不同污染類型底泥處理方式研究

李敏 張冠卿 張會文 孫淑雲 楊帆

摘 要：對于不同污染類型底泥，其處理與處置方式存在差異，為使底泥處理與處置更加高效、合理，應對不同污染類型底泥的處理與處置方式進行分類、分區研究。通過對國內外關于高營養鹽、重金屬、有機物和復合污染等4類污染底泥的處理技術進行總結和梳理，并對工程中常用的原位覆蓋、原位生物修復和異位化學修復技術應用效果和應用條件進行分析，提出了對于污染負荷大、污染物種類復雜的區域可采取底泥環保疏浚技術，并在疏浚后配合生態修復工程，建立強大的生態自凈系統，其中疏浚淤泥需及時進行合理、安全的處置，對重金屬單一污染淤泥采取“清淤干化+穩定化+資源化利用”處置模式，對有機物單一污染淤泥采取“清淤干化+化學氧化+資源化利用”處置模式，對復合污染淤泥采取“清淤干化+化學氧化+穩定化+資源化利用”處置模式;對于污染程度較輕的區域，可采取生態安全性高的原位控制技術，如原位覆蓋技術，并輔以水生植被修復，其中輔助的生態修復工程需綜合考慮水生動植物生長的水質、基質和外界條件，使其發揮最佳效果。

關鍵詞：底泥;污染類型;分類處置

中圖分類號：X522;TV697.3文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.020

引用格式：李敏，張冠卿，張會文，等.不同污染類型底泥處理方式研究[J].人民黃河，2021，43（1）：103-108.

Study on Treatment Methods of Different Types of Contaminated Sediments

LI Min1， ZHANG Guanqing2， ZHANG Huiwen3， SUN Shuyun1， YANG Fan1

（1.Nanjing Water Environment Institute Co.， Ltd.， Nanjing 210036， China;

2.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence （Hohai University）， Ministry of Education， Nanjing 210024， China;

3.School of Civil Engineering， Anhui University of Technology， Maanshan 243032， China）

Abstract： There are differences in the treatment and disposal methods for sediments of different pollution types. In order to make the treatment of sediment more efficient and reasonable， the adopted methods need to be refined. To this end， this paper summarized and sorted out the treatment technologies for the four types of contaminated sediments containing high nutrient salts， heavy metals， organic matter and composite pollution and analyzed the effectiveness and conditions in engineering application of the three technologies of in-situ covering， in-situ bioremediation and ectopic chemical restoration， aiming to provide targeted technical guidance for the treatment of different types of contaminated sediments. It is suggested that environmental protection dredging technology should be adopted for areas with large pollution load and complex pollutant types and a strong ecological self-purification system should be established after dredging in cooperation with ecological restoration project in which the dredged sludge should be disposed reasonably and safely in time. The disposal mode of “desilting and drying + stabilization + resource utilization” should be adopted for sludge with single heavy metal pollution. The disposal mode of “desilting and drying + chemical oxidation + resource utilization” should be adopted for sludge with single organic pollution. The disposal mode of “desilting and drying + chemical oxidation + stabilization + resource utilization” should be adopted for the compound polluted sludge. On the other hand， for areas with less pollution， in-situ control technology with high ecological safety can be adopted， such as in-situ covering technology， supplemented by aquatic vegetation restoration， in which the water quality， substrate and external conditions of aquatic animals and plants shall be comprehensively considered for the auxiliary ecological restoration project to give full play to the best effect.

