污染水體底泥原位鈍化技術研究進展

游海林，吳永明，徐力剛，張 杰，劉麗貞，楊春燕

(1.江西省科學院鄱陽湖研究中心，330096，南昌；2.江西省鄱陽湖重點實驗室，330096，南昌；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，210008，南京)

污染水體底泥原位鈍化技術研究進展

游海林1,2，吳永明1,2，徐力剛3，張 杰1,2，劉麗貞1,2，楊春燕1,2

(1.江西省科學院鄱陽湖研究中心，330096，南昌；2.江西省鄱陽湖重點實驗室，330096，南昌；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，210008，南京)

針對目前在單純控制河流與湖泊外源污染條件下，由底泥釋放出來的內源污染物仍能導致水體發生再次污染及富營養化的現象，從污染水體底泥著手，提出一種生態、經濟、快速和效果穩定的底泥污染控制技術，即原位鈍化技術。該技術利用加入對底泥污染物具有鈍化作用的鈍化劑，經過沉淀、吸附等理化作用達到凈化水體的目的，是一種高效的湖泊內源污染控制技術。系統闡述了原位鈍化劑技術的工作原理與功能以及優點與不足，對比分析了鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽鈍化劑以及這3種鈍化劑的相互組合及其與其他材料搭配形成的復合鈍化劑(稱之為組合鈍化劑)的優缺點及應用條件，概述了國內外污染水體底泥原位鈍化技術的應用現狀，在此基礎上提出了污染水體底泥原位鈍化技術未來的重點研究方向：一方面是組合鈍化劑的推廣及應用，另一方面則是研發新型的鈍化劑。

水體底泥污染；鈍化劑；原位鈍化

0 引言

隨著當前經濟社會高度發展以及人類活動逐漸加劇的共同作用，大量的外源污染物通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與雨水沖刷等直接或者間接地進入河流、湖泊等水體，由于沒有及時遷移與輸出，大部分污染物最后都沉積于底泥中并逐漸富集，導致多數湖泊底質遭受嚴重污染[1-2]。大量研究報道證實，一旦條件適宜，如底泥上覆水缺氧、風浪擾動、夏季升溫或pH值偏離中性時等，即使河流與湖泊水體等外源污染得到控制，從底泥中釋放出來的氮、磷營養元素，仍會導致湖泊的富營養化，形成水體的二次污染[3-5]。據報道杭州西湖沉積物每年磷的釋放量達到1.3 t，而巢湖更是達到每年的220 t，大量的磷進一步加劇了水體富營養化程度[6]。國外的許多河流與湖泊，諸如瑞典的Erken湖、著名的美國5大淡水湖群、歐洲的萊茵河、荷蘭的阿姆斯特丹港及德國的漢堡港等也都受到不同程度的底泥污染，有的甚至發生大面積的水域黑臭現象[7-9]。底泥污染對人類與湖泊、河流等生態系統具有危害作用。美國EPA 在1998 年的調查報告中指出，美國已發生2 100 起關于魚類消費問題的事件，多次證實污染來自于底泥[10-11]。在我國也已發現并證實了水體底泥具有生物毒性，如樂安江在20～195 km 段沉積物均顯示出毒性；蘇州河底泥與河水均具有生物毒性[12-13]。因此水體底泥污染已經成為世界范圍內的一個重要環境問題，其預防與治理已經勢在必行。

國內外關于水體污染底泥控制技術的研究報道日趨成熟，歸納起來污染底泥控制技術主要包括兩類，即原位處理技術和異位處理技術[14-15]，兩類控制技術的具體劃分如圖1所示。原位鈍化技術通過抑制內源營養鹽的釋放來控制水體營養鹽含量，作為近年來興起的一種高效的湖泊內源污染控制技術，越來越受到人們的重視[16-17]。本文主要圍繞污染底泥的原位鈍化技術，作一個簡要的說明介紹。

