污染底泥原位修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

　　摘 要：底泥是水體污染物的“匯”與“源”。隨著外來(lái)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(wèn)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

　　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(guò)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(lái)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(wèn)題。

　　底泥污染控制技術(shù)主要有異位和原位修復(fù)2種類(lèi)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(lái)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(guò)程占用土地，易產(chǎn)生二次污染。近年來(lái)，疏浚底泥處置不當(dāng)造成的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題越來(lái)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(guò)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(lái)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(guó)、德國(guó)、日本、挪威及加拿大等國(guó)進(jìn)行了應(yīng)用[6]。原位覆蓋法通過(guò)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(lái)源廣泛，對(duì)環(huán)境影響較小。但這種技術(shù)沒(méi)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(guò)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(wú)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(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)，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(jiǎn)便、環(huán)境友好、無(wú)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(guò)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(zhǎng)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(wèn)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(guò)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(guò)收割植物移除污染物，作為一種簡(jiǎn)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(guò)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(guò)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(lèi)、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?chē)鷓H[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(guò)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(guò)對(duì)太湖沉積物的采樣分析發(fā)現(xiàn)，馬來(lái)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(zhǎng)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。

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