Key words： sediment; different polluted types; classified disposal

水體底泥污染是我國面臨的一個嚴峻的環境問題，人類活動和水文特性是其受污染的重要原因。在泥水界面處，上層水體中的顆粒和溶解物質（包括污染物）進入下層底泥，在沉淀和吸附作用下積聚，因此底泥通常富含氮磷等營養鹽、重金屬和難降解的有機物，成為水體主要的內源污染物[1]。近年來，關于河流、湖泊等水體底泥受污染程度、所含污染物種類等方面的研究較多[2-3]。為了減少這些污染物持續向上覆水傳輸，政府每年都會實施各類水利和水環境治理工程，致使大量疏浚淤泥產生[4]。疏浚淤泥中污染物依舊存在，這些污染物的處理方法因污染物種類不同而存在差異。若水體淤泥基本上沒有污染物或所含污染物未超過相關標準，則通常可直接資源化利用。若水體淤泥污染物水平高于相關標準，則需在進行資源化利用前將污染物含量控制在相關標準之下[5]，淤泥處理的原則是“無害化、減量化、資源化”。通過總結和梳理國內外不同污染類型底泥的處理技術，分析各種方法的原理、應用效果和應用條件，從而對不同污染類型底泥處理技術進行分析，旨在提出具有指導意義的底泥分類處理方案。

1 不同污染類型底泥處理方法

1.1 高營養鹽污染底泥

（1）原位覆蓋技術。原位覆蓋技術通過在底泥表層覆蓋一層或多層可吸附或共沉淀有機質材料來阻礙底泥污染物釋放進入上層水體[6]，可以抑制氮、磷等有機質的釋放。汲雨等[7]通過批量吸附試驗考察自制磁性鐵鋯改性沸石對水中磷酸鹽的去除效果，以及對底泥磷釋放的抑制效果，結果表明該材料能有效吸附水中的磷酸鹽，并抑制底泥中的磷進入水體，使水體中溶解性活性磷酸鹽（SRP）維持在較低水平（0.007～0.031 mg/L）;在覆蓋層受損的情況下，該材料不僅仍能降低上覆水SRP的濃度，而且能促進底泥中潛在移動態、生物可利用態磷向穩定態、非可利用態轉變，從而降低底泥磷釋放的風險。Bonaglia等[8]在研究活性炭覆蓋對沉積物中氮、磷等元素地球化學循環過程的影響時發現，活性炭能夠使反硝化作用降低62%～63%，使異養硝酸鹽還原作用降低66%～87%，且使泥水界面磷酸鹽通量降低91%。

（2）生化修復技術。生化修復技術是生物修復技術（利用微生物的生命活動或者培育的植株來吸收、轉移底泥中的有機質）和添加化學藥劑（降低底泥中氮、磷等有機質的溶解性和遷移性）的聯合修復技術。劉東方等[9]采用自制的生物-化學復合藥劑（主成分為反硝化細菌-硝酸鈣）治理黑臭河道底泥，確定最佳投加藥劑量為2 000 mg/L，此時底泥的氧化還原環境得到改善，底泥微生物活性恢復，上覆水體中TP、氨氮等指標削減效果較好。Wang等[10]研究表明，改善的膨潤土顆粒與大型沉水植物苦草的協同作用可以促進西湖底泥中各形態P的去除（膨潤土的吸附和沉水植物根系的吸收）。

（3）疏浚底泥資源化處理。清淤疏浚是采用物理手段疏挖表層淤泥，將疏浚底泥轉移至地面進行處置，疏浚后的高營養鹽淤泥可進行資源化利用。通過固化、干化、土壤化等一系列技術處理，淤泥可作為制磚瓦、陶粒等的材料;富含氮、磷等有機質的淤泥可提供植物生長所需的營養物質，因此可將淤泥還田作為有機肥施用或在洼地堆放后作為農林用土[11]。另外，利用淤泥制備新材料的行業逐漸得到發展。將富含大量營養物質的灘涂淤泥與水泥混合制作人工藻礁，利用營養鹽的溶出特性改善人工藻場藻類的生長環境，可實現廢棄物的資源化利用[12]。

1.2 重金屬污染底泥

對于受重金屬污染的底泥，重金屬不能被環境降解和生物富集，且淤泥中的重金屬不穩定，會隨著水環境的變化而進入水體，危害生物系統和人類健康。

（1）原位覆蓋技術。原位覆蓋技術也適用于處理重金屬污染底泥。Knox等[13]采用磷灰石、有機黏土和生物聚合物（殼聚糖和黃原膠）組成活性覆蓋層來降低底泥中重金屬Pb、Zn、Ni、Cr、Co、Cd等物質的遷移轉化速率，使其固定于底泥中。鄒彥江[14]研究不同覆蓋材料對重金屬物質釋放、形態轉化等過程的影響發現，方解石、沸石能抑制重金屬Pb、As、Mn和Cr的釋放，羥基磷灰石對As和Mn的釋放有抑制作用，且不同覆蓋層厚度和不同材料粒徑對抑制重金屬釋放的效果不同;不同覆蓋體系在一定程度上能促進重金屬易浸出態轉變為穩定態，以及可提取態和有效態轉變為殘渣態。

