底泥原位覆蓋材料選擇及應用研究進展*

申 粵 聶煜東,2# 張賢明 李 金 顏海燕 耿媛媛

(1.重慶工商大學環(huán)境與資源學院，廢油資源化技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067；2.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，環(huán)境水質(zhì)學國家重點實驗室，北京100085)

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市人口的迅速增加，污水總量也隨之增加，加上配套的排水系統(tǒng)和處理措施不健全，生活污水與工業(yè)廢水沒有經(jīng)過完善處理就排入水體，導致水環(huán)境惡化，水體黑臭現(xiàn)象頻發(fā)，影響人們生活，破壞生態(tài)環(huán)境，人民群眾對治理水環(huán)境污染、提高日常生活質(zhì)量的愿望越來越強烈。國務院在2015年4月公布的《水污染防治行動計劃》(即“水十條”)中提出：“到2020年，全國地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”。要達到這個目標，就必須完善配套的排水系統(tǒng)，并對現(xiàn)有黑臭水體實施有效治理。

黑臭水體的污染物主要分外源和內(nèi)源，其中內(nèi)源污染物貢獻率更高。截至1998年，美國發(fā)生的2 100起由污染導致的魚類死亡事件，其污染均來源于底泥[1]。羅鋒等[2]對我國東莞市8座水庫共計60個底泥剖面進行檢測，發(fā)現(xiàn)大部分底泥中的重金屬已嚴重超標，影響周圍及水體生態(tài)環(huán)境。在處理黑臭水體時，一般要對內(nèi)源、外源污染物進行綜合處理，做到內(nèi)源清淤、外源截污相結(jié)合。在處理黑臭水體時，單單對外源污染物進行處理是不夠的，因為底泥作為污染物主要的蓄積庫，積累了大量的氮磷營養(yǎng)鹽、重金屬與難降解有機物，其含量可能百倍于上覆水，超過了水體的自凈能力。并且當環(huán)境發(fā)生改變時，污染物會重新釋放至上覆水中，對水環(huán)境和人類健康造成威脅[3]。因此，在處理黑臭水體時，除了對外源污染物進行控制外，還必須對內(nèi)源底泥進行有效控制。當前，污染底泥的綜合整治技術(shù)受到國內(nèi)外廣泛關注，美國和加拿大對污染底泥綜合整治技術(shù)的研究開展較早，荷蘭、日本、瑞典、德國等隨后也啟動了對該技術(shù)的研究；在該領域，我國近年來也進行了大量研究并取得了一定進展[4-5]。目前廣泛應用的底泥原位處理技術(shù)主要有覆蓋、固化、氧化、淋洗、噴氣、引水、生物修復和電動力學修復等[6-12]。其中，原位覆蓋技術(shù)以其操作簡便、投資低廉、處理效果較好、生態(tài)風險低等優(yōu)點，在黑臭底泥處理中得到了廣泛應用。

原位覆蓋技術(shù)通過一層或多層清潔材料將污染底泥和上覆水阻隔[13-14]。覆蓋材料的粒徑、比表面積、孔隙率、密度等特性在不同水環(huán)境條件下對覆蓋效果具有重要影響。覆蓋材料選擇不當，不僅達不到治理需求，而且可能會產(chǎn)生副作用導致水環(huán)境惡化。基于此，本研究結(jié)合國內(nèi)外文獻，闡述主要覆蓋材料的優(yōu)缺點，以期為黑臭水體治理工作中覆蓋材料的選擇提供指導。

