原位生物技術(shù)對(duì)城市重污染河道底泥的治理效果

柳 敏，王如松，*，蔣 瑩，王金輝，黃錦樓

(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085;2.揚(yáng)州市涵閘河道管理處，揚(yáng)州 225000)

平原河網(wǎng)城市的河流眾多，水流緩慢，使得可沉降物質(zhì)沉積在河底，容易形成較厚的淤泥層。底泥在自然或人工擾動(dòng)下的污染釋放已經(jīng)成為威脅水體水質(zhì)安全的重要污染源之一［1-4］，也是城市水污染治理中的重要方面之一。

目前的底泥原位處理生物技術(shù)主要有人工曝氣促進(jìn)底泥氧化、底泥封閉、覆蓋等［5］幾大類(lèi)。與底泥的易位處理技術(shù)相比，底泥的原位生物修復(fù)技術(shù)有著成本相對(duì)較低，同時(shí)能減少疏浚帶來(lái)的環(huán)境干擾等優(yōu)點(diǎn)。但從研究成果來(lái)看，底泥原位處理技術(shù)在國(guó)外被運(yùn)用來(lái)控制底泥污染釋放的工程很多［6-10］，近年來(lái)在我國(guó)底泥污染治理的研究和應(yīng)用中也逐漸得到重視［11-14］，但在技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用的開(kāi)發(fā)上，眾多技術(shù)成熟且在水污染處理中被廣泛應(yīng)用，同時(shí)也具有底泥污染治理潛力的原位控制技術(shù)如生物浮床［16］、原位生物接觸氧化技術(shù)［17］等主要是集中關(guān)注它們對(duì)水質(zhì)污染的去除，對(duì)底泥污染治理的研究甚少涉及。為探索城市河道底泥污染釋放治理的新途徑，本研究將在水污染處理中具有良好應(yīng)用的原位生態(tài)處理技術(shù)，如人工曝氣技術(shù)、生態(tài)凈水磚技術(shù)、生物填料技術(shù)和植物浮床技術(shù)在應(yīng)用上進(jìn)行改進(jìn)后，用于城市河道的底泥治理，研究這些原位處理技術(shù)對(duì)底泥污染釋放的影響，嘗試為河道底泥污染的原位處理提供新的探索，以期能為實(shí)際工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和相關(guān)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的河段位于揚(yáng)州市居民區(qū)，是典型的閘控內(nèi)河，東端與閘控水系自然連接，西端與排澇河通過(guò)DN600mm暗管相連，并有閘門(mén)控制，實(shí)際河段長(zhǎng)度1236m。由于長(zhǎng)期的污水排放，河底沉積了高污染底泥，平均厚度達(dá)到20cm以上，使河道水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，水質(zhì)屬劣Ⅴ類(lèi)，夏季存在水體黑臭問(wèn)題，影響沿河居住環(huán)境。

1.2 原位生態(tài)處理技術(shù)布置

配合正在實(shí)施的該河截污工程，本研究選取已布置的水污染治理工程技術(shù)(圖1):低位浮床技術(shù)(混種物種為黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、美人蕉)、轉(zhuǎn)刷曝氣技術(shù)、原位生物接觸氧化技術(shù)(聚乙烯空心球填料)和生態(tài)凈水磚技術(shù)(包埋固化了發(fā)酵大豆桿狀菌與多孔礦物顆粒)。其中，低位浮床是對(duì)傳統(tǒng)植物浮床在應(yīng)用中的改進(jìn)，把生物浮床的支撐裝置放置在水面以下，使植物根系接近底泥表層。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品及測(cè)定指標(biāo)

在2011年夏季(6月3日—7月22日之間)對(duì)工程運(yùn)行期間的河道底泥的污染釋放特征進(jìn)行了跟蹤測(cè)定。

1)取樣點(diǎn) 共設(shè)4個(gè)取樣點(diǎn)，分別設(shè)在人工曝氣技術(shù)處理區(qū)、生物填料技術(shù)處理區(qū)、生態(tài)凈水磚技術(shù)處理區(qū)和生物浮床區(qū)內(nèi);每個(gè)樣點(diǎn)取3個(gè)重復(fù)樣品，取樣周期為1周1次。

