富營養化水體底泥污染狀況及修復技術研究進展

王瑞寧 王淼 衣萌萌

摘要? ? 底泥是水生生態系統的重要組成部分，修復池塘底質是保持水質穩定和防控水生生物病害的基礎，也是水體富營養化防治的關鍵。本文介紹了水體和底泥富營養化形成的原因，描述了富營養化水體底泥的污染現狀，論述了當前修復底泥使用的2種技術手段，即原位修復技術和異位修復技術，詳細闡述了2種技術手段中的物理、化學、生物修復技術的研究進展，并就修復技術今后的發展方向做了概述。

關鍵詞? ? 富營養化;底泥污染;修復技術

中圖分類號? ? X52? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

Abstract? ? Sediment is an important part of aquatic ecosystems.The remediation of sediment is an efficient way to improve water quality and prevent aquatic animal diseases，which is also the key to control the water eutrophication.This paper introduced the formation of eutrophication of water and sediment，and described the pollution status of sediment in eutrophicated water，and discussed two kinds of remediation technology，such as in-situ remediation and ex-situ remediation.The research progress on physics remediation，chemistry remediation and biology remediation of these two kinds of technology was elaborated，and the development direction of the remediation technology was also summarized.

Key words? ? eutrophication;sediment pollution;remediation technology

富營養化指在人類活動的影響下，生物所需的氮（N）、磷（P）等營養物質大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起一些特征性藻類的異常增殖，使水體的顏色加深（褐色或墨綠色），水體透明度下降，溶解氧（DO）降低，水質惡化，魚類和其他生物大量死亡，水體有魚腥氣味，從而破壞水體生態平衡[1]。底泥為水生植物的生長提供了養分，為底棲動物的繁衍提供了場所，但同時也為各種污染物的積累和富集提供了更加穩定的場所。當外界環境發生變化時，即使在外源污染物被截斷的情況下，底泥作為內源污染，仍會釋放N、P等營養元素，促進藻類異常增殖，從而加速水體富營養化的進程[2-4]。底泥污染物濃度可以初步反映出水體的受污染程度。水體底泥具有生物毒性，如馬? 梅等[5]的研究發現，樂安江20～195 km處的沉積物皆顯示毒性。因此，對富營養化水體底泥的研究至關重要，本文描述了湖泊和池塘底泥的污染現狀，并據此論述了污染底泥的修復技術，此研究也為進行底泥修復提供參考。

1? ? 底泥的污染現狀

1.1? ? 湖泊底泥污染現狀

底泥作為湖泊生態系統的組成成分，是沉積物-水界面物質交換的過渡帶[6]。湖泊底泥中原本存在著大量的營養物質，可滿足水體中植物和動物的生長需求。近年來，由于污染加重，水體中N、P含量的增加使水體的富營養化狀況日益嚴重。底泥一般可作為湖泊營養鹽、重金屬、難降解有機物等污染物的蓄積庫，成為了水體主要的污染源[7]。李? 勇等[8]通過對長蕩湖底泥中總氮（TN）與總磷（TP）的研究發現，TN和TP的變化是湖泊水質變化的一個縮影。據統計，歐洲、北美洲、南美洲和非洲分別有53%、48%、41%和28%的湖泊因富營養化而受損，亞洲54%的湖泊也呈富營養化狀態[9]，在我國已有67個湖泊水體富營養化，約占湖泊總數的51.2%[10]，調查顯示太湖流域內，超75%的河道長度N、P嚴重超標，富營養化嚴重[11];巢湖內源污染中TN含量占18.5%～34.7%，TP含量占23.7%～29.4%[12]。研究表明，減少過多的外部營養負荷是減輕富營養化最直接的措施[13]。然而，當入湖營養鹽的負荷量減少，甚至完全截污后的幾年內，湖泊仍可發生富營養化，甚至出現“水華”[14]。造成此現象的主要原因是水體中的營養元素與底部沉積物之間存在溶解-沉積動態平衡：在物理、化學和生物學作用下，外源性的營養物質進入水體后會沉積到底泥中，而當水體中含有的營養物質的量下降到一定限度時，底泥中的營養物質則會重新釋放到水體中[15]，對水體產生二次污染。其中，流域管理后維持富營養化癥狀的主要過程是P的內部循環，湖中P會從高外部負荷時期積累的沉淀池中釋放出來。因此，富營養化緩解應旨在將P負荷降低到臨界閾值以下[16]。雖然目前P滅活劑（PIAs）與其他修復技術已被廣泛應用于湖泊富營養化的治理[17]，但結果不容樂觀，營養鹽季節性釋放這一現象可以維持約數十年的富營養化狀態[18]。姜加虎等[19]對底泥污染進行研究發現，即使嚴格控制外源性污染物，污染沉積物恢復到治理前的狀況仍需要數十年。同樣，武漢東湖在截污工程完成后，理論上只需3年水體便可恢復，卻由于底泥的釋放作用，不得不耗費35年甚至更長的時間來恢復污染水體[20]。由此可見，含高濃度污染物的底泥作為湖泊水體的主要污染源，不僅威脅著水生生物，還會對人類健康構成嚴重威脅。