1 覆蓋材料的作用機理

原位覆蓋技術(shù)主要是通過物理、化學、生物等路徑對污染底泥進行控制，覆蓋材料一般通過物理路徑對污染物進行隔離、吸附，通過化學路徑轉(zhuǎn)化、中和污染物，通過生物路徑分解污染物，在三者共同作用下達到降低上覆水中污染物濃度的效果[15-20],[21]1428,[22-23],[24]1760,[25-26]。具體來說，覆蓋材料通過阻隔底泥中的污染物，將污染底泥與上覆水進行物理隔離，使得污染物不會在水力沖擊下重新懸浮至上覆水；同時，底泥由于被隔絕于水體，內(nèi)部將發(fā)生一系列化學反應，污染物將逐步被轉(zhuǎn)化、固化，從而降低溶解態(tài)污染物向上覆水的擴散。某些覆蓋材料具有較大的比表面積和有機碳含量，便于微生物的吸附和生存，微生物可通過自身生物降解將污染物高效、徹底轉(zhuǎn)化成無毒無害物質(zhì)。

2 主要覆蓋材料

底泥覆蓋技術(shù)發(fā)展至今，開發(fā)的覆蓋材料種類繁多，主要可分為以下3類[27]：以未污染的底泥、砂子、礫石、鈣質(zhì)膨潤土、灰渣、水泥、方解石等為代表的無機覆蓋材料；以改性黏土、改性沸石、生物炭等為代表的改性活性材料；生物菌劑或促進劑與普通覆蓋材料復合而成的生物覆蓋材料。

早在1978年，美國康涅狄格州紐黑文市用沙子對小鎮(zhèn)中央長島海灣的污染底泥進行覆蓋，這是記錄中首次運用原位覆蓋技術(shù)處理污染底泥的實例；隨后加拿大、意大利、日本及挪威等國相繼實施了這一技術(shù)；1990年，Denny海灣用0.79 m沙性底泥進行覆蓋處理，有效去除了水中的多氯聯(lián)苯(PCBs)、多環(huán)芳烴(PAHs)等；1995年，Hamilton海灣采用0.2～0.5 m的沙子覆蓋，有效去除金屬、營養(yǎng)鹽等[28]。BONA等[29]曾對意大利沙土覆蓋底泥的工程案例進行了整體性評價，結(jié)果表明：沙土覆蓋能有效防止底泥中污染物的釋放，并且成本低廉、無生態(tài)毒性、適合生物棲息，同時覆蓋后的生物群落能夠很快恢復。基于上述優(yōu)勢，原位覆蓋技術(shù)在全世界得到重視且已成為美國大湖修復最常用措施之一[30]。隨著技術(shù)進步，覆蓋材料的選擇也越來越多樣化。上述無機覆蓋材料能夠在一定程度上抑制底泥污染物的釋放，然而這類材料對污染物的抑制主要通過單一的物理隔絕作用，效果有限。為了進一步提高覆蓋材料的性能，改性活性材料被提出并得到了廣泛研究。DOUGLAS等[31]于1999年開發(fā)出了一種改性黏土作為活性覆蓋材料，除具有良好的物理隔絕性能外，還對污染物具有較強的吸附能力，其對底泥中的可過濾活性磷(FRP)和TP去除率均能達到90%以上。這類活性材料不但具有無機覆蓋材料的優(yōu)點，且具有更強的吸附性以及反應活性。但某些活性材料因其本身材料特性，可能對水生生物具有一定毒性。基于此，生物覆蓋材料應運而生。JIN等[32]將生物菌劑和生物促生劑覆蓋于底泥，結(jié)果表明，其對底泥中重金屬有很好的控制效果，且無生物毒性。生物覆蓋材料能夠高效、徹底降解污染物，且?guī)缀鯖]有二次污染風險，可有效促進水生態(tài)環(huán)境修復。以下就3類材料進行更詳細論述。

2.1 無機覆蓋材料

無機覆蓋材料主要包括天然無機覆蓋材料和人工合成無機覆蓋材料。一般來說，無機覆蓋材料組成的覆蓋層屬于惰性覆蓋層，對污染物不能起降解作用，主要通過水力阻滯、吸附等作用阻止底泥中污染物進入上覆水，實現(xiàn)上覆水與底泥污染物的分隔。

