朱蘭保，盛 蒂

(蚌埠學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系，安徽 蚌埠 233030)

由于長(zhǎng)期的外源輸入和水生生物殘?jiān)某练e，底泥富集了大量的污染物，如重金屬、氮、磷等營養(yǎng)物和難降解有機(jī)物等.在外源污染得到有效控制后，底泥中的這些污染物仍可能對(duì)水體產(chǎn)生“二次污染”［1-3］.許多實(shí)驗(yàn)［4-8］已經(jīng)證明，水體底泥中的營養(yǎng)鹽類、有毒化學(xué)物及毒性菌種的含量要比其在上層水體中的含量高出許多，受污染的底泥已在世界范圍內(nèi)對(duì)人類健康和環(huán)境構(gòu)成了威脅.可以預(yù)見，隨著外源污染控制技術(shù)的不斷發(fā)展和治理效果的不斷提高，底泥污染治理問題將日益受到重視.

污染底泥控制技術(shù)主要分為兩大類:原位處理技術(shù)和異位處理技術(shù).原位處理技術(shù)是將污染底泥留在原處，采取措施阻止底泥污染物進(jìn)入水體，即切斷內(nèi)污染源的污染途徑，主要有覆蓋(掩蔽)、固化、氧化、引水、物理淋洗、噴氣和電動(dòng)力學(xué)修復(fù)等技術(shù);異位處理技術(shù)是將污染底泥挖掘出來運(yùn)輸?shù)狡渌胤胶笤龠M(jìn)行處理，即將水體的內(nèi)污染源轉(zhuǎn)移走，以防止其污染水體，主要有疏浚、異位淋洗、玻璃化等技術(shù).原位覆蓋技術(shù)是底泥污染原位處理技術(shù)的一種，本文主要對(duì)這一技術(shù)作以簡(jiǎn)要介紹，并就其在我國的應(yīng)用前景進(jìn)行分析.

1 原位覆蓋技術(shù)的原理與功能

原位覆蓋技術(shù)是通過在污染底泥表面鋪放一層或多層清潔的覆蓋物，使污染底泥與上層水體隔離，從而阻止底泥中污染物向上覆水體的遷移，主要利用覆蓋層材料和污染物之間的各種物理化學(xué)作用來對(duì)污染底泥進(jìn)行修復(fù)，大致可以分為3類:①水力阻滯.水力阻滯作用反應(yīng)了覆蓋材料的水穿透能力，也反應(yīng)出弱吸附溶解態(tài)污染物穿透覆蓋層材料進(jìn)入上覆水的能力.水力阻滯作用可用水力傳導(dǎo)系數(shù)K來表示，K值越大，水力阻滯作用越小，化合物越容易穿透覆蓋層而進(jìn)入上覆水相中.②吸附.通過吸附作用，污染物被固定在覆蓋層材料上從而降低溶解態(tài)污染物的濃度.③降解.降解作用是通過生化或化學(xué)反應(yīng)將污染物高效、快速、徹底地降解轉(zhuǎn)化成無毒無害的物質(zhì).在一些自然凈化能力不強(qiáng)或污染物濃度較大的場(chǎng)址中，應(yīng)考慮加入活性覆蓋層材料，以促進(jìn)污染物降解.

覆蓋層是原位修復(fù)技術(shù)的核心部分，它可以是一種材料構(gòu)成的單一覆蓋層，也可以是多種材料構(gòu)成的復(fù)合覆蓋層.覆蓋層的設(shè)計(jì)通常應(yīng)滿足以下基本功能［9］:通過覆蓋層，將污染底泥與上層水體物理性隔開;覆蓋使污染底泥固定，防止污染底泥的再懸浮或遷移;通過覆蓋物的吸附作用，有效削減底泥中污染物的釋放通量.