1.2? ? 池塘底泥污染現狀

池塘養殖是目前中國主要養殖方式，其產量占淡水養殖總產量的70%以上。截至2016年，我國已有養殖池塘面積276萬hm2，占淡水養殖總面積的44.7%，產量達2 286萬t，居世界首位。池塘中養殖動物的營養物質，很大部分來自于養殖戶的餌料投入。為了追求經濟效益的最大化，養殖戶大量投入人工飼料，造成底泥中大量的殘餌糞便堆積，使池塘富營養化狀況加重。歐陽佚亭等[21]通過對中國28個省、自治區和直轄市中24種淡水池塘養殖魚類的污染負荷進行量化，得出結論：2014年，中國淡水池塘養殖魚類中TN、TP、COD污染負荷分別為61 388、11 273、592 288 t。池塘富營養化的原因主要有2個，一是外來物質，如工業廢水、生活污水經雨水沖刷進入池塘，人工投喂飼料量過剩等，都會使池塘中的N、P含量增加，當過多的有機物堆積在底泥中時，將會改變底泥的理化指標，加快微生物的分解，導致底泥DO不足，因缺氧或無氧而轉化為還原態[22];二是內源，即池塘中底泥等沉積物的自身分解造成池塘中N、P含量上升。

有研究表明，養殖池出水是中國沿海地區水污染的重要來源[23]，而由于目前缺乏直接有效的污染控制和修復技術，水產養殖也成為湖泊富營養化的主要來源之一[24]。首先，池塘嚴重富營養化會對養殖業造成難以估計的后果，最直接的就是養殖動物的大量死亡，造成直接經濟損失;其次，富營養化使池塘水體透明度下降，藻類過度增加，打破水體的溶氧平衡，經過厭氧作用產生有害氣體，引發魚類等其他水生生物的大量死亡，池塘中物種多樣性下降，死亡的生物個體連同殘餌糞便一同沉積于底泥中，底泥中的營養物質過剩，有害物質增多，水體富營養化加劇，形成惡性循環。底泥作為一個污染匯集地，如何通過改善底泥來凈化水體，從而提高養殖產量，不僅成為越來越多的學者研究的熱點問題，更是養殖者所關注的重點。

2? ? 富營養化水體底泥修復技術的研究進展

針對日益嚴峻的水體富營養化狀況，各種修復技術應運而生。根據對富營養化水體底泥的修復處理位置，可分為原位修復和異位修復2種類型。原位修復技術指的是不用轉移污染體自身的位置，就地對其進行修復的技術。異位修復指將被污染的底泥轉移至其他地方進行集中處理。根據修復技術的作用機理又可分為3種類型，即物理修復技術、化學修復技術和生物修復技術。

2.1? ? 原位修復技術

2.1.1? ? 原位物理修復技術。

（1）底泥覆蓋技術。底泥覆蓋是原位物理修復技術中常用的方法，即在原有底泥的基礎上再覆蓋一層未經污染的底泥、礪石、沙或一些人造地基材料等覆蓋物。1978年，美國首次實施了原位覆蓋工程，隨后日本、挪威和加拿大在1983年、1992年和1995年相繼實施了這一技術[25]。薛傳東等[26]利用底泥覆蓋技術對滇池進行修復實驗，結果表明，紅土作為覆蓋材料對修復富營養化水體效果良好。盡管此法可以達到修復污染底泥的效果，但極易造成水體的庫容量減少，因而對淺水流域和池塘并不適用。此外，尋找便宜清潔的覆蓋材料來源是覆蓋技術的一大問題[27]。

（2）引水技術。引水沖污、建筑大壩是常用的一種方法。美國曾通過引水工程治理 Green 湖的富營養化狀況，取得了顯著成效[28];劉? 薇等[29]調查發現，大量外流域引水對異龍湖的凈化效果顯著。肖? 瓊等[30]通過對玄武湖的研究發現，引水工程確實可降低底泥中的污染物濃度，緩解水體的富營養化，但此法使水體原有的生態系統被破壞，并未從根本上解決問題。此外，該法工程量大、成本造價高，因而運用起來有較大的局限，不宜大規模推廣。

