張友德，田文鳳，何建軍，戴曹培

(安徽新宇生態(tài)產(chǎn)業(yè)股份有限公司，安徽 合肥 230000)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，人民生活水平日益提高的同時(shí)，污染物量不斷增加。在未進(jìn)行截污納管之前，大多數(shù)污染物匯聚至河道，超過水體負(fù)荷，導(dǎo)致水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。

據(jù)中國生態(tài)環(huán)境部2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)公布，截至2020年底，全國地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體消除比例達(dá)98.2%，黑臭水體治理取得顯著成效。而依據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體需總體得到消除。同時(shí)，《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)村黑臭水體治理工作的指導(dǎo)意見》中提到，到2025年，形成一批可復(fù)制、可推廣的農(nóng)村黑臭水體治理模式，加快推進(jìn)農(nóng)村黑臭水體治理工作；到2035年，基本消除我國農(nóng)村黑臭水體。另，農(nóng)村黑臭水體的數(shù)量也不容小覷，如安徽省農(nóng)村黑臭水體共有15195條，總長度約6962 km[1]。因此，黑臭水體治理任務(wù)仍然迫切。

黑臭水體污染來源通常分為兩類即內(nèi)源和外源：外源污染是指污染物質(zhì)進(jìn)入水體后造成的污染，如生活污水、地表徑流(含有機(jī)污染物)、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染等；內(nèi)源污染主要是指進(jìn)入水體的污染物質(zhì)通過物理、化學(xué)和生物作用，逐漸沉降至底泥表層，當(dāng)污染物質(zhì)積累到一定量時(shí)，向上覆水中釋放，底泥由污染物的“匯”轉(zhuǎn)為“源”。在外源污染物得到有效控制后，底泥內(nèi)源污染成為水體污染的重要來源。如有外源排入的局部湖灣和城市黑臭水體，底泥氮、磷的釋放通量一般在100和10 mg/(m2·d)左右[2，3]。在太湖底泥中蓄積著湖體約90%以上的污染物[4]。本文通過對底泥內(nèi)源污染及治理技術(shù)分析，以期為黑臭水體底泥內(nèi)源治理技術(shù)選擇和研究提供參考。

2 底泥內(nèi)源污染

2.1 底泥內(nèi)源污染治理必要性

底泥內(nèi)源污染導(dǎo)致很多惡性問題發(fā)生，如生態(tài)系統(tǒng)功能及生物多樣性退化、藻類過度繁殖、水體惡臭、水生動(dòng)植物死亡等[5，6]。在城市黑臭水體治理過程中，多地存在治理后水體出現(xiàn)返黑返臭現(xiàn)象。底泥內(nèi)源污染是導(dǎo)致河道黑臭反復(fù)的主要因素。李永新等[7]在連續(xù)監(jiān)測南寧市二坑溪返黑返臭機(jī)制探索中發(fā)現(xiàn)，水體返黑返臭與內(nèi)源污染物的微生物降解和外源輸入有關(guān)。“十四五”規(guī)劃中提出，要鞏固地級及以上城市黑臭水體治理成效。因此，底泥內(nèi)源污染治理是黑臭水體治理工作中不可或缺的一環(huán)。

2.2 底泥污染組成及特征

底泥內(nèi)源污染主要污染物為氮磷、有機(jī)質(zhì)及重金屬。馮艷紅[8]在研究蘇南地區(qū)部分農(nóng)村河道底泥污染特征中檢測出不同程度的有機(jī)污染物。楊盼等[9]研究巢湖南淝河河口底泥污染特征發(fā)現(xiàn)，巢湖南淝河入湖河口匯流灣區(qū)底泥總氮(TN)、總磷(TP)、有機(jī)質(zhì)(OM)及重金屬存在不同程度污染，且主要集中在0～30 cm的底泥中，隨著底泥深度增加有逐漸降低的趨勢。

底泥粒徑大小差異會(huì)影響對污染物的結(jié)合強(qiáng)度以及釋放潛力。底泥粒徑從大到小可分為粗砂、細(xì)砂、粉粒和粘粒。魏嵐等[10]在研究廣東省不同水庫的底泥對氮磷釋放作用的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，底泥的機(jī)械組成會(huì)影響底泥中氮磷的賦存形態(tài)以及含量，影響底泥內(nèi)源氮磷的釋放。底泥中污染物分布受底泥粒徑影響，進(jìn)而影響其向上覆水釋放的潛力。由于底泥性質(zhì)的差異修復(fù)技術(shù)實(shí)施產(chǎn)生效果不同。底泥按其生物活性從上到下可分為活化層、過渡層、穩(wěn)定層?；罨瘜又形廴疚餄舛雀?，內(nèi)源釋放污染物的作用強(qiáng)烈。內(nèi)源治理主要是解決活化層的污染問題。因此，底泥內(nèi)源污染治理需結(jié)合底泥內(nèi)源污染組成及特征綜合考慮，采取相應(yīng)的治理技術(shù)及治理深度。

