我国河道底泥污染修复研究与应用进展*

2022-08-01卢先春李彰鑫侯锋庞洪涛江乐勇

区域治理 2022年32期

卢先春，李彰鑫，侯锋，庞洪涛，江乐勇

1.国投信开水环境投资有限公司；2.北京信通碧水再生水有限公司

中共中央、国务院2021年11月印发《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》（以下简称《意见》），《意见》提出的主要目标是，到2025年，生态环境持续改善，城市黑臭水体基本消除，生态系统质量和稳定性持续提升，生态环境治理体系更加完善，生态文明建设实现新进步；到2035年，生态环境根本好转，美丽中国建设目标基本实现；针对深入打好碧水保卫战，《意见》要求持续打好城市黑臭水体治理攻坚战。

河流是生态系统的重要组成部分，具有通航、文化、娱乐、休闲、景观等多种功能，对于丰富城市景观多样性，提高城市生活质量具有重要意义。随着经济社会的快速发展，大量生活污水和工业废水排入城市河流，造成了严重污染。黑臭水体是指水体变黑并散发恶臭气体的现象，是有机物腐败引起的极端状况，城市中的黑臭水体会影响城市景观和人们日常生活。河流沉积物可以不断积累污染物，如挥发性有机化合物（VOCs）、多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、农药、微量金属、营养素（N，P）、病原体、重金属等，可以通过遥感监测黑色臭味水体并分析黑臭水体和正常水体的光谱特征的差异。

河水中悬浮物不可避免地会沉积为河道底泥，底泥与上覆水体会发生互相影响。河流沉积物污染是水污染的积累，被称为内源性污染。河流沉积物对上覆水体的影响是巨大的，即使完全截留污水，由于沉积物污染物的释放，水体也可能会变黑发臭。我国大多数黑臭河流已积累了几十年的沉积物，沉积物的厚度通常超过1m。采用工程措施不可能去除所有污泥，污泥仍然是一种新的污染源，清除的底泥很容易形成二次污染，甚至污染物浓度可能会在短期内增加。清淤将带走河流的底栖生物和微生物，这可能被破坏长期的生态平衡，打断生态系统中的食物链，引起新的环境问题。

一、河道污染对水质的影响

由富营养化导致的黑臭水体是我国河流的普遍现象。污染的底泥不断将有机物和无机盐释放到上游的水体中，使河流水质持续恶化。底部污泥的耗氧量是河水耗氧量的重要组成部分，加剧了河道的耗氧率，导致河道出现黑色臭味。沉淀物反硝化和甲烷化引起的大量黑色臭味底泥的漂浮是造成河水黑色臭味的直接原因。对于河流沉积物的处理，截污措施是基础，但是仅靠截污并不能有效地抑制河流底泥的污染。还必须与其他修复措施相结合，对释放沉积物污染进行有效控制。底泥也是底栖生物的栖息地，也是城市河流生态系统的重要组成部分，是城市河流自净能力的关键要素，沉积物的修复和处理是城市河流综合治理的重要组成部分。

二、河道底泥修复与处理技术

水环境综合治理是一项系统工程，结合河道实际情况，治理手段以工程措施为主。黑臭水体的治理不能采取某种单一的治理手段，而是采取内外兼修的治理手段，总体思路是综合采取切断外部污染源，处置河道内部存量污染物，人工强化河道水动力三大措施。

根据不同的处理方法，城市河流被污染的沉积物的处理技术可以分为异地处理和原地处理。异地处理技术是指挖掘受污染的沉积物并将其转移到特殊地方进行相应处理的方法。原位处理技术无需将污染的沉积物从水体中清除，而是通过各种处理技术，减少受污染的沉积物的体积，减少污染物的数量，减少污染物的溶解度、毒性或迁移，并减少污染物的释放。异地处理技术主要包括清淤以及清淤沉积物的处理和处置。清淤是黑臭河道底泥修复的主要手段，可有效解除水体内源污染负荷，但工程成本大，清淤深度难以把握并且对底栖生态也会造成较大破坏。近年来，基于环境友好型的物理、化学和营养菌剂等底泥原位生态修复技术逐渐兴起。

