黑臭水體底泥內源污染治理技術對比及分析

張友德，田文鳳，何建軍，戴曹培

(安徽新宇生態(tài)產業(yè)股份有限公司，安徽 合肥 230000)

1 引言

隨著經濟和社會的快速發(fā)展，人民生活水平日益提高的同時，污染物量不斷增加。在未進行截污納管之前，大多數(shù)污染物匯聚至河道，超過水體負荷，導致水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。

據(jù)中國生態(tài)環(huán)境部2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報公布，截至2020年底，全國地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體消除比例達98.2%，黑臭水體治理取得顯著成效。而依據(jù)《水污染防治行動計劃》，到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體需總體得到消除。同時，《關于推進農村黑臭水體治理工作的指導意見》中提到，到2025年，形成一批可復制、可推廣的農村黑臭水體治理模式，加快推進農村黑臭水體治理工作；到2035年，基本消除我國農村黑臭水體。另，農村黑臭水體的數(shù)量也不容小覷，如安徽省農村黑臭水體共有15195條，總長度約6962 km[1]。因此，黑臭水體治理任務仍然迫切。

黑臭水體污染來源通常分為兩類即內源和外源：外源污染是指污染物質進入水體后造成的污染，如生活污水、地表徑流(含有機污染物)、工業(yè)廢水、農業(yè)面源污染等；內源污染主要是指進入水體的污染物質通過物理、化學和生物作用，逐漸沉降至底泥表層，當污染物質積累到一定量時，向上覆水中釋放，底泥由污染物的“匯”轉為“源”。在外源污染物得到有效控制后，底泥內源污染成為水體污染的重要來源。如有外源排入的局部湖灣和城市黑臭水體，底泥氮、磷的釋放通量一般在100和10 mg/(m2·d)左右[2，3]。在太湖底泥中蓄積著湖體約90%以上的污染物[4]。本文通過對底泥內源污染及治理技術分析，以期為黑臭水體底泥內源治理技術選擇和研究提供參考。

2 底泥內源污染

2.1 底泥內源污染治理必要性

底泥內源污染導致很多惡性問題發(fā)生，如生態(tài)系統(tǒng)功能及生物多樣性退化、藻類過度繁殖、水體惡臭、水生動植物死亡等[5，6]。在城市黑臭水體治理過程中，多地存在治理后水體出現(xiàn)返黑返臭現(xiàn)象。底泥內源污染是導致河道黑臭反復的主要因素。李永新等[7]在連續(xù)監(jiān)測南寧市二坑溪返黑返臭機制探索中發(fā)現(xiàn)，水體返黑返臭與內源污染物的微生物降解和外源輸入有關?！笆奈濉币?guī)劃中提出，要鞏固地級及以上城市黑臭水體治理成效。因此，底泥內源污染治理是黑臭水體治理工作中不可或缺的一環(huán)。

2.2 底泥污染組成及特征

底泥內源污染主要污染物為氮磷、有機質及重金屬。馮艷紅[8]在研究蘇南地區(qū)部分農村河道底泥污染特征中檢測出不同程度的有機污染物。楊盼等[9]研究巢湖南淝河河口底泥污染特征發(fā)現(xiàn)，巢湖南淝河入湖河口匯流灣區(qū)底泥總氮(TN)、總磷(TP)、有機質(OM)及重金屬存在不同程度污染，且主要集中在0～30 cm的底泥中，隨著底泥深度增加有逐漸降低的趨勢。

底泥粒徑大小差異會影響對污染物的結合強度以及釋放潛力。底泥粒徑從大到小可分為粗砂、細砂、粉粒和粘粒。魏嵐等[10]在研究廣東省不同水庫的底泥對氮磷釋放作用的影響時發(fā)現(xiàn)，底泥的機械組成會影響底泥中氮磷的賦存形態(tài)以及含量，影響底泥內源氮磷的釋放。底泥中污染物分布受底泥粒徑影響，進而影響其向上覆水釋放的潛力。由于底泥性質的差異修復技術實施產生效果不同。底泥按其生物活性從上到下可分為活化層、過渡層、穩(wěn)定層。活化層中污染物濃度高，內源釋放污染物的作用強烈。內源治理主要是解決活化層的污染問題。因此，底泥內源污染治理需結合底泥內源污染組成及特征綜合考慮，采取相應的治理技術及治理深度。

