富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷原位控制技術(shù)

李安定 張 義 周北海 吳振斌

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富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷原位控制技術(shù)

李安定1, 2張 義3周北海1吳振斌3

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院環(huán)境工程系, 北京 100083; 2. 中日友好環(huán)境保護中心, 北京 100029; 3. 中國科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國家重點實驗室, 武漢, 430072)

富營養(yǎng)化湖泊; 沉積物; 內(nèi)源磷; 原位控制技術(shù)

湖泊沉積物是指湖泊中沉積的物質(zhì), 湖泊中大量營養(yǎng)鹽富集在沉積物中。水體中各形態(tài)的磷通過污水排入、地表徑流及水生生物殘骸等多種途徑輸入至湖泊, 在溫度、上覆水pH、溶解氧及氧化還原電位等環(huán)境因素的影響下, 經(jīng)過一系列變化, 其中水體中的部分磷在沉積物吸附、化學(xué)絮凝、共沉淀等作用下蓄存于湖泊沉積物中, 使沉積物中各形態(tài)的磷逐步富集成為富營養(yǎng)化湖泊的內(nèi)源負荷[1, 2]。當(dāng)溫度、上覆水pH、溶解氧、氧化還原電位及微生物活動等環(huán)境條件改變時, 沉積物中蓄積的各形態(tài)磷又會進入到湖泊沉積物—上覆水浮水界面的物質(zhì)交換, 導(dǎo)致湖泊水體中磷含量增加, 造成湖泊富營養(yǎng)化[3, 4]。如由于內(nèi)源負荷磷的影響, 西湖引水效果在停機10d 后即消失[5]。

沉積物污染控制技術(shù)主要分為原位處理技術(shù)和異位處理技術(shù)。沉積物異位處理技術(shù)主要是用泵抽取、機械挖掘等方法將沉積物移出湖泊后進行其他處理, 以防止其污染水體。異位處理技術(shù)主要包括疏浚、異位淋洗等技術(shù)。異位處理操作較復(fù)雜, 處理技術(shù)費用高且對環(huán)境破壞性大。原位處理技術(shù)是指在原地采用物理吸附、化學(xué)反應(yīng)或生物方法對沉積物進行處理, 減少沉積物中污染物含量或降低污染物的溶解度、毒性或遷移性, 并通過一系列方法阻止污染物向上覆水釋放[6]。目前, 原位控制技術(shù)已在國內(nèi)外各污染湖泊水體得到了較廣泛的應(yīng)用, 應(yīng)用較多的原位處理技術(shù)主要有曝氣、物理化學(xué)覆蓋、水利沖刷、生物生態(tài)修復(fù)等[7]。本文闡述了國內(nèi)外富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷原位控制技術(shù)的研究成果和應(yīng)用概況, 對該技術(shù)應(yīng)用于實際工程的前景進行了展望, 以期為我國富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)源磷負荷的有效控制提供技術(shù)參考。

1 沉積物磷原位控制技術(shù)特點

湖泊沉積物磷原位控制技術(shù), 是指在原位對沉積物磷進行處理和控制的技術(shù)。目前, 對于沉積物磷的原位控制技術(shù), 國內(nèi)外研究學(xué)者已做了頗多研究, 研發(fā)了多種可用于原位去除或控制湖泊沉積物磷的方法。沉積物磷原位控制技術(shù)主要包括原位物理技術(shù)、原位化學(xué)處理技術(shù)和原位生物修復(fù)技術(shù)。相比于異位控制技術(shù), 沉積物磷原位控制技術(shù)具有以下顯著特點: (1)無需疏浚和機械挖掘, 直接在原地對受污染底泥進行處理, 可避免底泥再懸浮引起大量磷向水體釋放, 還可減少由于轉(zhuǎn)移底泥向周圍環(huán)境流失其他污染物[8]; (2)原地控制技術(shù)不需要堆放或處理疏浚后的底泥, 因此無需占用額外的場地, 也無需監(jiān)測疏浚底泥的處置設(shè)施或設(shè)備; (3)原位控制技術(shù)可顯著降低沉積物中各形態(tài)磷含量, 并有效控制沉積物磷及其他污染物向上層水釋放[9]; (4)原地處理技術(shù)成本較低。

