黑臭水體底泥污染評(píng)估及治理技術(shù)

王雪純，白波，胡娜，王洪倫

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001；3.青海省藏藥研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001)

近年來(lái)現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致流域水體加速黑臭惡化，嚴(yán)重影響人居環(huán)境健康。自國(guó)務(wù)院2015年發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以來(lái)，越發(fā)引起社會(huì)各界對(duì)黑臭水體治理的重視[1]。治理黑臭底泥是解決水體內(nèi)源污染的關(guān)鍵。本文概括了黑臭底泥的產(chǎn)生原因、形成機(jī)理；按照污染物類(lèi)型，系統(tǒng)歸納了氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、持久性有機(jī)污染底泥的常用評(píng)估方法；總結(jié)評(píng)述了三類(lèi)不同污染型底泥的原位、異位、物理、化學(xué)、生物等修復(fù)技術(shù)；提出了現(xiàn)階段所存在的瓶頸問(wèn)題；對(duì)現(xiàn)階段黑臭水體治理研究進(jìn)行討論展望，以期為綠色、可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)治理底泥提供理論參考。

1 底泥污染物

底泥中的主要污染物分為：氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、持久性有機(jī)污染物。通過(guò)大氣沉降、降水作用、廢水排放、農(nóng)田退水、灌溉施肥等方式，外界環(huán)境中的污染物進(jìn)入底泥，并在受到擾動(dòng)時(shí)向上覆水進(jìn)行釋放，造成水體二次污染[2]。

1.1 氮磷污染

圖1 底泥氮磷來(lái)源及水體循環(huán)示意圖

底泥中的磷主要來(lái)源于河流中顆粒態(tài)磷、礦物吸附溶解態(tài)磷、金屬氧化物或氫氧化物結(jié)合態(tài)磷及生物體有機(jī)磷。磷在底泥——水界面的遷移轉(zhuǎn)化受環(huán)境因子的影響[5]，以間隙水為媒介釋放向上覆水最終遷移至生物體中。鐵鹽、鈣鹽、鋁鹽和鑭系物等改性材料具有較好的除磷應(yīng)用前景[6]。

1.2 重金屬、持久性有機(jī)物污染

重金屬和持久性有機(jī)物是底泥污染的重要來(lái)源。重金屬隨地面沖淋入河流并沉積于底泥，不易被環(huán)境降解，對(duì)人體危害極大，表1是我國(guó)七大水系底泥重金屬污染現(xiàn)狀。而持久性有機(jī)污染物(POPs)，包括總石油烴(TPH)、多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)和有機(jī)氯農(nóng)藥等，具有毒性、生物蓄積性和遠(yuǎn)距離環(huán)境遷移性[7]。

表1 我國(guó)七大水系底泥重金屬含量(平均值)

2 底泥污染特性評(píng)估

科學(xué)開(kāi)展底泥污染物檢測(cè)，需要對(duì)污染底泥進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)綜合分析，查明底泥性質(zhì)及污染物類(lèi)型，結(jié)合不同評(píng)估方法全面了解底泥污染程度。

2.1 氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染底泥評(píng)估

對(duì)于氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽超標(biāo)的底泥，一般采用有機(jī)指數(shù)與有機(jī)氮指數(shù)法、污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)估。

2.1.1 有機(jī)指數(shù)與有機(jī)氮指數(shù)法 底泥環(huán)境狀況及受有機(jī)物的污染程度常用有機(jī)指數(shù)法(Org-index)判定；氮營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度常用有機(jī)氮指數(shù)法(Org-N)來(lái)衡量[15]。

Org-Index=Org-C(%)·Org-N(%)

(1)

式中，Org-C(%)=OM(%)/1.724、Org-N(%)=TN(%)×0.95，OM表示有機(jī)質(zhì)，TN表示總氮。

2.1.2 污染指數(shù)法 此法主要對(duì)底泥中TP污染狀況進(jìn)行評(píng)估，Pi計(jì)算公式為：

Pi=Ci/C0i

(2)

式中，Ci和C0i分別為底泥樣品中營(yíng)養(yǎng)物i的實(shí)測(cè)濃度及環(huán)境背景值，mg/kg。

2.2 重金屬污染底泥評(píng)估

目前，結(jié)合評(píng)估方法的側(cè)重點(diǎn)及適用范圍，重金屬污染底泥的評(píng)估方法有多種。

PLC技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要包括四個(gè)階段的內(nèi)容。通過(guò)利用PLC技術(shù)可以對(duì)機(jī)械電氣控制裝置進(jìn)行全面性的控制，保障設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。例如：機(jī)械控制設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了故障，利用PLC技術(shù)可以在第一時(shí)間將故障的主要原因診斷出來(lái)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，根據(jù)所規(guī)定的控制指令對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的故障進(jìn)行及時(shí)的解決，以此來(lái)保障設(shè)備運(yùn)行的安全性[2]。