3 底泥內(nèi)源污染治理技術(shù)

3.1 物理修復(fù)技術(shù)

3.1.1 疏浚技術(shù)

疏浚主要分為3種：排干疏浚、水下疏浚以及環(huán)保疏浚。排干疏浚是將水完全排空后再進(jìn)行疏浚，其疏浚效果徹底，但對施工季節(jié)要求較高。水下疏浚是將疏浚機(jī)械安裝在可移動(dòng)的作業(yè)船上[11]，利用疏浚工具清除污染底泥，并通過管道把清理的淤泥輸送到指定排放位置。環(huán)保疏浚是指以減少底泥內(nèi)源負(fù)荷和污染風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，用機(jī)械方式，將富含污染物的指定量上層沉積物進(jìn)行精確、有效和安全清除的技術(shù)，并考慮為水生生物的恢復(fù)創(chuàng)造條件[12]。表1[13～17]對不同疏浚方式進(jìn)行了對比。疏浚不僅要考慮采用什么樣的疏浚方式、工具及工藝，還要考慮污泥輸送、堆場設(shè)計(jì)、余水處理及污泥資源化處置等問題。

表1 疏浚方式對比

3.1.2 曝氣技術(shù)

曝氣技術(shù)是指人工向水體充入空氣、氧氣或臭氧，加速水體從厭氧、缺氧狀態(tài)迅速恢復(fù)到好氧狀態(tài)。曝氣的作用主要有3方面[18]：①提高水體或底泥溶解氧(DO)含量，抑制厭氧微生物分解和藻類的生長；②改善水體和底泥氧化還原環(huán)境；③增加水體擾動(dòng)，促進(jìn)底泥中氨氮向水體擴(kuò)散，能促進(jìn)底泥微生物數(shù)量和多樣性的增加。汪健華等[19]研究發(fā)現(xiàn)原位曝氣有利于對底泥內(nèi)源氮、磷營養(yǎng)鹽的控釋，泥水界面硝化率與反硝化率分別達(dá)到46.3%和43.6%。曝氣設(shè)備、曝氣量、曝氣深度等條件可直接影響水體中DO濃度和缺氧微環(huán)境分布[20]，進(jìn)而影響污染物的降解及去除。王美麗等[21]實(shí)驗(yàn)表明，相比水體曝氣，底泥曝氣能更好地去除底泥中污染物，且底泥曝氣深度越深，處理效果越好。表2[22～24]對不同曝氣技術(shù)進(jìn)行了類比。

表2 曝氣技術(shù)類比

3.1.3 底泥原位洗脫技術(shù)

3.1.4 原位覆蓋技術(shù)

3.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)是將污染底泥與化學(xué)藥劑進(jìn)行混合，捕獲底泥中的污染物或者通過化學(xué)藥劑與底泥中的污染物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，減少底泥中污染物向水體的釋放[32]。根據(jù)其去除對象的不同分為營養(yǎng)鹽固定化制劑、重金屬固定化制劑、除藻劑等[33]。對于重金屬超標(biāo)的底泥，可以采用鈍化處理技術(shù)。目前國際上常用的鈍化劑有鈣鹽、鐵鹽和鋁鹽。李欣等[34]研究表明，底泥中CaO2投加量為5 g/L時(shí)(以污泥體積計(jì))，AVS可以降低72%以上，但會(huì)造成上覆水中COD和pH的升高，需要控制藥劑投量的同時(shí)與其他生物降解技術(shù)協(xié)同處理。楊華等[35]投加CaO2到城市黑臭河流中，發(fā)現(xiàn)CaO2雖可快速提高水體DO含量，但維持時(shí)間短僅為1 d，不適宜在開放流動(dòng)的城市黑臭河流治理中使用。

3.3 生物修復(fù)技術(shù)

3.3.1 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是通過投加高效能的微生物菌劑，加速污染物的降解轉(zhuǎn)化，同時(shí)對水環(huán)境中土著微生物有一定的促生和加強(qiáng)作用[36]。投加微生物菌劑分為兩類：一是直接向受污染河道投加微生物菌劑或酶制劑；二是投加微生物促生劑，促進(jìn)水體中土著微生物生長[37]。許崢等[38]分別采用不同種類的純生物菌劑(硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、光合細(xì)菌和芽孢桿菌)對黑臭水體底泥進(jìn)行異位處理，結(jié)果表明，底泥中含水率、總氮和有機(jī)質(zhì)含量都有不同程度的降低，投加量為35 mg/L的反硝化細(xì)菌試驗(yàn)組總氮和有機(jī)質(zhì)去除率分別達(dá)到59.90%和20.93%。微生物常是游離態(tài)和懸浮態(tài)，菌種易流失[39]。固定化微生物技術(shù)是運(yùn)用化學(xué)或物理手段將游離性的微生物細(xì)胞、動(dòng)植物細(xì)胞、細(xì)胞器或酶限制或定位在限定的空間范圍內(nèi)，使其不易懸浮于水且保留其固有的生物活性，并能被重復(fù)和連續(xù)利用的現(xiàn)代生物工程技術(shù)[40]，可防止細(xì)菌丟失，并增強(qiáng)其降解能力。林舒康[41]將沸石固定化光合細(xì)菌(投加周期為7 d)以0.5 kg/m2強(qiáng)度均勻拋撒入試驗(yàn)河道底泥中，150 d底泥有機(jī)質(zhì)降解率最高達(dá)到26 %左右。

