底泥修復與好氧堆肥化處理的研究進展

劉立

摘 要：該文總結了污染底泥原位修復的主要技術，即物理修復技術（原位覆蓋、電動力學修復）、化學修復技術和生物修復技術（微生物燃料電池技術、微生物修復技術、植物修復技術），以期為今后有關底泥修復與處理處置提供參考技術和研究思路。

關鍵詞：底泥；修復；堆肥化

中圖分類號 S141.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）15-0148-03

Abstract：The paper summaries briefly the primary technologies for the contaminated sediment in-situ restoration，i.e.，physical remediation technologies （in-situ capping，electrokinetic remediation），chemical remediation technologies and bioremediation technologies （microbial fuel cell technology，microbial remediation technology，phytoremediation technology）for the purpose of providing reference technologies and research ideas for the restoration and treatment of sediment in the future.

Key words：Sediment；Remediation；Composting

1 引言

底泥是水體底部長時間積累的沉積物，是水體多相生態系統的構成部分[1]。底泥的吸附作用[2]和底棲微生物的轉化、降解作用對水體自凈起著至關重要的作用[3，4]。

污染物會通過大氣降水、雨水沖刷，污廢水排放、固體廢物傾倒、垃圾滲濾液下滲等途徑進入水體[5]。由于水體自凈能力有限，最后部分營養元素、難降解有機污染物和重金屬污染物等會沉積到底泥中，而且越積越多，使底泥污染加重，其中有些污染物的濃度嚴重超標[6]。為了改善生活環境，不僅要治理黑臭水體，更要處理底泥。因為污染底泥是水體的潛在污染源[7]，底泥中的污染物隨外界環境變化可能釋放出來，或者污染物通過食物鏈逐級富集，這都威脅著人類的健康。

污染底泥的原位修復與疏浚底泥的處理處置是全世界面對的環境問題。為促進科研人員研究開發出更優的污染底泥治理與處置技術，本文總結了底泥的物理、化學和生物修復技術，重點探究了發展空間大的堆肥化處理疏浚底泥技術。

2 底泥原位修復

常見的污染底泥原位修復技術主要有物理、化學和生物修復技術3種。

2.1 物理修復技術 物理修復是借助工程技術措施來消除底泥污染的方法，主要包括原位覆蓋和電動力學修復。原位覆蓋是將一種或多種清潔覆蓋物（活性炭、粘土、卵石、沙、煤渣、沸石、陶粒等）以適當的比例分層或混摻在一起，且以合適的厚度覆蓋到污染的底泥上，充分利用覆蓋物隔離污染底泥和上覆水體，有效阻止底泥污染物向水體遷移、釋放的修復方式[8]。優點是效果好。缺點是需要大量覆蓋物，成本高，會降低水深，減小水體庫容。原位覆蓋技術所選擇材料必須滿足安全，粒徑小，孔隙率小，密度適中，抗擾動性強等要求[9]。

電動力學修復是通過向污染底泥施加直流電場，使污染物在電場作用下發生電遷移、電滲析和電泳等，從而被帶到電極兩端，達到最終污染物遷移出處理區的效果。優點是不必添加其它物質，且快速高效，對于重金屬污染物還可以回收利用。缺點是會造成一定的酸堿污染，影響原有生態，難以將底泥中各類污染物全部去除[10]。為了提高對污染物的去除率，對影響電動修復效果的因素（電極材料、電壓大小、pH、處理時間等）需要繼續探索，以研究出最高去除率的工作條件。

2.2 化學修復技術 化學修復是通過化學反應穩定底泥中的污染物或者將污染物轉化為無毒無害的物質，以降低或者消除其毒性的方法，主要包括投加除藻劑法、臭氧氧化法、絮凝沉淀法、化學固化法等[11，12]，所加藥劑為PAC、硫酸銅、硝酸鈣、鋁鹽、鐵鹽、甲殼素、石膏、石灰等。化學修復還無法將底泥中的污染物完全去除，部分被穩定的污染物依然存在于底泥中，但降低了其依靠食物鏈遷移、富集的能力。化學修復的優點是有利于降低磷的釋放，抑制藻類生長，使水體透明度增加，提高水質，改善底泥黑臭。缺點是易造成加藥不均勻，不同區域處理效果好壞有別；需要使用大量化學藥劑，可能會對底棲生物及水體環境產生后續毒害作用，對生態環境的破壞較大[13]。因此，為了不破壞生態系統，研究人員需要結合生活在底泥中或者表面上的微生物、動植物的敏感性以及藥劑的安全性，選擇合適的藥劑和投加量。