無機覆蓋材料的最主要優(yōu)勢是其材料易得，運輸方便，能夠滿足工程的大量需求[33]。HULL等[34]以河流上游及相鄰河流挖掘的清潔底泥或從岸邊高地挖掘的清潔土壤進行覆蓋，運輸方便、成本低廉且無生態(tài)毒性。水體富營養(yǎng)化的主要原因之一是氮磷含量過高，用無機覆蓋材料覆蓋可以對氮磷進行控制。李雪菱等[35]使用廣泛分布的紅壤為覆蓋材料，抑制黑臭水體底泥中氮污染物的釋放；結(jié)果表明，紅壤原位覆蓋不僅阻隔了底泥中氮污染物向上覆水釋放，同時減少了上覆水中氮污染物含量。BERG等[24]1764用方解石覆蓋底泥，考察其對底泥中磷釋放的抑制效率；結(jié)果表明，經(jīng)過2～3個月的控制，底泥中磷釋放量減少了80%。無機覆蓋材料除能控制底泥中氮磷外，還能夠?qū)λw重金屬及持久性有機污染物進行控制。但無機覆蓋材料也存在一些不足，無機覆蓋材料顆粒間結(jié)合力弱，抗水力擾動性差，易被沖刷和侵蝕從而導致覆蓋層的完整性破壞，進而降低修復效果[36]。無機覆蓋材料有機碳含量低，吸附能力較差，為了增加對底泥中污染物的控制效果，使污染物難以穿透覆蓋層，需要在設計覆蓋層時大量增加覆蓋材料的厚度。但是覆蓋厚度過大勢必會大幅減少水體庫容，影響原水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡，進而影響環(huán)境自凈能力，嚴重時甚至會導致該生態(tài)系統(tǒng)嚴重失衡，污染治理效果適得其反。

2.2 改性活性材料

改性活性材料來源于原位覆蓋和原位處理兩種方法的結(jié)合，原位覆蓋技術(shù)為原位處理技術(shù)提供了具有降解活性物質(zhì)或生物的載體，而原位處理技術(shù)則使原位覆蓋材料具有降解污染物的功能，拓展了覆蓋材料的應用范圍。

在使用過程中，改性活性材料的缺點也逐漸暴露。改性活性材料對污染物具有較高的吸附能力，但在外部環(huán)境改變時，污染物容易二次釋放。例如，磷素在水環(huán)境條件改變時，弱吸附態(tài)磷(Liable-P)、氧化還原敏感態(tài)磷(BD-P)等形態(tài)在缺氧環(huán)境時容易被重新釋放[45]，需要對活性材料進一步改性，吸附磷素后將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)，才能有效避免二次釋放。章喆等[21]1432以改性高嶺土作為活性覆蓋材料，結(jié)果表明被其吸附的BD-P存在再釋放的風險。張帥等[46]提到，隨著生物炭施入量增加，底泥有機質(zhì)含量明顯升高。有機質(zhì)是反映底泥有機營養(yǎng)程度的重要標志，若底泥中有機質(zhì)過多，其被降解時會大量消耗溶解氧，同時將有大量氮磷營養(yǎng)鹽釋放，從而增加湖泊富營養(yǎng)化的風險[47]。LIN等[48]使用改性方解石/沸石活性覆蓋體系處理底泥，研究發(fā)現(xiàn)較高的方解石劑量反而會降低該體系的污染物控制效果。此外，改性活性材料可能會對水體釋放有毒物質(zhì)，例如鑭改性黏土釋放的溶解性鑭離子對水中某些生物具有毒性，因此將鑭改性黏土投加到低堿度水體中，可能會導致水體中溶解性鑭離子濃度增加，從而增加水體的生態(tài)風險[49]。

2.3 生物覆蓋材料

生物覆蓋材料指以常規(guī)覆蓋材料為基體、生物制劑為活性成分復合而成的一類覆蓋材料。通過向常規(guī)覆蓋材料中投加具有高效降解作用的微生物、動植物、酶等生物制劑，利用生物自身的生命代謝來降低在環(huán)境中存在的有毒有害物質(zhì)濃度或使其無害化。

