污染底泥原位修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

徐云杰　趙成東　褚淑祎　 戴顯欽

摘 要：底泥是水體污染物的“匯”與“源”。隨著外來污染源逐漸得到有效控制，底泥引發(fā)的內(nèi)源污染成為水體污染的主要原因。與異位修復(fù)相比，原位修復(fù)操作方便，成本較低，二次污染較小。該文介紹了原位覆蓋、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和植物修復(fù)等底泥原位修復(fù)技術(shù)，分析了這些技術(shù)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀以及存在的問題，并結(jié)合底泥的污染特性，提出了今后底泥污染修復(fù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：污染底泥;原位修復(fù);研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）07-0136-03

底泥是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是水體污染物的“匯”與“源”。水體受到污染后，部分污染物通過吸附、絡(luò)合、絮凝、沉降等作用在底泥中蓄積，形成一定厚度的含有多種污染物的沉積層[1]。受濃度差擴(kuò)散、底棲生物活動(dòng)影響，或當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，底泥中污染物會(huì)向水中釋放，對(duì)水體造成二次污染[2]。隨著外來污染源逐漸得到有效控制，底泥污染物引發(fā)的內(nèi)源污染成為水體污染的主要原因[3]。如武漢東湖，截污工程完成后，本應(yīng)在3年內(nèi)恢復(fù)水質(zhì)，但若考慮底泥的釋放作用，則需要35年以上才能恢復(fù)[4]。因此，底泥內(nèi)源污染的控制和修復(fù)是水體修復(fù)的關(guān)鍵因素之一。底泥污染也是目前普遍存在的環(huán)境問題。

底泥污染控制技術(shù)主要有異位和原位修復(fù)2種類型。異位修復(fù)主要采用底泥疏浚方法去除富含污染物的表層沉積物來控制污染物的釋放，是目前廣為采用的治理措施。然而疏浚底泥一般含水率較高，產(chǎn)泥量大，成分復(fù)雜，且堆存過程占用土地，易產(chǎn)生二次污染。近年來，疏浚底泥處置不當(dāng)造成的環(huán)境和生態(tài)問題越來越嚴(yán)重，引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。原位修復(fù)技術(shù)通過物理、化學(xué)或生物等方法原位削減污染底泥體積、降低污染物含量或生物有效性。與異位相比，原位修復(fù)操作方便，成本較低，二次污染較小，被認(rèn)為是未來污染底泥治理的主流技術(shù)[5]。

1 原位覆蓋技術(shù)

原位覆蓋是應(yīng)用最多的原位修復(fù)技術(shù)，始于20世紀(jì)70年代后期，迄今在美國、德國、日本、挪威及加拿大等國進(jìn)行了應(yīng)用[6]。原位覆蓋法通過在污染底泥表面鋪放一層或多層覆蓋物，使底泥與上層水體隔絕，從而阻止底泥中污染物向上覆水體遷移。覆蓋材料包括天然惰性材料、改性材料和活性材料[7-9]，成本較低，材料來源廣泛，對(duì)環(huán)境影響較小。但這種技術(shù)沒有從根本上去除污染物，當(dāng)外界條件發(fā)生變化或覆蓋層遭到破壞時(shí)，污染物可再次釋放進(jìn)入上覆水體，且一定程度上會(huì)增加底泥厚度，減少水體容量。

