环境因子对底泥污染物化学钝化修复的影响研究*

雷晓玲　韩继阳　冉兵　杨程

(1.重庆市科学技术研究院　重庆 401123；　2.重庆交通大学河海学院　重庆 400074)



环境因子对底泥污染物化学钝化修复的影响研究*

雷晓玲1，2韩继阳2冉兵2杨程1

(1.重庆市科学技术研究院重庆 401123；2.重庆交通大学河海学院重庆 400074)

摘要通过模拟试验研究了环境因子扰动、pH值以及溶解氧水平对底泥钝化剂钝化效果的影响规律。结果表明，不同扰动状态下，PAC对COD，TP，TN的抑制效果均随着扰动程度的加强而增大；不同pH值条件下，PAC对COD，TP，TN均有一定的抑制效果，抑制效果随酸性的增强而降低，也随碱性的增强而降低，在pH值为6～8时抑制效果相当，且弱碱性条件下效果最好；不同溶解氧水平下，PAC对TP的释放抑制效果明显，对COD和TN有一定的抑制作用。

关键词底泥环境因子抑制率CODTPTN

0引言

三峡水库蓄水后，水域环境发生了巨大的变化，主要污染物大都吸附在泥沙颗粒上，泥沙淤积将大量的污染负荷转移到底泥中，随着水库淤积和河床污染负荷的不断累积和增加，在库区富集并形成内源污染。在一定情况下，底泥中污染物会大量分解、转移并污染水体，造成富营养化或加大库区富营养程度。因此，底泥污染的整治对河流污染治理来说显得尤为关键。

传统的疏浚方式疏浚时会产生诸多问题，比如扰动问题，对河道底部物理结构的破坏以及底泥中污染物重新释放引起的二次污染[1]。化学钝化控制技术就是通过在已污染的沉积物表层加入化学试剂, 使沉积物中的污染物得到转化(无害化或固化), 从而减少污染沉积物环境影响的治理措施。对于水体污染控制主要是通过向水体投加化学钝化剂将污染物去除或者转化为其他无毒无害、相对稳定的物质，达到净化底泥以及水体的目的。为了进一步研究钝化剂在不同环境因子影响下的钝化效果，本文选取PAC这种常用钝化剂，对其在不同扰动条件、不同pH环境以及不同溶解氧水平下的钝化效果进行研究，以期为底泥治理提供理论依据。

1材料和方法

1.1试验装置和材料

底泥：利用自制柱状采样器(直径20 cm)采集三峡库区重庆段李家沱段河床表层15 cm左右厚度底泥，去除动植物残体、塑料及石块等杂物，均匀混合，晾干，低温密闭保存。

上覆水：为取得更好的效果，上覆水采用实验室制备的去离子水。

试验装置为钢化塑料水桶，高48 cm,桶底直径为30 cm，桶口直径为35 cm。

1.2实验方法

将准备好的底泥平铺在水桶底部，分别进行扰动水平控制、溶解氧水平控制和pH值调节等实验。每个桶平铺2 kg底泥，铺设厚度为6 cm，上覆水12 L，厚度36 cm，后向每个装置中的底泥注入8 g PAC。

扰动水平控制：结合挖泥船在不同挖泥功率下对底泥的扰动情况，采用搅拌器进行模拟，结合挖泥船不同功率对水体的扰动时间不同，将搅拌水平设置为：第1组不搅拌，第2组以100 r/min搅拌1 min，第3组以200 r/min搅拌40 s，第4组以300 r/min搅拌30 s，扰动在第6天进行。其他条件为：温度25 ℃，pH值为自然值，DO为自然复氧。

溶解氧水平控制：利用溶解氧仪进行溶解氧测定，将实验状态设置为好氧状态，(5±0.2)mg/L；自然状态，(3±0.2)mg/L；厌氧状态，(1±0.2)mg/L。好氧状态利用鱼缸用曝气头进行曝气；自然状态不控制，为自然复氧；厌氧状态将高纯N2(体积分数为99.999%)作为充入气体，充气0.1 h后用保鲜膜密封，全过程控制DO的质量浓度。实验温度25 ℃，pH值为自然值，不搅拌。

pH值调节：本实验采用5实验装置，设置5个水平的pH值进行研究，采用HCl和NaOH调节上覆水的pH值水平，pH值水平设置：1#为4±0.2，2#为6±0.2，3#为7±0.2，4#为8±0.2，5#为10±0.2。其他条件为：温度25℃，自然复氧，不搅拌。

1.3分析方法

采用钼酸铵分光光度法测定TP，碱性过硫酸钾分光光度法测定TN，快速消解分光光度法测定COD。

为了更好地体现实验效果，采用抑制率来表示加PAC后与加PAC前的差异。

抑制率=(未加PAC上覆水中污染物浓度-加PAC上覆水中污染物浓度)/未加PAC上覆水中污染物浓度×100%。

2结果与讨论

2.1扰动对钝化底泥污染物释放的影响

2.1.1扰动对钝化底泥中磷释放的影响

如图1所示，加入PAC后，稳定时抑制率达到85%以上，说明PAC对底泥向水体释放TP起到了很好的抑制作用。结合第6.1天TP的抑制率来看，不同扰动水平下，PAC的抑制效果不同，此时抑制效果空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，说明PAC在扰动后2 h内对TP的抑制效果随扰动强度增大而减弱。稳定后抑制效果逐渐恢复，说明扰动对PAC抑制效果的持久性并未产生大的影响。