2.2.1 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法(potential ecological risk index)

(3)

2.2.2 富集系數(shù)法(sediment enrichment factor)

KSFE=(Es/Als-Ea/Ala)/(Ea/Ala)

(4)

此法用來(lái)評(píng)價(jià)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)重金屬在底泥中富集程度的影響[17]，Es為沉積物中重金屬的含量；Als為沉積物中Al的含量；Ea為未受污染沉積物中重金屬的含量；Ala為未受污染沉積物中Al的含量(Al為遷移過(guò)程中的惰性元素)。富集系數(shù)越大，沉積物被重金屬污染程度越高。

2.2.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)法(Nemerow composite pollution index)

(5)

此法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)法計(jì)算的最常用方法之一。其中Pz是重金屬的綜合污染指數(shù)；Max是最大濃度值，i是重金屬類(lèi)別；Ci是重金屬的測(cè)試值；Si是背景值；n是評(píng)估的種類(lèi)總數(shù)。

PLI對(duì)重金屬元素進(jìn)行定量評(píng)估，對(duì)污染程度進(jìn)行分級(jí)，量化該元素的環(huán)境污染貢獻(xiàn)程度。污染因子(CF)的計(jì)算公式：CF=Ci/Cbi，式中Ci和Cbi分別為樣品中金屬i的實(shí)測(cè)含量和背景值[18]。不同CF值對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)和污染程度不同。

(6)

2.2.5 地質(zhì)累積指數(shù)法(index of geoaccumulation)

又稱(chēng)Muller指數(shù)，該指數(shù)將自然地質(zhì)過(guò)程造成的背景值和人為活動(dòng)的影響均納入考慮范圍內(nèi)，可直觀反映人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響程度。

(7)

式中，Igeo為地質(zhì)累計(jì)指數(shù)；Cn和Bn分別為元素n在沉積物中的實(shí)測(cè)值和環(huán)境背景值，mg/kg；(系數(shù)K取1.5)污染程度由弱到強(qiáng)分為7個(gè)級(jí)別[19]。

2.3 持久性有機(jī)物污染底泥評(píng)估

底泥中持久性有機(jī)物評(píng)價(jià)目前的研究方法共有10余種，MacDonald等運(yùn)用一致性基準(zhǔn)(CBSQGs)獲取了包含PCBs、PAHs等28種致污物的一致性基準(zhǔn)[20]。該原理常用來(lái)應(yīng)用于近海沉積物的環(huán)境質(zhì)量評(píng)估，包括了閾值效應(yīng)濃度(TEC)與可能效應(yīng)濃度(PEC)，通過(guò)兩者大小來(lái)預(yù)測(cè)有害生物效應(yīng)發(fā)生的可能性[21]。表2對(duì)不同的底泥評(píng)價(jià)方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并將我國(guó)部分水體底泥中的評(píng)價(jià)方法應(yīng)用實(shí)際進(jìn)行舉例。

表2 不同底泥評(píng)價(jià)方法之間的比較

3 底泥污染修復(fù)技術(shù)

從污染源控制原理角度出發(fā)，底泥污染修復(fù)技術(shù)可分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)；按底泥處理方式可分為原位修復(fù)和異位修復(fù)；以下按照污染物性質(zhì)歸納了氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、持久性有機(jī)物三類(lèi)不同污染型底泥的修復(fù)方法。

3.1 氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染底泥修復(fù)

對(duì)于底泥中富含的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽，其處理方法主要包括人工濕地、底泥覆蓋、投加化學(xué)試劑鈍化、微生物降解及人工曝氣等。人工濕地是將自然環(huán)境中濕地對(duì)水質(zhì)的改善性能通過(guò)構(gòu)建含沙石底質(zhì)進(jìn)行模擬修復(fù)。Mohana 等對(duì)水力、化學(xué)、生物及土木等工程原理進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)出底泥覆蓋生態(tài)系統(tǒng)[32]。目前的原位覆蓋技術(shù)常結(jié)合化學(xué)或生物技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)。如沸石由于具有天然架狀多孔結(jié)構(gòu)常用來(lái)作吸附氨氮的覆蓋材料，并通過(guò)加以化學(xué)試劑或進(jìn)行微生物掛膜來(lái)增強(qiáng)氨氮吸附性能；許多含鑭(La)、鋁(Al)和鐵(Fe)的膨潤(rùn)土鎖磷材料是抑制沉積物中磷釋放的有效途徑。鎖磷材料和氮粘合劑的組合可以鈍化沉積物中的氮磷活性，控制其向上層水體的釋放[33]。Yin等使用由NaCl改性的斜方沸石材料作為原位修復(fù)工程材料，輔以間接曝氣，將上覆水氮磷濃度有效控制在較低范圍，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)生活在底泥-水界面的管狀寡毛綱水生蠕蟲(chóng)可在底泥垂向上構(gòu)建廊道以促進(jìn)泥水界面溶質(zhì)交換，提高底泥對(duì)氮磷的截留能力[34]。

