河道底泥污染釋放機制和修復技術研究進展

林鋒

（上海勘測設計研究院有限公司，上海200434）

0 引言

河道底泥是上覆水體中污染物的“源”和“匯”，城市黑臭水體的有效治理離不開底泥疏浚。鑒于河道底泥的污染類型多樣以及修復技術種類繁多而又各有優(yōu)缺，因此文章主要從原位處理和異位處理兩個維度量分別對修復技術和資源化技術進行論述。

1 底泥污染物釋放機制

底泥與上覆水體進行物質交換的過程，是一系列復雜的物理化學和生物作用的組合，簡單的交換過程如圖1 所示。

圖1 底泥和上覆水體進行物質交換的示意圖

如圖1 所示，左區(qū)為物理釋放區(qū)，主要分為泥水界面釋放和底泥污染物起動懸浮釋放兩種，前一種釋放方式可以用滯膜模型來描述，動力學模型如式（1）所示，后一種方式主要受上覆水體的水動力條件影響，水體濁度隨水流流速的增加而增加。在整個污染物物理釋放過程中，泥水界面釋放是貫穿始終、一直存在的，底泥懸浮釋放的強度雖然大，但是只有在一定的水動力條件下才能進行，作用時間短，對底泥總釋放的貢獻隨時間的增加而逐漸減小。

式中：Ct——污染物t時刻時的水相濃度，mg/L；C0——與兩相界面面積和水體積相關的常數(shù)，mg/L；K——底泥污染物界面擴散速率，m/d，其值隨水深增加而減小。

右區(qū)是化學和生物釋放區(qū)，過程比較復雜，文章僅作簡要論述。底泥中磷、氨氮、重金屬以及有機物等污染物的釋放均和上覆水體的理化性質，如pH、溫度、氧化還原電位、溶解氧等有關，如圖1所示，外排污水中的有機物對所有污染因子的釋放都有影響。當水體中有機物濃度升高時，包括微生物在內的底棲生物的代謝活動會增強，從而促進有機氮磷向無機氮磷的轉化，同時溫度一定程度的上升和適當?shù)娜毖醐h(huán)境會增強微生物的生命活動，從而加速氮磷向上覆水體的釋放。另一方面，高濃度的有機物還可以創(chuàng)造出還原氛圍，還原重金屬以加速其向上覆水體遷移的速率。

2 底泥修復技術

原位處理是指底泥無需進行清淤疏浚，直接在河道對底泥采用物理、化學或生物修復的方法來穩(wěn)定或去除底泥中的污染物。

2.1 物理修復

物理修復是指通過覆蓋一層材料來阻隔底泥和上覆水體的接觸或者將污染物進行掩蔽以減少底泥污染物向上覆水體的遷移釋放，代表性方法有氨氮、磷酸根離子以及有機物的沸石改性修復方法。很多研究圍繞鎖磷進行，其中鎖磷劑由自然物質黏土和鑭組成，黏土部分是鑭的一個載體,鑭本身不溶于水, 與磷酸鹽結合形成不溶性的磷酸鑭, 進而被鎖在底泥中以達到固磷的效果。鎖磷劑通過兩種途徑發(fā)揮作用：首先, 鎖磷劑在其下沉的過程中會吸收水體中的可溶性磷酸鹽；其次，在鎖磷劑穿過整個水體后，在水體底部的底泥上會形成一層覆蓋層，這個覆蓋層能夠阻止下層底泥中溶解性磷向水體釋放。比如在500 g/m2的投加強度下，鎖磷劑能夠有效地將河道的磷濃度控制在0.010 mg/L以下，對于污染較輕和較重河段都具有顯著的修復優(yōu)勢。然而物理修復利用了添加物質對污染物的吸附和結合的作用，或多或少存在污染物緩釋的風險，進行非金屬類污染物修復時具有應用范圍狹窄、作用對象單一等的缺點，適用于簡單污染的底泥修復，對于復合污染底泥的修復還需要聯(lián)合其他技術。

