原位生物技术对城市重污染河道底泥的治理效果

柳 敏，王如松，*，蒋 莹，王金辉，黄锦楼

(1.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085;2.扬州市涵闸河道管理处，扬州 225000)

平原河网城市的河流众多，水流缓慢，使得可沉降物质沉积在河底，容易形成较厚的淤泥层。底泥在自然或人工扰动下的污染释放已经成为威胁水体水质安全的重要污染源之一［1-4］，也是城市水污染治理中的重要方面之一。

目前的底泥原位处理生物技术主要有人工曝气促进底泥氧化、底泥封闭、覆盖等［5］几大类。与底泥的易位处理技术相比，底泥的原位生物修复技术有着成本相对较低，同时能减少疏浚带来的环境干扰等优点。但从研究成果来看，底泥原位处理技术在国外被运用来控制底泥污染释放的工程很多［6-10］，近年来在我国底泥污染治理的研究和应用中也逐渐得到重视［11-14］，但在技术实践应用的开发上，众多技术成熟且在水污染处理中被广泛应用，同时也具有底泥污染治理潜力的原位控制技术如生物浮床［16］、原位生物接触氧化技术［17］等主要是集中关注它们对水质污染的去除，对底泥污染治理的研究甚少涉及。为探索城市河道底泥污染释放治理的新途径，本研究将在水污染处理中具有良好应用的原位生态处理技术，如人工曝气技术、生态净水砖技术、生物填料技术和植物浮床技术在应用上进行改进后，用于城市河道的底泥治理，研究这些原位处理技术对底泥污染释放的影响，尝试为河道底泥污染的原位处理提供新的探索，以期能为实际工程应用提供科学依据和相关指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究的河段位于扬州市居民区，是典型的闸控内河，东端与闸控水系自然连接，西端与排涝河通过DN600mm暗管相连，并有闸门控制，实际河段长度1236m。由于长期的污水排放，河底沉积了高污染底泥，平均厚度达到20cm以上，使河道水体富营养化严重，水质属劣Ⅴ类，夏季存在水体黑臭问题，影响沿河居住环境。

1.2 原位生态处理技术布置

配合正在实施的该河截污工程，本研究选取已布置的水污染治理工程技术(图1):低位浮床技术(混种物种为黄菖蒲、西伯利亚鸢尾、美人蕉)、转刷曝气技术、原位生物接触氧化技术(聚乙烯空心球填料)和生态净水砖技术(包埋固化了发酵大豆杆状菌与多孔矿物颗粒)。其中，低位浮床是对传统植物浮床在应用中的改进，把生物浮床的支撑装置放置在水面以下，使植物根系接近底泥表层。

1.3 实验样品及测定指标

在2011年夏季(6月3日—7月22日之间)对工程运行期间的河道底泥的污染释放特征进行了跟踪测定。

1)取样点 共设4个取样点，分别设在人工曝气技术处理区、生物填料技术处理区、生态净水砖技术处理区和生物浮床区内;每个样点取3个重复样品，取样周期为1周1次。

2)底泥样品处理及测定指标 在实验室采用厌氧培养的方法模拟底泥的厌氧释放和对上覆水体的污染负荷。具体做法为:每个样点的3个重复样品采集后进行混合，取出一个混合样品，静置24h备用，在撇除表面积水后，将泥样灌入到10L玻璃瓶底部，平均深度约8cm。用软管将河流水沿瓶壁缓缓注入瓶中，尽量不冲击底泥。将实验瓶静置24h使水澄清，将曝气头放入水中上半部分，开动氮气瓶向水体冲入氮气，驱赶水中溶解氧，直到溶解氧降为零，但不能搅动底泥。从实验瓶取样测定初始水质浓度，用橡胶塞盖紧瓶口。向瓶口与橡胶塞相交的沿口处倒少许水，以阻止空气从沿口处进入瓶内，保持实验瓶中处于厌氧状态，模拟实际河道底部溶解氧状态。每隔4d揭开瓶盖，取样测定水质，共测定4次。