2)底泥樣品處理及測(cè)定指標(biāo) 在實(shí)驗(yàn)室采用厭氧培養(yǎng)的方法模擬底泥的厭氧釋放和對(duì)上覆水體的污染負(fù)荷。具體做法為:每個(gè)樣點(diǎn)的3個(gè)重復(fù)樣品采集后進(jìn)行混合，取出一個(gè)混合樣品，靜置24h備用，在撇除表面積水后，將泥樣灌入到10L玻璃瓶底部，平均深度約8cm。用軟管將河流水沿瓶壁緩緩注入瓶中，盡量不沖擊底泥。將實(shí)驗(yàn)瓶靜置24h使水澄清，將曝氣頭放入水中上半部分，開(kāi)動(dòng)氮?dú)馄肯蛩w沖入氮?dú)?，?qū)趕水中溶解氧，直到溶解氧降為零，但不能攪動(dòng)底泥。從實(shí)驗(yàn)瓶取樣測(cè)定初始水質(zhì)濃度，用橡膠塞蓋緊瓶口。向瓶口與橡膠塞相交的沿口處倒少許水，以阻止空氣從沿口處進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，保持實(shí)驗(yàn)瓶中處于厭氧狀態(tài)，模擬實(shí)際河道底部溶解氧狀態(tài)。每隔4d揭開(kāi)瓶蓋，取樣測(cè)定水質(zhì)，共測(cè)定4次。

圖1 河道內(nèi)的工程布置圖［17］Fig.1 Position of different treatments

樣品主要測(cè)試指標(biāo)包括氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、CODMn。其中，主要考慮耗氧污染物(有機(jī)物、氨氮、還原物質(zhì))對(duì)水體溶解氧降低的影響力，用CODMn指標(biāo)反應(yīng)這類(lèi)物質(zhì)的總和。其中，CODMn采用GB11914—89《COD測(cè)定重鉻酸鹽法》，NH3-N采用 GB7479—87，TN采用 GB11894—89，TP采用國(guó)標(biāo)GN1893—89。

表1 處理前底泥污染釋放速率Table 1 Release rate of pollutants of sediment

3)數(shù)據(jù)處理

底泥污染物釋放速率是指單位面積底泥表面在單位時(shí)間內(nèi)的釋放的污染物量(mg·m－2·d－1)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出底泥釋放速率為:

式中，SCi為第i個(gè)時(shí)段內(nèi)底泥污染釋放速率(mg·m－2·d－1);Ci－1為第i個(gè)時(shí)段初期污染物濃度(mg/L);Ci為第i個(gè)時(shí)段末期污染物濃度(mg/L);C0為置換的無(wú)氧蒸餾水中污染物濃度(mg/L);V為實(shí)驗(yàn)瓶中水體積(L);ΔV為實(shí)驗(yàn)瓶中置換的無(wú)氧蒸餾水體積(L);△T為第i個(gè)時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)(d);A為實(shí)驗(yàn)瓶斷面積(m2)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集后采用excel2003進(jìn)行不同處理間及處理前后底泥污染釋放對(duì)上覆水污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量的去除率，去除率計(jì)算表述如下:

式中，φ為去除率;TSCi為T(mén)處理措施運(yùn)行中的底泥污染釋放速率;T'SCi為T(mén)處理措施運(yùn)行后的底泥污染釋放速率。

2 結(jié)果分析

2.1 對(duì)底泥氮釋放的凈化效果

2.1.1 氨氮

底泥中氨氮的釋放速率經(jīng)不同原位生物處理后，下降50.3%—89.64%，平均為59.27%。人工曝氣技術(shù)處理區(qū)、生物填料處理區(qū)、生態(tài)磚處理區(qū)和低位浮床處理區(qū)的底泥在工程運(yùn)行中的釋放速率分別為114.8、78.4、63.46和39.51 mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為11.89、42.51、30.78和19.63 mg·m－2·d－1。研究發(fā)現(xiàn)，在工程運(yùn)行中，人工曝氣區(qū)底泥氨氮的釋放速率明顯高于生物填料區(qū)、生態(tài)磚區(qū)和低位浮床區(qū);但在工程運(yùn)行后，人工曝氣區(qū)底泥氨氮的釋放速率卻明顯低于生物填料區(qū)、生態(tài)磚區(qū)和低位浮床區(qū)，可能是因?yàn)樵诠こ踢\(yùn)行過(guò)程中人工曝氣對(duì)底泥的擾動(dòng)比較大，造成水體的豎向混合，加速了底泥的釋放。