（2）電動力學處理技術。電動力學方法具有快速、高效、低廉、使用化學藥劑少、適用于原位修復等特點，具有很好的發展前景[15]。其工作原理是，在污染底泥中施加電場，在電場作用下帶電荷金屬離子定向移動，累積在電極附近，定期清理電極附近底泥即可降低目標淤泥的重金屬含量[16]。Pedersen等[17]采用優化的隔室電滲析方法去除港口底泥中的Pb、Cu、Zn，去除率可達73%～96%。楊磊等[15]研究不同電極板間電壓、化學增強劑種類和電極材料對底泥含水率、重金屬Cd含量的影響表明，將陽離子聚丙烯酰胺作為化學增強劑，多孔碳作為電極，施加極板間電壓30 V，在0.05 MPa的壓力下抽濾，5 h內可使底泥含水率由75.00%降至34.17%，Cd含量由2.000 mg/kg下降至0.178 mg/kg，脫除率達到91%。

（3）疏浚底泥無害化處理。重金屬污染底泥可采用清淤疏浚手段，而在疏浚淤泥資源化利用前需進行“無害化”處理。利用化學藥劑與重金屬污染淤泥發生一系列化學反應（氧化、還原、聚合等），使重金屬固定于淤泥中或從淤泥中分離/轉化成無毒態，從而實現淤泥的“無害化”[16]。Jia等[18]比較不同化學藥劑對受Cd污染淤泥中Cd物質的影響發現，疏浚淤泥中添加CaCO3可降低Cd的浸出性和生物可利用性。常用的固化劑包括硅鈣類、磷酸鹽類、鐵鹽類、鋁鹽類和礦物類等無機固化劑，農家肥、草炭等有機肥固化劑，以及有機和無機固化劑組成的復合固化劑[19]。

另外，一些新興的物化手段、生物淋濾手段也被應用于去除疏浚淤泥中具有生物可利用性的重金屬。物化方法的工作原理是，在淤泥中添加氧化態零價鐵物質（ZVI），使重金屬物質吸附在ZVI表面，再利用磁分離技術將形成的重金屬-ZVI物質從淤泥中分離出來，從而完成重金屬的去除。Feng等[20]利用ZVI，結合磁分離技術將具有生物可利用性的重金屬Cu、Hg、Zn從污染淤泥中去除，從而達到快速治理重金屬污染淤泥的目的。生物淋濾方法是通過一些微生物或其代謝產物直接或間接將淤泥中的重金屬分離、浸提出來。刁維強等[21]從受重金屬（主要是生物可利用態Cd）污染的疏浚淤泥中提取出高產酸絲狀真菌黑曲霉，在淤泥濃度為20 g/L、糖濃度為100 g/L、孢子濃度為2×107個/mL的條件下，經過8 d淋洗，淤泥中Cd、Pb、Cu和Zn淋出率分別為93.5%、11.4%、62.3%和68.2%。

1.3 有機物污染底泥

底泥中有機污染物主要以難降解有機物形式存在，能長期殘留于底泥層或釋放進入上覆水體，并通過生物富集作用由食物鏈到達畜禽等，危及生態系統、環境和人類健康。底泥中難降解有機物包括石油烴、多環芳烴、多氯聯苯和有機氯農藥等[22]。針對底泥中的有機污染物，通常采用的處理方法為物理法、化學法和生物法，目前應用較多的是根據處理位置的不同采用原位、異位處理技術。

