河道底泥處理的研究

張蕭漢，劉文龍，劉琳，高如楓

河道底泥處理的研究

張蕭漢，劉文龍，劉琳，高如楓

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

河道底泥作為水體的重要組成部分，累積了大量的污染物，尤其是當(dāng)外源污染得到有效控制后，沉積在底泥中的氮、磷、重金屬等污染物會(huì)再次從底泥釋放到上覆水體中來(lái)，對(duì)水體造成嚴(yán)重的污染。因此，良好的底泥生態(tài)環(huán)境對(duì)于水環(huán)境污染控制具有重要意義。主要從底泥異位處理和原位處理兩大方面，列舉了一些底泥修復(fù)方式，并對(duì)未來(lái)的河道底泥處理提出了一些建議和展望。

底泥修復(fù)；原位處理；環(huán)保疏浚

河流是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，具有良好的景觀效果以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，是城市化建設(shè)中的一部分。但隨著城市化進(jìn)程的加快，大量的工業(yè)廢水和生活污水未得到有效的處理排入水體，對(duì)水生態(tài)環(huán)境以及周?chē)耐寥馈⒌叵滤斐蓢?yán)重污染，甚至?xí)绊懙街苓吘用竦娘嬘盟踩?。底泥作為水體的重要組成部分，累積了大量的污染物，尤其是當(dāng)外源污染得到有效控制后，沉積在底泥中的氮、磷、重金屬等污染物會(huì)再次從底泥釋放到上覆水體中來(lái)，對(duì)水體造成嚴(yán)重的污染。因此，良好的底泥生態(tài)環(huán)境對(duì)于水環(huán)境污染控制具有重要意義。

1 底泥異位處理技術(shù)

底泥異位處理技術(shù)主要指清淤和疏浚，通常是將受污染的底泥從河道中挖除，做固化填埋或是物理、化學(xué)、生物再處理。河道污染底泥處理技術(shù)對(duì)于污染過(guò)于嚴(yán)重的底泥，原位處理技術(shù)一般不能起到顯著的效果，修復(fù)難度較大[1]。傳統(tǒng)意義上的疏浚工程在實(shí)際應(yīng)用中工程量過(guò)大、成本高，而且對(duì)水體生態(tài)環(huán)境的破壞較為嚴(yán)重，容易造成二次污染。因此需要進(jìn)行環(huán)保疏浚工程，或者采取異位化學(xué)處理技術(shù)，對(duì)受污染的底泥疏浚后，采取無(wú)害化、資源化處理，現(xiàn)階段的底泥資源化處理方式主要有填埋堆肥、土地利用和建材利用等[2]，研究證實(shí)底泥中含有大量與建筑材料相似的黏土成分，可用于制作環(huán)保墻磚、陶粒以及水處理材料等，并已在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[3]。除此之外，根據(jù)底泥的不同理化性質(zhì)采取不同的資源化方案也成了近些年來(lái)的研究方向，蔡家璇等比較了不同工藝條件下污泥中蛋白質(zhì)的提取效果，結(jié)果表明鹽析沉淀法和等電點(diǎn)沉淀法可回收底泥中85%以上的蛋白質(zhì)，并提出將污泥提取蛋白質(zhì)用作動(dòng)物飼料添加劑和肥料是提取純化出的蛋白質(zhì)最有前景的應(yīng)用方式[4]。

環(huán)保疏浚不同于傳統(tǒng)意義上的工程疏浚，環(huán)保疏浚是指在保證環(huán)境效益的基礎(chǔ)上，最大程度地清除底泥污染物、避免二次污染的疏浚工程。因此，在進(jìn)行環(huán)保疏浚前，需要對(duì)底泥的性質(zhì)、受污染程度以及水文特征等進(jìn)行勘察，進(jìn)而確定疏浚范圍以及深度，制定相應(yīng)的疏浚方案。

異位化學(xué)處理技術(shù)是指在清淤和疏浚工程后，投加化學(xué)藥劑。多數(shù)化學(xué)藥劑在投加進(jìn)入水體后，可能會(huì)對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)造成影響，造成水生動(dòng)植物及微生物的大量死亡，造成二次污染，而且對(duì)于投加量的把控一般也較為嚴(yán)格，這使得異位化學(xué)處理技術(shù)的穩(wěn)定性和安全性更高。

