黑臭水体底泥内源污染治理技术对比及分析

2022-05-25张友德田文凤何建军戴曹培

绿色科技 2022年8期

张友德，田文凤，何建军，戴曹培

(安徽新宇生态产业股份有限公司，安徽合肥 230000)

1 引言

随着经济和社会的快速发展，人民生活水平日益提高的同时，污染物量不断增加。在未进行截污纳管之前，大多数污染物汇聚至河道，超过水体负荷，导致水体出现黑臭现象。

据中国生态环境部2020中国生态环境状况公报公布，截至2020年底，全国地级及以上城市建成区黑臭水体消除比例达98.2%，黑臭水体治理取得显著成效。而依据《水污染防治行动计划》，到2030年，城市建成区黑臭水体需总体得到消除。同时，《关于推进农村黑臭水体治理工作的指导意见》中提到，到2025年，形成一批可复制、可推广的农村黑臭水体治理模式，加快推进农村黑臭水体治理工作；到2035年，基本消除我国农村黑臭水体。另，农村黑臭水体的数量也不容小觑，如安徽省农村黑臭水体共有15195条，总长度约6962 km[1]。因此，黑臭水体治理任务仍然迫切。

黑臭水体污染来源通常分为两类即内源和外源：外源污染是指污染物质进入水体后造成的污染，如生活污水、地表径流(含有机污染物)、工业废水、农业面源污染等；内源污染主要是指进入水体的污染物质通过物理、化学和生物作用，逐渐沉降至底泥表层，当污染物质积累到一定量时，向上覆水中释放，底泥由污染物的“汇”转为“源”。在外源污染物得到有效控制后，底泥内源污染成为水体污染的重要来源。如有外源排入的局部湖湾和城市黑臭水体，底泥氮、磷的释放通量一般在100和10 mg/(m2·d)左右[2，3]。在太湖底泥中蓄积着湖体约90%以上的污染物[4]。本文通过对底泥内源污染及治理技术分析，以期为黑臭水体底泥内源治理技术选择和研究提供参考。

2 底泥内源污染

2.1 底泥内源污染治理必要性

底泥内源污染导致很多恶性问题发生，如生态系统功能及生物多样性退化、藻类过度繁殖、水体恶臭、水生动植物死亡等[5，6]。在城市黑臭水体治理过程中，多地存在治理后水体出现返黑返臭现象。底泥内源污染是导致河道黑臭反复的主要因素。李永新等[7]在连续监测南宁市二坑溪返黑返臭机制探索中发现，水体返黑返臭与内源污染物的微生物降解和外源输入有关。“十四五”规划中提出，要巩固地级及以上城市黑臭水体治理成效。因此，底泥内源污染治理是黑臭水体治理工作中不可或缺的一环。

2.2 底泥污染组成及特征

底泥内源污染主要污染物为氮磷、有机质及重金属。冯艳红[8]在研究苏南地区部分农村河道底泥污染特征中检测出不同程度的有机污染物。杨盼等[9]研究巢湖南淝河河口底泥污染特征发现，巢湖南淝河入湖河口汇流湾区底泥总氮(TN)、总磷(TP)、有机质(OM)及重金属存在不同程度污染，且主要集中在0～30 cm的底泥中，随着底泥深度增加有逐渐降低的趋势。

底泥粒径大小差异会影响对污染物的结合强度以及释放潜力。底泥粒径从大到小可分为粗砂、细砂、粉粒和粘粒。魏岚等[10]在研究广东省不同水库的底泥对氮磷释放作用的影响时发现，底泥的机械组成会影响底泥中氮磷的赋存形态以及含量，影响底泥内源氮磷的释放。底泥中污染物分布受底泥粒径影响，进而影响其向上覆水释放的潜力。由于底泥性质的差异修复技术实施产生效果不同。底泥按其生物活性从上到下可分为活化层、过渡层、稳定层。活化层中污染物浓度高，内源释放污染物的作用强烈。内源治理主要是解决活化层的污染问题。因此，底泥内源污染治理需结合底泥内源污染组成及特征综合考虑，采取相应的治理技术及治理深度。

3 底泥内源污染治理技术

3.1 物理修复技术

3.1.1 疏浚技术

疏浚主要分为3种：排干疏浚、水下疏浚以及环保疏浚。排干疏浚是将水完全排空后再进行疏浚，其疏浚效果彻底，但对施工季节要求较高。水下疏浚是将疏浚机械安装在可移动的作业船上[11]，利用疏浚工具清除污染底泥，并通过管道把清理的淤泥输送到指定排放位置。环保疏浚是指以减少底泥内源负荷和污染风险为目标，用机械方式，将富含污染物的指定量上层沉积物进行精确、有效和安全清除的技术，并考虑为水生生物的恢复创造条件[12]。表1[13～17]对不同疏浚方式进行了对比。疏浚不仅要考虑采用什么样的疏浚方式、工具及工艺，还要考虑污泥输送、堆场设计、余水处理及污泥资源化处置等问题。