2.2 化學修復

化學修復是通過化學藥劑的性質對污染物進行固定或者轉化的，分為氧化還原和鈍化技術，前者包括電動修復技術、淋洗、臭氧氧化等，后者包括穩(wěn)定化技術。

通過電動修復和臭氧氧化技術，可以實現(xiàn)對硫化物、亞鐵、氨氮等還原性物質的高效去除，賴江鈿等發(fā)現(xiàn)對上述污染物分別可以實現(xiàn)76.19%，72.48% 和88.57%的去除效率，甚至還可以實現(xiàn)對重金屬污染底泥的修復，一項進行了226 h 的針對Pd 污染底泥回收利用于農(nóng)業(yè)的中試實驗取得很好的效果，不僅低成本地將Pd 控制在標準以下，還實現(xiàn)了農(nóng)用風險管控。

利用淋洗和穩(wěn)定化技術可以實現(xiàn)重金屬污染的有效去除，趙霞等利用乳酸發(fā)酵液淋洗鉛鋅礦尾礦壩口底泥中的重金屬鉛，其中可提取態(tài)鉛和可氧化態(tài)鉛的，去除率分別為80%和50%。固化穩(wěn)定化處理技術也可以用于重金屬污染底泥的修復，實驗發(fā)現(xiàn)投加的FeS 和底泥中的重金屬結合，可以形成更加穩(wěn)定的金屬硫化物，以達到減緩重金屬向上覆水體釋放的速率來實現(xiàn)底泥的物理修復。化學修復能夠實現(xiàn)污染物的高效去除，但是也極大地改變了底泥的土壤性質和上覆水體的理化性質，比如利用金屬系比如鐵鹽、鋁鹽來穩(wěn)定化重金屬污染物時容易改變水體的理化性質，如pH 等。

2.3 生物修復

生物修復是利用微生物、植物的代謝活動將底泥中的污染物分解、轉化。借鑒土壤修復中的超富集植物，在底泥修復過程中也可以利用植物富集的特點，比如分別對Zn，Cd 的富集系數(shù)大于1 的高羊茅、菊苣，還有對Cu，Pd，Cd 修復效率高的黑麥草，這些植物都值得關注[2]。

3 底泥資源化處理技術

河道底泥既是土壤資源，也是吸收了N，P 等營養(yǎng)元素的污泥，從前者來看可以發(fā)揮替代土壤的作用，如充當建筑材料、填方材料以及替換原有不合適的土壤等，從后者來看，又可以應用于農(nóng)林業(yè)，充分利用底泥中的營養(yǎng)元素，如此不僅能解決土地緊張問題，還能回收資源，實現(xiàn)固體廢物的減量化、無害化以及資源化利用[1]。當然由于底泥污染很多，可能是復合型污染，進行利用之前可參照GB/T 23486-2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》、GB4284-2018《農(nóng)用污泥污染物控制標準》、CJ/T 362-2011《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質》的相關規(guī)定，避免出現(xiàn)二次污染[2]。

楊艷麗等向有明顯惡臭、有機質含量高的東蠡湖底泥中，加入廢菇渣、木屑、豬糞和稻殼等固體廢物后進行堆制，堆肥腐熟后，水分降至30%以下，pH 基本保持在中性范圍，C：N 不斷降低，生物發(fā)芽指數(shù)在60%以上，高于無植物毒性的50%標準，表明能夠作為園林綠化類用肥[1]。

然而污染類型多樣和復合污染的底泥對底泥的資源化利用提出了挑戰(zhàn)，否則二次污染以及污染物的富集作用，會使得污染底泥的生態(tài)和健康風險更大。

4 結論

文章對底泥污染物釋放機制、修復及資源化利用方法進行了論述，描述了底泥中的污染物可以通過界面擴散和起動懸浮擴散的物理方法以及有機物濃度、溶解氧等影響因素下的化學和生物擴散方法，總結了不同修復方法處理不同污染類型的底泥時的優(yōu)點以及需要改進之處，物理方法雖然簡單但是對于復合污染還需進一步研究，化學方法處理效果顯著，但是成本高以及處理后底泥改性嚴重的問題需要得到重視。如何增加化學修復方法的選擇性需要進行深入研究，生物方法生態(tài)無風險，成本低，但是修復時間長而且生物修復的廣譜性，面對多樣的污染時比較低。綜上所述，面對污染類型多樣的底泥，分類施策是解決當前治理亂局的首選之策，結合污染類型和處理后底泥的用途來選擇修復技術。面對國內底泥疏浚工作的不斷深入開展以及《水污染行動計劃》的切實要求，資源化利用雖然面臨不達標、回收難度大等問題，但大量研究工作正在展開，未來市場潛力巨大。