圖1 底泥污染處理技術分類圖

1 原位鈍化技術原理與功能

原位鈍化技術的核心技術是利用加入對污染物具有鈍化作用的人工或自然物質，也就是所謂的鈍化劑，經沉淀、吸附等理化作用，降低水體中的磷濃度，同時將底泥中污染物惰性化，在污染底泥的表層形成隔離層，增加底泥對磷的束縛能力，減少底泥中污染物向上覆水體的釋放，從而達到凈化底泥與水體的作用[18-19]。原位鈍化技術原理示意圖如圖2所示[13]。運用原位鈍化技術處理底泥污染主要具有如下3個方面的功能：1)加入的鈍化劑在沉降過程中能捕捉水體中的磷與顆粒物，從而使水體中污染物得到較好的去除；2)鈍化層形成后可有效吸附并持留底泥中釋放的磷，從而有效減少由底泥釋放進入上覆水中的污染物量；3)鈍化層的形成可有效壓實浮泥層，減少底泥的懸浮[20]。

圖2 原位鈍化技術工作原理圖

2 原位鈍化技術優點與缺點

原位鈍化技術能夠快速有效的去除水體和底泥中的磷，同時對底泥中的黑臭現象也有一定抑制作用，且有效期可以維持較長時間[21-22]。原位鈍化技術由于其具有生態、經濟、快速和效果穩定等優點，在治理河道和湖泊底泥內源污染中發揮著重要作用[23]。然而，鈍化劑一般為純化學藥劑或改良后的化學藥劑，使用不當易對水體中的生物造成毒害作用，破壞生態系統的平衡與穩定性[24-25]。另外鈍化劑原位施加過程中比較難以控制，造成不同區域添加的鈍化劑不均勻，從而影響原位處理的效果。

3 原位鈍化技術鈍化劑來源與選擇

在原位鈍化技術中，鈍化劑的選擇十分關鍵。運用鈍化技術時應考慮到鈍化劑使用的安全性、可操作性與有效性，并且不會產生二次污染，此外由于河流與湖泊等水體面積及容積相對較大，需要投入大量的鈍化劑，因此還應考慮鈍化劑的購買價格與成本。當前常用的鈍化劑主要有：鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽，另外這3種常用鈍化劑相互組合及其與其他材料搭配形成的復合鈍化劑也有少量報道[14,16,18]。下面對這幾種鈍化劑的特點及使用一一作簡要說明。

3.1鋁鹽

鋁鹽鈍化劑是最早使用的鈍化劑，也是目前應用最為廣泛的鈍化劑，常見于廢水與飲用水的處理中。使用鋁鹽鈍化劑具有4個方面的特點：1)鈍化效果較穩定，不受氧化還原電位影響；2)處理效果較好，可使水體中磷濃度降低30%～90%；3)有效時間長，一般可以維持在1-20 a，平均可以達到10 a；4)處理成本低。另外，鋁鹽鈍化劑可以吸附水體中的重金屬離子，如鉻、銅、鉛、鋅(Zn) 等[23]。目前主要使用的鋁鹽鈍化劑主要有硫酸鋁(明礬)、氯化鋁、聚合氯化鋁等。在實際使用中，鋁鹽鈍化劑的使用效果受多種因素的影響，如鈍化劑的用量、pH值、水體中的堿度、擾動強度等[26-29]。

3.2鐵鹽

鐵鹽對水體和底泥中的磷去除和釋放控制主要是通過鐵氫氧化物的吸附絮凝作用而實現的。在堿性、氧化狀態條件下，Fe2+被氧化Fe3+，鐵鹽水解可生成Fe(OH)3絮狀物，Fe(OH)3除了可以吸附不穩定擴散狀態的膠體之外，也能吸附水體中的磷，并在底泥表面形成一個氧化“微型區”來控制底泥磷的釋放。另外，Fe(OH)3能夠與磷反應生成FeOOH-PO4絡合物與磷酸鐵等達到去除磷的目的[30-31]。在實際應用中，鐵鹽極易受到氧化還原條件和pH 值變化的限制。目前常使用的鐵鹽鈍化劑主要有氯化鐵和硫酸鐵等。隨著對鐵鹽研究的逐漸深入，一些復合鐵鹽與高分子聚合鐵鹽也被逐漸應用于底泥污染的處理中，如復合亞鐵、聚硫酸鐵等，并且取得了較好的應用效果[18]。

