释剂在去除底泥有机碳、有机氮及控制底泥臭味及磷释放等方面具有明显效果[14]。零价铁可将大分子有机物还原成生物可利用的小分子有机物、与磷结合形成Fe-P结合态沉淀、还原某些重金属离子以降低其毒性[15]。但是化学药剂投加量过大，会使底泥生态环境发生变化，对底栖生物的生物活性产生影响[16]。因此，近年来许多学者尝试将化学方法与生物法有机结合起来，降低化学药剂用量，减小对底泥生态环境的副作用[17]。

3 微生物修复技术

向底泥中投加微生物菌剂、生物促生剂、酶制剂等，利用微生物的吸收、转化、降解等作用，削减底泥中污染物含量，降低底泥中污染物向上覆水转移，因经济有效、操作简便、环境友好、无二次污染等优点，在底泥原位修复处理中得到广泛的研究[18-19]。涂玮灵等[20]通过向底泥中投加反硝化细菌修复黑臭河道底泥，当投加量为0.5g/m3时，6周后底泥厚度降低3.43cm，有机质降解率13.69%，生物降解能力增长280.8%，上覆水COD、氨氮、总氮和总磷的去除率分别为76.5%、94.4%、87.8%和79.4%。微生物投加有助于构建底泥微生物群落，提高微生物群落活性，改善水体和底泥生境[21]。孙井梅等[5]在底泥中投加异养硝化-好氧反硝化菌和生物促生剂，发现底泥微生物群落向更适宜降解去除污染物质的方向演替，与脱氮、有机物降解有关的微生物群落相对丰度呈升高趋势。Vezzulli等[22]的研究进一步发现，投加生物强化剂和生物酶活剂可提升底泥微生物产酶量及其胞外酶活性，使底泥污染物降解速率增加。但实际工程应用中尚存在诸多局限，如生物制剂易流失、酶制剂失活、市售生物制剂产品性状和效果不稳定等问题。因此，很多科研工作者尝试筛选、驯化高效土著微生物菌剂，通过引入生物载体的方式，提高底泥中微生物浓度[22]。

4 植物修复技术

利用水生植物及其根系负载生物膜对污染物质的吸收、降解作用，并通过收割植物移除污染物，作为一种简单易行、成本低廉且极具景观效应的修复技术在污染河水生态修复中得到了广泛的研究和应用[23]。沉水植物扎根于底泥中，通过自身的生理活动影响底泥的理化环境及生化反应。例如，通过根系释氧增加根系周边的溶解氧，提高沉积物的氧化还原电位[24];分泌低分子量有机物（糖类、有机酸、氨基酸等）、细胞脱落物及其产物、养分离子等[25]，增强沉积物中微团聚体的稳定性[26]，降低根系周围pH[27]。沉水植物根际形成的这种特殊的生态环境，为根区好氧、兼氧和厌氧微生物提供了各自的小生境。陈登等[28]研究发现，狐尾藻和苦草根际底泥中nirS、nirK、nosZ基因拷贝数升高，而水蕴草根际底泥hzO基因拷贝数显著增加。由此认为，狐尾藻和苦草根际底泥的主要脱氮方式为反硝化，而水蕴草根际底泥的主要脱氮方式为厌氧氨氧化过程。种植沉水植物有效促进了底泥中有机物的矿化，降低氮、磷、重金属含量，抑制底泥中氮磷向上覆水体的释放。马久远等[29]通过对太湖沉积物的采样分析发现，马来眼子菜群落内沉积物中TN、有机氮、氨氮和硝态氮含量较群落外平均降低43.29%、50.78%、7.09%和10.86%。王立志等[30]研究发现，黑藻、苦草和菹草沉积物中TP含量最大降低幅度分别达35.34、60.67、25.92mg/kg。但是沉水植物生长繁殖受光照、底泥特性、悬浮物、温度等环境因子的影响较大[31]，植物幼苗对环境的耐受性更差。实际工程中，沉水植物种植后幼苗的存活率很低，不利于沉水植被的恢复。因此，如何提高沉水植物幼苗的存活率是重建沉水植被、实现沉水植物推广应用于底泥修复的关键。

5 展望

隨着我国各地截污纳管工作的有序推进，底泥成为水体污染的主要来源，也是水质提升的关键。底泥是水体污染物的蓄积库，受水体污染源影响，成分复杂，污染物含量差异较大，给原位修复带来了很大的难度。原位覆盖、化学修复、生物修复和植物修复技术可有效削减底泥中污染物含量，减少污染物向上覆水体的释放，但是在开放水体中，受外界环境影响，修复效果往往难以持续稳定。因此，多技术的集成可能是未来底泥原位修复的发展方向。

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（责编：徐世红）

Research Progress on the In-situ Remediation Technology for Contaminated Sediment

XU Yunjie1  ZHAO Chengdong1   CHU Shuyi2， 3   DAI Xianqin4

（1Agricultural and Rural Bureau of Wencheng County， Wenzhou 325399， China; 2College of Life and Environmental Science， Wenzhou University， Wenzhou 325035， China; 3Wenzhou Vocational College of Science & Technology， Wenzhou 325006， China; 4Wenzhou Chuangyuan Environment Technology Co. Ltd.， Wenzhou 325036， China ）

Abstract： Sediments are both the sink and source of water pollutants. As external pollution sources are gradually controlled， internal pollution induced by contaminants of the sediments becomes the main cause of water pollution. Compared with ex-situ remediation， in-situ remediation is easy to operate， cost effective， and with lower secondary pollution risk. In the paper， in-situ remediation technologies including in-situ capping， chemical remediation， biological remediation and phytoremediation are introduced， and the characteristics， current research status， and problems of these approaches are analyzed. The development direction of in-situ remediation in the future is proposed based on the properties of sediments.

Key words： Contaminated sediment; In-situ remediation; Research progress

基金项目：温州市科协服务科技创新项目（kjfw36）;温州市科技计划项目（S20190003，S20210010）;瓯海区第二批领军型人才科技专项。

作者简介：徐云杰（1969—），男，浙江文成人，农艺师，从事面源污染治理与技术推广工作。 通讯作者：褚淑祎（1981—），女，浙江余姚人，博士，从事污染水体生态修复技术研究工作。  收稿日期：2021-12-17