黑臭水體底泥污染評估及治理技術

王雪純，白波，胡娜，王洪倫

(1.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；2.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001；3.青海省藏藥研究重點實驗室，青海 西寧 810001)

近年來現代工業的迅速發展導致流域水體加速黑臭惡化，嚴重影響人居環境健康。自國務院2015年發布《水污染防治行動計劃》以來，越發引起社會各界對黑臭水體治理的重視[1]。治理黑臭底泥是解決水體內源污染的關鍵。本文概括了黑臭底泥的產生原因、形成機理；按照污染物類型，系統歸納了氮磷營養鹽、重金屬、持久性有機污染底泥的常用評估方法；總結評述了三類不同污染型底泥的原位、異位、物理、化學、生物等修復技術；提出了現階段所存在的瓶頸問題；對現階段黑臭水體治理研究進行討論展望，以期為綠色、可持續發展的科學治理底泥提供理論參考。

1 底泥污染物

底泥中的主要污染物分為：氮磷營養鹽、重金屬、持久性有機污染物。通過大氣沉降、降水作用、廢水排放、農田退水、灌溉施肥等方式，外界環境中的污染物進入底泥，并在受到擾動時向上覆水進行釋放，造成水體二次污染[2]。

1.1 氮磷污染

圖1 底泥氮磷來源及水體循環示意圖

底泥中的磷主要來源于河流中顆粒態磷、礦物吸附溶解態磷、金屬氧化物或氫氧化物結合態磷及生物體有機磷。磷在底泥——水界面的遷移轉化受環境因子的影響[5]，以間隙水為媒介釋放向上覆水最終遷移至生物體中。鐵鹽、鈣鹽、鋁鹽和鑭系物等改性材料具有較好的除磷應用前景[6]。

1.2 重金屬、持久性有機物污染

重金屬和持久性有機物是底泥污染的重要來源。重金屬隨地面沖淋入河流并沉積于底泥，不易被環境降解，對人體危害極大，表1是我國七大水系底泥重金屬污染現狀。而持久性有機污染物(POPs)，包括總石油烴(TPH)、多環芳烴(PAHs)、多氯聯苯(PCBs)和有機氯農藥等，具有毒性、生物蓄積性和遠距離環境遷移性[7]。

表1 我國七大水系底泥重金屬含量(平均值)

2 底泥污染特性評估

科學開展底泥污染物檢測，需要對污染底泥進行水質指標綜合分析，查明底泥性質及污染物類型，結合不同評估方法全面了解底泥污染程度。

2.1 氮、磷營養鹽污染底泥評估

對于氮磷營養鹽超標的底泥，一般采用有機指數與有機氮指數法、污染指數法進行評估。

2.1.1 有機指數與有機氮指數法 底泥環境狀況及受有機物的污染程度常用有機指數法(Org-index)判定；氮營養鹽污染程度常用有機氮指數法(Org-N)來衡量[15]。

Org-Index=Org-C(%)·Org-N(%)

(1)

式中，Org-C(%)=OM(%)/1.724、Org-N(%)=TN(%)×0.95，OM表示有機質，TN表示總氮。

2.1.2 污染指數法 此法主要對底泥中TP污染狀況進行評估，Pi計算公式為：

Pi=Ci/C0i

(2)

式中，Ci和C0i分別為底泥樣品中營養物i的實測濃度及環境背景值，mg/kg。

2.2 重金屬污染底泥評估

目前，結合評估方法的側重點及適用范圍，重金屬污染底泥的評估方法有多種。

PLC技術在實際應用過程中主要包括四個階段的內容。通過利用PLC技術可以對機械電氣控制裝置進行全面性的控制，保障設備運行的安全性和穩定性。例如：機械控制設備在運行過程中出現了故障，利用PLC技術可以在第一時間將故障的主要原因診斷出來，并將相關數據發送到計算機中，根據所規定的控制指令對設備運行過程中的故障進行及時的解決，以此來保障設備運行的安全性[2]。

2.2.1 潛在生態風險指數法(potential ecological risk index)

(3)

2.2.2 富集系數法(sediment enrichment factor)

KSFE=(Es/Als-Ea/Ala)/(Ea/Ala)

(4)

此法用來評價人類活動對重金屬在底泥中富集程度的影響[17]，Es為沉積物中重金屬的含量；Als為沉積物中Al的含量；Ea為未受污染沉積物中重金屬的含量；Ala為未受污染沉積物中Al的含量(Al為遷移過程中的惰性元素)。富集系數越大，沉積物被重金屬污染程度越高。

2.2.3 內梅羅污染指數評價法(Nemerow composite pollution index)

(5)

此法是當前國內外進行綜合污染指數法計算的最常用方法之一。其中Pz是重金屬的綜合污染指數；Max是最大濃度值，i是重金屬類別；Ci是重金屬的測試值；Si是背景值；n是評估的種類總數。

PLI對重金屬元素進行定量評估，對污染程度進行分級，量化該元素的環境污染貢獻程度。污染因子(CF)的計算公式：CF=Ci/Cbi，式中Ci和Cbi分別為樣品中金屬i的實測含量和背景值[18]。不同CF值對應的污染等級和污染程度不同。

(6)

2.2.5 地質累積指數法(index of geoaccumulation)

又稱Muller指數，該指數將自然地質過程造成的背景值和人為活動的影響均納入考慮范圍內，可直觀反映人為活動對環境的影響程度。

(7)