2 原位覆蓋材料

2.1 天然材料

天然覆蓋材料包括清潔的沉積物、土壤、沙子、淤泥、砂礫等，其中沙子是最為常用的材料.天然覆蓋材料屬于惰性覆蓋層，本身對(duì)污染物并非起降解作用，主要通過水力阻滯與物理、化學(xué)吸附等作用減緩沉積物間隙水中的溶解性污染物向水體擴(kuò)散與遷移.由于這些天然覆蓋材料的有機(jī)碳含量較低，吸附作用均較小，而它們的水力傳導(dǎo)系數(shù) K相差較大，因此覆蓋層材料的水力傳導(dǎo)系數(shù)的大小在很大程度上反映了其對(duì)該種污染物的修復(fù)能力.

這類材料具有以下優(yōu)點(diǎn):對(duì)持久性有機(jī)污染物、重金屬等有很好的截留作用［10-11］.此外，這類材料在自然界中廣泛存在，運(yùn)輸方便，能滿足工程的大量使用需求.在實(shí)際工程中，也可以采用從河流上游或相鄰河流挖掘的清潔沉積物或泥沙，或從岸邊高地挖掘的清潔土壤進(jìn)行覆蓋，成本低廉，無生態(tài)毒性，適合生物棲息，使生物群落能很快恢復(fù)［12］.

天然覆蓋材料的不足之處主要有:有機(jī)碳含量低，吸附能力較差，不利于沉積物/間隙水相中污染物的固定，修復(fù)效率較低;材料顆粒間結(jié)合力弱，水化后密度降低，受沉積物與水體間水的對(duì)流、擴(kuò)散作用和上覆水流的沖刷作用以及生物擾動(dòng)的影響很容易受到侵蝕或上浮，破壞了覆蓋層的完整性，降低了修復(fù)效果［12］.實(shí)際工程中往往通過增大覆蓋層厚度來彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，但這又將降低水深，給水道通航帶來不便.

2.2 改性粘土材料

為了提高污染底泥的修復(fù)效果，在天然覆蓋材料基礎(chǔ)之上，開發(fā)了多種能夠促進(jìn)污染物吸附的覆蓋材料，這類材料主要為改性粘土.粘土粒徑較小，粘度較大，水力傳導(dǎo)系數(shù)較?。?3］，與自然覆蓋材料相比，能有效阻止污染物向上覆水體擴(kuò)散.但是粘土是一類含有大量可交換陽離子親水性無機(jī)礦石，其表面通常存在一層薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性的有機(jī)物質(zhì)，降低了對(duì)有機(jī)污染物的截留作用，因此有必要對(duì)粘土進(jìn)行改性.改性粘土包括有機(jī)改性粘土和商品化的AquaBlokTM材料.

有機(jī)改性后的粘土，有機(jī)碳含量提高，因此其對(duì)有機(jī)污染物的吸附能力也大幅提高，為未改性材料的10～30倍.尤其是經(jīng)陰陽離子表面活性劑改性后的粘土具有了有機(jī)物質(zhì)吸附層和離子吸附層的雙層結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)修復(fù)重金屬和有機(jī)物復(fù)合污染.常見有機(jī)粘土包括有機(jī)改性膨潤土、有機(jī)改性沸石、有機(jī)改性高嶺土等.AquaBlokTM［14］是商品化的改性粘土材料，是美國Hull＆Associate公司的注冊(cè)產(chǎn)品.它是一種以粘土為基礎(chǔ)，砂礫作為核心的復(fù)合材料.與天然的覆蓋材料(沙子)相比，AquaBlokTM具有弱透過性、容易安裝、抗侵蝕等特點(diǎn)，能有效截留污染物.AquaBlokTM的功效已經(jīng)在一些工程實(shí)踐中得到證實(shí).

2.3 活性覆蓋材料

零價(jià)鐵、磷灰石、方解石等是常用的活性覆蓋材料.活性覆蓋材料產(chǎn)生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了降解污染物的功能，拓展了覆蓋材料的應(yīng)用范圍.Hull等［12］認(rèn)為這2種方法的結(jié)合，尤其是使用相對(duì)弱透過性、抗侵蝕的以粘土為主的覆蓋材料，既可以克服2種技術(shù)固有的缺陷，也加強(qiáng)了過程控制水平，因此有利于提高處理效果，降低了間接環(huán)境危害.

