原位生物技術對城市重污染河道底泥的治理效果

柳 敏，王如松，*，蔣 瑩，王金輝，黃錦樓

(1.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085;2.揚州市涵閘河道管理處，揚州 225000)

平原河網城市的河流眾多，水流緩慢，使得可沉降物質沉積在河底，容易形成較厚的淤泥層。底泥在自然或人工擾動下的污染釋放已經成為威脅水體水質安全的重要污染源之一［1-4］，也是城市水污染治理中的重要方面之一。

目前的底泥原位處理生物技術主要有人工曝氣促進底泥氧化、底泥封閉、覆蓋等［5］幾大類。與底泥的易位處理技術相比，底泥的原位生物修復技術有著成本相對較低，同時能減少疏浚帶來的環境干擾等優點。但從研究成果來看，底泥原位處理技術在國外被運用來控制底泥污染釋放的工程很多［6-10］，近年來在我國底泥污染治理的研究和應用中也逐漸得到重視［11-14］，但在技術實踐應用的開發上，眾多技術成熟且在水污染處理中被廣泛應用，同時也具有底泥污染治理潛力的原位控制技術如生物浮床［16］、原位生物接觸氧化技術［17］等主要是集中關注它們對水質污染的去除，對底泥污染治理的研究甚少涉及。為探索城市河道底泥污染釋放治理的新途徑，本研究將在水污染處理中具有良好應用的原位生態處理技術，如人工曝氣技術、生態凈水磚技術、生物填料技術和植物浮床技術在應用上進行改進后，用于城市河道的底泥治理，研究這些原位處理技術對底泥污染釋放的影響，嘗試為河道底泥污染的原位處理提供新的探索，以期能為實際工程應用提供科學依據和相關指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究的河段位于揚州市居民區，是典型的閘控內河，東端與閘控水系自然連接，西端與排澇河通過DN600mm暗管相連，并有閘門控制，實際河段長度1236m。由于長期的污水排放，河底沉積了高污染底泥，平均厚度達到20cm以上，使河道水體富營養化嚴重，水質屬劣Ⅴ類，夏季存在水體黑臭問題，影響沿河居住環境。

1.2 原位生態處理技術布置

配合正在實施的該河截污工程，本研究選取已布置的水污染治理工程技術(圖1):低位浮床技術(混種物種為黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、美人蕉)、轉刷曝氣技術、原位生物接觸氧化技術(聚乙烯空心球填料)和生態凈水磚技術(包埋固化了發酵大豆桿狀菌與多孔礦物顆粒)。其中，低位浮床是對傳統植物浮床在應用中的改進，把生物浮床的支撐裝置放置在水面以下，使植物根系接近底泥表層。

1.3 實驗樣品及測定指標

在2011年夏季(6月3日—7月22日之間)對工程運行期間的河道底泥的污染釋放特征進行了跟蹤測定。

1)取樣點 共設4個取樣點，分別設在人工曝氣技術處理區、生物填料技術處理區、生態凈水磚技術處理區和生物浮床區內;每個樣點取3個重復樣品，取樣周期為1周1次。

2)底泥樣品處理及測定指標 在實驗室采用厭氧培養的方法模擬底泥的厭氧釋放和對上覆水體的污染負荷。具體做法為:每個樣點的3個重復樣品采集后進行混合，取出一個混合樣品，靜置24h備用，在撇除表面積水后，將泥樣灌入到10L玻璃瓶底部，平均深度約8cm。用軟管將河流水沿瓶壁緩緩注入瓶中，盡量不沖擊底泥。將實驗瓶靜置24h使水澄清，將曝氣頭放入水中上半部分，開動氮氣瓶向水體沖入氮氣，驅趕水中溶解氧，直到溶解氧降為零，但不能攪動底泥。從實驗瓶取樣測定初始水質濃度，用橡膠塞蓋緊瓶口。向瓶口與橡膠塞相交的沿口處倒少許水，以阻止空氣從沿口處進入瓶內，保持實驗瓶中處于厭氧狀態，模擬實際河道底部溶解氧狀態。每隔4d揭開瓶蓋，取樣測定水質，共測定4次。

圖1 河道內的工程布置圖［17］Fig.1 Position of different treatments

樣品主要測試指標包括氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、CODMn。其中，主要考慮耗氧污染物(有機物、氨氮、還原物質)對水體溶解氧降低的影響力，用CODMn指標反應這類物質的總和。其中，CODMn采用GB11914—89《COD測定重鉻酸鹽法》，NH3-N采用 GB7479—87，TN采用 GB11894—89，TP采用國標GN1893—89。