2 原位物理控制技術(shù)

2.1 曝氣法

2.2 原位物理覆蓋技術(shù)

沉積物磷原位物理覆蓋是在富營養(yǎng)化湖泊底泥上方鋪設(shè)一層或多層覆蓋物, 阻隔沉積物磷和上覆水的接觸和物質(zhì)交流, 阻止沉積物各形態(tài)磷向上覆水遷移和擴散。應(yīng)用較多的覆蓋物主要有未受污染的湖泊底泥、河流石沙、礫石、劣質(zhì)黏土或一些人造復(fù)合材料等。原位物理覆蓋可以將湖泊沉積物各形態(tài)磷與底棲生物、湖泊水體物理性地隔離開來, 可有效防止沉積物磷的多途徑遷移或向上層水體再懸浮, 同時物理覆蓋層可降低沉積物各形態(tài)磷在湖泊水體中的擴散通量[5]。

沉積物磷原位物理覆蓋技術(shù)操作簡便, 成本較低廉, 所以應(yīng)用較廣泛。目前, 已有許多研究學(xué)者在實驗室或湖泊修復(fù)現(xiàn)場對沉積物磷進行了原位物理覆蓋試驗和工程應(yīng)用。1978 年, 美國首次實施了湖泊原位覆蓋工程, 20世紀80年代, 原位覆蓋技術(shù)在日本、挪威及加拿大等國家相繼得到了研究和應(yīng)用[14]?，F(xiàn)在原位覆蓋技術(shù)已在全球多個國家的河道、湖泊、近海岸、河口等區(qū)域得到了廣泛的實際應(yīng)用[15]。該技術(shù)在我們還屬于起步階段, 還有一些應(yīng)用瓶頸亟待解決, 如原位物理覆蓋技術(shù)應(yīng)用后, 會降低湖泊水深, 改變了水生植物和底棲生物的生活環(huán)境, 對底棲生態(tài)系統(tǒng)具有不可避免的破壞性, 且該技術(shù)在懸浮污泥較多的水域不太適用, 有些覆蓋物還可能存在二次污染的風(fēng)險。

2.3 水力沖刷技術(shù)

水力沖刷操作技術(shù)難度較大, 主要是將含低濃度營養(yǎng)鹽的活水注入到富營養(yǎng)化湖泊的表層水域, 同時通過虹吸或其他技術(shù)將深水域富含高營養(yǎng)鹽的水層經(jīng)過輸水管道排入到其他水域, 從而通過交換水體達到凈化富營養(yǎng)化水體的目的[16]。并不是所有湖泊水體都適合應(yīng)用水力沖刷技術(shù), 對于能夠保持較好的溫度層的湖泊, 溫度層將化學(xué)性質(zhì)不同的上下水層分開, 適宜運用該技術(shù)。值得注意的是, 將水利沖刷技術(shù)應(yīng)用于實際富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷控制時, 應(yīng)盡量減小水力沖刷對下游環(huán)境造成的不利影響。同時應(yīng)特別關(guān)注排水口富含高濃度營養(yǎng)鹽、硫化氫等物質(zhì)的厭氧水體[17]。

3 原位化學(xué)控制技術(shù)

與物理覆蓋技術(shù)不同, 沉積物磷原位化學(xué)處理技術(shù)主要是指向富營養(yǎng)化湖泊沉積物中投加媒制劑或化學(xué)藥劑等, 通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化或固化沉積物中的各形態(tài)磷, 或者通過絮凝作用增強對沉積物中活性磷的限制, 從而抑制沉積物磷向上覆水釋放, 或者將沉積物磷固定于湖底。

3.1 化學(xué)藥劑投加技術(shù)