底泥污染釋放對(duì)上覆水氨氮負(fù)荷貢獻(xiàn)量的去除率為36.59%—82.67%，平均為53.33%。在工程運(yùn)行期間，底泥對(duì)上覆水質(zhì)氨氮負(fù)荷在人工曝氣技術(shù)處理區(qū)、生物填料處理區(qū)、生態(tài)磚處理區(qū)和低位浮床區(qū)的底泥在工程運(yùn)行中的負(fù)荷分別為0.15、0.085、0.041和0.026mg·L－1·m－2·d－1;在工程運(yùn)行后的負(fù)荷分別為0.026、0.041、0.026和0.015mg·L－1·m－2·d－1。

由于人工曝氣技術(shù)對(duì)底泥的擾動(dòng)比其他技術(shù)大，在工程運(yùn)行期，人工曝氣區(qū)中底泥對(duì)上覆水中氨氮的污染負(fù)荷仍然顯著高于其他處理技術(shù)，但工程運(yùn)行后人工曝氣區(qū)的底泥對(duì)上覆水的氨氮負(fù)荷卻小于其他處理技術(shù)區(qū)，說(shuō)明人工曝氣處理對(duì)底泥中氨氮污染的去除效果高于其他處理技術(shù)。

圖2 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥中氨氮釋放速率Fig.2 NH3-N release rate of sediment during and after treatments

圖3 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥上覆水中氨氮負(fù)荷Fig.3 NH3-Nload rate of overlying water during and after treatments

2.1.2 總氮

底泥中總氮的釋放速率經(jīng)不同原位生物處理后，下降20.96%—88.94%，平均為42.32%。人工曝氣技術(shù)處理區(qū)、生物填料處理區(qū)、生態(tài)磚處理區(qū)和低位浮床區(qū)的底泥在工程運(yùn)行中的釋放速率分別為147.21、83.53、71.35和42.20 mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為16.28、66.02、46.72和31.71mg·m－2·d－1。與底泥中總氮的污染釋放規(guī)律相似，由于工程運(yùn)行過(guò)程中人工曝氣對(duì)底泥的擾動(dòng)比較大，加速了底泥總氮的釋放。因此，在工程運(yùn)行中人工曝氣區(qū)底泥總氮的釋放速率明顯高于生物填料區(qū)、生態(tài)磚區(qū)和低位浮床區(qū);但在工程運(yùn)行后，人工曝氣區(qū)底泥總氮的釋放速率卻明顯低于其他技術(shù)處理區(qū)。

底泥總氮釋放對(duì)上覆水污染的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量的去除率為38.00%—67.06%，平均為54.96%。由于各處理技術(shù)對(duì)底泥的擾動(dòng)程度不同，在工程運(yùn)行中，人工曝氣區(qū)的底泥總氮釋放對(duì)上覆水體的總氮負(fù)荷大于其他技術(shù)處理區(qū)。

2.2 對(duì)底泥總磷釋放的凈化效果

圖4 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥中總氮釋放速率Fig.4 TN release rate of sediments during and after treatments

圖5 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥上覆水中總氮負(fù)荷Fig.5 TN load rate of overlying water during and after treatments

底泥中總磷的釋放速率經(jīng)不同原位生物處理后，下降27.49%—91.00%，平均為55.31%。人工曝氣技術(shù)處理區(qū)、生物填料處理區(qū)、生態(tài)磚處理區(qū)和低位浮床區(qū)的底泥在工程運(yùn)行中的釋放速率分別為103.00、57.63、40.24和10.7mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為9.27、31.17、29.18和4.62mg·m－2·d－1。在各技術(shù)處理區(qū)，無(wú)論是工程運(yùn)行中還是運(yùn)行后，底泥中總磷的釋放速率最低的是低位浮床區(qū)，處理效果小于其他處理技術(shù)處理區(qū)。

底泥總磷釋放對(duì)上覆水總磷負(fù)荷貢獻(xiàn)量的去除率為67.14%—98.46%，平均為84.33%。在各技術(shù)處理區(qū)內(nèi)，底泥對(duì)上覆水體總磷的負(fù)荷最小為低位浮床處理區(qū)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)可能是因?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)對(duì)底泥和水體中磷吸收的緣故。

圖6 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥中總磷釋放速率Fig.6 TP release rate of sediment during and after treatments

圖7 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥上覆水中總磷負(fù)荷Fig.7 TP load rate of overlying water during and after treatments