（1）原位覆蓋技術。將新興的強化吸附劑作為覆蓋材料，可以大大降低污染物進入水體的通量以及其生物可利用性，且泄露風險低，長期修復效果好，是近幾年發達國家采用的新型底泥修復技術[23]。對有機污染物而言，礦物質類、生物質類以及纖維類活性炭材料作為覆蓋材料的應用最廣泛。華山[24]研究活性炭和多壁碳納米管材料對底泥中有機氯農藥的吸附效果發現，活性炭的吸附效果更好，150 d后分別減少HCH、DDT泥水通量97%、92%，分別減少DDT、HCH半滲透膜提取量92%、97%。周巖梅等[23]采用2種生物質活性炭（椰殼顆粒和果殼顆粒）對含多環芳烴、酞酸酯和苯系物污染底泥進行原位修復結果表明，在投加活性炭10個月后，底泥孔隙水中3類有機污染物質量濃度降低93.2%以上，修復效果明顯，且生物質活性炭比傳統煤基活性炭對環境的污染程度小。

（2）原位生物活化技術。原位生物活化技術采取物理、化學或生物方法使底泥中一些能降解有機物的微生物受到刺激而活化，從而加速有機物降解。常用的活化技術有生物電化學修復技術、生物強化技術和生物刺激技術。生物電化學修復技術采用微生物燃料電池催化有機物的氧化分解。Zhao等[25]研究發現，對于受有機物污染（總石油烴、多環芳烴和環烯烴等）且有機質含量低的河道底泥的修復，采用微生物燃料電池（地桿菌和脫硫球莖菌屬）外加甲醇刺激，200 d后可使有機物的降解效率提高1.45倍～4.38倍。傳統的生物強化技術通過添加外源微生物促進有機污染物的降解，但引入外源微生物可能對原生態系統構成威脅。生物刺激技術通過改善底泥環境來刺激土著微生物繁殖，提高其活性，從而促進有機物生物降解[26]。吳小菁等[27]選用乙酸鈉、甲醇作為共基質促進底泥中微生物的繁殖，加速底泥中總石油烴、多環芳烴生物的降解速率，最終實現有機物的去除。

（3）異位化學修復技術。常用的化學修復包括原位和異位化學修復技術，但因投加的化學藥劑尤其是化學氧化劑類物質可能對水生生物產生毒性作用[28]，因此對于有機物污染底泥多采用異位化學修復方法，通過清淤疏浚手段并向疏浚淤泥中添加化學氧化劑/穩定劑使有機物充分分解或轉化為低毒產物。不同有機污染物對氧化劑的選擇性不同，常用的化學氧化劑包括高錳酸鹽、過硫酸鈉、過氧化氫和臭氧等[29]。Usman等[30]比較不同催化劑和化學氧化劑組合對多環芳烴和石油烴污染淤泥的治理效果表明，過氧酸鈉+磁鐵礦組合和過氧化氫+磁鐵礦組合均能有效降解大量烴類物質（40%～70%）。Chen等[31]利用一定溫度和零價鐵物質激活/催化過硫酸鈉的氧化過程，結果顯示在70 ℃條件下，添加0.01 g/L零價鐵和170 g/L過硫酸鈉處理24 h后，淤泥中約90%芳香烴污染物被降解。

1.4 復合污染底泥

對于污染嚴重的底泥，常含有高營養鹽、重金屬、有機物等多種污染物。針對復合污染底泥，需要考慮污染物之間的相互作用、共性。

（1）原位處理技術。結合上述單一污染物處理技術，原位覆蓋技術不僅能有效控制營養鹽、重金屬等無機污染物的釋放，而且能減少多氯聯苯、多環芳烴等持久性有機污染物進入上覆水的通量。因此，在運用原位覆蓋技術前，需要了解底泥中所含污染物的性質，采用具有針對性的吸附劑組成高效的復合覆蓋層[32]。對于受有機物和重金屬復合污染的溝渠底泥，李泰平等[33]結合物化手段，將OP-10（一種非離子表面活性劑）作為強化助劑，利用電動力學技術，實現了疏水性有機物HCB和Zn、Ni在電場作用下的定向遷移，從而實現了底泥污染物的去除;李亞男等[34]利用生物手段處理有機物-重金屬復合污染底泥，即通過間作玉米-黑麥草，并接種AM真菌修復排污河道底泥，結果Zn、Pb、Cd、Cr等金屬吸收效果明顯，底泥中有機物（尤其是萘）得到有效降解。