2 底泥原位處理技術(shù)

2.1 物理法

物理法主要包括底泥覆蓋、曝氣、電動(dòng)力處理技術(shù)、底泥洗脫等。底泥的原位覆蓋技術(shù)是指在底泥的表面覆蓋一層有機(jī)質(zhì)材料，其中包括天然材料、改性黏土材料、活性覆蓋材料和土工材料等，通過(guò)吸附或阻隔的形式防止底泥中的污染物釋放到上覆水體。張華俊[5]等使用沸石分別與硝酸鈣和過(guò)氧化鈣混合的方式，探究其對(duì)底泥污染物釋放的抑制效果，結(jié)果表明各種組合對(duì)底泥污染物的釋放均有一定的抑制效果，但因后期覆蓋層被破壞以及吸附作用飽和后，抑制效果會(huì)減弱。底泥覆蓋的使用材料性狀一般比較穩(wěn)定，環(huán)境危害較小，但由于覆蓋材料的加入，會(huì)造成水體庫(kù)容減少，而且底泥中的污染物并未得到根本上的去除。溶解氧在水生態(tài)環(huán)境中是至關(guān)重要的，通常在受污染的河道中，通過(guò)曝氣復(fù)氧以提高水體自凈能力已經(jīng)成為了較為常用的手段。底泥曝氣初期會(huì)造成底泥再懸浮，使底泥中的污染物釋放到上覆水體中，水體透明度急劇下降，但底泥曝氣可以使水體內(nèi)部的溶解氧化環(huán)境發(fā)生變化，下方水體的厭氧壞境得到顯著改善，隨著水體溶解氧濃度逐漸升高，水體中的污染物濃度會(huì)快速下降。李大鵬[6]等通過(guò)對(duì)底泥進(jìn)行曝氣使水體中的溶解氧得到了恢復(fù)，并有效地抑制了底泥中有機(jī)物和磷的釋放。底泥的電動(dòng)力處理技術(shù)是指在污染底泥中施加電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下帶電荷金屬離子定向移動(dòng)，累積在電極附近，定期清理電極附近底泥即可降低目標(biāo)淤泥的重金屬含量。PEDERSEN[7]等采用優(yōu)化的隔室電滲析方法去除港口底泥中的Pb、Cu、Zn，去除率可達(dá)73%～96%。楊磊[8]等研究了不同電極板間電壓、化學(xué)增強(qiáng)劑種類(lèi)和電極材料對(duì)底泥含水率、重金屬Cd含量的影響，結(jié)果表明將陽(yáng)離子聚丙烯酰胺作為化學(xué)增強(qiáng)劑，多孔碳作為電極，施加極板間電壓30 V，在0.05 MPa的壓力下抽濾，5 h內(nèi)可使底泥含水率由75.00%降至34.17%，Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2.000 mg·kg-1下降至0.178 mg·kg-1，脫除率達(dá)到91%。電動(dòng)力學(xué)方法具有快速、高效、低廉、使用化學(xué)藥劑少、適用于原位修復(fù)等特點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。

