我國河道底泥污染修復研究與應用進展*

盧先春，李彰鑫，侯鋒，龐洪濤，江樂勇

1.國投信開水環境投資有限公司；2.北京信通碧水再生水有限公司

中共中央、國務院2021年11月印發《關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》（以下簡稱《意見》），《意見》提出的主要目標是，到2025年，生態環境持續改善，城市黑臭水體基本消除，生態系統質量和穩定性持續提升，生態環境治理體系更加完善，生態文明建設實現新進步；到2035年，生態環境根本好轉，美麗中國建設目標基本實現；針對深入打好碧水保衛戰，《意見》要求持續打好城市黑臭水體治理攻堅戰。

河流是生態系統的重要組成部分，具有通航、文化、娛樂、休閑、景觀等多種功能，對于豐富城市景觀多樣性，提高城市生活質量具有重要意義。隨著經濟社會的快速發展，大量生活污水和工業廢水排入城市河流，造成了嚴重污染。黑臭水體是指水體變黑并散發惡臭氣體的現象，是有機物腐敗引起的極端狀況，城市中的黑臭水體會影響城市景觀和人們日常生活。河流沉積物可以不斷積累污染物，如揮發性有機化合物（VOCs）、多環芳烴（PAHs）、多氯聯苯（PCBs）、農藥、微量金屬、營養素（N，P）、病原體、重金屬等，可以通過遙感監測黑色臭味水體并分析黑臭水體和正常水體的光譜特征的差異。

河水中懸浮物不可避免地會沉積為河道底泥，底泥與上覆水體會發生互相影響。河流沉積物污染是水污染的積累，被稱為內源性污染。河流沉積物對上覆水體的影響是巨大的，即使完全截留污水，由于沉積物污染物的釋放，水體也可能會變黑發臭。我國大多數黑臭河流已積累了幾十年的沉積物，沉積物的厚度通常超過1m。采用工程措施不可能去除所有污泥，污泥仍然是一種新的污染源，清除的底泥很容易形成二次污染，甚至污染物濃度可能會在短期內增加。清淤將帶走河流的底棲生物和微生物，這可能被破壞長期的生態平衡，打斷生態系統中的食物鏈，引起新的環境問題。

一、河道污染對水質的影響

由富營養化導致的黑臭水體是我國河流的普遍現象。污染的底泥不斷將有機物和無機鹽釋放到上游的水體中，使河流水質持續惡化。底部污泥的耗氧量是河水耗氧量的重要組成部分，加劇了河道的耗氧率，導致河道出現黑色臭味。沉淀物反硝化和甲烷化引起的大量黑色臭味底泥的漂浮是造成河水黑色臭味的直接原因。對于河流沉積物的處理，截污措施是基礎，但是僅靠截污并不能有效地抑制河流底泥的污染。還必須與其他修復措施相結合，對釋放沉積物污染進行有效控制。底泥也是底棲生物的棲息地，也是城市河流生態系統的重要組成部分，是城市河流自凈能力的關鍵要素，沉積物的修復和處理是城市河流綜合治理的重要組成部分。

二、河道底泥修復與處理技術

水環境綜合治理是一項系統工程，結合河道實際情況，治理手段以工程措施為主。黑臭水體的治理不能采取某種單一的治理手段，而是采取內外兼修的治理手段，總體思路是綜合采取切斷外部污染源，處置河道內部存量污染物，人工強化河道水動力三大措施。

根據不同的處理方法，城市河流被污染的沉積物的處理技術可以分為異地處理和原地處理。異地處理技術是指挖掘受污染的沉積物并將其轉移到特殊地方進行相應處理的方法。原位處理技術無需將污染的沉積物從水體中清除，而是通過各種處理技術，減少受污染的沉積物的體積，減少污染物的數量，減少污染物的溶解度、毒性或遷移，并減少污染物的釋放。異地處理技術主要包括清淤以及清淤沉積物的處理和處置。清淤是黑臭河道底泥修復的主要手段，可有效解除水體內源污染負荷，但工程成本大，清淤深度難以把握并且對底棲生態也會造成較大破壞。近年來，基于環境友好型的物理、化學和營養菌劑等底泥原位生態修復技術逐漸興起。

國內外在黑臭河道的治理與修復中常用的方法有物理修復、化學修復、生物修復以及聯合修復技術，不同方法都具有各自的特點，應根據河道的污染性質和污染嚴重程度等因地制宜選擇合適的治理方法。