將化學(xué)藥劑投加到富營養(yǎng)化湖泊水體中, 化學(xué)藥劑與沉積物中各形態(tài)磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 改變沉積物磷的形態(tài)或反應(yīng)生成其他難以降解的物質(zhì), 某些新生成物質(zhì)還可為后續(xù)的微生物降解作用提供有利條件。根據(jù)投加藥劑作用和反應(yīng)過程的不同, 將沉積物磷化學(xué)藥劑投加技術(shù)分為氧化處理技術(shù)和還原處理技術(shù)。目前, 應(yīng)用較廣泛的氧化劑主要有: 過硫酸鹽、臭氧、金屬陽離子、高錳酸鹽、雙氧水、Fenton試劑、硝酸鈣以及硫酸鹽等[18]。已有多種氧化劑在富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷原位修復(fù)工程中得到應(yīng)用。零價鐵、硫酸亞鐵等金屬單質(zhì)或金屬氧化物是控制沉積物磷應(yīng)用較多的還原劑。零價鐵最先是廣泛應(yīng)用于受污染的地下水體治理工程。

3.2 化學(xué)覆蓋技術(shù)

與原位物理覆蓋技術(shù)類似, 沉積物磷的原位化學(xué)覆蓋技術(shù)也是在沉積物表面鋪設(shè)一定厚度的覆蓋層, 不同的是化學(xué)覆蓋技術(shù)主要是通過化學(xué)覆蓋物和沉積物磷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而達到封閉沉積物磷并抑制沉積物磷擴散的目的, 使最少量的磷釋放至上覆水中[19]。通常根據(jù)上覆水以及沉積物磷的性質(zhì), 化學(xué)覆蓋層選擇不同特性的覆蓋材?；瘜W(xué)覆蓋法與簡單的物理覆蓋技術(shù)不同, 物理覆蓋材料主要是被動物理屏障(如無污染底泥、河沙、劣質(zhì)黏土等), 物理覆蓋層只是起到覆蓋和阻斷作用, 而化學(xué)覆蓋層主要是通過化學(xué)材料與沉積物各形態(tài)磷的化學(xué)吸附、絮凝沉淀或化學(xué)反應(yīng)等過程來穩(wěn)定固化各形態(tài)磷或轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定態(tài)不易溶解的磷形態(tài)。物理覆蓋方法的覆蓋層相對較厚, 厚度一般大于0.1 m, 而化學(xué)覆蓋層由于這些反應(yīng)特性使得它們的覆蓋層相對較薄(2—5 mm)?；瘜W(xué)覆蓋技術(shù)在實際應(yīng)用中有以下要求: 化學(xué)覆蓋物成本低廉、可與各形態(tài)磷積極發(fā)生反應(yīng)、具有物理化學(xué)穩(wěn)定性、對生態(tài)環(huán)境影響較小、不會產(chǎn)生二次污染及水力傳導(dǎo)性好以便降低其對覆蓋層的擾動[20]。沉積物磷原位化學(xué)覆蓋技術(shù)具有經(jīng)濟性好、適用性廣、工藝操作簡單等優(yōu)勢。20世紀80、90年代, 國內(nèi)外開始研究和應(yīng)用污染沉積物的原位覆蓋技術(shù), 對多類型的污染沉積物做了大量的研究報道, 包括受煤焦油、PCBs、PAHs和重金屬等污染的沉積物的影響[21—23]。

化學(xué)覆蓋材料, 可用于減少沉積物中的沉積物溶解態(tài)反應(yīng)性磷(DRP), 化學(xué)覆蓋劑可將可逆的鐵錳結(jié)合態(tài)磷轉(zhuǎn)變成不可逆的覆蓋劑結(jié)合態(tài)磷。此類材料主要包括: 天然材料, 如方解石等礦物、硫酸鋁、明礬[25]等; 改性材料, 如改性工業(yè)材料產(chǎn)品[26]、改性金屬鑭等材料[27], 還有鋁鎂、硝酸鹽等鹽類改性沸石等。