2.3 生物修復技術 原位修復底泥的生物技術有微生物燃料電池技術、微生物修復技術、植物修復技術。利用微生物燃料電池技術原位修復污染底泥，即通過微生物代謝底泥內的眾多基質將化學能轉化為電能，達到降解污染物的同時產生電能的效果[14]。優點是有利于改善上覆水體的水質，工程量小，可降低底泥的治理成本，修復污染底泥的同時回收電能。缺點是產電能力和污染物去除效果有限。為了產業化微生物燃料電池技術于底泥修復，研究人員需要優化電極材料并篩選出耐受能力強的高效產電微生物。

采用微生物修復技術、植物修復技術原位修復污染底泥，即利用底泥為媒介培養的土著微生物、接種的微生物（有機污染物高效降解菌、反硝化細菌、短短芽孢桿菌等）的生命活動或培育的植物（黑麥草、苦草、高羊茅、紫花苜蓿等）來吸收、轉化、分解、轉移或提取底泥中的污染物，降低其毒性或清除出來消除其毒性，以達到對底泥修復的目標。其優點是環境友好，治理效果永久，低投資，低能耗，對污染不嚴重的底泥的修復效果優，能治理較大面積的污染[15]。主要缺點是速度慢，受水體環境影響較大；特定微生物的培養或接種，以及處理污染物的效果，難以達到預期的效果；植株矮小且耐污能力和污染物富集量有限；植株必須及時收割，同時需要合理處理，否則枯萎后腐敗分解，重新污染環境[16]。為廣泛應用治理成本低且對原有生態環境破壞小的微生物修復技術和植物修復技術，科研人員需要篩選和馴化在嚴重污染底泥中生存能力強，且高效降解去除污染物的微生物；需要利用轉基因技術培育修復周期短，生長快，植株高大，耐污能力強，且能夠有效修復多種污染物的植物；同時，篩選并培育植物根際菌與宿主植物聯合修復的菌株，以進一步利用它們的協同效應縮短修復時間，并達到更好的修復效果。

3 底泥的疏浚與好氧堆肥化處理

3.1 底泥疏浚 底泥疏浚是采用物理方法疏挖表層的底泥，再將其移置到地面進行處理的工程措施[17]。彭旭更等[18]提出該技術疏浚精度要求高，還需控制和避免疏浚時底泥懸浮引起的二次污染。底泥疏浚技術廣泛應用于底泥淤積嚴重和底泥污染嚴重的水體[19]。優點是增加水體容量，治理污染見效快且徹底，有利于疏通河道[20]，恢復生態環境。缺點是工程量大，投資大；對水體環境造成干擾；疏浚過淺會使上覆水體的污染加重，疏浚過深將會破壞原有的底棲生態系統；疏浚底泥的處理處置也是一大難題[21]。

3.2 疏浚底泥的好氧堆肥化處理 好氧堆肥化是一種具有很大發展潛力的處理可生物降解固體廢物的方法。由于底泥中富含鉀、氮、磷、有機質等營養成分，因此污染嚴重的疏浚底泥適宜進行好氧堆肥化處理，這有利于穩定化、無害化、資源化利用疏浚底泥[22]。研究表明好氧堆肥化處理疏浚底泥，可降解底泥中的污染物，可實現資源化利用底泥[23]。朱兆華等[24]提出底泥好氧堆肥化處理可以變廢為寶。

底泥的好氧堆肥化處理可使其中的有機物發生礦質化、腐殖化和重金屬發生穩定化，以實現對污染底泥的修復，主要是利用好氧微生物自身的生命活動和彼此之間的協同作用[25]。最終的堆肥產品中富含有利于提高土壤肥力的氮、磷和腐殖質等，可作為有機肥料用于農林業[26]。底泥好氧堆肥化盡管處理時間長，但具有操作簡單，成本低、資源化利用價值高等優點。