2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

在底泥中投加化學(xué)藥劑，通過混凝、沉淀、氧化、還原、絡(luò)合等作用，可使污染物從底泥分離，轉(zhuǎn)化為低毒或無毒形態(tài)。原位化學(xué)修復(fù)效果顯著，投資和能耗較低，易于實(shí)現(xiàn)。硝酸鈣、過氧化鈣、零價(jià)鐵是目前研究和應(yīng)用較多的化學(xué)藥劑[10-12]。硝酸鈣對(duì)于底泥中磷、硫化物、油類污染物等具有良好的去除效能，此外還可刺激底泥中異養(yǎng)微生物的活性，促進(jìn)脫氮細(xì)菌的反硝化作用[13]。過氧化鈣作為氧氣緩釋劑在去除底泥有機(jī)碳、有機(jī)氮及控制底泥臭味及磷釋放等方面具有明顯效果[14]。零價(jià)鐵可將大分子有機(jī)物還原成生物可利用的小分子有機(jī)物、與磷結(jié)合形成Fe-P結(jié)合態(tài)沉淀、還原某些重金屬離子以降低其毒性[15]。但是化學(xué)藥劑投加量過大，會(huì)使底泥生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，對(duì)底棲生物的生物活性產(chǎn)生影響[16]。因此，近年來許多學(xué)者嘗試將化學(xué)方法與生物法有機(jī)結(jié)合起來，降低化學(xué)藥劑用量，減小對(duì)底泥生態(tài)環(huán)境的副作用[17]。

3 微生物修復(fù)技術(shù)

向底泥中投加微生物菌劑、生物促生劑、酶制劑等，利用微生物的吸收、轉(zhuǎn)化、降解等作用，削減底泥中污染物含量，降低底泥中污染物向上覆水轉(zhuǎn)移，因經(jīng)濟(jì)有效、操作簡便、環(huán)境友好、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在底泥原位修復(fù)處理中得到廣泛的研究[18-19]。涂瑋靈等[20]通過向底泥中投加反硝化細(xì)菌修復(fù)黑臭河道底泥，當(dāng)投加量為0.5g/m3時(shí)，6周后底泥厚度降低3.43cm，有機(jī)質(zhì)降解率13.69%，生物降解能力增長280.8%，上覆水COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別為76.5%、94.4%、87.8%和79.4%。微生物投加有助于構(gòu)建底泥微生物群落，提高微生物群落活性，改善水體和底泥生境[21]。孫井梅等[5]在底泥中投加異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌和生物促生劑，發(fā)現(xiàn)底泥微生物群落向更適宜降解去除污染物質(zhì)的方向演替，與脫氮、有機(jī)物降解有關(guān)的微生物群落相對(duì)豐度呈升高趨勢(shì)。Vezzulli等[22]的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，投加生物強(qiáng)化劑和生物酶活劑可提升底泥微生物產(chǎn)酶量及其胞外酶活性，使底泥污染物降解速率增加。但實(shí)際工程應(yīng)用中尚存在諸多局限，如生物制劑易流失、酶制劑失活、市售生物制劑產(chǎn)品性狀和效果不穩(wěn)定等問題。因此，很多科研工作者嘗試篩選、馴化高效土著微生物菌劑，通過引入生物載體的方式，提高底泥中微生物濃度[22]。

4 植物修復(fù)技術(shù)