2.4 土工材料

土工材料是一類用聚合物為原料制造的主要用于巖土工程的材料.它主要包括4種類型的產(chǎn)品:土工織物(或稱土工布)、土工網(wǎng)(或土工格柵)、土工膜和土工復(fù)合材料.根據(jù)使用用途可分為過濾型、排水型、分離型、加筋型和格柵型.土工材料的應(yīng)用有著悠久的歷史，在道路設(shè)計(jì)、水力工程、固體廢物處理等領(lǐng)域取得成功的應(yīng)用.最近幾年，土工材料水體沉積物污染原位修復(fù)和異位修復(fù)工程中已經(jīng)開始有了一些應(yīng)用.

土工材料很少單獨(dú)應(yīng)用于沉積物修復(fù)工程中，而是將其它材料包裹其中［15］，這是因?yàn)橥凉げ牧媳旧韺?duì)污染物并不起到吸附阻滯作用，但是其特殊的工程特性，可以使原位覆蓋技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷拓展，覆蓋層安置替換操作簡(jiǎn)單，效果監(jiān)控方便.由于傳統(tǒng)的覆蓋材料比較松散，使其原位覆蓋技術(shù)不容易在河床坡度較大的沉積物上進(jìn)行，而利用加筋型土工材料則可以很好地解決這個(gè)問題.由于土工材料的致密性、高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)［16］，它的應(yīng)用將能有效防止其他松散性材料的上浮，并且使得失效的覆蓋材料的定期更換變成可能而又簡(jiǎn)單.

3 原位覆蓋技術(shù)施工方式

原位覆蓋工程的施工方式與其成本密切相關(guān)，同時(shí)也影響覆蓋實(shí)施后的效果.目前，原位覆蓋技術(shù)的施工方式主要有以下幾種［9］:①機(jī)械設(shè)備表層傾倒方式.即將覆蓋材料采用卡車、起重機(jī)等機(jī)械設(shè)備直接向水里傾倒，通過覆蓋物的重力作用自然沉降將底泥掩蔽住.這種施工方式的優(yōu)點(diǎn)是施工工藝簡(jiǎn)單，成本低，但受卡車等機(jī)械所能夠到達(dá)的范圍與地理交通環(huán)境的限制，一般只適用于岸邊的區(qū)域，同時(shí)覆蓋的厚度也不均勻;②移動(dòng)駁船表層撒布方式.用駁船載著覆蓋材料在覆蓋區(qū)域內(nèi)緩慢移動(dòng)，駁船底部是活底，可將其打開，撒布覆蓋材料.這種施工方式不僅簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，而且不受地理?xiàng)l件限制，可以覆蓋整個(gè)水域的任何區(qū)域;③水力噴射表層覆蓋法.用平底駁船載著覆蓋沙子，然后用高壓水將船上的沙子沖洗入水中.這種方法優(yōu)點(diǎn)是通過水力沖洗可以防止人為不小心所造成的大量?jī)A倒，適合水深小于4 m的水域的覆蓋;④駁船管道水下覆蓋法.通過駁船上的管子將覆蓋物注入到水體下層，管子的下端是圓錐體的，可使覆蓋物更好的分散開來.該方法的優(yōu)點(diǎn)是直接水下覆蓋，底泥的擾動(dòng)小，對(duì)底棲生物不會(huì)造成掩埋，但施工工藝相對(duì)較復(fù)雜，成本也相對(duì)較高.