3.3.2 水生植物修復(fù)技術(shù)

水生植物修復(fù)技術(shù)是利用特定的水生植物對水體中的污染物質(zhì)進(jìn)行吸收、富集、降解、轉(zhuǎn)移的方法技術(shù)。沉水植物是水生環(huán)境的重要組成部分，與其他類別的水生植物相比，沉水植物可以同時(shí)對底泥和水體中的污染物進(jìn)行去除，是水環(huán)境中重要的污染凈化體[42]。陶理等[43]研究4種典型沉水植物對去除鎘污染底泥的應(yīng)用效果，除金魚藻外其他3種植物在較低含鎘污染底泥(Cd≤20 mg/kg)的鎘富集能力大小為：菹草≈黑藻>伊樂藻。李印霞等[44]研究表明，菹草對巢湖底泥TN和TP的去除率分別為72.12%和61.99%。

需要注意的是，光照是影響沉水植物生長的重要因子。合田健[45]曾提出光合作用與呼吸作用平衡的水層深度，即光補(bǔ)償深度，并提出光補(bǔ)償深度約為水體透明度的1.5倍，或光照強(qiáng)度約為表面光強(qiáng)1%處的水深。其可作為沉水植物能否生長的臨界指標(biāo)。恢復(fù)沉水植物工程中，需考慮光照是否滿足沉水植物正常生長需求。

3.4 復(fù)合修復(fù)技術(shù)

實(shí)際水體污染及施工環(huán)境復(fù)雜，單一的處理技術(shù)去除效果或使用環(huán)境很難達(dá)到預(yù)期效果，可以集成或綜合處理技術(shù)，主要是物理、化學(xué)及生物技術(shù)之間的組合。楊長明等[46]研究發(fā)現(xiàn)，泥水界面納米微孔曝氣結(jié)合底泥原位覆蓋相較于單一處理，更有利于抑制城市重污染河道泥-水界面中磷的釋放風(fēng)險(xiǎn)。陳曦[47]在原位化學(xué)-物理-生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)組成的原位聯(lián)合修復(fù)技術(shù)控制底泥黑臭及氮磷釋放的研究中發(fā)現(xiàn)，過氧化鈣+沸石+金魚藻組對表層底泥AVS的去除率為98%。辛慧敏等[48]研究發(fā)現(xiàn)反硝化細(xì)菌、硝酸鈣和鋯改性沸石的組合處理技術(shù)(CN+DB+ZZ)可以有效地控制底泥中磷的釋放，有效降低底泥中氨氮的釋放速率，與CN和CN+ZZ技術(shù)相比還可降低上覆水的硝態(tài)氮二次污染風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 治理技術(shù)對比及分析

表3對上述治理技術(shù)進(jìn)行了對比分析。其中：物理技術(shù)較為成熟，但多數(shù)成本高，對季節(jié)和周邊環(huán)境要求高；化學(xué)技術(shù)存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)；生物法低成本、無二次污染，但其實(shí)際治理效果及效率仍有待進(jìn)一步研究，且需要與多種技術(shù)結(jié)合起來實(shí)施。

表3 治理技術(shù)對比

4 結(jié)語與展望

(1)底泥內(nèi)源污染治理，應(yīng)根據(jù)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，結(jié)合不同水體水文特征、底泥污染特征及程度、底泥資源化處置等來分析對于不同水體適用的治理技術(shù)及如何組合，做到精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污。

(2)底泥內(nèi)源污染治理需朝著水生態(tài)修復(fù)的方向進(jìn)行，治理后的水體要注重后續(xù)的維護(hù)和管理，要防止返黑返臭問題。

(3)底泥內(nèi)源污染治理技術(shù)未來研究方向以生態(tài)修復(fù)技術(shù)研發(fā)為主，以物理或化學(xué)技術(shù)為輔，加快修復(fù)效率，徹底解決底泥內(nèi)源污染問題。

黑臭水體水質(zhì)的恢復(fù)(包括底泥治理)是初步工作，目的是生態(tài)修復(fù)，最終達(dá)到有山有水、有草有魚、人水和諧的生態(tài)目標(biāo)。