河道底泥原位生物修復(fù)技術(shù)研究簡述*

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231)

引言

城市河道具有景觀、供應(yīng)水源、航道、文化等多種生態(tài)功能，是城市建設(shè)發(fā)展中非常重要的一部分。隨著城市化進(jìn)程加快，大量生活及工業(yè)廢水未經(jīng)適當(dāng)處理排入河道中，會(huì)對(duì)河流、河道及周邊土壤造成急性或慢性負(fù)影響。其中積累了許多無機(jī)物與疏水的持久性有機(jī)物等的河道底泥，具有復(fù)雜、持久以及累積等特性，當(dāng)污染物達(dá)到一定濃度后，其中N、P、重金屬、有機(jī)物等污染物會(huì)源源不斷的從底泥中釋放到上覆水，加重河流的污染。據(jù)《2018年成都市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)》顯示，2018年成都市地表水水質(zhì)總體良好，其中Ⅳ～Ⅴ類水質(zhì)占19.8%；劣Ⅴ類水質(zhì)占4.7%，主要污染指標(biāo)為氨氮、總磷和化學(xué)需氧量。底泥沉積物中的污染物對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大威脅，其綜合影響仍鮮為人知。

為了有效地控制河道底泥污染，可采取異位修復(fù)與原位修復(fù)兩類技術(shù)。由于疏浚會(huì)引起污染物的大量遷移，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大負(fù)面影響，因此，現(xiàn)多使用原位修復(fù)技術(shù)，或多種修復(fù)技術(shù)聯(lián)用。原位生物修復(fù)由于其環(huán)境影響小，投入少，修復(fù)效果好等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。

1 河道底泥原位修復(fù)技術(shù)

河流中產(chǎn)生黑臭水體的污染現(xiàn)象，主要是由于水中缺乏DO(溶解氧)而形成缺氧環(huán)境，厭氧微生物降解有機(jī)物產(chǎn)生大量臭味氣體(如硫化氫、硫醇、氨等)、土臭素以及致黑物質(zhì)(如硫化亞鐵等)等，造成水體惡化、黑臭[1]。此外，水溫上升，水體中氨氮濃度過高，以及重金屬污染等也會(huì)引起水體發(fā)臭。水中污染物沉積吸附在底泥中，當(dāng)污染物濃度達(dá)到一定量或者底泥受到擾動(dòng)時(shí)，沉積物再懸浮會(huì)重新釋放污染物到水體中，造成二次污染。

底泥修復(fù)處理技術(shù)中，異位修復(fù)(疏竣)是通過挖掘表層受到污染的底泥以達(dá)到減少底泥污染物釋放的技術(shù)措施[2]。雖然能有效減少污染物量，但具有費(fèi)用高、生態(tài)破壞、二次污染與工程量大等缺點(diǎn)[3]，因此，治理底泥污染多采用原位修復(fù)技術(shù)。底泥原位修復(fù)技術(shù)可分為物理、化學(xué)、生物三大類。

1.1 物理修復(fù)

物理修復(fù)包括截污，引水，覆蓋，曝氣等技術(shù)[4]。截污是水體污染治理的基本方法，通過截?cái)辔廴疚飦碓磳?shí)現(xiàn)減少水體污染的目的。引水是引入水質(zhì)較好的水沖刷污染的底泥并排出污染水體進(jìn)行處理的方法，通過這種方法能夠有效增加水的流動(dòng)性，從而降低水體污染濃度和提高溶解氧含量，但耗水量較高，具有季節(jié)局限性，因此未能廣泛應(yīng)用。覆蓋技術(shù)是指將潔凈的底泥、砂礫、磚石等材料覆蓋在原有河道底泥上，從而控制底泥污染物向水體釋放的一種底泥修復(fù)技術(shù)，雖然修復(fù)效果較好，但會(huì)影響原生態(tài)環(huán)境，縮小水體容量，且不能從根本解決底泥污染。曝氣技術(shù)就是向污染底泥中通入空氣或氧氣，增加溶解氧，改善缺氧環(huán)境，提高生物降解凈化能力，從而減少底泥水體污染的方法，該技術(shù)可有效修復(fù)污染底泥，改善水生態(tài)環(huán)境。

此外，還有國內(nèi)近些年新興的技術(shù)——原位洗脫技術(shù)，其原理是用設(shè)備對(duì)表層底泥進(jìn)行機(jī)械攪動(dòng)或曝氣攪動(dòng)，然后用水泵抽走釋放入水體的污染物，經(jīng)攪動(dòng)翻洗后的泥沙重新在上表面形成新覆蓋層。經(jīng)工程應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能有效抑制氮磷等物質(zhì)的釋放，在修復(fù)底泥中取得了良好的效果[5]。