3 底泥內源污染治理技術

3.1 物理修復技術

3.1.1 疏浚技術

疏浚主要分為3種：排干疏浚、水下疏浚以及環(huán)保疏浚。排干疏浚是將水完全排空后再進行疏浚，其疏浚效果徹底，但對施工季節(jié)要求較高。水下疏浚是將疏浚機械安裝在可移動的作業(yè)船上[11]，利用疏浚工具清除污染底泥，并通過管道把清理的淤泥輸送到指定排放位置。環(huán)保疏浚是指以減少底泥內源負荷和污染風險為目標，用機械方式，將富含污染物的指定量上層沉積物進行精確、有效和安全清除的技術，并考慮為水生生物的恢復創(chuàng)造條件[12]。表1[13～17]對不同疏浚方式進行了對比。疏浚不僅要考慮采用什么樣的疏浚方式、工具及工藝，還要考慮污泥輸送、堆場設計、余水處理及污泥資源化處置等問題。

表1 疏浚方式對比

3.1.2 曝氣技術

曝氣技術是指人工向水體充入空氣、氧氣或臭氧，加速水體從厭氧、缺氧狀態(tài)迅速恢復到好氧狀態(tài)。曝氣的作用主要有3方面[18]：①提高水體或底泥溶解氧(DO)含量，抑制厭氧微生物分解和藻類的生長；②改善水體和底泥氧化還原環(huán)境；③增加水體擾動，促進底泥中氨氮向水體擴散，能促進底泥微生物數(shù)量和多樣性的增加。汪健華等[19]研究發(fā)現(xiàn)原位曝氣有利于對底泥內源氮、磷營養(yǎng)鹽的控釋，泥水界面硝化率與反硝化率分別達到46.3%和43.6%。曝氣設備、曝氣量、曝氣深度等條件可直接影響水體中DO濃度和缺氧微環(huán)境分布[20]，進而影響污染物的降解及去除。王美麗等[21]實驗表明，相比水體曝氣，底泥曝氣能更好地去除底泥中污染物，且底泥曝氣深度越深，處理效果越好。表2[22～24]對不同曝氣技術進行了類比。

表2 曝氣技術類比

3.1.3 底泥原位洗脫技術

3.1.4 原位覆蓋技術

3.2 化學修復技術

化學修復技術是將污染底泥與化學藥劑進行混合，捕獲底泥中的污染物或者通過化學藥劑與底泥中的污染物產生化學反應，減少底泥中污染物向水體的釋放[32]。根據(jù)其去除對象的不同分為營養(yǎng)鹽固定化制劑、重金屬固定化制劑、除藻劑等[33]。對于重金屬超標的底泥，可以采用鈍化處理技術。目前國際上常用的鈍化劑有鈣鹽、鐵鹽和鋁鹽。李欣等[34]研究表明，底泥中CaO2投加量為5 g/L時(以污泥體積計)，AVS可以降低72%以上，但會造成上覆水中COD和pH的升高，需要控制藥劑投量的同時與其他生物降解技術協(xié)同處理。楊華等[35]投加CaO2到城市黑臭河流中，發(fā)現(xiàn)CaO2雖可快速提高水體DO含量，但維持時間短僅為1 d，不適宜在開放流動的城市黑臭河流治理中使用。