3.3鈣鹽

鈣鹽被應用于底泥污染的治理是近十年發展起來的，其原理主要利用鈣的化合物的吸附能力，以及在水體和底泥中通過形成羥基磷灰石去除水體中的磷[32]。在應用過程中，可向湖泊中投入碳酸鈣和氫氧化鈣，碳酸鈣能夠吸附磷，尤其是當pH值>9時，對磷的去除效果最好。另外，Ca2+和P在pH值高的情況下能形成羥基磷灰石，羥基磷灰石在pH值>9.5的情況下溶解性最低并且對磷的吸附能力最強[33]。在實際應用中，鈣鹽作為鈍化劑的時候需要控制水體和底泥中的pH值[30]。常用的鈣鹽主要有有熟石灰、氯化鈣、氧化鈣及硝酸鈣等。

3.4組合鈍化劑

針對鋁鹽、鈣鹽和鐵鹽3種鈍化劑各自的優點和不足，有學者提出將組合鈍化劑應用于污染底泥的原位處理技術當中，并取得了較好的效果。胡小貞等采用鋁酸鈉和石灰為pH 緩沖劑，運用并用粘土礦物對硫酸鋁進行改良，研究不同劑量的硫酸鋁對滇池污染底泥磷鈍化的效果發現，所有經處理后的底泥中的Al3+的濃度均小于0. 05 mg/L，該濃度的Al3+不會對水生生物造成毒害作用[24]。陳雷等將鋁鹽、土和鈣鹽組成的復合鈍化劑應用于滇池重污染湖灣福保灣的現場圍格中表明，該復合鈍化劑對底泥污染物具有較好的處理效果，經過處理后的水體透明度明顯提高，水體中藻類生物量和有機氮濃度減低，水質改善作用顯著[25]。組合鈍化劑具有處理污染效果好、改善水質明顯以及對水生生物毒害作用小等優點，為鈍化劑的選擇提供了一種新途徑。

4 原位鈍化技術實例應用與效果

在國外，原位鈍化技術已經被廣泛應用于河流、湖泊等污染水體底泥治理，并取得了較好的效果。例如1975年的West Twin Lake，1978年的Mirror Lake，1980年的White Lake，1986年的Morey Lake，1991-2002年的Green Lake以及美國的Cammbell Lake、Kitsap Lake等湖泊，在用鋁鹽處理后鈍化底泥中磷的時效能夠達5-12 a之久[26]。Prepas et al.運用碳酸鈣和氫氧化鈣對加拿大的2個湖泊(Halfmoon Lake和Figure Eight Lake)進行修復并作了長期跟蹤監測發現，處理后2個湖泊的總磷濃度和葉綠素a濃度均遠遠低于處理前的濃度[27]。

目前，在我國開展原位鈍化技術處理水體污染底泥的實例應用還不多。關于鈍化技術報道較早見于1996年長春南湖湖區內用聚乙烯材料圍成直徑2.8～3.2 m的圓柱形圍欄，并在圍欄內進行硫酸鋁鈍化底泥的試驗，結果表明經鈍化處理后圍欄范圍內可溶性磷酸鹽的去除率可達54.0%～80.6%[28]。成曉玲等在星湖分別投加鋁鹽和鐵鹽鈍化劑治理污染底泥，經過對比分析發現2種鈍化劑都取得了較好的去除效果，能脫除水體中50%左右的磷含量；且相比于鐵鹽鈍化劑而言，鋁鹽更容易凈化湖水水質，并且藥劑用量較少[29]。