1.2 化學(xué)修復(fù)

原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)是指投加化學(xué)試劑到污染底泥中，改變水體氧化還原電位、pH值等，以減緩污染物釋放，使底泥固化或無害化的措施。常用的化學(xué)試劑包含鋁鹽、硝酸鈣、氯化鐵、高錳酸鉀、過氧化氫等。但直接向底泥中添加化學(xué)試劑會(huì)帶來環(huán)境副作用，因此，化學(xué)修復(fù)在原位修復(fù)技術(shù)中應(yīng)用潛力有限。

1.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)技術(shù)即是利用微生物降解或植物凈化等方式來降低底泥污染程度。底泥生物修復(fù)技術(shù)包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)等。生物修復(fù)具有環(huán)境影響小，處理效果好，投資少等特點(diǎn)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于河道底泥處理中。

2 河道底泥原位生物修復(fù)技術(shù)

底泥中復(fù)雜的環(huán)境會(huì)限制原位生物或介質(zhì)的有效性，而當(dāng)環(huán)境得到改善時(shí)生物轉(zhuǎn)化過程會(huì)得到加強(qiáng)，有效性就會(huì)增高。底泥生物修復(fù)技術(shù)主要包括兩種類型，一類是通過修復(fù)底泥環(huán)境，促進(jìn)生物對(duì)污染物的降解，也叫生物促生技術(shù)；另一類是投加微生物菌劑或引入植物來削減底泥污染。

2.1 生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)主要是通過技術(shù)篩選和馴化針對(duì)污染物的高效微生物菌種(或土著微生物)，投加到污染底泥中，利用微生物的生命代謝作用對(duì)污染物進(jìn)行分解、轉(zhuǎn)化與降解，以削減底泥中污染物濃度，改善河道生態(tài)環(huán)境。比如枯草芽孢桿菌，基因工程菌等。微生物在好氧環(huán)境下可以徹底將有機(jī)污染物降解為CO2、NO3-、H2O等無機(jī)物。同時(shí)，能將重金屬轉(zhuǎn)化為惰性狀態(tài)并固定在底泥中，減少其遷移與釋放。

為了防止細(xì)菌丟失，并增強(qiáng)其降解能力，微生物也可以固定在各種載體上，如活性炭、醋酸纖維素膜等。Qing Wang[6]等人研制了一種以聚砜/顆?；钚蕴?PS/GAC)復(fù)合膜為載體固定微生物的新型生物活性覆蓋層，用于沉積物中硝基苯的修復(fù)，通過掃描電鏡觀察到所有膜的頂層為致密層，底層多孔，這種結(jié)構(gòu)可阻斷硝基苯從沉積物向水中的轉(zhuǎn)移，并提高硝基苯的降解率。

2.2 植物修復(fù)技術(shù)

通過向底泥中引入具有凈化功能的高耐受性植物(如挺水植物、沉水植物、親水植物等)或藻類，可以通過根莖上附著的微生物分解、轉(zhuǎn)換氮磷等物質(zhì)，抑制底泥污染物懸浮再釋放，也能在吸附污染物后通過收割植物來削減污染物。同時(shí)，植物的栽種能增加河道底泥與水體中溶解氧含量，提高生物多樣性，為微生物降解污染物提供適宜的環(huán)境。據(jù)報(bào)道，沉水植物能顯著去除并抑制底泥氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，是控制水體內(nèi)源污染的有效措施[7]。黃菖蒲和再力花對(duì)重金屬(Cd與Pb)有較強(qiáng)的吸收能力，且能固定重金屬避免其產(chǎn)生遷移引起更多的危害[8]。

2.3 生物促生技術(shù)

生物促生技術(shù)是指向底泥中添加一些制劑(如生物復(fù)合酶、共代謝底物、營養(yǎng)劑、電子受體等)以修復(fù)底泥，改善微生物生存繁殖條件，促進(jìn)微生物降解底泥污染物。

生物復(fù)合酶是由多種生物酶、表面活性劑與營養(yǎng)物等合成的制劑，它能刺激和促進(jìn)微生物分解污染物的反應(yīng)，增強(qiáng)水體復(fù)氧能力，提高微生物活性與多樣性，也能催化一些氧化反應(yīng)，改善水體黑臭現(xiàn)象[9]。生物復(fù)合酶應(yīng)用范圍廣，既能適用于好氧環(huán)境，也能適用于厭氧環(huán)境，且對(duì)生態(tài)環(huán)境具有無害性，在河道底泥修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