（2）異位處理技術。一般而言，原位處理技術主要用于污染程度較低的底泥，而對污染水平較高的底泥，修復難度較大，因此對于這類底泥通常采用異位處理技術。對于受重金屬和石油烴污染底泥的修復，Jongchan等[35]采用疏浚法進行異位處置，并將FeCl3作為萃取劑提取淤泥中的Cu、Zn，提取效率分別為70.1%、69.4%。在萃取過程中Fe3+被還原成Fe2+，并作為催化劑參與過氧化氫和過硫酸鈉氧化分解石油烴的過程，從而實現淤泥的“無害化”處理。

2 處理技術工程應用分析

近年來，針對不同污染底泥處理技術的研究較多，但大多數都是基于實驗室的模擬研究，當這些修復技術應用于實際工程時，需要綜合考慮各方面的因素，如場地條件、水文地質條件、水生環境影響等。因此，對于目前實際工程中常用的幾種技術進行分析，討論其適用環境及限制因素，以期為不同污染底泥提供有效、合理的工程化修復手段。

2.1 原位覆蓋技術

原位覆蓋技術采用的覆蓋材料多為生物質、天然礦物等，性狀較為穩定，一般情況下不會對水體產生影響，對環境危害較小，修復效果明顯[32]，具有成本低、施工容易、應用廣等優勢。郭赟等[36]模擬研究時發現，方解石和沸石組成的覆蓋層可穩定削減60%以上的TN、TP釋放量，進而開展了太湖流域梁塘河薛家浜段南側原位活性覆蓋工程初試，工程修復效果較好，進而提出底泥覆蓋技術可應用于駁岸老舊、大型機械不易到達的河段，無通航、有景觀需求的河段，以及環境污染需應急處理的河段。但由于投加覆蓋材料會增加底質體積，減少水體庫容，改變水底坡度，因此在淺水或對水深有限制的區域不宜采用覆蓋技術;一些水流流速快、水力沖刷強的區域會影響覆蓋效果，也不宜采用該技術。Samuelsson等[37]采用黏土、碎石灰石、活性炭混合后的黏土混合物對挪威格倫蘭峽灣30 m和95 m處底泥（受汞和二英污染）進行了現場原位覆蓋修復工程試驗，結果表明在覆蓋治理14個月后，盡管活性炭能有效減少二英向上覆水的釋放量，但活性炭與黏土混合物相較于其他兩種材料對底棲生物群落擾動較大，因此對于不同的污染物，覆蓋材料的作用效果存在差異，在對覆蓋材料的選擇上要具有針對性，且滿足無污染、粒徑小、密度適中、孔隙率低、抗擾動力強等要求[32]。

2.2 原位生物修復技術

原位生物修復技術具有成本低，對環境影響小，可實現水生態系統重建，提高水體景觀功能等優勢，因此得到了廣泛應用。由于原位生物修復技術的關鍵是維持水環境中微生物的活性、培育動植物良好的生長環境，一旦水體pH值、溫度、有機質等理化性質發生改變，修復效果將會受到干擾，因此存在難以達到預期效果的問題。對于污染較為嚴重的水域，水生動植物的培養或微生物的繁殖較為困難，且存在效率低、周期長的問題，因此原位生物修復技術更適用于大面積、低污染負荷的底泥處理[19，28，38]。另外，長效監管機制的建立是原位生物修復工程取得良好效果的保障。Mench等[39]通過分析一些歐洲國家開展的污染土壤、底泥原位植物修復工程認為，試驗研究和實際工程應用過程中植物修復效果存在明顯差異的原因主要是缺乏專業的監管機構，未能長期、有效地提供對底泥原位植物修復監測和管理的專業技術服務。