表1 處理前底泥污染釋放速率Table 1 Release rate of pollutants of sediment

3)數據處理

底泥污染物釋放速率是指單位面積底泥表面在單位時間內的釋放的污染物量(mg·m－2·d－1)。由實驗數據計算出底泥釋放速率為:

式中，SCi為第i個時段內底泥污染釋放速率(mg·m－2·d－1);Ci－1為第i個時段初期污染物濃度(mg/L);Ci為第i個時段末期污染物濃度(mg/L);C0為置換的無氧蒸餾水中污染物濃度(mg/L);V為實驗瓶中水體積(L);ΔV為實驗瓶中置換的無氧蒸餾水體積(L);△T為第i個時段的時長(d);A為實驗瓶斷面積(m2)。

實驗數據收集后采用excel2003進行不同處理間及處理前后底泥污染釋放對上覆水污染負荷貢獻量的去除率，去除率計算表述如下:

式中，φ為去除率;TSCi為T處理措施運行中的底泥污染釋放速率;T'SCi為T處理措施運行后的底泥污染釋放速率。

2 結果分析

2.1 對底泥氮釋放的凈化效果

2.1.1 氨氮

底泥中氨氮的釋放速率經不同原位生物處理后，下降50.3%—89.64%，平均為59.27%。人工曝氣技術處理區、生物填料處理區、生態磚處理區和低位浮床處理區的底泥在工程運行中的釋放速率分別為114.8、78.4、63.46和39.51 mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為11.89、42.51、30.78和19.63 mg·m－2·d－1。研究發現，在工程運行中，人工曝氣區底泥氨氮的釋放速率明顯高于生物填料區、生態磚區和低位浮床區;但在工程運行后，人工曝氣區底泥氨氮的釋放速率卻明顯低于生物填料區、生態磚區和低位浮床區，可能是因為在工程運行過程中人工曝氣對底泥的擾動比較大，造成水體的豎向混合，加速了底泥的釋放。

底泥污染釋放對上覆水氨氮負荷貢獻量的去除率為36.59%—82.67%，平均為53.33%。在工程運行期間，底泥對上覆水質氨氮負荷在人工曝氣技術處理區、生物填料處理區、生態磚處理區和低位浮床區的底泥在工程運行中的負荷分別為0.15、0.085、0.041和0.026mg·L－1·m－2·d－1;在工程運行后的負荷分別為0.026、0.041、0.026和0.015mg·L－1·m－2·d－1。

由于人工曝氣技術對底泥的擾動比其他技術大，在工程運行期，人工曝氣區中底泥對上覆水中氨氮的污染負荷仍然顯著高于其他處理技術，但工程運行后人工曝氣區的底泥對上覆水的氨氮負荷卻小于其他處理技術區，說明人工曝氣處理對底泥中氨氮污染的去除效果高于其他處理技術。

圖2 工程運行中和運行后，底泥中氨氮釋放速率Fig.2 NH3-N release rate of sediment during and after treatments

圖3 工程運行中和運行后，底泥上覆水中氨氮負荷Fig.3 NH3-Nload rate of overlying water during and after treatments

2.1.2 總氮

底泥中總氮的釋放速率經不同原位生物處理后，下降20.96%—88.94%，平均為42.32%。人工曝氣技術處理區、生物填料處理區、生態磚處理區和低位浮床區的底泥在工程運行中的釋放速率分別為147.21、83.53、71.35和42.20 mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為16.28、66.02、46.72和31.71mg·m－2·d－1。與底泥中總氮的污染釋放規律相似，由于工程運行過程中人工曝氣對底泥的擾動比較大，加速了底泥總氮的釋放。因此，在工程運行中人工曝氣區底泥總氮的釋放速率明顯高于生物填料區、生態磚區和低位浮床區;但在工程運行后，人工曝氣區底泥總氮的釋放速率卻明顯低于其他技術處理區。

底泥總氮釋放對上覆水污染的污染負荷貢獻量的去除率為38.00%—67.06%，平均為54.96%。由于各處理技術對底泥的擾動程度不同，在工程運行中，人工曝氣區的底泥總氮釋放對上覆水體的總氮負荷大于其他技術處理區。

2.2 對底泥總磷釋放的凈化效果

圖4 工程運行中和運行后，底泥中總氮釋放速率Fig.4 TN release rate of sediments during and after treatments

圖5 工程運行中和運行后，底泥上覆水中總氮負荷Fig.5 TN load rate of overlying water during and after treatments