底泥顆粒細小、含水率高、C/N比低、其中大部分土著微生物屬于厭氧菌。與其他堆肥化有機物料相比，盧玨等[27]指出存在如下問題：含水量高，水分不易蒸發，易黏結成塊，通氣性差；碳元素含量較低，易造成氮的損失；堆肥過程中溫度的上升速率較慢；堆肥化進程緩慢。因此，底泥堆肥過程中，為了保證堆體系統具有適宜的水分、孔隙、C/N比等，更好地滿足好氧微生物對作用環境的要求，需要加入合適種類且適量的調理劑，如膨脹劑（刨花、稻殼、麥稈、花生殼、鋸末、干草等）[28]，適量的膨脹劑不僅能調節底泥堆肥過程中的水分，還能增加整個堆體的通氣性，從而減少惡臭氣體的產生；C/N調理劑（稻草、木屑、玉米秸稈等）[29]，合適的C/N比有利于底泥堆體中微生物的繁殖與生命活動的進行。同時，為了快速啟動底泥堆肥過程和加快堆肥化進程，添加適量的易于被微生物利用的起爆劑（葡萄糖、蛋白質、含Fe、Mg等微量元素等）[30]，可使底泥堆肥初期微生物的活性大幅提高，有利于底泥堆肥過程的進行。接種合適的微生物菌劑[31，32]，能加速堆體升溫并且延長高溫期，可有效殺滅底泥中的致病菌；另外，添加的微生物菌劑與底泥中的有益土著微生物之間的協同作用，可加速堆體中有機物的降解與轉化和鈍化底泥中的重金屬污染物，有利于提高堆肥質量。由于底泥中含有重金屬污染物，這限制著底泥的土地利用，堆肥過程中可考慮加入適量的重金屬鈍化劑（石灰、粉煤灰、沸石、生物炭等），使重金屬的形態向氧化態和殘渣態轉變，以降低重金屬的遷移性和生物有效性[33]。

4 結論與建議

在原位修復污染底泥方面，物理、化學和生物修復技術各有優缺點，但相比之下，生物修復技術（微生物燃料電池技術、微生物修復技術、植物修復技術）更具應用前景。當然，為解決棘手的污染底泥問題，一定要根據不同底泥的特性、污染情況以及水體自身狀況，來優化修復方法，必要時幾種修復方法聯用，取長補短，以取得最佳的修復效果。采用的修復技術應兼具可行、經濟和高效的特性。修復污染底泥同治理其它環境污染問題一樣，必須時刻緊抓，不可懈怠。

好氧堆肥法處理疏浚底泥具有很大發展空間。為提高底泥堆肥化對污染物的鈍化效果或去除能力，提高堆肥質量，減少甚至消除底泥資源利用的生態風險，未來需要進一步優化影響底泥堆肥的各項指標，同時聚焦于復合型調理劑、復合微生物菌劑的開發，并選出最優配方和配比。

參考文獻

[1]喬云蕾，李銘紅，謝佩君，等.沉水植物對受重金屬鎘、鋅污染的水體底泥的修復效果[J].浙江大學學報（理學版），2016，43（5）： 601-609.

[2]Chen M，Hur J.Pre-treatments，characteristics，and biogeochemical dynamics of dissolved organic matter in sediments： A review[J].Water Research，2015，79：10-25.

[3]Peng Y，Chen Y，Chang Y，et al.Biodegradation of bisphenol A with diverse microorganisms from river sediment[J].Journal of Hazardous Materials，2015，286：285-290.

[4]Wang Z，Yang Y，Sun W，et al.Nonylphenol biodegradation in river sediment and associated shifts in community structures of bacteria and ammonia-oxidizing microorganisms[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2014，106：1-5.

[5]Huang D，Liu L，Zeng G，et al.The effects of rice straw biochar on indigenous microbial community and enzymes activity in heavy metal-contaminated sediment[J].Chemosphere，2017，174：545-553.

[6]王維琳，姜翠玲，孫敏華，等.梁塘河底泥污染特征及資源化利用分析[J].四川環境，2016，35（3）：62-66.

[7]Yang Y，Gao B，Hao H，et al.Nitrogen and phosphorus in sediments in China： A national-scale assessment and review[J].Science of The Total Environment，2017，576：840-849.