表1 疏浚方式对比

3.1.2 曝气技术

曝气技术是指人工向水体充入空气、氧气或臭氧，加速水体从厌氧、缺氧状态迅速恢复到好氧状态。曝气的作用主要有3方面[18]：①提高水体或底泥溶解氧(DO)含量，抑制厌氧微生物分解和藻类的生长；②改善水体和底泥氧化还原环境；③增加水体扰动，促进底泥中氨氮向水体扩散，能促进底泥微生物数量和多样性的增加。汪健华等[19]研究发现原位曝气有利于对底泥内源氮、磷营养盐的控释，泥水界面硝化率与反硝化率分别达到46.3%和43.6%。曝气设备、曝气量、曝气深度等条件可直接影响水体中DO浓度和缺氧微环境分布[20]，进而影响污染物的降解及去除。王美丽等[21]实验表明，相比水体曝气，底泥曝气能更好地去除底泥中污染物，且底泥曝气深度越深，处理效果越好。表2[22～24]对不同曝气技术进行了类比。

表2 曝气技术类比

3.1.3 底泥原位洗脱技术

3.1.4 原位覆盖技术

3.2 化学修复技术

化学修复技术是将污染底泥与化学药剂进行混合，捕获底泥中的污染物或者通过化学药剂与底泥中的污染物产生化学反应，减少底泥中污染物向水体的释放[32]。根据其去除对象的不同分为营养盐固定化制剂、重金属固定化制剂、除藻剂等[33]。对于重金属超标的底泥，可以采用钝化处理技术。目前国际上常用的钝化剂有钙盐、铁盐和铝盐。李欣等[34]研究表明，底泥中CaO2投加量为5 g/L时(以污泥体积计)，AVS可以降低72%以上，但会造成上覆水中COD和pH的升高，需要控制药剂投量的同时与其他生物降解技术协同处理。杨华等[35]投加CaO2到城市黑臭河流中，发现CaO2虽可快速提高水体DO含量，但维持时间短仅为1 d，不适宜在开放流动的城市黑臭河流治理中使用。

3.3 生物修复技术

3.3.1 微生物修复技术

微生物修复技术是通过投加高效能的微生物菌剂，加速污染物的降解转化，同时对水环境中土著微生物有一定的促生和加强作用[36]。投加微生物菌剂分为两类：一是直接向受污染河道投加微生物菌剂或酶制剂；二是投加微生物促生剂，促进水体中土著微生物生长[37]。许峥等[38]分别采用不同种类的纯生物菌剂(硝化细菌、反硝化细菌、光合细菌和芽孢杆菌)对黑臭水体底泥进行异位处理，结果表明，底泥中含水率、总氮和有机质含量都有不同程度的降低，投加量为35 mg/L的反硝化细菌试验组总氮和有机质去除率分别达到59.90%和20.93%。微生物常是游离态和悬浮态，菌种易流失[39]。固定化微生物技术是运用化学或物理手段将游离性的微生物细胞、动植物细胞、细胞器或酶限制或定位在限定的空间范围内，使其不易悬浮于水且保留其固有的生物活性，并能被重复和连续利用的现代生物工程技术[40]，可防止细菌丢失，并增强其降解能力。林舒康[41]将沸石固定化光合细菌(投加周期为7 d)以0.5 kg/m2强度均匀抛撒入试验河道底泥中，150 d底泥有机质降解率最高达到26 %左右。

3.3.2 水生植物修复技术

水生植物修复技术是利用特定的水生植物对水体中的污染物质进行吸收、富集、降解、转移的方法技术。沉水植物是水生环境的重要组成部分，与其他类别的水生植物相比，沉水植物可以同时对底泥和水体中的污染物进行去除，是水环境中重要的污染净化体[42]。陶理等[43]研究4种典型沉水植物对去除镉污染底泥的应用效果，除金鱼藻外其他3种植物在较低含镉污染底泥(Cd≤20 mg/kg)的镉富集能力大小为：菹草≈黑藻>伊乐藻。李印霞等[44]研究表明，菹草对巢湖底泥TN和TP的去除率分别为72.12%和61.99%。

需要注意的是，光照是影响沉水植物生长的重要因子。合田健[45]曾提出光合作用与呼吸作用平衡的水层深度，即光补偿深度，并提出光补偿深度约为水体透明度的1.5倍，或光照强度约为表面光强1%处的水深。其可作为沉水植物能否生长的临界指标。恢复沉水植物工程中，需考虑光照是否满足沉水植物正常生长需求。

3.4 复合修复技术

实际水体污染及施工环境复杂，单一的处理技术去除效果或使用环境很难达到预期效果，可以集成或综合处理技术，主要是物理、化学及生物技术之间的组合。杨长明等[46]研究发现，泥水界面纳米微孔曝气结合底泥原位覆盖相较于单一处理，更有利于抑制城市重污染河道泥-水界面中磷的释放风险。陈曦[47]在原位化学-物理-生物联合修复技术组成的原位联合修复技术控制底泥黑臭及氮磷释放的研究中发现，过氧化钙+沸石+金鱼藻组对表层底泥AVS的去除率为98%。辛慧敏等[48]研究发现反硝化细菌、硝酸钙和锆改性沸石的组合处理技术(CN+DB+ZZ)可以有效地控制底泥中磷的释放，有效降低底泥中氨氮的释放速率，与CN和CN+ZZ技术相比还可降低上覆水的硝态氮二次污染风险。