图1 河道内的工程布置图［17］Fig.1 Position of different treatments

样品主要测试指标包括氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、CODMn。其中，主要考虑耗氧污染物(有机物、氨氮、还原物质)对水体溶解氧降低的影响力，用CODMn指标反应这类物质的总和。其中，CODMn采用GB11914—89《COD测定重铬酸盐法》，NH3-N采用 GB7479—87，TN采用 GB11894—89，TP采用国标GN1893—89。

表1 处理前底泥污染释放速率Table 1 Release rate of pollutants of sediment

3)数据处理

底泥污染物释放速率是指单位面积底泥表面在单位时间内的释放的污染物量(mg·m－2·d－1)。由实验数据计算出底泥释放速率为:

式中，SCi为第i个时段内底泥污染释放速率(mg·m－2·d－1);Ci－1为第i个时段初期污染物浓度(mg/L);Ci为第i个时段末期污染物浓度(mg/L);C0为置换的无氧蒸馏水中污染物浓度(mg/L);V为实验瓶中水体积(L);ΔV为实验瓶中置换的无氧蒸馏水体积(L);△T为第i个时段的时长(d);A为实验瓶断面积(m2)。

实验数据收集后采用excel2003进行不同处理间及处理前后底泥污染释放对上覆水污染负荷贡献量的去除率，去除率计算表述如下:

式中，φ为去除率;TSCi为T处理措施运行中的底泥污染释放速率;T'SCi为T处理措施运行后的底泥污染释放速率。

2 结果分析

2.1 对底泥氮释放的净化效果

2.1.1 氨氮

底泥中氨氮的释放速率经不同原位生物处理后，下降50.3%—89.64%，平均为59.27%。人工曝气技术处理区、生物填料处理区、生态砖处理区和低位浮床处理区的底泥在工程运行中的释放速率分别为114.8、78.4、63.46和39.51 mg·m－2·d－1;在工程处理后期的释放速率分别为11.89、42.51、30.78和19.63 mg·m－2·d－1。研究发现，在工程运行中，人工曝气区底泥氨氮的释放速率明显高于生物填料区、生态砖区和低位浮床区;但在工程运行后，人工曝气区底泥氨氮的释放速率却明显低于生物填料区、生态砖区和低位浮床区，可能是因为在工程运行过程中人工曝气对底泥的扰动比较大，造成水体的竖向混合，加速了底泥的释放。

底泥污染释放对上覆水氨氮负荷贡献量的去除率为36.59%—82.67%，平均为53.33%。在工程运行期间，底泥对上覆水质氨氮负荷在人工曝气技术处理区、生物填料处理区、生态砖处理区和低位浮床区的底泥在工程运行中的负荷分别为0.15、0.085、0.041和0.026mg·L－1·m－2·d－1;在工程运行后的负荷分别为0.026、0.041、0.026和0.015mg·L－1·m－2·d－1。

由于人工曝气技术对底泥的扰动比其他技术大，在工程运行期，人工曝气区中底泥对上覆水中氨氮的污染负荷仍然显著高于其他处理技术，但工程运行后人工曝气区的底泥对上覆水的氨氮负荷却小于其他处理技术区，说明人工曝气处理对底泥中氨氮污染的去除效果高于其他处理技术。

图2 工程运行中和运行后，底泥中氨氮释放速率Fig.2 NH3-N release rate of sediment during and after treatments

图3 工程运行中和运行后，底泥上覆水中氨氮负荷Fig.3 NH3-Nload rate of overlying water during and after treatments

2.1.2 总氮

底泥中总氮的释放速率经不同原位生物处理后，下降20.96%—88.94%，平均为42.32%。人工曝气技术处理区、生物填料处理区、生态砖处理区和低位浮床区的底泥在工程运行中的释放速率分别为147.21、83.53、71.35和42.20 mg·m－2·d－1;在工程处理后期的释放速率分别为16.28、66.02、46.72和31.71mg·m－2·d－1。与底泥中总氮的污染释放规律相似，由于工程运行过程中人工曝气对底泥的扰动比较大，加速了底泥总氮的释放。因此，在工程运行中人工曝气区底泥总氮的释放速率明显高于生物填料区、生态砖区和低位浮床区;但在工程运行后，人工曝气区底泥总氮的释放速率却明显低于其他技术处理区。