3.2 重金屬污染底泥修復(fù)

重金屬的毒性作用時(shí)間長(zhǎng)且難以從環(huán)境中消除，某些金屬的毒性大小也與其存在形式緊密相關(guān)。因此，通過(guò)影響重金屬的物化性質(zhì)來(lái)降低或消除其在底泥環(huán)境中的毒性是目前的技術(shù)關(guān)鍵。

重金屬污染底泥的物理修復(fù)方式包括直接取出和間接消除兩種。前者主要為疏浚、清淤，后者主要為填沙或固化掩蔽等?；瘜W(xué)修復(fù)技術(shù)通過(guò)投入大量藥劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，表3羅列了常用的重金屬污染底泥化學(xué)修復(fù)方法。化學(xué)處理法通常反應(yīng)時(shí)間短且效果顯著，但成本較高，并會(huì)產(chǎn)生二次污染。與前兩者相比，生物修復(fù)具有原位修復(fù)、成本低、環(huán)境友好、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)，是目前最具發(fā)展前景的重金屬修復(fù)方法，主要原理是通過(guò)動(dòng)植物或微生物的生命活動(dòng)對(duì)底泥重金屬進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化[35]。植物修復(fù)包括植物穩(wěn)定、植物刺激、植物轉(zhuǎn)化、植物過(guò)濾、植物揮發(fā)等。其中植物穩(wěn)定是最有效的植物修復(fù)技術(shù)，物種的吸收潛力主要取決于植物組織中的重金屬濃度和植物生物量，吸收和積累能力與其生長(zhǎng)型有關(guān)，一般認(rèn)為：沉水植物>浮葉植物>挺水植物[36]；有研究者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)高蓄積植物雖顯示出很高的重金屬蓄積潛力，但其生物生產(chǎn)率卻較低，而毛竹等植物不僅具有高耐受和有效吸收重金屬的能力，且生長(zhǎng)快速、總生物產(chǎn)率高，可作為理想的新型重金屬修復(fù)植物[37]。

表3 重金屬污染底泥化學(xué)修復(fù)[38]

3.3 持久性有機(jī)污染底泥修復(fù)

POPs等在生物圈中積累并通過(guò)食物網(wǎng)轉(zhuǎn)移，對(duì)生物體和人類(lèi)構(gòu)成潛在威脅，最終經(jīng)遷移轉(zhuǎn)化沉積于土壤以及水體沉積相。有機(jī)污染底泥的物理處理法主要包括活性炭吸附、生物修復(fù)法、常需多種厭氧微生物協(xié)作完成。表4對(duì)不同類(lèi)型的高級(jí)氧化法進(jìn)行歸納，相對(duì)而言，化學(xué)氧化法處理更加高效快速、反應(yīng)徹底。

表4 高級(jí)氧化法處理有機(jī)污染型底泥[39]

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)黑臭水體底泥的形成機(jī)理和污染物特性進(jìn)行評(píng)述，重點(diǎn)論述了底泥評(píng)估方法及治理技術(shù)，認(rèn)識(shí)到建立全面的底泥評(píng)估體系、開(kāi)展針對(duì)性的治理對(duì)策是當(dāng)前研究的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，未來(lái)研究可深入考慮如下幾個(gè)方面：①識(shí)別不同污染源類(lèi)型、明確不同地區(qū)黑臭底泥的形成機(jī)理及污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程；②完善底泥評(píng)估方法，建立系統(tǒng)全面的評(píng)價(jià)體系以明確污染程度；③在治理修復(fù)技術(shù)方面，現(xiàn)階段底泥中氮磷污染物的修復(fù)主要以脫氮除磷材料原位覆蓋技術(shù)為主、重金屬污染物可通過(guò)生物技術(shù)修復(fù)，持久性有機(jī)污染底泥則通過(guò)高級(jí)氧化法進(jìn)行處理；④對(duì)于底泥中復(fù)合污染問(wèn)題，應(yīng)協(xié)同發(fā)揮各技術(shù)優(yōu)勢(shì)，多措并舉聯(lián)合修復(fù)。