利用水生植物及其根系負(fù)載生物膜對(duì)污染物質(zhì)的吸收、降解作用，并通過收割植物移除污染物，作為一種簡單易行、成本低廉且極具景觀效應(yīng)的修復(fù)技術(shù)在污染河水生態(tài)修復(fù)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用[23]。沉水植物扎根于底泥中，通過自身的生理活動(dòng)影響底泥的理化環(huán)境及生化反應(yīng)。例如，通過根系釋氧增加根系周邊的溶解氧，提高沉積物的氧化還原電位[24];分泌低分子量有機(jī)物（糖類、有機(jī)酸、氨基酸等）、細(xì)胞脫落物及其產(chǎn)物、養(yǎng)分離子等[25]，增強(qiáng)沉積物中微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[26]，降低根系周圍pH[27]。沉水植物根際形成的這種特殊的生態(tài)環(huán)境，為根區(qū)好氧、兼氧和厭氧微生物提供了各自的小生境。陳登等[28]研究發(fā)現(xiàn)，狐尾藻和苦草根際底泥中nirS、nirK、nosZ基因拷貝數(shù)升高，而水蘊(yùn)草根際底泥hzO基因拷貝數(shù)顯著增加。由此認(rèn)為，狐尾藻和苦草根際底泥的主要脫氮方式為反硝化，而水蘊(yùn)草根際底泥的主要脫氮方式為厭氧氨氧化過程。種植沉水植物有效促進(jìn)了底泥中有機(jī)物的礦化，降低氮、磷、重金屬含量，抑制底泥中氮磷向上覆水體的釋放。馬久遠(yuǎn)等[29]通過對(duì)太湖沉積物的采樣分析發(fā)現(xiàn)，馬來眼子菜群落內(nèi)沉積物中TN、有機(jī)氮、氨氮和硝態(tài)氮含量較群落外平均降低43.29%、50.78%、7.09%和10.86%。王立志等[30]研究發(fā)現(xiàn)，黑藻、苦草和菹草沉積物中TP含量最大降低幅度分別達(dá)35.34、60.67、25.92mg/kg。但是沉水植物生長繁殖受光照、底泥特性、懸浮物、溫度等環(huán)境因子的影響較大[31]，植物幼苗對(duì)環(huán)境的耐受性更差。實(shí)際工程中，沉水植物種植后幼苗的存活率很低，不利于沉水植被的恢復(fù)。因此，如何提高沉水植物幼苗的存活率是重建沉水植被、實(shí)現(xiàn)沉水植物推廣應(yīng)用于底泥修復(fù)的關(guān)鍵。

5 展望

隨著我國各地截污納管工作的有序推進(jìn)，底泥成為水體污染的主要來源，也是水質(zhì)提升的關(guān)鍵。底泥是水體污染物的蓄積庫，受水體污染源影響，成分復(fù)雜，污染物含量差異較大，給原位修復(fù)帶來了很大的難度。原位覆蓋、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和植物修復(fù)技術(shù)可有效削減底泥中污染物含量，減少污染物向上覆水體的釋放，但是在開放水體中，受外界環(huán)境影響，修復(fù)效果往往難以持續(xù)穩(wěn)定。因此，多技術(shù)的集成可能是未來底泥原位修復(fù)的發(fā)展方向。

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（責(zé)編：徐世紅）

Research Progress on the In-situ Remediation Technology for Contaminated Sediment

XU Yunjie1? ZHAO Chengdong1? ?CHU Shuyi2， 3? ?DAI Xianqin4

（1Agricultural and Rural Bureau of Wencheng County， Wenzhou 325399， China; 2College of Life and Environmental Science， Wenzhou University， Wenzhou 325035， China; 3Wenzhou Vocational College of Science & Technology， Wenzhou 325006， China; 4Wenzhou Chuangyuan Environment Technology Co. Ltd.， Wenzhou 325036， China ）

Abstract： Sediments are both the sink and source of water pollutants. As external pollution sources are gradually controlled， internal pollution induced by contaminants of the sediments becomes the main cause of water pollution. Compared with ex-situ remediation， in-situ remediation is easy to operate， cost effective， and with lower secondary pollution risk. In the paper， in-situ remediation technologies including in-situ capping， chemical remediation， biological remediation and phytoremediation are introduced， and the characteristics， current research status， and problems of these approaches are analyzed. The development direction of in-situ remediation in the future is proposed based on the properties of sediments.

Key words： Contaminated sediment; In-situ remediation; Research progress

基金項(xiàng)目：溫州市科協(xié)服務(wù)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（kjfw36）;溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（S20190003，S20210010）;甌海區(qū)第二批領(lǐng)軍型人才科技專項(xiàng)。

作者簡介：徐云杰（1969—），男，浙江文成人，農(nóng)藝師，從事面源污染治理與技術(shù)推廣工作。 通訊作者：褚淑祎（1981—），女，浙江余姚人，博士，從事污染水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究工作。? 收稿日期：2021-12-17