5 討論與展望

隨著天然水體污染問題的日益突出，我國對水污染治理也越來越重視，政府對于河流與湖泊的外源污染控制力度逐步加強，并且取得了一定的效果。然而由水體底泥釋放出來的內源污染，仍舊使我國河流與湖泊等水體遭受嚴重的污染，因此內源污染的治理日顯重要，已經成為我國湖泊富營養化與生態修復的重要內容。原位鈍化技術作為當前一項重要的湖泊內源污染控制技術，其主要目的是使污染水體底泥減量化及無害化，由于其具有生態、經濟、快速和效果穩定等優點，在我國水體底泥污染治理中所起的作用也愈加顯著。然而原位鈍化技術在應用過程中也存在一些問題需要注意，如水體和底泥中的pH值維持在6～8的時候，鋁鹽鈍化劑去除磷才能發揮更大的效果，但是一旦水體中的pH值不在這個范圍內或者Al3+濃度大于50 μg/L時會對水生生物造成毒害甚至導致魚類死亡，故應用鋁鹽的時候需要考慮生態風險。鐵鹽對水體無毒性，但是鐵鹽容易受到氧化還原條件和pH值變化的限制，故需要借助其他的輔助措施(如曝氣或人工循環)進行。鈣鹽鈍化劑處理污染底泥時，應注意藥劑的用量問題，鈣鹽(氫氧化鈣)含量過高不僅會增加水體中的堿度，同時對水生生物也有危害作用。另外，鈍化劑在施加的過程中難以控制，容易造成河流與湖泊底部區域加藥不均勻而影響鈍化效果不理想。組合鈍化劑能夠將鋁鹽、鈣鹽與鐵鹽3種鈍化劑各自的優點都發揮出來，同時又可以彌補某一種鈍化劑的缺點與不足，因而具有良好的推廣及應用前景，另外新型鈍化劑的研發也是未來污染水體底泥原位鈍化技術的工作重心之一。

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ResearchProgressonIN-SITUInactivationTechnologyforSedimentofContaminatedWater

YOU Hailin1,2,WU Yongming1,2,XU Ligang3,ZHANG Jie1,2,LIU Lizhen1,2,YANG Chunyan1,2

(1.The Research Center of Poyang Lake,Jiangxi Academy of Sciences,330096,Nanchang,PRC;2.State Key Laboratory of Poyang Lake of Jiangxi Province,330096,Nanchang,PRC;2.State Key Laboratory of Lake Science and Environment,

Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences,210008,Nanjing,PRC)

It was well known that endogenous contaminant could be released from sediments into overlying water even under the condition of pure exogenous pollution control,which may have a significant impact on water quality of river and lake,and result in water pollution and continuing eutrophication.Taking this phenomenon into consideration,this paper provided a review on the adverse effects of sediment of contaminated water and on the in-situ inactivation technology,an ecological and economic and fast stable technology for remediation of the sediment of contaminated water.The in-situ inactivation technology added inactivation agents into the river and lake,after the physical and chemical effects of precipitation and adsorption and transformation,finally to purify the polluted water.This paper systematically expounded the operated principle and function of the in-situ inactivation technology as well as the advantages and disadvantages of different inactivation agents,such as aluminum,iron,calcium and a kind of combined inactivation agent composed by aluminum,iron,calcium or other removal-pollutant-material.Meanwhile,the priority research areas of the in-situ inactivation technology for sediment of contaminated water were pointed out.The first is to promote and apply to the combined inactivation agent.The second is to explore novel agents for in-situ inactivation technology.

Sediment of contaminated water;inactivation agent;in-situ inactivation technology

2014-09-02;

2014-11-21

游海林(1985-)，江西上饒人，博士，助理研究員，主要從事底泥污染治理與濕地生態方面研究工作。

江西省自然科學基金(20132BAB213024)；江西省農業科技支撐計劃(2013BBF60053)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.06.014

X524

A

1001-3679(2014)06-0806-05