（一）物理修復技術

物理修復主要是通過物理方法來修復沉積物，例如通過截流污水來切斷沉積物的污染物來源，通過分流水沖刷河流中被污染的沉積物，或通過覆蓋來阻止沉積物污染物釋放到上層水體。截污是河流治理的基本手段，南明河是貴陽市的“母親河”，屬長江水系烏江支流，是長江上游重要的生態屏障，全長219公里，其中貴陽市內185公里。隨著社會經濟快速發展，城市生產生活用水量迅速增加，南明河生態基流急劇下降，同時污水排放量激增，到2012年已成為重度黑臭水體。國投信開水環境投資有限公司在貴陽市政府的指導下，按照“適度集中、就地處理、就近回用”的系統規劃治理理念，新建、改擴建下沉式再生水廠23座，污水處理能力達116萬m3/d，流域污水收集率達95%以上，河流國、省控斷面水質達標率達100%，新莊國控斷面水質指標穩定達到地表水IV類，河道7年未曾清淤，沉水植物物種達到11種，覆蓋度達80%以上，浮游植物58種，魚類物種達到29種，實現了水清岸綠、魚翔淺底、白鷺翻飛的生態之河，為貴陽市綠色城市建設、生態環境保護和經濟社會發展提供了有力支撐。（見圖1）

圖1 新莊國控斷面治理前后水質對比

清淤目的在于通過對河道底泥的清挖，有效地去除底泥中所含的污染物，削減水體污染物，恢復原河道的生態功能。水利工程河道底泥清淤工藝有干式、半干式以及濕式三種類型，濕式法是我國常用的河道底泥開挖方法，對于近距離輸送淤泥具有較大的優勢。常用的河道清淤機械有抓斗式挖泥船和絞吸式挖泥船，絞吸式挖掘船是目前最為環保生態的施工方法，是利用挖泥船上附帶的旋轉刀設備對淤泥進行剪切和外移，并將淤泥通過泵的加壓由管道外輸送至指定的淤泥處理站。采用絞吸式挖泥船清淤，既能控制清淤深度，又能將污染淤泥清走。絞吸式挖泥船在清淤過程中最大限度地減少了對水體的擾動影響，能夠有效地保護河道堤防的生態建筑物以及沿線的生態物種，將河道深處的淤積層所固有的有機物或重金屬完整地外移出河道范圍，快速改善河道的生態環境。（見圖2）

圖2 作業中的絞吸式清淤船

污泥處理目前主要采用填埋或焚燒方法。填埋將挖出的污泥埋到地下，利用大自然的自我代謝能力，通過長期的自然分解，達到無害的效果。填埋的優點是投資較少，但是需要占用大量土地，可能會對土地、地下水造成二次污染。焚燒是另一種污泥處理方法，適合處理含有礦物質和持久性有機質豐富的底泥，尤其適用于土地資源緊張的地區。焚燒工藝能徹底地降解底泥中的微生物和持久性有機物等有害物質。焚燒工藝占地面積小，但是運行費用較高，并會產生二噁英等二次污染，也不是一種可持續的方法。

對于主要的城市河流，當河道淤積影響其航行、景觀和生態功能時，清淤是必不可少的選擇。在挖泥過程中必須采取環保方法，以盡量減少對水體的干擾。結合排污、底泥原位修復等工程技術措施，保持河道清淤的效果。必須對清淤排出的污染底泥進行適當處理，以減少二次污染。對于小河流和支流，應盡可能避免進行清淤工程，并且僅在沉積了大量沉積物后才能進行環境清淤。

（二）化學修復技術

化學修復技術是指向河道底泥中投加化學藥劑，降解轉化或固化底泥中的污染物，進而降低污染物的遷移釋放和毒性。投加的主要藥劑包括硝酸鈣、過氧化鈣、高錳酸鹽、雙氧水、臭氧、Fenton試劑和過硫酸鹽等。廣泛使用的硝酸鈣能起到提高底泥氧化還原電位、抑制磷釋放、控制含硫化合物和氧化亞鐵離子進而抑制或消除底泥黑臭的作用，過氧化鈣作為釋氧劑可以提高環境介質溶解氧從而抑制底泥中磷的釋放，過硫酸鈉具有較好的強氧化性、穩定性、水溶性，對石油類污染物具有良好的降解效果。