底泥中總磷的釋放速率經不同原位生物處理后，下降27.49%—91.00%，平均為55.31%。人工曝氣技術處理區、生物填料處理區、生態磚處理區和低位浮床區的底泥在工程運行中的釋放速率分別為103.00、57.63、40.24和10.7mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為9.27、31.17、29.18和4.62mg·m－2·d－1。在各技術處理區，無論是工程運行中還是運行后，底泥中總磷的釋放速率最低的是低位浮床區，處理效果小于其他處理技術處理區。

底泥總磷釋放對上覆水總磷負荷貢獻量的去除率為67.14%—98.46%，平均為84.33%。在各技術處理區內，底泥對上覆水體總磷的負荷最小為低位浮床處理區，調研發現可能是因為植物的生長對底泥和水體中磷吸收的緣故。

圖6 工程運行中和運行后，底泥中總磷釋放速率Fig.6 TP release rate of sediment during and after treatments

圖7 工程運行中和運行后，底泥上覆水中總磷負荷Fig.7 TP load rate of overlying water during and after treatments

2.3 對底泥耗氧污染物(CODMn)釋放的凈化效果

底泥中CODMn的釋放速率經不同原位生物處理后，下降11.84%—79.32%，平均為41.16%。人工曝氣技術處理區、生物填料處理區、生態磚處理區和低位浮床區的底泥在工程運行中的釋放速率分別為378.95、153.82、88.88和78.36mg·m－2·d－1;在工程處理后期的釋放速率分別為78.36、88.88、78.36和53.87mg·m－2·d－1。研究發現，底泥中CODMn的釋放受擾動的影響較大，對底泥擾動較大的人工曝氣技術處理區工程運行前后的CODMn的釋放速度相差300.59 mg·m－2·d－1，變化最大。

底泥上覆水中CODMn的釋放速率經不同原位生物處理后，下降－1.25%—70.74%，平均為29.83%。技術處理區內，底泥對上覆水體總磷的負荷最小為低位浮床處理區，調研發現是因為低位浮床覆蓋下的水體受擾動最小，底泥表層的水體波動最小的緣故。在生態磚處理區，工程運行中的底泥上覆水體CODMn小于工程運行之后，可能是因為生態磚表面孔隙堵塞而造成底泥吸附不完全和底泥再懸浮造成的。

3 小結

圖8 工程運行中和運行后，底泥中CODMn釋放速率Fig.8 CODMn load rate of sediment during and after treatments

圖9 工程運行中和運行后，底泥上覆水中CODMn負荷Fig.9 CODMn load rate of overlying water during and after treatments

工程運行中和運行后存在凈化效果的階段性波動，以及不同處理技術之間對不同污染物的凈化效果存在較大差異，但總體處理效果顯示，人工曝氣處理技術、生物填料處理技術、生態磚處理技術和低位浮床處理技術對河道底泥的污染釋放速率及上覆水污染負荷均具有很好的凈化效果，對氨氮釋放速率平均降低59.2%，上覆水氨氮負荷貢獻量平均減少53.33%;對總氮的釋放速率平均降低42.32%，對上覆水總氮污染負荷貢獻量的去除率平均為54.96%;對總磷釋放速率平均降低55.31%，對上覆水總磷污染負荷貢獻量的平均去除率為84.33%;對CODMn的釋放速率平均降低41.16%，對上覆水污染負荷貢獻量的平均去除率為29.83%。

鑒于各技術在運行中的效果和相關影響，在原位生態處理技術的實際應用中應主要考慮各技術對底泥的擾動，在進行集成應用的時候，對底泥擾動較大的技術，如人工曝氣技術，應與對底泥擾動較小的技術，如低位浮床及或植被沉床技術，相間應用，以減少工程技術運行中對底泥擾動造成的污染爆發式釋放。

［1］He B G，Zhou N S，Yuan X M.On contribution of sediment to secondary pollution of river.Environmental Pollution and Control，1999，21(3):41-43.

［2］Yu G W，Lei H Y，Liu G L，Bai T，Liu K S，Chen R W.Research on the characteristics of sediment release in a heavily polluted tidal river and control technologies.Acta Scientiae Circumstantiae，2007，27(9):1476-148.

［3］Mao Y F，Zhu P L，Wu H M.Analysis on urban water environment.Journal of Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College，2009，21(1):65-67.

［4］Cao CJ，Chen Z L，Wang J，Huang M S，Qian CP，Liu L.Review of sediment ecological dredging in urban black-odors river treatment.Journal of East China Normal University:Natural Science，2011，1(1):32-42.

［5］Sun F，Zeng Y S，Chen J N.Assessment of techniques for sediment pollution control within eutrophic lakes.Techniques and Equipment For Environmental Pollution Control，2003，4(8):61-64.