（3）人工曝氣技術。根據水體分層是否被破壞，可將其分為2種類型：破壞分層和深水曝氣。破壞分層，即破壞掉水體的分層結構，促進上下層水的流動，有助于增加水體DO濃度，促進水生生物的生長，但是水的流動可能會引起底部沉積物的上浮，從而有可能進一步導致營養鹽的釋放，引發二次污染。深水曝氣可增加底層水體DO，對水生生物的生存有利。自20世紀60年代起，水體曝氣充氧技術就被許多國家用來改善水體質量，德國、英國、美國等國采用不同方式對水體進行曝氣增氧，均取得了不錯的效果[31-32]。

2.1.2? ? 原位化學修復技術。主要是底泥封閉技術，即通過向底泥中添加化學試劑，使其在底泥的表面形成一個覆蓋層來固定水體中和底泥中的營養鹽，阻止底泥中的營養物質向水體釋放。德國曾用鐵復合物和硝酸鹽對Globsow湖和Dagow湖的底泥進行處理，處理結果顯示磷的釋放量從處理前的4～6 mg/（m2·d）到處理后幾乎無釋放，說明取得顯著成效[33-34]。但目前工程中應用較多的是鋁鹽，如硫酸鋁[Al2（SO4）3]和偏鋁酸鈉（NaAlO2），因為鋁鹽和P會生成性質較穩定的絡合物或聚合物，即便在缺氧甚至厭氧的狀態下也不會釋放P [35]。Welch和Cooke在研究了美國21個用鋁鹽處理的湖泊后認為，當沒有大型水生植物干擾時進行鋁鹽處理，多循環湖和雙循環湖的有效期分別約為10年和15年[36]。

2.1.3? ? 原位生物修復技術。原位生物修復是指利用具有高效降解功能的植物、動物、微生物的生命活動將底泥中的營養物質吸收、轉移、轉化，進而達到修復效果。在生物修復的過程中，植物修復具有投資少、風險小、符合生態修復要求等優點，往往成為污染防治的首選技術[37]。水生植物修復技術是最常用的一種技術手段，主要是在水體底泥污染環境中，種植一些耐受性和吸收能力都相對較強的植物，在其自身生長過程中能夠吸收水體中的N、P等營養物質，并且還可以通過定期收獲水生植物帶走某些營養物質，進而有效地降低水體環境的受污染程度[38-39]。李文朝[40]在太湖五里湖中種植了水生植物，結果顯示，水生植物的生長可以加快生態修復。水生植被的種植能夠有效降低營養元素的循環速度，浮葉植物對富營養的底泥也有較強的適應能力，是治理富營養化的重要措施。張迎穎等[41]研究發現，鳳眼蓮不僅可以有效降低水體中的總磷濃度，而且能夠吸收底泥中的磷元素。李? 姣等[42]、王? 智等[43]的研究也證實，在池塘和湖泊中施放一定量的水葫蘆，在一定程度上可改善養殖池塘水質。

微生物可以將污染底泥中的有機物轉化為無機物，并通過氧化一些無機污染物將其除去，如氨氮。目前，已有眾多學者對污染底泥的微生物修復技術進行了研究，并取得了顯著的成果。

侯勤成[44]、李興啟等[45]、劉? 軍等[46]利用生物修復技術研究了老化蝦塘的底泥，結果顯示，在底泥-水界面噴灑土著微生物、生長促生劑、共代謝底物后，不僅可以提高池塘的自凈能力、建立穩定的池塘生態系統，而且還可以進一步地增加池塘藻類的多樣性，提高池塘的溶解氧水平。林? 亮等[47]研究了施用芽孢桿菌制劑前后蝦池底泥細菌群落的變化情況，發現此制劑可以影響蝦池底泥細菌群落的組成，增加底泥中好氧細菌的數量。李正魁等[48]曾用固定化增殖氮循環細菌群處理富營養化湖水，處理之后總氮、氨氮和COD分別下降了75%、91.5%和75%，水質得到了明顯改善。金春華等[49]研究了固定化微生物對凡納濱對蝦生產性養殖池塘水質調控和污染底泥的修復能力，結果表明，固定化微生物技術對改善蝦池水質、穩定水體藻相結構和提高微生物對污染底質的修復能力有顯著效果。錢? 燕等[50]研究發現，微生物代謝過程中產生的酸類物質能夠促進底泥中磷的釋放。