2.3 異位化學修復技術

化學修復技術作為發展較早，相對成熟的技術手段得到了廣泛應用。盡管原位化學處理技術成本相對較低，見效快，操作簡單，但在投加試劑量上需謹慎，過量可能致使水生生物死亡，破壞水生態環境，甚至有些試劑本身會對水生態環境造成不利影響[40-41]。因此，對于污染嚴重或污染物復雜的區域，從保護水生態系統的角度，采用異位化學修復技術更加安全。但在疏浚過程中，一方面設備移動會造成底泥擾動、擴散和釋放，形成二次污染;另一方面疏浚方式、范圍、深度確定的不合理會造成疏浚效果不佳[42]。因此，為了有效清除河湖（庫）水體受污染底泥，通常采用環保疏浚技術轉移底泥，并通過添加固化劑/穩化劑處理其中的重金屬物質，添加化學氧化劑處理其中的有機物。汪華安等[43]通過河道底泥調查、污染風險評估、底泥環保疏浚及底泥固化/穩定化措施對汕頭市貴嶼鎮北港河重金屬污染底泥進行修復，為類似水體治理工程提供了思路;Taneez等[44]對法國地中海沿岸清淤疏浚產生的淤泥進行中試規模處理試驗，通過現場對鋁礬土藥劑的不斷改良來抑制淤泥中陽離子和陰離子的浸出性，使其滿足法國《沉積物質量指南》中沉積物安全處置的要求。

異位化學修復工程應用的關鍵在于清淤疏浚的有效性、環保性，不能將工程疏浚等同于環保疏浚，前者屬于水利工程，側重于疏通河道、增加庫容，而環保疏浚屬于水生態治理工程，注重在環境效益的基礎上開展高效的疏浚，最大限度地清除含高營養鹽、重金屬和有機物等有毒有害污染物的底泥，盡可能避免二次污染。因此，在環保疏浚工作開展前需要對底泥污染等級進行劃分，進而合理確定疏浚深度和范圍，對底泥性質、區域水文地質、地形狀況進行分析，協同布局、制定配套的疏浚方案[42]。另外，對于疏浚淤泥的“無害化”處理需要考慮添加藥劑的針對性、相互作用性和順序性。關于添加藥劑的針對性，不同固化劑對不同重金屬的固化效果不同[19];關于添加藥劑的相互作用性，不同藥劑之間可能存在協同作用或抑制作用;關于添加藥劑的順序性，如修復有機污染物的化學氧化劑可能會因改變底泥中重金屬、營養鹽等無機污染物的形態而降低復合污染物修復效果，需先添加氧化劑，再使用穩定劑，必要時可開展前期小試試驗。

3 建議和展望

包括底泥覆蓋、底泥化學固化、生物修復在內的原位處理技術，現階段僅有少量的試驗探索或工程實踐，尤其對于污染負荷大、污染物復雜的水體以及淺水型河（湖、庫）而言，在工程成本、效果、內部水生環境等因素的約束下難以進行大規模的工程應用[42]。對于污染程度較輕的水域，開展異位疏浚工程必要性不大，且可能存在疏浚工程開展后產生新的污染問題，難以發揮環保疏浚水質改善的效果。因此，在對不同污染底泥的處理上應分類、分區進行研究。對于污染負荷大、污染物復雜的區域可采取底泥環保疏浚技術，并在疏浚后配合生態修復工程，建立強大的生態自凈系統。疏浚淤泥需及時進行合理、安全的處置，如對重金屬單一污染淤泥采取“清淤干化+穩定化+資源化利用”處置模式，對有機物單一污染淤泥采取“清淤干化+化學氧化+資源化利用”處置模式，對復合污染淤泥采取“清淤干化+化學氧化+穩定化+資源化利用”處置模式。對于污染程度較輕的區域，可采取生態安全性高的原位控制技術，如原位覆蓋技術，并輔以水生植物修復。輔助的生態修復工程需綜合考慮水生動植物生長的水質、基質和外界條件，使其發揮最佳效果。

對于不同污染類型底泥的處置，粗略套用常規治理模式，不僅會增加額外的治理成本，而且其治理效果也不一定能達到預期。因此，對底泥中污染物的種類、范圍、生態風險級別以及水質治理目標進行全面梳理，針對不同污染類型底泥的實際情況和存在的突出問題，合理匹配不同技術手段，制定分類、分區、分段的細化處理方案，這種針對不同污染類型的底泥處理與處置方法是底泥處置工程高效化的研究方向。

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【責任編輯 呂艷梅】