聚合氯化铝除磷的过程体现在两个方面[2]。一是铝盐与底泥中不稳定的磷反应生成稳定的Al-P，二是通过水解作用形成多核络合物，能够迅速吸附水中带负电荷的杂质，中和胶体电荷，促进胶体脱稳、凝聚和沉淀，从而表现出良好的除磷效果。扰动后发现随扰动强度的增大，抑制磷的效果下降，这主要是扰动破坏了原有的水解平衡，抑制了水解过程，同时一定程度地破坏了原来形成的絮体，导致吸附能力下降。稳定后，水体中PAC的作用得到恢复，体现出了良好的除磷效果。

图1　不同扰动强度下PAC抑制TP释放的情况

2.1.2扰动对钝化底泥中TN释放的影响

如图2所示，PAC对底泥向水体释放TN起到了一定的抑制作用，但抑制效果不理想。结合第6.1天TN抑制率来看，不同扰动水平下，PAC的抑制效果不同，此时抑制效果空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，说明PAC在扰动后2 h内对TN的抑制效果随扰动强度的增大而减弱，扰动一定程度上破坏了PAC的作用。稳定后抑制效果逐渐恢复，但抑制效果仍是空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，说明扰动对PAC抑制效果的持久性有一定的影响，但影响不大。

图2　不同扰动强度下PAC抑制TN释放的情况

氮在水体中的形态多样，虽然PAC对底泥向水体释放氨氮几乎无抑制效果，但是PAC水解形成的絮凝体具有混凝作用[3]，与水体中的胶体和悬浮物发生吸附架桥和卷扫等作用，对其他形态氮的释放具有一定抑制作用。扰动后造成的抑制差异与扰动对混凝造成的影响大小是一致的。

2.1.3扰动对钝化底泥中有机物释放的影响

如图3所示，PAC对底泥向水体释放COD也起到了一定的抑制作用。不同扰动水平下，PAC的抑制效果不同，此时抑制效果空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，说明PAC在扰动后2 h内对COD的抑制效果随扰动强度的增大而减弱。稳定后抑制效果逐渐恢复，但抑制效果仍是空白>100 r/min>200 r/min>300 r/min，说明扰动对PAC抑制效果的持久性有一定的影响。

图3　不同扰动强度下PAC抑制COD释放的情况

加入PAC后，聚合氯化铝水解形成絮体，产生混凝作用。通过吸附架桥作用等对颗粒状有机物进行吸附去除[4]。扰动对絮凝体的形成产生巨大的影响，扰动一定程度上破坏了吸附架桥等作用，导致PAC去除有机物的效果下降。扰动结束后一段时间，PAC的作用一定程度上得到了恢复。

2.2pH值对钝化底泥污染物释放的影响

2.2.1pH值对钝化底泥中磷释放的影响

如图4所示，PAC对抑制底泥向水体释放有机物起到了一定的作用，同时也发现，不同pH值条件下PAC的抑制效果差异明显，说明pH值对PAC的作用有一定影响。结合不同反应器TP抑制率可以看出， pH值在6～8范围内PAC对底泥向水体释放磷的抑制效果差异小，抑制效果都非常明显。PAC作用较明显的环境是pH值为6～8。

图4　不同pH值下PAC对TP的抑制情况

2.2.2pH值对钝化底泥中TN释放的影响

如图5所示，从整体趋势来看，PAC对底泥向水体释放氮起到了一定的抑制作用，但作用不明显。结合平均抑制率来看，PAC对TN的抑制效果较差，影响较小。同时可以看出，酸碱性条件下PAC的抑制效果均差于中性条件下的效果，并且弱碱性条件下好于强碱性条件、弱酸性条件下好于强酸性条件。

图5　不同pH值下PAC对TN的抑制情况

2.2.3pH值对钝化底泥中有机物释放的影响

如图6所示，PAC对抑制底泥向水体释放有机物起到了一定的作用，不同pH值条件下PAC的抑制效果差异明显，说明pH值对PAC的作用有一定影响。可以看出，pH=6和pH=4对COD的抑制率要低于pH=7下的抑制率，同时pH=4条件下抑制效果比pH=6要差很多；pH=8和pH=10的条件下，COD的抑制率也要低于pH=7条件下的抑制率，且pH=10比pH=8抑制率要低很多。整体来看，碱性条件对PAC钝化作用的影响比酸性条件要小，PAC作用较明显的环境是pH值为6～8。

图6　不同pH值下PAC对COD的抑制情况

钝化剂对去除有机物的作用主要是通过混凝作用实现的[6]。不同酸碱条件下，钝化剂的效果差异明显，这是由于不同pH值下PAC水解行为的差异导致的。在水解过程中，铝盐水解产物形态有3种，分别是Ala，Alb，Alc，其中对混凝起主要作用的是Alb，在pH值为6～8时，Alb含量多，在强酸强碱环境下Alb含量降低，且强碱环境优于强酸环境，因此导致中性和弱酸弱碱环境下混凝效果好，强酸强碱环境下混凝效果较差，且强酸条件下效果最差。