生物覆蓋材料以其無毒無害且具有高效的降解能力而受到關注。JOHNSON等[50]研究表明，利用微生物覆蓋能有效降低底泥中的PAHs。吳光前等[51]在實驗室條件下，將某活菌凈水劑固定于特殊結(jié)構(gòu)的生物帶上探究其對黑臭水體及底泥的凈化性能；結(jié)果表明，底泥厚度降低80%以上，氧含量增加，處理后的水體生物相種類和數(shù)量顯著增長，水生環(huán)境得到改善。劉飛等[52]通過將螺螄與3個不同覆蓋面積的菹草組合，研究菹草和螺螄構(gòu)建的覆蓋體系對水體及底泥中污染物的凈化效果；結(jié)果表明，氮磷及有機物的去除效果均得到大幅提升。生物覆蓋材料主要利用覆蓋在生物載體上的微生物所參與的各項生物化學反應來吸收并降解污染物，如生物脫氮通過硝化和反硝化作用促使氮素遷移轉(zhuǎn)化以改善水生環(huán)境，且污染物通過生物轉(zhuǎn)化后，能夠有效減少污染物的二次釋放。姚宸朕等[53]采用固定化微生物對污染底泥進行原位覆蓋控制，有效減少了微生物制劑的流失，水體中的氨氮、TN、TP、COD等基本可維持在較低水平，底泥厚度減少了50%左右，底泥顏色從黑色變成土黃色。有研究表明，將微生物固定于覆蓋材料上，能夠顯著提高其種群數(shù)量、活性、穩(wěn)定性和污染物的降解效率[54]。

生物覆蓋材料通過強化生物體的某些特定功能或利用其生物代謝能力降低污染物濃度，因此它不會破壞原有生態(tài)環(huán)境，無毒性；利用生物的生命代謝活動將污染物降解以達到對污染物的去除效果，具有高效性；以其獨特的生物特性，能針對性地對底泥中某種污染物高效降解，如狐尾藻、黑葉輪藻分別對底泥中的三硝基甲苯、金屬鉛具有專項抑制效果[55-56]。目前，生物覆蓋材料還處于實驗室研究階段，未大規(guī)模應用于實際工程，這是由以下幾點決定的：(1)微生物或植物的生長都需要合適的生長環(huán)境，污染物濃度、溶解氧濃度、pH及溫度都會影響生物的生長，也會影響材料對污染物的降解效果；(2)生物覆蓋材料是利用生物自身的新陳代謝等活動來降低污染物濃度的，處理周期較長；(3)生物菌劑和促進劑一般是液體或粉末狀，參與底泥覆蓋時會受到流動水體沖刷而流失，從而需重新投加菌劑，且需要定期曝氣維護，運行費用偏大；(4)特定的生物只能吸收降解幾種特定的污染物，目前的污染物多為復合型，就需要不同物種的生物共生，必然會導致生物體的相互競爭，降低對污染物的抑制效果。

3 原位覆蓋材料選擇原則

原位覆蓋材料多樣，應針對不同水域條件選擇不同覆蓋材料，結(jié)合各種材料的優(yōu)缺點(見表1)，對材料的選擇原則提出以下幾點建議。

表1 不同材料的優(yōu)缺點及主要處理對象Table 1 Advantages and disadvantages of various materials and main processing objects

(1) 經(jīng)濟性：在某些大面積水域，不建議使用改性活性材料或生物覆蓋材料，價格較貴，經(jīng)濟性差；對某些污染程度較低的水域，應減少覆蓋材料的用量，利用水體一定的自凈能力凈化水質(zhì)以節(jié)約成本。

(2) 地理條件：無機覆蓋材料會增加底泥含量，減少水庫容量，因此不適用于溪流、湖泊和港口，適用于較大面積如海洋底泥的治理。

(3) 處理周期：對地市發(fā)展規(guī)劃區(qū)域或擬修建交通道路附近水域，應采用無機覆蓋材料或改性活性材料進行快速治理，而對一些計劃周期較長的水域，可以結(jié)合水域生態(tài)環(huán)境選擇生物覆蓋材料進行統(tǒng)籌治理。