共代謝作用是指從外界提供另外一種基質(zhì)作為碳源或能源，以增強(qiáng)微生物酶活性，降解同一介質(zhì)中有機(jī)污染物的作用。具有共代謝功能的微生物有芽孢桿菌、黑曲霉、黃色桿菌、青霉、諾卡氏菌、弧菌等[10]。對(duì)于有抗酶分解性質(zhì)的有機(jī)物可以采取共代謝作用來進(jìn)行底泥污染物的降解。

此外，向底泥中添加吸附材料的修復(fù)技術(shù)成為國內(nèi)外近年的研究熱點(diǎn)。將吸附劑應(yīng)用于河道底泥原位修復(fù)，可以利用其本身的強(qiáng)吸附性來減少底泥中污染物含量，降低生物利用度；可作為覆蓋材料，限制污染物的釋出重新進(jìn)入水體。一些具有多孔結(jié)構(gòu)的吸附劑在底泥中能作為微生物固定化載體，改善底泥孔隙結(jié)構(gòu)，使微生物更加豐富和多樣化。常用的修復(fù)劑有碳質(zhì)材料如活性炭、改性膨潤土、天然沸石等。其中活性炭具有很強(qiáng)的吸附性能，比有機(jī)碳的吸附力強(qiáng)100倍以上，在吸收多環(huán)芳烴PAHs、多氯聯(lián)苯PCBs、金屬等物質(zhì)時(shí)，能降低其生物可利用性。活性炭修復(fù)技術(shù)的處理效果隨沉積物污染率、活性炭用量與所考慮生物模型目標(biāo)的不同而不同。林舒康[11]用沸石和活性炭作為微生物載體，投加到底泥中進(jìn)行修復(fù)試驗(yàn)，上覆水中COD、氨氮、總氮、有機(jī)質(zhì)等污染物濃度顯著下降，水質(zhì)明顯改善。周巖梅等[12]向底泥中投加生物質(zhì)活性炭，發(fā)現(xiàn)能有效降低底泥孔隙水中有機(jī)污染物(PAHs、PAEs與苯系物)的含量，降低率達(dá)93.2%以上，其中對(duì)PAHs的修復(fù)效果最好。

近年來納米技術(shù)為去除環(huán)境污染物開辟了新的途徑。納米級(jí)零價(jià)鐵(nZVI)是應(yīng)用最廣泛的納米顆粒修復(fù)劑，可將一些有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為毒性小的副產(chǎn)物，在去除污染物方面很有效。但其缺乏穩(wěn)定性，難以從被提純的介質(zhì)中提取出來，且成本較高，相關(guān)研究也較少，僅限于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究。Tomasevic Pilipovic[13]選擇高嶺石、膨潤土和羧甲基纖維素負(fù)載nZVI原位修復(fù)河道底泥，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明對(duì)重金屬(Ni，Xn，Pb)去除率高達(dá)80%，nZVI的存在顯著增加了高嶺土等的表面積。

微生物電化學(xué)技術(shù)依賴于微生物直接或間接地使用固體電極的能力，對(duì)于污染物的氧化/還原降解來說具有無盡的電子供體/受體來源，僅需要較低的維護(hù)。沉積物微生物燃料電池(SMFCs)在促進(jìn)沉積物中PAHs時(shí)非常有效。由于缺乏合適的電子受體，多環(huán)芳烴常作為污染物存在于缺氧底泥中。沉積物微生物燃料電池可作為電子受體來促進(jìn)芳烴污染物的降解[14]。

3 結(jié)語

近些年，在國家政策大力支持下，全國大部分黑臭水體的治理都取得了良好成效。隨著科研水平提高與經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，更希望尋求一些對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小且修復(fù)效果顯著的方法——原位底泥生物修復(fù)技術(shù)。將吸附劑應(yīng)用于底泥修復(fù)技術(shù)中，能改善底泥環(huán)境，促進(jìn)微生物對(duì)污染物的降解，吸附劑修復(fù)技術(shù)有望成為污染沉積物，特別是疏水性有機(jī)污染物的一種永久性和經(jīng)濟(jì)有效地解決方法。該方面研究大多集中于活性炭、改性沸石等吸附劑，其中鮮有文獻(xiàn)研究木質(zhì)素系吸附劑在底泥中的修復(fù)作用，及其對(duì)底泥中生物群落的影響。木質(zhì)素系吸附劑已有研究證實(shí)其在污染水體與土壤中能有效地降低污染物濃度。此外，吸附劑修復(fù)底泥技術(shù)的吸附與反應(yīng)能力是有限的，污染物并不能完全從底泥中去除，平流與擴(kuò)散造成的污染物過度滲透會(huì)使沉積物可能成為一種固定風(fēng)險(xiǎn)。因此，需重視修復(fù)后沉積物的生態(tài)毒理影響。