国内外在黑臭河道的治理与修复中常用的方法有物理修复、化学修复、生物修复以及联合修复技术，不同方法都具有各自的特点，应根据河道的污染性质和污染严重程度等因地制宜选择合适的治理方法。

（一）物理修复技术

物理修复主要是通过物理方法来修复沉积物，例如通过截流污水来切断沉积物的污染物来源，通过分流水冲刷河流中被污染的沉积物，或通过覆盖来阻止沉积物污染物释放到上层水体。截污是河流治理的基本手段，南明河是贵阳市的“母亲河”，属长江水系乌江支流，是长江上游重要的生态屏障，全长219公里，其中贵阳市内185公里。随着社会经济快速发展，城市生产生活用水量迅速增加，南明河生态基流急剧下降，同时污水排放量激增，到2012年已成为重度黑臭水体。国投信开水环境投资有限公司在贵阳市政府的指导下，按照“适度集中、就地处理、就近回用”的系统规划治理理念，新建、改扩建下沉式再生水厂23座，污水处理能力达116万m3/d，流域污水收集率达95%以上，河流国、省控断面水质达标率达100%，新庄国控断面水质指标稳定达到地表水IV类，河道7年未曾清淤，沉水植物物种达到11种，覆盖度达80%以上，浮游植物58种，鱼类物种达到29种，实现了水清岸绿、鱼翔浅底、白鹭翻飞的生态之河，为贵阳市绿色城市建设、生态环境保护和经济社会发展提供了有力支撑。（见图1）

图1 新庄国控断面治理前后水质对比

清淤目的在于通过对河道底泥的清挖，有效地去除底泥中所含的污染物，削减水体污染物，恢复原河道的生态功能。水利工程河道底泥清淤工艺有干式、半干式以及湿式三种类型，湿式法是我国常用的河道底泥开挖方法，对于近距离输送淤泥具有较大的优势。常用的河道清淤机械有抓斗式挖泥船和绞吸式挖泥船，绞吸式挖掘船是目前最为环保生态的施工方法，是利用挖泥船上附带的旋转刀设备对淤泥进行剪切和外移，并将淤泥通过泵的加压由管道外输送至指定的淤泥处理站。采用绞吸式挖泥船清淤，既能控制清淤深度，又能将污染淤泥清走。绞吸式挖泥船在清淤过程中最大限度地减少了对水体的扰动影响，能够有效地保护河道堤防的生态建筑物以及沿线的生态物种，将河道深处的淤积层所固有的有机物或重金属完整地外移出河道范围，快速改善河道的生态环境。（见图2）

图2 作业中的绞吸式清淤船

污泥处理目前主要采用填埋或焚烧方法。填埋将挖出的污泥埋到地下，利用大自然的自我代谢能力，通过长期的自然分解，达到无害的效果。填埋的优点是投资较少，但是需要占用大量土地，可能会对土地、地下水造成二次污染。焚烧是另一种污泥处理方法，适合处理含有矿物质和持久性有机质丰富的底泥，尤其适用于土地资源紧张的地区。焚烧工艺能彻底地降解底泥中的微生物和持久性有机物等有害物质。焚烧工艺占地面积小，但是运行费用较高，并会产生二噁英等二次污染，也不是一种可持续的方法。

对于主要的城市河流，当河道淤积影响其航行、景观和生态功能时，清淤是必不可少的选择。在挖泥过程中必须采取环保方法，以尽量减少对水体的干扰。结合排污、底泥原位修复等工程技术措施，保持河道清淤的效果。必须对清淤排出的污染底泥进行适当处理，以减少二次污染。对于小河流和支流，应尽可能避免进行清淤工程，并且仅在沉积了大量沉积物后才能进行环境清淤。

（二）化学修复技术

化学修复技术是指向河道底泥中投加化学药剂，降解转化或固化底泥中的污染物，进而降低污染物的迁移释放和毒性。投加的主要药剂包括硝酸钙、过氧化钙、高锰酸盐、双氧水、臭氧、Fenton试剂和过硫酸盐等。广泛使用的硝酸钙能起到提高底泥氧化还原电位、抑制磷释放、控制含硫化合物和氧化亚铁离子进而抑制或消除底泥黑臭的作用，过氧化钙作为释氧剂可以提高环境介质溶解氧从而抑制底泥中磷的释放，过硫酸钠具有较好的强氧化性、稳定性、水溶性，对石油类污染物具有良好的降解效果。