2.3 對(duì)底泥耗氧污染物(CODMn)釋放的凈化效果

底泥中CODMn的釋放速率經(jīng)不同原位生物處理后，下降11.84%—79.32%，平均為41.16%。人工曝氣技術(shù)處理區(qū)、生物填料處理區(qū)、生態(tài)磚處理區(qū)和低位浮床區(qū)的底泥在工程運(yùn)行中的釋放速率分別為378.95、153.82、88.88和78.36mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為78.36、88.88、78.36和53.87mg·m－2·d－1。研究發(fā)現(xiàn)，底泥中CODMn的釋放受擾動(dòng)的影響較大，對(duì)底泥擾動(dòng)較大的人工曝氣技術(shù)處理區(qū)工程運(yùn)行前后的CODMn的釋放速度相差300.59 mg·m－2·d－1，變化最大。

底泥上覆水中CODMn的釋放速率經(jīng)不同原位生物處理后，下降－1.25%—70.74%，平均為29.83%。技術(shù)處理區(qū)內(nèi)，底泥對(duì)上覆水體總磷的負(fù)荷最小為低位浮床處理區(qū)，調(diào)研發(fā)現(xiàn)是因?yàn)榈臀桓〈哺采w下的水體受擾動(dòng)最小，底泥表層的水體波動(dòng)最小的緣故。在生態(tài)磚處理區(qū)，工程運(yùn)行中的底泥上覆水體CODMn小于工程運(yùn)行之后，可能是因?yàn)樯鷳B(tài)磚表面孔隙堵塞而造成底泥吸附不完全和底泥再懸浮造成的。

3 小結(jié)

圖8 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥中CODMn釋放速率Fig.8 CODMn load rate of sediment during and after treatments

圖9 工程運(yùn)行中和運(yùn)行后，底泥上覆水中CODMn負(fù)荷Fig.9 CODMn load rate of overlying water during and after treatments

工程運(yùn)行中和運(yùn)行后存在凈化效果的階段性波動(dòng)，以及不同處理技術(shù)之間對(duì)不同污染物的凈化效果存在較大差異，但總體處理效果顯示，人工曝氣處理技術(shù)、生物填料處理技術(shù)、生態(tài)磚處理技術(shù)和低位浮床處理技術(shù)對(duì)河道底泥的污染釋放速率及上覆水污染負(fù)荷均具有很好的凈化效果，對(duì)氨氮釋放速率平均降低59.2%，上覆水氨氮負(fù)荷貢獻(xiàn)量平均減少53.33%;對(duì)總氮的釋放速率平均降低42.32%，對(duì)上覆水總氮污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量的去除率平均為54.96%;對(duì)總磷釋放速率平均降低55.31%，對(duì)上覆水總磷污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量的平均去除率為84.33%;對(duì)CODMn的釋放速率平均降低41.16%，對(duì)上覆水污染負(fù)荷貢獻(xiàn)量的平均去除率為29.83%。

鑒于各技術(shù)在運(yùn)行中的效果和相關(guān)影響，在原位生態(tài)處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)主要考慮各技術(shù)對(duì)底泥的擾動(dòng)，在進(jìn)行集成應(yīng)用的時(shí)候，對(duì)底泥擾動(dòng)較大的技術(shù)，如人工曝氣技術(shù)，應(yīng)與對(duì)底泥擾動(dòng)較小的技術(shù)，如低位浮床及或植被沉床技術(shù)，相間應(yīng)用，以減少工程技術(shù)運(yùn)行中對(duì)底泥擾動(dòng)造成的污染爆發(fā)式釋放。

［1］He B G，Zhou N S，Yuan X M.On contribution of sediment to secondary pollution of river.Environmental Pollution and Control，1999，21(3):41-43.

［2］Yu G W，Lei H Y，Liu G L，Bai T，Liu K S，Chen R W.Research on the characteristics of sediment release in a heavily polluted tidal river and control technologies.Acta Scientiae Circumstantiae，2007，27(9):1476-148.

［3］Mao Y F，Zhu P L，Wu H M.Analysis on urban water environment.Journal of Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College，2009，21(1):65-67.

［4］Cao CJ，Chen Z L，Wang J，Huang M S，Qian CP，Liu L.Review of sediment ecological dredging in urban black-odors river treatment.Journal of East China Normal University:Natural Science，2011，1(1):32-42.

［5］Sun F，Zeng Y S，Chen J N.Assessment of techniques for sediment pollution control within eutrophic lakes.Techniques and Equipment For Environmental Pollution Control，2003，4(8):61-64.

［6］Murphy T P，Lawson A，Kmnagai M，Babin J.Review of emerging issues in sediment treatment.Aquatic Ecosystem Health and Management，1999，2(5):419-434.

［7］Renholds J.In Situ Treatment of Contaminated Sediments.Washington，D C:Technology status report prepared for the U.S.EPA Technology lnnovation office，1998:7-9.