4 原位覆蓋技術(shù)實(shí)例

迄今，已有許多實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)的原位污染底泥覆蓋工程試驗(yàn).世界上首例原位覆蓋工程是1978年在美國實(shí)施的，隨后日本、挪威以及加拿大等國家相繼實(shí)施了這一技術(shù)［2］.到目前為止，國外原位覆蓋技術(shù)已經(jīng)在河道、近海岸、河口等區(qū)域較廣泛的使用，國外較成功的覆蓋工程實(shí)例如表1 所示［9］.

表1 國外底泥覆蓋的應(yīng)用實(shí)例［9］

在國內(nèi)，像這樣單獨(dú)的采用覆蓋技術(shù)來控制底泥污染還只停留在實(shí)驗(yàn)探索階段.如童昌華，濮培民等［17］通過對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的底泥采取塑料包被的物理措施來模擬底泥在采用覆蓋控制技術(shù)后的效果.但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該包被技術(shù)雖在短期內(nèi)能暫時(shí)控制底泥中營養(yǎng)鹽的釋放，但不能保持長(zhǎng)久，并會(huì)在隨后表現(xiàn)出一定的“補(bǔ)償效應(yīng)”.薛傳東等［18］選取天然紅土，添加適量的粉煤灰及石灰粉作為掩蔽覆蓋物，對(duì)滇池富營養(yǎng)化水體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)實(shí)驗(yàn).研究表明，用天然礦物材料減小底泥內(nèi)源營養(yǎng)鹽負(fù)荷的釋放修復(fù)富營養(yǎng)化水體的效果良好.紅土是有效的底泥覆蓋材料，添加粉煤灰和石灰粉有助于消減底泥中TP，TN的釋放量.

5 原位覆蓋技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

原位覆蓋技術(shù)適用于多種有機(jī)和無機(jī)污染底泥，不僅可以有效控制底泥中氮、磷等營養(yǎng)鹽的釋放，還可以控制重金屬及PCBs、PAHs、苯酚等持久性有機(jī)物的釋放，對(duì)污染底泥的修復(fù)效果非常明顯，工程造價(jià)低，而且覆蓋技術(shù)采用的是清潔泥沙等天然礦物，性狀比較穩(wěn)定，一般不會(huì)改變水體的性質(zhì)，對(duì)環(huán)境潛在的危害小.

覆蓋技術(shù)當(dāng)然也有它的不足之處，因而有一定的局限性.一方面，由于投加覆蓋材料，會(huì)增加湖泊中底質(zhì)的體積，減小水體的水深，改變湖底坡度，因而在淺水或?qū)λ钣幸欢ㄒ蟮乃颍绾影?、海岸及航線區(qū)域，不宜采用原位覆蓋技術(shù);另一方面，在水體流動(dòng)較快的水域，覆蓋后覆蓋材料易被淘蝕，影響覆蓋的效果.同時(shí)，由于原位覆蓋會(huì)改變水流流速、水力水壓等條件，如果對(duì)這些水力條件有要求的區(qū)域，覆蓋技術(shù)則不能實(shí)行.另外，覆蓋法的一個(gè)大問題是需要尋找便宜清潔的覆蓋材料來源.

6 原位覆蓋技術(shù)展望

目前，從研究成果來看，國外運(yùn)用覆蓋技術(shù)進(jìn)行底泥污染釋放的控制工程很多，而此技術(shù)在我國應(yīng)用卻并不廣泛.筆者認(rèn)為，至于覆蓋技術(shù)是否適合在我國進(jìn)一步推廣，還需要更多的小試、中試等工程來驗(yàn)證.一方面，在實(shí)踐中不斷地總結(jié)覆蓋控制技術(shù)在我國應(yīng)用的效果;另一方面，在實(shí)踐中不斷地規(guī)范覆蓋技術(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)范及施工規(guī)范，這對(duì)確?？陀^的研究和評(píng)價(jià)該技術(shù)是十分必要的.再者，可以考慮覆蓋和固體廢物處理相結(jié)合，將經(jīng)無害化處理的固體廢物或廢物的固化體作為覆蓋材料，這樣既達(dá)到了覆蓋的目的，又處置了固體廢物，一舉兩得.

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