底泥原位洗脫技術(shù)是近些年來(lái)在國(guó)內(nèi)興起的一項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)表層污染底泥進(jìn)行物理的機(jī)械或曝氣攪動(dòng)，從而使污染物質(zhì)進(jìn)入水相并將其用泵抽走作后續(xù)處理，同時(shí)攪動(dòng)沖洗過(guò)的清潔底泥，重新覆蓋形成新覆蓋層[9]，于2018年開(kāi)展的北京涼水河亦莊段現(xiàn)場(chǎng)洗脫工程就是該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的典型案例。該工程用底泥洗脫船作為水上移動(dòng)式底泥處理平臺(tái)，通過(guò)進(jìn)行洗脫、進(jìn)水、混凝、出水的流程對(duì)長(zhǎng)達(dá)5 km的河道進(jìn)行洗脫施工，在長(zhǎng)達(dá) 5個(gè)月的修復(fù)施工后，檢測(cè)點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)、TP、TN均得到了顯著的降低，水體環(huán)境得到了明顯的改善。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)法是指根據(jù)水體受污染的類(lèi)型不同以投加不同種類(lèi)的化學(xué)藥劑。常見(jiàn)的原位修復(fù)化學(xué)氧化劑有過(guò)氧化鈣、硝酸鈣、氫氧化鈣、過(guò)氧化氫、無(wú)機(jī)混凝劑及有機(jī)助凝劑等[10]。高錳酸鹽是一種氧化性不強(qiáng)的氧化劑，其半衰期較長(zhǎng)，因其反應(yīng)產(chǎn)生羥基的速率較慢，所以通常高錳酸鹽都可在水中與污染物接觸的時(shí)間較長(zhǎng)。過(guò)硫酸鹽氧化的最大優(yōu)勢(shì)在于其不會(huì)對(duì)微生物種群造成影響，適合與其他生物法聯(lián)用，但其反應(yīng)后產(chǎn)生大量的硫酸鹽，在去除污染物的同時(shí)也及易造成二次污染。采用過(guò)氧化氫和過(guò)氧化鈣進(jìn)行化學(xué)修復(fù)的原理有一定共性，二者都可以在酸性條件下，在二價(jià)鐵離子催化過(guò)程中釋放出大量羥基自由基，從而產(chǎn)生強(qiáng)氧化性，即類(lèi)芬頓反應(yīng)。相比之下，過(guò)氧化鈣是一種效果更好的H2O2源。過(guò)氧化氫的釋放效率與CaO2的溶解速率密切相關(guān)，且CaO2的溶解度較低，因此反應(yīng)時(shí)間一般較長(zhǎng)，有效地避免了H2O2在歧化反應(yīng)過(guò)程中的提前消耗，且不會(huì)產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)物。KAO[11]等最早提出將CaO2粉末制成混凝土顆粒，以避免釋氧材料的過(guò)早消耗（混凝劑、過(guò)氧化鈣、沙子、粉煤灰、氯化銨、磷酸鉀、水），釋氧周期長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月，成功用于地下水污染的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，但有效氧損失率高達(dá)17%以上。王英秀[12]等利用硬脂酸對(duì)過(guò)氧化鈣粉末進(jìn)行包埋，并添加少量聚乙二醇加強(qiáng)黏合，為水體提供了一種長(zhǎng)期高效的供氧源。但生石灰或過(guò)氧化鈣一類(lèi)的強(qiáng)堿性藥劑會(huì)使底泥的堿度大幅上升，水生植物尤其是沉水植物將無(wú)法成活[13]。在另一方面，過(guò)氧化鈣即便是兼具氧化性和釋氧性的底泥修復(fù)藥劑，但對(duì)底泥中氮的釋放并無(wú)明顯的抑制效果，針對(duì)黑臭底泥氮磷釋放的問(wèn)題，陳曦[14]在底泥上方鋪設(shè)化學(xué)氧化層、物理吸附層和植物吸收層3層材料，并探究其不同組成條件的修復(fù)效果，結(jié)果表明過(guò)氧化鈣+沸石+金魚(yú)藻的組合控制底泥氮磷釋放效率明顯優(yōu)于其他組合。