除了可監測的自然修復外，原位生物修復一般可分為生物刺激、生物強化、植物修復和聯合修復方法。自然恢復是利用河流的自凈能力來降解污染物；而后者則是通過生物刺激或生物強化的方法進行人工干預。生物刺激是指投加電子受體，如活性炭、硝酸鹽、鐵鹽等來提高底泥的氧化還原電位，促進微生物的活性。不同的電子受體，可以將底泥的氧化還原電位提高到不同的級別。投加硝酸鈣提高底泥氧化還原電位的效果較好。生物強化是指投加特定菌種來降解特定的污染物。

化學修復技術操作簡單，只需向河道投加一定的化學藥品即可。缺點是化學藥品用量不好控制，投加少了起不到效果，投加多了會使河道內的生物受到損害，可能會造成魚蝦死亡，水體生態系統遭到一定的破壞。化學修復技術的關鍵在于確定好化學用藥量，可依據底泥理化性質，對幾種化學修復劑進行定量組合，既實現底泥有機污染物的高效降解，又可有效控制河流水質階段性劣變。

（三）生物修復技術

底泥的異位修復方法最常見的為底泥疏浚，但底泥疏浚過程中會帶來底泥惡臭釋放及滲出液等環境二次污染問題。疏浚出的底泥處置成本較高，相比之下作為一種處理效率高、成本低、環境影響小的原位生物修復技術得到廣泛應用。生物修復主要是利用微生物降解環境污染物并消除或減少其毒性的過程，可以處理大面積的污染。被污染的沉積物可以被修復，或者可以被原位修復、治理成本很低，僅為現有環境工程技術的一小部分，可以最大限度地減少污染物濃度，并最大限度地恢復受污染環境的生態功能，不會造成二次污染。

生物修復技術可以分為原位修復和異位修復。前者是在原地直接生物修復受污染的沉積物而不進行挖泥，而后者是指將受污染的沉積物運輸到其他地方。集中式生物修復主要用于疏浚后的沉積物處理。微生物主要通過氧化、還原和水解來分解有機物。微生物通過分泌細胞外酶降解有機物，并將污染物分解為可被微生物細胞吸收的小分子物質，最終被細胞內酶降解。生物修復是自然生物降解過程的增強。一般包括直接向污染沉積物中添加微生物，或者為微生物的生存創造良好的條件，如添加酶，提供電子受體代謝底物和微生物。

作為河道清淤工程的補充，底泥的原位生物修復技術是可行有效的。原位生物修復劑可以使用高效微生物或微生物菌群，或本地微生物制劑。微生物菌群的處理效果優于單一微生物，本土微生物制劑的處理效果優于通用微生物菌群。原位生物修復劑也可以使用復雜的酶制劑，如提供微生物營養素、生物促進劑、生物解毒劑、電子受體共代謝底物、緩沖劑、表面活性劑等，它們為微生物的生長提供了良好的條件，或者提高了污染物的生物利用度，從而促進了微生物對沉積物的修復。具體的生物修復劑配方和施用方法可以根據河底和河底污染物的類型而定。根據溫度、河流水力條件等因素，制定適當的原位生物修復計劃，以進行河流沉積物生物修復和淤泥生物修復。

植物修復技術也是一種在環境污染領域廣泛應用的生物強化技術，其主要利用植物或植物根的降解、吸收和代謝來降低污染物的毒性，例如在深水區的沉積物上種植沉水植物，在淺層沉積物上種植應急植物，在這方面已經有許多成功的案例。

相比于底泥清淤、掩蔽技術、化學修復等，生物修復具有對環境干擾小、投入成本少等優點，是一種環境友好、經濟有效的方法。但是由于生物修復技術具有生物自身特性中的局限性，所以生物生長周期也導致降解速度相對較慢且不徹底。生物修復技術無法用于水質污染特別嚴重的河道，一般只作為一種底泥修復的輔助手段和后期運營保持水質的一種技術方法。

三、結論

對于受污染的河流底泥，異位修復是一種快速有效的方式。理想的方法不是清淤，而是利用微生物直接分解污染物，將污泥中的有機物降解為水和二氧化碳，以及通過微生物自身的生長和繁殖，以實現減少底部污泥的目的。這樣可以減少挖泥，減少挖泥的數量，節省大量的挖泥費用，并減少挖泥對環境的干擾。

物理修復、化學修復和生物修復技術不僅可以用于處理和處置從河道中清除的沉積物，還可以用于河流沉積物的原位修復。近年來，原位生物修復技術在國內外河流管理中被廣泛應用。不同的修復技術各有優勢，將其進行組合應用到底泥原位修復過程中可以取長補短，以實現協同治理的修復效果。