4 原位生物控制技術(shù)

原位生物控制主要是通過生物的生命代謝行為降低沉積物中的各形態(tài)磷, 或者穩(wěn)定沉積物磷, 對沉積物進行原位修復(fù)和水質(zhì)凈化。原位生物處理可直接對沉積物進行處理和修復(fù), 不會損害原有生態(tài)環(huán)境, 具有生態(tài)環(huán)境效益好、成本低廉、修復(fù)效果好等特點。隨著生物工程技術(shù)的發(fā)展, 近年來, 沉積物磷原位生物控制技術(shù)也得到了廣泛研究和應(yīng)用。生物修復(fù)主要包括微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)等。

4.1 微生物修復(fù)技術(shù)

沉積物磷原位微生物修復(fù)技術(shù)是利用天然的或經(jīng)馴化的微生物通過氧化、還原和水解等作用將沉積物中各形態(tài)磷轉(zhuǎn)化、分解從而降低沉積物中磷含量。采用天然、人工馴化、固定化微生物和轉(zhuǎn)基因工程菌能夠有效去除或轉(zhuǎn)化沉積物磷。但在實際應(yīng)用中, 外加的微生物或其他物質(zhì)易受溫度、pH、溶解氧、水力條件及土著微生物等多種因素的強烈影響, 可能影響微生物作用, 難以達到預(yù)期的效果。

馮奇秀等[28]利用沉積物生物氧化復(fù)合制劑和土著微生物培養(yǎng)液對受污染的廣州市朝陽涌進行原位處理, 治理效果較好。潘涌璋等[29]的研究表明, 通過投加某種微生物菌劑10d 后, 湖水中的總磷的去除率達到73%。閆艷春等[30]克隆抗型庫蚊的醋酶基因, 在大腸桿菌中進行表達, 并將獲得的工程菌固定后開展有機磷農(nóng)藥降解試驗, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)該工程菌可在較短時間內(nèi)對有機農(nóng)藥進行高效降解。

4.2 植物修復(fù)技術(shù)

隨著在污染治理中環(huán)境生態(tài)效益的要求越來越高, 植物修復(fù)技術(shù)作為一種應(yīng)用于環(huán)境污染領(lǐng)域的生態(tài)修復(fù)方法, 已在環(huán)境領(lǐng)域得到越來越廣泛的認可和應(yīng)用。沉積物磷植物修復(fù)技術(shù)主要是通過水生植物或植物根系區(qū)微生物的營養(yǎng)吸收和分解代謝作用以減少沉積物中磷含量或轉(zhuǎn)化沉積物磷。水生植物不僅可以通過自身消耗將沉積物和水體中N、P等營養(yǎng)元素輸出湖泊, 促進湖泊營養(yǎng)輸出; 且在水生植物種植密度較高的情況下, 還可改變湖水流向與流強, 影響上覆水與沉積物間物質(zhì)交換平衡。

已有研究表明, 大部分沉水植物和挺水植物能大量吸收底泥和水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[31, 32]。包先明等[33]研究沉水植物影響富營養(yǎng)化水體沉積物中磷的形態(tài), 通過研究太湖 6 種常見沉水植物對五里湖沉積物的種植試驗表明, 沉水植物在其生長過程會引起上覆水 pH、氧化還原電位以及藻類含量的變化, 從而控制沉積物中鐵磷、有機磷等主要化學(xué)形態(tài)磷的釋放, 同時各種沉水植物生長后, 沉積物中總磷的含量也得到明顯的削減。劉兵欽等[34]研究了菹草對湖泊沉積物磷狀態(tài)的影響, 發(fā)現(xiàn)菹草生物量較高的沉積物表現(xiàn)出明顯較低的堿性磷酸酶活性與最大反應(yīng)速度。目前, 越來越多的研究致力于種植沉水植物對富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷控制機理的探索性研究中[35, 36]。對底泥原位植物修復(fù)技術(shù)的研究結(jié)果表明, 苦草()、狐尾藻() 和菹草() 等沉水植物不僅能顯著地降低上覆水體中氨氮、總磷、總氮和藻類的含量, 可以通過根系的吸收和根際微生物的作用降低沉積物中的各形態(tài)磷, 還可在一定程度上抑制沉積物中各形態(tài)磷的釋放[37]。童昌華等[38]研究了狐尾藻、鳳眼蓮等水生植物控制湖泊沉積物營養(yǎng)鹽釋放的試驗, 結(jié)果表明多種水生植物均能有效地抑制沉積物中總氮、總磷的釋放。