2.3溶解氧水平对钝化底泥污染物释放的影响

2.3.1溶解氧对钝化底泥中磷释放的影响

如图7所示，不同DO值下，PAC对抑制底泥向水体释放磷均起到了很好的作用，从最终效果和抑制率来看，不同的DO条件对PAC抑制磷释放的效果几乎没有影响。

图7　不同DO值下PAC对TP的抑制情况

2.3.2溶解氧对钝化底泥中TN释放的影响

结合图8中抑制率来看，不同DO值下，PAC对水体中TN的抑制率比较低，且不同DO水平下PAC的抑制效果差异不明显。说明钝化剂PAC对抑制底泥向水体释放TN有一定的作用，但钝化效果受DO水平的影响不大。

图8　不同DO值下PAC对TN的抑制情况

2.3.3溶解氧对钝化底泥中有机物释放的影响

结合图9来看，不同DO值下，PAC对抑制底泥向水体释放有机物均起到了一定的作用。结合绝对抑制率来看，不同DO条件下PAC的抑制效果均一般，差异不大，说明DO对钝化剂PAC抑制有机物释放的效果有一定影响。

图9　不同DO值下PAC对COD的抑制情况

3结论

(1)不同扰动强度下，PAC对COD，TP，TN的释放有一定抑制作用，抑制效果随扰动强度的增加而减弱。因此，利用钝化疏浚技术疏浚时，在满足疏浚要求的前提下，尽量选择对水体扰动小的疏浚速度。

(2)不同pH值下，PAC对COD，TP，TN的释放抑制情况存在差异，且不同pH值条件下PAC的绝对抑制效果也不一样。PAC的作用受pH值影响较明显。抑制效果随酸性的增强而降低，随碱性的增强而降低，在pH值为6～8时抑制效果相当，且弱碱性条件下效果最好。因此采用钝化技术时，PAC的使用选择在pH值为6～8的范围内。

(3)不同溶解氧水平下，PAC对TP的释放抑制效果明显，对COD和TN有一定的抑制作用。PAC的抑制效果TP>COD>TN。不同溶解氧水平下，PAC对各种物质的抑制效果相当,钝化剂的抑制效果受溶解氧水平的限制较小。

参考文献

[1]朱健，李捍东，王平. 环境因子对底泥释放COD，TN和TP的影响研究[J].水处理技术，2009，35(8):44-49.

[2]郭鹏程，王沛芳，贾锁宝. 河流内源磷释放环境影响因子研究进展[J].南京林业大学学报(自然科学版)，2008,32(3)：121-125.

[3]陶玉炎，耿金菊,王荣俊，等. 环境条件变化对河流沉积物“三氮”释放的影响[J].环境科学与技术，2013,36(6)：41-44.

[4]张丽萍,袁文权,张锡辉. 底泥污染释放动力学研究[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(2):22-26.

[5]郭鹏程，王沛芳，贾锁宝. 河流内源磷释放环境影响因子研究进展[J].南京林业大学学报(自然科学版),2008,32(3)：117-121.

[6]刘敏，戴玉春，湛含辉，等. 混凝体系中铝盐水解行为及作用机制的研究与分析[J].环境污染与防治，2009,31(8):1-6.

Effects of Environmental Factors on Sediment Pollutants Chemical Passivation Repair

LEI Xiaoling1，2HAN Jiyang2RAN Bing2YANG Cheng1

(1.ChongqingAcademyofScience&TechnologyChongqing401123)

AbstractThrough simulation experiments, it is studied the influences of environmental factors disturbance, pH and dissolved oxygen levels on passivation effect of sediment. The results show that under different disturbance state, the inhibitory effect of PAC on COD, TP and TN increases with the increase of disturbance; under different pH conditions, PAC has a certain inhibitory effect on COD, TP and TN, the inhibition effect decreases with the increase of acidity, also decreases with the increase of alkaline and when PH value is 6-8, the inhibiting effect is quite the same and under slightly alkaline, the effect is the best; at different levels of dissolved oxygen, the release suppression effect of PAC on TP is obvious and it has some certain suppression on COD and TN.

Key Wordssedimentenvironmental factorsinhibition rateCODTPTN

*基金项目：国家科技支撑计划(2011BAB09B0103)，重庆市科技研发基地建设计划项目(cstc2013gjhz20001)。

作者简介雷晓玲，女，1967年生，教授，清华大学环境科学与工程硕士，加拿大不列颠哥伦比亚大学环境工程硕士，重庆市科学技术研究院低碳中心负责人，主要研究方向：城市给水排水水质、工艺及管网系统研究，水环境污染物流动、扩散机理研究，城市水务管理。

通讯作者韩继阳，男，1990年生，重庆交通大学硕士研究生，主要研究方向：饮用水水质检测及在线监测设备开发。

(收稿日期：2015-08-21)