污染底泥原位修復技術研究進展

　　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，底泥引發的內源污染成為水體污染的主要原因。與異位修復相比，原位修復操作方便，成本較低，二次污染較小。該文介紹了原位覆蓋、化學修復、生物修復和植物修復等底泥原位修復技術，分析了這些技術的特點、研究現狀以及存在的問題，并結合底泥的污染特性，提出了今后底泥污染修復的發展方向。

　　關鍵詞：污染底泥;原位修復;研究進展

　　底泥是水生態系統的重要組成部分，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]。受濃度差擴散、底棲生物活動影響，或當環境條件發生變化時，底泥中污染物會向水中釋放，對水體造成二次污染[2]。隨著外來污染源逐漸得到有效控制，底泥污染物引發的內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，本應在3年內恢復水質，但若考慮底泥的釋放作用，則需要35年以上才能恢復[4]。因此，底泥內源污染的控制和修復是水體修復的關鍵因素之一。底泥污染也是目前普遍存在的環境問題。

　　底泥污染控制技術主要有異位和原位修復2種類型。異位修復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，產泥量大，成分復雜，且堆存過程占用土地，易產生二次污染。近年來，疏浚底泥處置不當造成的環境和生態問題越來越嚴重，引起社會各界的廣泛關注。原位修復技術通過物理、化學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，原位修復操作方便，成本較低，二次污染較小，被認為是未來污染底泥治理的主流技術[5]。

　　1 原位覆蓋技術

　　原位覆蓋是應用最多的原位修復技術，始于20世紀70年代后期，迄今在美國、德國、日本、挪威及加拿大等國進行了應用[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，對環境影響較小。但這種技術沒有從根本上去除污染物，當外界條件發生變化或覆蓋層遭到破壞時，污染物可再次釋放進入上覆水體，且一定程度上會增加底泥厚度，減少水體容量。

　　2 化學修復技術

　　在底泥中投加化學藥劑，通過混凝、沉淀、氧化、還原、絡合等作用，可使污染物從底泥分離，轉化為低毒或無毒形態。原位化學修復效果顯著，投資和能耗較低，易于實現。硝酸鈣、過氧化鈣、零價鐵是目前研究和應用較多的化學藥劑[10-12]。硝酸鈣對于底泥中磷、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微生物的活性，促進脫氮細菌的反硝化作用[13]。過氧化鈣作為氧氣緩釋劑在去除底泥有機碳、有機氮及控制底泥臭味及磷釋放等方面具有明顯效果[14]。零價鐵可將大分子有機物還原成生物可利用的小分子有機物、與磷結合形成Fe-P結合態沉淀、還原某些重金屬離子以降低其毒性[15]。但是化學藥劑投加量過大，會使底泥生態環境發生變化，對底棲生物的生物活性產生影響[16]。因此，近年來許多學者嘗試將化學方法與生物法有機結合起來，降低化學藥劑用量，減小對底泥生態環境的副作用[17]。

　　3 微生物修復技術

　　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移，因經濟有效、操作簡便、環境友好、無二次污染等優點，在底泥原位修復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菌修復黑臭河道底泥，當投加量為0.5g/m3時，6周后底泥厚度降低3.43cm，有機質降解率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]在底泥中投加異養硝化-好氧反硝化菌和生物促生劑，發現底泥微生物群落向更適宜降解去除污染物質的方向演替，與脫氮、有機物降解有關的微生物群落相對豐度呈升高趨勢。Vezzulli等[22]的研究進一步發現，投加生物強化劑和生物酶活劑可提升底泥微生物產酶量及其胞外酶活性，使底泥污染物降解速率增加。但實際工程應用中尚存在諸多局限，如生物制劑易流失、酶制劑失活、市售生物制劑產品性狀和效果不穩定等問題。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 植物修復技術

　　利用水生植物及其根系負載生物膜對污染物質的吸收、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的修復技術在污染河水生態修復中得到了廣泛的研究和應用[23]。沉水植物扎根于底泥中，通過自身的生理活動影響底泥的理化環境及生化反應。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];分泌低分子量有機物(糖類、有機酸、氨基酸等)、細胞脫落物及其產物、養分離子等[25]，增強沉積物中微團聚體的穩定性[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環境，為根區好氧、兼氧和厭氧微生物提供了各自的小生境。陳登等[28]研究發現，狐尾藻和苦草根際底泥中nirS、nirK、nosZ基因拷貝數升高，而水蘊草根際底泥hzO基因拷貝數顯著增加。由此認為，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了底泥中有機物的礦化，降低氮、磷、重金屬含量，抑制底泥中氮磷向上覆水體的釋放。馬久遠等[29]通過對太湖沉積物的采樣分析發現，馬來眼子菜群落內沉積物中TN、有機氮、氨氮和硝態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]研究發現，黑藻、苦草和菹草沉積物中TP含量最大降低幅度分別達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、溫度等環境因子的影響較大[31]，植物幼苗對環境的耐受性更差。實際工程中，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。因此，如何提高沉水植物幼苗的存活率是重建沉水植被、實現沉水植物推廣應用于底泥修復的關鍵。

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