5 結(jié)論和展望

在沉積物磷的原位修復(fù)技術(shù)中, 異位修復(fù)技術(shù)在實際富營養(yǎng)化湖泊修復(fù)工程中得到了一定的應(yīng)用, 該修復(fù)技術(shù)見效快, 但工程巨大, 同時投資成本較高, 且疏浚后污泥的處理有一定的難度。目前, 雖然沉積物磷的原位修復(fù)技術(shù)尚處在實驗室研究階段, 但由于該技術(shù)具有經(jīng)濟成本低、工藝操作簡單、不易產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點, 富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷的原位修復(fù)控制技術(shù)將成為今后解決水體沉積物磷內(nèi)源污染的重要方向。在實際應(yīng)用中, 原位控制技術(shù)還存在較多需進一步研究和探索的瓶頸, 如原位覆蓋技術(shù)需大量覆蓋材料, 可能對生境帶來不可預(yù)見的影響, 不適于大規(guī)模應(yīng)用于河湖; 化學(xué)處理技術(shù)由于存在化學(xué)藥劑殘留, 可能會對水質(zhì)產(chǎn)生二次污染; 微生物修復(fù)在實際應(yīng)用中會受到自然環(huán)境條件限制, 且微生物生長狀態(tài)難以控制; 植物修復(fù)周期較長, 植物生長受地域、環(huán)境等影響。

為了使富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷原位控制技術(shù)進一步應(yīng)用到大規(guī)模的工程實踐中, 達到更高的環(huán)境效益和社會效益, 應(yīng)該加強進行該領(lǐng)域的前沿性研究。同時, 原位生物修復(fù)由于成本低、對原有生態(tài)環(huán)境無破壞性等特點, 具有廣闊的應(yīng)用前景, 水生植物修復(fù)可以有效的解決湖泊底泥磷污染, 隨著研究的深入和技術(shù)的不斷完善, 以大型水生植物為主的富營養(yǎng)化湖泊沉積物磷原位控制技術(shù)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。為進一步提高處理效果, 加強工程應(yīng)用, 可充分利用各種原位修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢, 研發(fā)多種集成的修復(fù)技術(shù)體系, 如研究化學(xué)-生物聯(lián)合處理技術(shù)、物理-生態(tài)耦合技術(shù)等, 使各個控制技術(shù)優(yōu)勢互補, 最大程度地發(fā)揮其原位修復(fù)功能。

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Control Technology of Phosphorus in Sediment of Eutrophic Lake

LI An-Ding1,2, ZHANG Yi3, ZHOU Bei-Hai1and WU Zhen-Bin3

(1. Department of Environmental Engineering, Civil and Environment Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2. Sino-Japan Friendship Centre for Environmental Protection, Beijing 100029, China; 3. State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Science, Wuhan 430072, China)

Eutrophic lake; Sediment; Internal phosphorus;control technology

2013-12-04;

2013-12-24

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101007-005)資助

李安定(1978—), 男, 湖南長沙人; 高級工程師, 在讀博士研究生; 主要從事廢水生物生態(tài)處理、湖泊富營養(yǎng)化控制、植物修復(fù)等研究。E-mail: andingli2004@163.com

X524

A

1000-3207(2014)02-0370-05

10.7541/2014.52