2.3 生物法

生物法主要是指水生植物的凈化作用以及微生物處理技術(shù)，原位生物修復(fù)河道底泥一般對(duì)于環(huán)境影響較小，處理效果好，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。植物修復(fù)是指向水中引入具有一定凈化效果的水生植物以及藻類(lèi)，沉水植物對(duì)于水中的氮磷有著較好的吸收效果，使用沉水植物凈化水體時(shí)，不會(huì)引入外來(lái)的污染物，除此之外還可以改善底泥中微生物的生活環(huán)境，增強(qiáng)微生物活性[15]。引入植物的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)氐乃w環(huán)境和氣候條件，因地制宜。水生植物通過(guò)根系的吸收及微生物分解等，將水中的氮磷等污染物轉(zhuǎn)化為用于自身生長(zhǎng)發(fā)育所用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)植物也可以在光合作用下增加水體中的溶解氧，提供良好的水體環(huán)境，增強(qiáng)水體的自凈能力。研究發(fā)現(xiàn)，黃菖蒲和再力花對(duì)重金屬Cd和Pb有著較強(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。相比之下，微生物處理技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，底泥微生物修復(fù)技術(shù)主要包括兩種類(lèi)型：一類(lèi)是通過(guò)修復(fù)底泥環(huán)境，促進(jìn)微生物對(duì)污染物的降解，也叫生物促生技術(shù)；另一類(lèi)是投加微生物菌劑來(lái)削減底泥污染[16]。生物強(qiáng)化技術(shù)是指通過(guò)向傳統(tǒng)的生物處理系統(tǒng)中添加具有一定功能的微生物，增加微生物的總濃度，從而提高降解速度和對(duì)污染物的去除率[17]。生物法處理含油污泥是通過(guò)培養(yǎng)、馴化能夠降解底泥中污染物的優(yōu)勢(shì)菌種，將其投加到底泥中，或改變污水的水體環(huán)境，針對(duì)特定的污染物來(lái)創(chuàng)造適宜微生物生長(zhǎng)的條件，在好氧條件下底泥中的有機(jī)污染物被微生物降解成CO2、H2O等無(wú)機(jī)物，或者將游離態(tài)的重金屬離子轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)固定在底泥中使其不易向上覆水體中釋放[18]。陳志強(qiáng)[19]等的研究表明，在傳統(tǒng)污水凈化處理的基礎(chǔ)上，采用微生物強(qiáng)化技術(shù)，會(huì)使微生物具有較高的代謝效率，能有效去除黑臭水體中的氮磷元素。

除了傳統(tǒng)意義上的植物修復(fù)或微生物修復(fù)之外，人工濕地、生態(tài)浮島、生態(tài)護(hù)坡等環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。劉建林[20]等的研究發(fā)現(xiàn)，微納米曝氣結(jié)合生物膜技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)黑臭底泥的原位消減，并顯著改善水質(zhì)指標(biāo)。WANG[21]等通過(guò)改良膨潤(rùn)土顆粒吸附與枯草根系吸收的協(xié)同作用有效去除了西湖底泥中各類(lèi)形態(tài)的磷。徐熊鯤[22]等的研究表明，投加土著微生物功能菌并結(jié)合底泥曝氣能夠明顯改善上覆水水質(zhì)，加快底泥的修復(fù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段河道底泥修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用中，尤其對(duì)于污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，清淤仍然是最直接應(yīng)用最廣泛的修復(fù)手段。采取環(huán)保疏浚并配合后期的生態(tài)修復(fù)工程，可有效地避免大規(guī)模清淤之后的二次污染。對(duì)于疏浚后的淤泥處置應(yīng)分類(lèi)進(jìn)行，對(duì)不同污染類(lèi)型的淤泥采取不同的穩(wěn)定化、資源化處理方式。在針對(duì)水流流速較慢的河流或湖庫(kù)的底泥修復(fù)時(shí)，更適合采用原位修復(fù)，例如生物淋濾、曝氣生態(tài)浮島等物理化學(xué)生物法相互結(jié)合的新型處理方法成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，但這其中大多仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮不同的水體條件、地質(zhì)條件以及工程成本，針對(duì)不同污染類(lèi)型污染程度的底泥以匹配不同的處理方式。

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Brief Introduction of Research on River Sediment Treatment

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（School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Rivers are an important part of the ecosystem, with good landscape effects and practical application value, and are part of the urbanization construction. However, with the acceleration of urbanization, a large amount of industrial wastewater and domestic sewage have not been effectively treated and discharged into water bodies, causing serious pollution to the aquatic ecological environment, surrounding soil and groundwater, and even affecting the drinking water safety of surrounding residents. As an important part of the water body, sediments accumulate a large number of pollutants, especially when the external source pollution is effectively controlled, the nitrogen, phosphorus, heavy metals and other pollutants deposited in the sediments will be released from the sediments to the upper surface again to cause serious pollution to the water body. Therefore, a good sediment ecological environment is of great significance to the control of water environment pollution. In this article, ex-situ treatment and in-situ treatment of sediments were introduced, some sediment repair methods were discuused, and some suggestions and prospects for the future river sediment processing were put forward.

Sediment restoration; In-situ treatment; Environmental protection dredging

2021-03-19

張蕭漢（1997-），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，碩士研究生，2019年畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué)給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：黑臭水體治理技術(shù)。

X52

A

1004-0935（2021）10-1511-04