(4) 污染物類型：對某些單一污染源水域，如因工業(yè)廢水而導致的黑臭水體，可采用針對性強且高效的生物覆蓋材料進行治理。

(5) 嚴重污染物水域：對于某些污染物種類多且污染程度較重的水域，單種覆蓋材料難以達到凈化水質(zhì)的目標，可采用多種覆蓋材料進行復合治理。

原位覆蓋技術(shù)是一種延展型很強的技術(shù)。在實際案例中，對于底泥污染較為復雜的區(qū)域，通常考慮采取復合覆蓋，根據(jù)不同材料的作用特點，將其合理鋪設成一個復合的覆蓋體系，實現(xiàn)作用效果的最大化。同時，原位覆蓋技術(shù)還可以與其他底泥修復技術(shù)相結(jié)合，如將覆蓋技術(shù)與固化、氧化、淋洗、疏浚技術(shù)結(jié)合，共同作用對黑臭水體進行治理。

4 結(jié)論與展望

目前，原位覆蓋技術(shù)的主要材料為無機覆蓋材料、改性活性材料、生物覆蓋材料等。無機覆蓋材料較易獲得，使用便捷，能夠快速、有效隔絕底泥中的污染物，因此在大面積覆蓋時，選擇無機覆蓋材料相對其他材料更為經(jīng)濟實用。改性活性材料是在無機覆蓋材料的基礎上發(fā)展而成的，具有更大的比表面積、更強的黏附性以及更高效的處理能力，能對金屬、有機污染物等實現(xiàn)更有效去除。生物覆蓋材料相對于其他材料較溫和，生態(tài)友好，在實現(xiàn)其覆蓋功能的同時可降低潛在的生態(tài)風險。

由于我國受污染水體多且復雜，其他治理方法費時費力且成本較高，因此原位覆蓋技術(shù)以其經(jīng)濟性和便捷性，在實際工程中得以廣泛應用。然而其仍然存在諸多局限性：首先，覆蓋材料的投加會減少水域體積，從而影響到水域生態(tài)和航運交通；其次，覆蓋材料在汛期容易被沖刷、淘蝕而失去覆蓋效果；再次，覆蓋材料對底泥中污染物的控制往往不具選擇性，影響底泥與上覆水間的正常物質(zhì)交換；最后，部分覆蓋材料在隔絕污染的同時，自身會釋放一定污染物，對水生態(tài)有不利影響。因此，在今后發(fā)展中，應注意以下方面：(1)選用薄層覆蓋材料，在保證處理效果的前提下盡量減少用量，防止因覆蓋厚度過大對航道及庫容造成的影響；(2)研發(fā)穩(wěn)定性強的材料，防止其因環(huán)境變化或水力沖刷失去覆蓋效果；(3)某些覆蓋材料并未將污染物去除，而是吸附污染物或改變污染物形態(tài)，在今后研發(fā)中，應盡量開發(fā)將污染物降解的覆蓋材料，實現(xiàn)污染物真正無害化；(4)在選擇覆蓋材料時，要結(jié)合污染情況和水體環(huán)境，從而選擇具有針對性的覆蓋材料；(5)研發(fā)選擇性強的材料，只針對污染物，不影響正常的物質(zhì)交換；(6)覆蓋材料應無毒性、無二次污染；(7)覆蓋材料應具有較高的經(jīng)濟效益，便于推廣。

原位覆蓋技術(shù)是一項延展性較強的技術(shù)，除了研究覆蓋材料本身的處理效率、經(jīng)濟性之外，還可將其與其他處理技術(shù)相結(jié)合，提高處理效率。如在選擇覆蓋材料時，與固體廢棄物相結(jié)合，既能達到原位覆蓋的目的，又實現(xiàn)了固體廢棄物的資源化利用；將原位覆蓋與固化、疏浚等技術(shù)相結(jié)合，不僅能降低原位覆蓋的實施難度，還能提高處理效果。因此，底泥原位覆蓋技術(shù)在今后處理黑臭水體時將更多地向組合治理方向發(fā)展。