[8]Yang X，Chen Z，Wu Q，et al.Enhanced phenanthrene degradation in river sediments using a combination of biochar and nitrate[J].Science of The Total Environment，2018，619-620：600-605.

[9]朱蘭保，盛蒂.污染底泥原位覆蓋控制技術研究進展[J].重慶文理學院學報（自然科學版），2011（03）：38-41.

[10]劉宏.電動力學修復污染底泥及其重金屬回收的研究[D].天津：天津科技大學，2017.

[11]虞洋，梁峙，馬捷，等.底泥修復技術方法和應用前景[J].環境科技，2014（1）：64-66.

[12]許煉烽，鄧紹龍，陳繼鑫，等.河流底泥污染及其控制與修復[J].生態環境學報，2014（10）：1708-1715.

[13]毛彥青.河道污染底泥生物和化學修復對重金屬形態分布影響研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[14]楊玥，王健，朱娟平，等.城市黑臭河涌底泥-微生物燃料電池產電性能及對底泥的修復[J].生態環境學報，2015（03）：463-468.

[15]李曉粵.黑臭河流原位生物修復技術的探索及應用[C]//中國環境科學學會學術年會，2014.

[16]梁成鳳.生物炭對底泥吸附固定重金屬的影響[D].杭州：浙江大學，2014.

[17]畢麗姣.生物質炭修復劑平鋪式治理污染底泥技術研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[18]彭旭更，胡保安.面向污染水體的底泥環保疏浚技術與資源化利用[J].水資源與水工程學報，2009（06）：95-97.

[19]Libralato G，Minetto D，Lofrano G，et al.Toxicity assessment within the application of in situ contaminated sediment remediation technologies： A review[J].Science of The Total Environment，2018，621：85-94.

[20]Pittarello M，Busato J G，Carletti P，et al.Possible developments for ex situ phytoremediation of contaminated sediments，in tropical and subtropical regions–Review[J].Chemosphere，2017，182：707-719.

[21]童敏.城市污染河道底泥疏浚與吹填的重金屬環境行為及生態風險研究[D].上海：華東師范大學，2014.

[22]Mattei P，Cincinelli A，Martellini T，et al.Reclamation of river dredged sediments polluted by PAHs by co-composting with green waste[J].Science of The Total Environment，2016，566-567：567-574.

[23]覃杏夢.白腐真菌聯合稻草秸稈堆肥降解河道底泥中的壬基酚及對重金屬的鈍化研究[D].長沙：湖南大學，2017.

[24]朱兆華，官昭瑛，葉建軍，等.城市林木枯落物與河道底泥不同配比的堆肥效果[J].中國土壤與肥料，2018（02）：135-140.

[25]Chen Y，Liu Y，Li Y，et al.Influence of biochar on heavy metals and microbial community during composting of river sediment with agricultural wastes[J].Bioresource Technology.

[26]劉超，徐谞，王若斐，等.資源化利用沖施豬糞水高溫堆肥研究[J].中國環境科學，2017（10）：3826-3835.

[27]盧玨，和苗苗.河道底泥好氧堆肥化處理研究進展[J].浙江農業科學，2017，58（8）：1456-1461，1464.

[28]王永江，黃光群，韓魯佳，等.塑料和麥秸膨脹劑對豬糞好氧堆肥的影響試驗[J].農業機械學報，2013（05）：158-163.

[29]劉耀源，鄒長武，張達鑫，等.不同調理劑提高泔腳蚯蚓堆肥效率的研究[J].環境污染與防治，2014（11）：40-45.

[30]張璐.園林綠化廢棄物堆肥化的過程控制及其產品改良與應用研究[D].北京：北京林業大學，2015.

[31]Liu W，Huo R，Xu J，et al.Effects of biochar on nitrogen transformation and heavy metals in sludge composting[J].Bioresource Technology，2017，235：43-49.

[32]官昭瑛，張安，朱兆華，等.復合微生物菌劑對河道底泥資源化堆肥效果的影響[J].廣東農業科學，2016（12）：41-49.

[33]Sanchez-Monedero M A，Cayuela M L，Roig A，et al.Role of biochar as an additive in organic waste composting[J].Bioresource Technology，2018，247：1155-1164. （責編：張宏民）