式中，Igeo為地質累計指數；Cn和Bn分別為元素n在沉積物中的實測值和環境背景值，mg/kg；(系數K取1.5)污染程度由弱到強分為7個級別[19]。

2.3 持久性有機物污染底泥評估

底泥中持久性有機物評價目前的研究方法共有10余種，MacDonald等運用一致性基準(CBSQGs)獲取了包含PCBs、PAHs等28種致污物的一致性基準[20]。該原理常用來應用于近海沉積物的環境質量評估，包括了閾值效應濃度(TEC)與可能效應濃度(PEC)，通過兩者大小來預測有害生物效應發生的可能性[21]。表2對不同的底泥評價方法進行歸納總結，并將我國部分水體底泥中的評價方法應用實際進行舉例。

表2 不同底泥評價方法之間的比較

3 底泥污染修復技術

從污染源控制原理角度出發，底泥污染修復技術可分為物理修復、化學修復和生物修復；按底泥處理方式可分為原位修復和異位修復；以下按照污染物性質歸納了氮磷營養鹽、重金屬、持久性有機物三類不同污染型底泥的修復方法。

3.1 氮磷營養鹽污染底泥修復

對于底泥中富含的氮磷營養鹽，其處理方法主要包括人工濕地、底泥覆蓋、投加化學試劑鈍化、微生物降解及人工曝氣等。人工濕地是將自然環境中濕地對水質的改善性能通過構建含沙石底質進行模擬修復。Mohana 等對水力、化學、生物及土木等工程原理進行綜合考慮，設計出底泥覆蓋生態系統[32]。目前的原位覆蓋技術常結合化學或生物技術進行聯合修復。如沸石由于具有天然架狀多孔結構常用來作吸附氨氮的覆蓋材料，并通過加以化學試劑或進行微生物掛膜來增強氨氮吸附性能；許多含鑭(La)、鋁(Al)和鐵(Fe)的膨潤土鎖磷材料是抑制沉積物中磷釋放的有效途徑。鎖磷材料和氮粘合劑的組合可以鈍化沉積物中的氮磷活性，控制其向上層水體的釋放[33]。Yin等使用由NaCl改性的斜方沸石材料作為原位修復工程材料，輔以間接曝氣，將上覆水氮磷濃度有效控制在較低范圍，通過研究發現生活在底泥-水界面的管狀寡毛綱水生蠕蟲可在底泥垂向上構建廊道以促進泥水界面溶質交換，提高底泥對氮磷的截留能力[34]。

3.2 重金屬污染底泥修復

重金屬的毒性作用時間長且難以從環境中消除，某些金屬的毒性大小也與其存在形式緊密相關。因此，通過影響重金屬的物化性質來降低或消除其在底泥環境中的毒性是目前的技術關鍵。

重金屬污染底泥的物理修復方式包括直接取出和間接消除兩種。前者主要為疏浚、清淤，后者主要為填沙或固化掩蔽等。化學修復技術通過投入大量藥劑進行化學反應，表3羅列了常用的重金屬污染底泥化學修復方法。化學處理法通常反應時間短且效果顯著，但成本較高，并會產生二次污染。與前兩者相比，生物修復具有原位修復、成本低、環境友好、無二次污染等優勢，是目前最具發展前景的重金屬修復方法，主要原理是通過動植物或微生物的生命活動對底泥重金屬進行吸收、轉移和轉化[35]。植物修復包括植物穩定、植物刺激、植物轉化、植物過濾、植物揮發等。其中植物穩定是最有效的植物修復技術，物種的吸收潛力主要取決于植物組織中的重金屬濃度和植物生物量，吸收和積累能力與其生長型有關，一般認為：沉水植物>浮葉植物>挺水植物[36]；有研究者發現大多數高蓄積植物雖顯示出很高的重金屬蓄積潛力，但其生物生產率卻較低，而毛竹等植物不僅具有高耐受和有效吸收重金屬的能力，且生長快速、總生物產率高，可作為理想的新型重金屬修復植物[37]。

表3 重金屬污染底泥化學修復[38]

3.3 持久性有機污染底泥修復

POPs等在生物圈中積累并通過食物網轉移，對生物體和人類構成潛在威脅，最終經遷移轉化沉積于土壤以及水體沉積相。有機污染底泥的物理處理法主要包括活性炭吸附、生物修復法、常需多種厭氧微生物協作完成。表4對不同類型的高級氧化法進行歸納，相對而言，化學氧化法處理更加高效快速、反應徹底。

表4 高級氧化法處理有機污染型底泥[39]

4 結束語

本文對黑臭水體底泥的形成機理和污染物特性進行評述，重點論述了底泥評估方法及治理技術，認識到建立全面的底泥評估體系、開展針對性的治理對策是當前研究的關鍵問題。因此，未來研究可深入考慮如下幾個方面：①識別不同污染源類型、明確不同地區黑臭底泥的形成機理及污染物遷移轉化過程；②完善底泥評估方法，建立系統全面的評價體系以明確污染程度；③在治理修復技術方面，現階段底泥中氮磷污染物的修復主要以脫氮除磷材料原位覆蓋技術為主、重金屬污染物可通過生物技術修復，持久性有機污染底泥則通過高級氧化法進行處理；④對于底泥中復合污染問題，應協同發揮各技術優勢，多措并舉聯合修復。