［8］MarUke M A.Ferdinand-Van Vlerken.Chances for biological techniques in sediment remediation.Water Science and Technology，1998，37(6/7):345-353.

［9］Ao J.Reviews on development of release control techniques of contaminated sediment.Environmental Protection Science，2004，30(6):29-35.

［10］Chiang Y W，Santos R M，Ghyselbrecht K，Cappuyns V，Martens J A，Swennen R，Van Gerven T，Meesschaert B.Strategic selection of an optimal sorbent mixture for in-situ remediation of heavy metal contaminated sediments:framework and case study.Journal of Environmental Management，2012，105(30):1-11.

［11］Yu G W，Lei H Y，Bai T，Li Z，Yu Q，Song X Q.In-situ stabilisation followed by ex-situ composting for treatment and disposal of heavy metals polluted sediments.Journal of Environmental Sciences，2009，21(7):877-883.

［12］Liu X W，Xie D P，Li K M，Jin Z，Jiang D，Li M Y.Study on bioremediation technology of polluted sediments in urban river.Ecological Science，2011，30(6):630-635.

［13］Liu X W，Xie D P，Li K M，Jin Z，Jiang D，Li M Y.Research on the impact mechanism of different aeration level on biogeochemical cycling of nitrogen in sediments.Ecology and Environmental Sciences，2011，20(11):1713-1719.

［14］Zhu L Y，Zhang Z Z，Zhou Q X.Research progress of in situ capping materials for contaminated sediment remediation.Chinese Journal of Ecology，2008，27(4):645-651.

［15］Jiang Y W，Hu X L，Xu Z L，Liu H C.Study and demonstration on application of the Planted the in Floating Platform to restore water quality.Beijing Water Resources，2003，(6):20-22.

［16］Zhang H，Wen D H，Li L，Xie SG.Bypass demonstration work of the step-feeding biological contact oxidation process for river water purification.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2009，45(4):677-684.

［17］Wang JH，Cong H B，Liu M.Research on application of in-situ biological technology on water quality improvement in urban beheaded river.Journal of Hydroecology，2011，32(4):13-17.

參考文獻(xiàn):

［1］賀寶根，周乃晟，袁宣民.底泥對(duì)河流的二次污染淺析.環(huán)境污染與防治，1999，21(3):41-43.

［2］余光偉，雷恒毅，劉廣立，白濤，劉康勝，陳若維.重污染感潮河道底泥釋放特征及其控制技術(shù)研究.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(9):1476-1483.

［3］毛益飛，朱培梁，吳紅梅.城市河道水環(huán)境現(xiàn)狀分析及改善措施探討.浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，21(1):65-67.

［4］曹承進(jìn)，陳振樓，王軍，黃民生，錢(qián)嫦萍，柳林.城市黑臭河道底泥生態(tài)疏浚技術(shù)進(jìn)展.華東師范大學(xué)學(xué)報(bào);自然科學(xué)版，2011，1(1):32-42.

［5］孫傅，曾思育，陳吉寧.富營(yíng)養(yǎng)化湖泊底泥污染控制技術(shù)評(píng)估.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2003，4(8):61-64.

［9］敖靜.污染底泥釋放控制技術(shù)的研究進(jìn)展.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2004，30(6):29-35.

［12］劉曉偉，謝丹平，李開(kāi)明，金中，江棟，李明玉.城市河道底泥污染生物修復(fù)技術(shù)研究.生態(tài)科學(xué)，2011，30(6):630-635.

［13］劉曉偉，謝丹平，李開(kāi)明，金中，江棟，李明玉.曝氣復(fù)氧對(duì)底泥氮素生物地球化學(xué)循環(huán)影響的作用機(jī)制研究.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)2011，20(11):1713-1719.

［14］祝凌燕，張子種，周啟星.受污染沉積物原位覆蓋材料研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)雜志，2008，27(4):645-651.

［15］井艷文，胡秀琳，許志蘭，劉虎城.利用生物浮床技術(shù)進(jìn)行水體修復(fù)研究與示范.北京水利，2003，(6):20-22.

［16］張輝，溫東輝，李璐，謝曙光.分段進(jìn)水生物接觸氧化工藝凈化河道水質(zhì)的旁路示范工程研究.北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，45(4):677-684.

［17］王金輝，叢海兵，柳敏.原位生物處理技術(shù)在改善城市斷頭河水質(zhì)研究.水生態(tài)學(xué)雜志，2011，32(4):13-17.