2.2? ? 異位修復技術

2.2.1? ? 異位物理修復技術。底泥疏浚技術又稱環境疏浚技術，即通過移除被污染的底泥、清除污染內源，從而減少底泥中污染物的釋放，達到治理水體的作用，這是一種常用的修復方法。但在進行疏浚時，翻動底泥易造成水體透明度下降、加速底泥中的營養物質向水體中遷移引起二次污染，而且挖掘出來的大量底泥需要進行有效處理。不過，目前對疏浚后的底泥利用已有成效。如Gold等的研究表明，池塘沉積物挖掘可以提高濕塘的容量，從而永久去除N來提高水質[51]。吳芝瑛等[52]觀察到疏浚工程之后，杭州西湖底泥的富營養化的狀況得到了明顯改善。王小雨等[53]對長春南湖底泥疏浚進行的研究表明，采用底泥疏浚技術對治理水體富營養化是有效果的。美國阿爾伯恩奧本大學漁業研究組研究了底泥的去除對水產養殖池塘底土理化特性的影響，對比從未移除過底泥的池塘和取樣前2個月清除了底泥的池塘，結果顯示，底泥的清除改善了底部土壤的物理和化學特性[54]。由此可見，采用底泥疏浚技術來改善底泥污染狀況切實可行。然而，早期實踐中也不乏失敗的案例，1998年初南京玄武湖的底泥疏浚釋放試驗中發現，疏浚后的水質較疏浚前更差;1999年，對寧波市的月湖進行底泥疏浚，結果發現，湖水中營養物質的濃度有所增加[25，55]。盡管此修復方法見效快，但在疏浚過程中可能會加重底泥污染物的擴散，存在一定的風險，加之工程量大、耗財耗力以及覆蓋的材料和適用范圍有局限性、時效短、無法根治底泥污染，因而非理想方法。

2.2.2? ? 異位化學修復技術。對疏浚后的底泥進行處理一般采用化學固化法或淋洗法。化學固化法具有效率高、施工方便且易于推廣使用的特點。張春雷等[56]采用該項技術對無錫長廣溪堆場的淤泥進行了固化資源化利用，實現了疏浚底泥的資源化利用，解決了大量疏浚底泥難以處理的難題。劉彤宙等[57]采用異位高級氧化淋洗對污染底泥的進行了研究，證明該法可有效去除底泥中的大部分有機污染物和重金屬，對修復受污染底泥具有顯著成效。化學方法修復效率高，但最大的缺陷是對生態環境破壞較大，對水生生態系統有潛在威脅，一般只作為應急措施使用。

2.2.3? ? 異位生物修復技術。異位生物修復技術是指將受污染的底泥運往其他場所進行集中生物修復的技術[58]。異位生物降解主要處理的是有機污染嚴重的疏浚底泥。雖然生物降解越來越受到重視，已成為今后大力舉薦的方法，但對于異位生物處理來說，尚有一些問題亟待解決，由于微生物無法利用固相中的有機物，僅可以利用存在于液相中的有機物，而底泥中的有機物又具有低水溶性，因而底泥中有機物生物可利用性低、降解速率慢[59]。對此，可以通過提高生物活性、生物的可利用性和研制基因工程來盡快實現異位生物降解的實際應用。

2.3? ? 原位修復技術與異位修復技術的比較

從修復位置來看，異位處理技術可操作性強、見效快，但是投資成本高、工程量大，且由于疏浚工程設備落后、造價昂貴，疏浚后底泥的處理效果難達標。因此，要想大規模推廣使用異位修復來治理污染底泥，仍需展開進一步的研究工作。原位處理技術由于其發展潛力大、效率高且投資少而被認為是一種高效、可行的處理方法。依作用機制而言，生物修復不僅經濟實用，不影響周遭環境，還可以最大限度降低污染物濃度。原位生物修復成本低廉但修復效果差，適宜于大面積、低污染負荷底泥的生物修復;而異位生物修復雖然修復效果好但成本高昂、使用受限，主要用于疏浚后底泥的處理，適宜于小面積、高負荷污染底泥的修復[60]。

3? ? 結語

底泥是一個營養發源地，可以為水生生物提供各種營養物質，但同時它也是一個污染匯集地，給水生生物造成極大的隱患和威脅。因此，對底泥的污染控制是一個長期且艱巨的過程，各種修復技術雖各有所長，但亦有不足。物理修復見效快，但成本高;化學修復成本較低但易造成二次污染;生物修復投入低、處理量大，但處理效率低，短期內難以見效[60]。因此，將這3類技術結合，互為補充，具有廣闊的發展前景。蔡惠鳳等[61]在進行底泥生物修復的室內比較試驗時發現，通過添加3種生物制劑并實施水底曝氣，能夠有效改善試驗組底泥的黑臭現象。但目前研究較多的是生物聯合修復，如植物-微生物聯合修復技術已被眾多學者進行過研究并取得顯著的成果[62-65]。此外，隨著生物技術不斷發展，轉基因技術逐漸成熟，基因工程菌大規模投入使用，因而投資小、對環境影響小且污染物降解效率高的生物修復技術具有更廣闊的應用前景。

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