［6］Murphy T P，Lawson A，Kmnagai M，Babin J.Review of emerging issues in sediment treatment.Aquatic Ecosystem Health and Management，1999，2(5):419-434.

［7］Renholds J.In Situ Treatment of Contaminated Sediments.Washington，D C:Technology status report prepared for the U.S.EPA Technology lnnovation office，1998:7-9.

［8］MarUke M A.Ferdinand-Van Vlerken.Chances for biological techniques in sediment remediation.Water Science and Technology，1998，37(6/7):345-353.

［9］Ao J.Reviews on development of release control techniques of contaminated sediment.Environmental Protection Science，2004，30(6):29-35.

［10］Chiang Y W，Santos R M，Ghyselbrecht K，Cappuyns V，Martens J A，Swennen R，Van Gerven T，Meesschaert B.Strategic selection of an optimal sorbent mixture for in-situ remediation of heavy metal contaminated sediments:framework and case study.Journal of Environmental Management，2012，105(30):1-11.

［11］Yu G W，Lei H Y，Bai T，Li Z，Yu Q，Song X Q.In-situ stabilisation followed by ex-situ composting for treatment and disposal of heavy metals polluted sediments.Journal of Environmental Sciences，2009，21(7):877-883.

［12］Liu X W，Xie D P，Li K M，Jin Z，Jiang D，Li M Y.Study on bioremediation technology of polluted sediments in urban river.Ecological Science，2011，30(6):630-635.

［13］Liu X W，Xie D P，Li K M，Jin Z，Jiang D，Li M Y.Research on the impact mechanism of different aeration level on biogeochemical cycling of nitrogen in sediments.Ecology and Environmental Sciences，2011，20(11):1713-1719.

［14］Zhu L Y，Zhang Z Z，Zhou Q X.Research progress of in situ capping materials for contaminated sediment remediation.Chinese Journal of Ecology，2008，27(4):645-651.

［15］Jiang Y W，Hu X L，Xu Z L，Liu H C.Study and demonstration on application of the Planted the in Floating Platform to restore water quality.Beijing Water Resources，2003，(6):20-22.

［16］Zhang H，Wen D H，Li L，Xie SG.Bypass demonstration work of the step-feeding biological contact oxidation process for river water purification.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2009，45(4):677-684.

［17］Wang JH，Cong H B，Liu M.Research on application of in-situ biological technology on water quality improvement in urban beheaded river.Journal of Hydroecology，2011，32(4):13-17.

參考文獻:

［1］賀寶根，周乃晟，袁宣民.底泥對河流的二次污染淺析.環境污染與防治，1999，21(3):41-43.

［2］余光偉，雷恒毅，劉廣立，白濤，劉康勝，陳若維.重污染感潮河道底泥釋放特征及其控制技術研究.環境科學學報，2007，27(9):1476-1483.

［3］毛益飛，朱培梁，吳紅梅.城市河道水環境現狀分析及改善措施探討.浙江水利水電專科學校學報，2009，21(1):65-67.

［4］曹承進，陳振樓，王軍，黃民生，錢嫦萍，柳林.城市黑臭河道底泥生態疏浚技術進展.華東師范大學學報;自然科學版，2011，1(1):32-42.

［5］孫傅，曾思育，陳吉寧.富營養化湖泊底泥污染控制技術評估.環境污染治理技術與設備，2003，4(8):61-64.

［9］敖靜.污染底泥釋放控制技術的研究進展.環境保護科學，2004，30(6):29-35.

［12］劉曉偉，謝丹平，李開明，金中，江棟，李明玉.城市河道底泥污染生物修復技術研究.生態科學，2011，30(6):630-635.

［13］劉曉偉，謝丹平，李開明，金中，江棟，李明玉.曝氣復氧對底泥氮素生物地球化學循環影響的作用機制研究.生態環境學報2011，20(11):1713-1719.

［14］祝凌燕，張子種，周啟星.受污染沉積物原位覆蓋材料研究進展.生態學雜志，2008，27(4):645-651.

［15］井艷文，胡秀琳，許志蘭，劉虎城.利用生物浮床技術進行水體修復研究與示范.北京水利，2003，(6):20-22.

［16］張輝，溫東輝，李璐，謝曙光.分段進水生物接觸氧化工藝凈化河道水質的旁路示范工程研究.北京大學學報:自然科學版，2009，45(4):677-684.

［17］王金輝，叢海兵，柳敏.原位生物處理技術在改善城市斷頭河水質研究.水生態學雜志，2011，32(4):13-17.