除了可监测的自然修复外，原位生物修复一般可分为生物刺激、生物强化、植物修复和联合修复方法。自然恢复是利用河流的自净能力来降解污染物；而后者则是通过生物刺激或生物强化的方法进行人工干预。生物刺激是指投加电子受体，如活性炭、硝酸盐、铁盐等来提高底泥的氧化还原电位，促进微生物的活性。不同的电子受体，可以将底泥的氧化还原电位提高到不同的级别。投加硝酸钙提高底泥氧化还原电位的效果较好。生物强化是指投加特定菌种来降解特定的污染物。

化学修复技术操作简单，只需向河道投加一定的化学药品即可。缺点是化学药品用量不好控制，投加少了起不到效果，投加多了会使河道内的生物受到损害，可能会造成鱼虾死亡，水体生态系统遭到一定的破坏。化学修复技术的关键在于确定好化学用药量，可依据底泥理化性质，对几种化学修复剂进行定量组合，既实现底泥有机污染物的高效降解，又可有效控制河流水质阶段性劣变。

（三）生物修复技术

底泥的异位修复方法最常见的为底泥疏浚，但底泥疏浚过程中会带来底泥恶臭释放及渗出液等环境二次污染问题。疏浚出的底泥处置成本较高，相比之下作为一种处理效率高、成本低、环境影响小的原位生物修复技术得到广泛应用。生物修复主要是利用微生物降解环境污染物并消除或减少其毒性的过程，可以处理大面积的污染。被污染的沉积物可以被修复，或者可以被原位修复、治理成本很低，仅为现有环境工程技术的一小部分，可以最大限度地减少污染物浓度，并最大限度地恢复受污染环境的生态功能，不会造成二次污染。

生物修复技术可以分为原位修复和异位修复。前者是在原地直接生物修复受污染的沉积物而不进行挖泥，而后者是指将受污染的沉积物运输到其他地方。集中式生物修复主要用于疏浚后的沉积物处理。微生物主要通过氧化、还原和水解来分解有机物。微生物通过分泌细胞外酶降解有机物，并将污染物分解为可被微生物细胞吸收的小分子物质，最终被细胞内酶降解。生物修复是自然生物降解过程的增强。一般包括直接向污染沉积物中添加微生物，或者为微生物的生存创造良好的条件，如添加酶，提供电子受体代谢底物和微生物。

作为河道清淤工程的补充，底泥的原位生物修复技术是可行有效的。原位生物修复剂可以使用高效微生物或微生物菌群，或本地微生物制剂。微生物菌群的处理效果优于单一微生物，本土微生物制剂的处理效果优于通用微生物菌群。原位生物修复剂也可以使用复杂的酶制剂，如提供微生物营养素、生物促进剂、生物解毒剂、电子受体共代谢底物、缓冲剂、表面活性剂等，它们为微生物的生长提供了良好的条件，或者提高了污染物的生物利用度，从而促进了微生物对沉积物的修复。具体的生物修复剂配方和施用方法可以根据河底和河底污染物的类型而定。根据温度、河流水力条件等因素，制定适当的原位生物修复计划，以进行河流沉积物生物修复和淤泥生物修复。

植物修复技术也是一种在环境污染领域广泛应用的生物强化技术，其主要利用植物或植物根的降解、吸收和代谢来降低污染物的毒性，例如在深水区的沉积物上种植沉水植物，在浅层沉积物上种植应急植物，在这方面已经有许多成功的案例。

相比于底泥清淤、掩蔽技术、化学修复等，生物修复具有对环境干扰小、投入成本少等优点，是一种环境友好、经济有效的方法。但是由于生物修复技术具有生物自身特性中的局限性，所以生物生长周期也导致降解速度相对较慢且不彻底。生物修复技术无法用于水质污染特别严重的河道，一般只作为一种底泥修复的辅助手段和后期运营保持水质的一种技术方法。