底泥总氮释放对上覆水污染的污染负荷贡献量的去除率为38.00%—67.06%，平均为54.96%。由于各处理技术对底泥的扰动程度不同，在工程运行中，人工曝气区的底泥总氮释放对上覆水体的总氮负荷大于其他技术处理区。

2.2 对底泥总磷释放的净化效果

图4 工程运行中和运行后，底泥中总氮释放速率Fig.4 TN release rate of sediments during and after treatments

图5 工程运行中和运行后，底泥上覆水中总氮负荷Fig.5 TN load rate of overlying water during and after treatments

底泥中总磷的释放速率经不同原位生物处理后，下降27.49%—91.00%，平均为55.31%。人工曝气技术处理区、生物填料处理区、生态砖处理区和低位浮床区的底泥在工程运行中的释放速率分别为103.00、57.63、40.24和10.7mg·m－2·d－1;在工程处理后期的释放速率分别为9.27、31.17、29.18和4.62mg·m－2·d－1。在各技术处理区，无论是工程运行中还是运行后，底泥中总磷的释放速率最低的是低位浮床区，处理效果小于其他处理技术处理区。

底泥总磷释放对上覆水总磷负荷贡献量的去除率为67.14%—98.46%，平均为84.33%。在各技术处理区内，底泥对上覆水体总磷的负荷最小为低位浮床处理区，调研发现可能是因为植物的生长对底泥和水体中磷吸收的缘故。

图6 工程运行中和运行后，底泥中总磷释放速率Fig.6 TP release rate of sediment during and after treatments

图7 工程运行中和运行后，底泥上覆水中总磷负荷Fig.7 TP load rate of overlying water during and after treatments

2.3 对底泥耗氧污染物(CODMn)释放的净化效果

底泥中CODMn的释放速率经不同原位生物处理后，下降11.84%—79.32%，平均为41.16%。人工曝气技术处理区、生物填料处理区、生态砖处理区和低位浮床区的底泥在工程运行中的释放速率分别为378.95、153.82、88.88和78.36mg·m－2·d－1;在工程处理后期的释放速率分别为78.36、88.88、78.36和53.87mg·m－2·d－1。研究发现，底泥中CODMn的释放受扰动的影响较大，对底泥扰动较大的人工曝气技术处理区工程运行前后的CODMn的释放速度相差300.59 mg·m－2·d－1，变化最大。

底泥上覆水中CODMn的释放速率经不同原位生物处理后，下降－1.25%—70.74%，平均为29.83%。技术处理区内，底泥对上覆水体总磷的负荷最小为低位浮床处理区，调研发现是因为低位浮床覆盖下的水体受扰动最小，底泥表层的水体波动最小的缘故。在生态砖处理区，工程运行中的底泥上覆水体CODMn小于工程运行之后，可能是因为生态砖表面孔隙堵塞而造成底泥吸附不完全和底泥再悬浮造成的。

3 小结

图8 工程运行中和运行后，底泥中CODMn释放速率Fig.8 CODMn load rate of sediment during and after treatments

图9 工程运行中和运行后，底泥上覆水中CODMn负荷Fig.9 CODMn load rate of overlying water during and after treatments

工程运行中和运行后存在净化效果的阶段性波动，以及不同处理技术之间对不同污染物的净化效果存在较大差异，但总体处理效果显示，人工曝气处理技术、生物填料处理技术、生态砖处理技术和低位浮床处理技术对河道底泥的污染释放速率及上覆水污染负荷均具有很好的净化效果，对氨氮释放速率平均降低59.2%，上覆水氨氮负荷贡献量平均减少53.33%;对总氮的释放速率平均降低42.32%，对上覆水总氮污染负荷贡献量的去除率平均为54.96%;对总磷释放速率平均降低55.31%，对上覆水总磷污染负荷贡献量的平均去除率为84.33%;对CODMn的释放速率平均降低41.16%，对上覆水污染负荷贡献量的平均去除率为29.83%。

鉴于各技术在运行中的效果和相关影响，在原位生态处理技术的实际应用中应主要考虑各技术对底泥的扰动，在进行集成应用的时候，对底泥扰动较大的技术，如人工曝气技术，应与对底泥扰动较小的技术，如低位浮床及或植被沉床技术，相间应用，以减少工程技术运行中对底泥扰动造成的污染爆发式释放。

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