3.3 生物修復技術

3.3.1 微生物修復技術

微生物修復技術是通過投加高效能的微生物菌劑，加速污染物的降解轉化，同時對水環(huán)境中土著微生物有一定的促生和加強作用[36]。投加微生物菌劑分為兩類：一是直接向受污染河道投加微生物菌劑或酶制劑；二是投加微生物促生劑，促進水體中土著微生物生長[37]。許崢等[38]分別采用不同種類的純生物菌劑(硝化細菌、反硝化細菌、光合細菌和芽孢桿菌)對黑臭水體底泥進行異位處理，結果表明，底泥中含水率、總氮和有機質含量都有不同程度的降低，投加量為35 mg/L的反硝化細菌試驗組總氮和有機質去除率分別達到59.90%和20.93%。微生物常是游離態(tài)和懸浮態(tài)，菌種易流失[39]。固定化微生物技術是運用化學或物理手段將游離性的微生物細胞、動植物細胞、細胞器或酶限制或定位在限定的空間范圍內，使其不易懸浮于水且保留其固有的生物活性，并能被重復和連續(xù)利用的現(xiàn)代生物工程技術[40]，可防止細菌丟失，并增強其降解能力。林舒康[41]將沸石固定化光合細菌(投加周期為7 d)以0.5 kg/m2強度均勻拋撒入試驗河道底泥中，150 d底泥有機質降解率最高達到26 %左右。

3.3.2 水生植物修復技術

水生植物修復技術是利用特定的水生植物對水體中的污染物質進行吸收、富集、降解、轉移的方法技術。沉水植物是水生環(huán)境的重要組成部分，與其他類別的水生植物相比，沉水植物可以同時對底泥和水體中的污染物進行去除，是水環(huán)境中重要的污染凈化體[42]。陶理等[43]研究4種典型沉水植物對去除鎘污染底泥的應用效果，除金魚藻外其他3種植物在較低含鎘污染底泥(Cd≤20 mg/kg)的鎘富集能力大小為：菹草≈黑藻>伊樂藻。李印霞等[44]研究表明，菹草對巢湖底泥TN和TP的去除率分別為72.12%和61.99%。

需要注意的是，光照是影響沉水植物生長的重要因子。合田健[45]曾提出光合作用與呼吸作用平衡的水層深度，即光補償深度，并提出光補償深度約為水體透明度的1.5倍，或光照強度約為表面光強1%處的水深。其可作為沉水植物能否生長的臨界指標。恢復沉水植物工程中，需考慮光照是否滿足沉水植物正常生長需求。

3.4 復合修復技術

實際水體污染及施工環(huán)境復雜，單一的處理技術去除效果或使用環(huán)境很難達到預期效果，可以集成或綜合處理技術，主要是物理、化學及生物技術之間的組合。楊長明等[46]研究發(fā)現(xiàn)，泥水界面納米微孔曝氣結合底泥原位覆蓋相較于單一處理，更有利于抑制城市重污染河道泥-水界面中磷的釋放風險。陳曦[47]在原位化學-物理-生物聯(lián)合修復技術組成的原位聯(lián)合修復技術控制底泥黑臭及氮磷釋放的研究中發(fā)現(xiàn)，過氧化鈣+沸石+金魚藻組對表層底泥AVS的去除率為98%。辛慧敏等[48]研究發(fā)現(xiàn)反硝化細菌、硝酸鈣和鋯改性沸石的組合處理技術(CN+DB+ZZ)可以有效地控制底泥中磷的釋放，有效降低底泥中氨氮的釋放速率，與CN和CN+ZZ技術相比還可降低上覆水的硝態(tài)氮二次污染風險。

3.5 治理技術對比及分析

表3對上述治理技術進行了對比分析。其中：物理技術較為成熟，但多數(shù)成本高，對季節(jié)和周邊環(huán)境要求高；化學技術存在二次污染風險；生物法低成本、無二次污染，但其實際治理效果及效率仍有待進一步研究，且需要與多種技術結合起來實施。

表3 治理技術對比

4 結語與展望

(1)底泥內源污染治理，應根據(jù)技術優(yōu)缺點及適用性，結合不同水體水文特征、底泥污染特征及程度、底泥資源化處置等來分析對于不同水體適用的治理技術及如何組合，做到精準治污、科學治污。

(2)底泥內源污染治理需朝著水生態(tài)修復的方向進行，治理后的水體要注重后續(xù)的維護和管理，要防止返黑返臭問題。

(3)底泥內源污染治理技術未來研究方向以生態(tài)修復技術研發(fā)為主，以物理或化學技術為輔，加快修復效率，徹底解決底泥內源污染問題。

黑臭水體水質的恢復(包括底泥治理)是初步工作，目的是生態(tài)修復，最終達到有山有水、有草有魚、人水和諧的生態(tài)目標。