河道底泥污染释放机制和修复技术研究进展

林锋

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

0 引言

河道底泥是上覆水体中污染物的“源”和“汇”，城市黑臭水体的有效治理离不开底泥疏浚。鉴于河道底泥的污染类型多样以及修复技术种类繁多而又各有优缺，因此文章主要从原位处理和异位处理两个维度量分别对修复技术和资源化技术进行论述。

1 底泥污染物释放机制

底泥与上覆水体进行物质交换的过程，是一系列复杂的物理化学和生物作用的组合，简单的交换过程如图1 所示。

图1 底泥和上覆水体进行物质交换的示意图

如图1 所示，左区为物理释放区，主要分为泥水界面释放和底泥污染物起动悬浮释放两种，前一种释放方式可以用滞膜模型来描述，动力学模型如式（1）所示，后一种方式主要受上覆水体的水动力条件影响，水体浊度随水流流速的增加而增加。在整个污染物物理释放过程中，泥水界面释放是贯穿始终、一直存在的，底泥悬浮释放的强度虽然大，但是只有在一定的水动力条件下才能进行，作用时间短，对底泥总释放的贡献随时间的增加而逐渐减小。

式中：Ct——污染物t时刻时的水相浓度，mg/L；C0——与两相界面面积和水体积相关的常数，mg/L；K——底泥污染物界面扩散速率，m/d，其值随水深增加而减小。

右区是化学和生物释放区，过程比较复杂，文章仅作简要论述。底泥中磷、氨氮、重金属以及有机物等污染物的释放均和上覆水体的理化性质，如pH、温度、氧化还原电位、溶解氧等有关，如图1所示，外排污水中的有机物对所有污染因子的释放都有影响。当水体中有机物浓度升高时，包括微生物在内的底栖生物的代谢活动会增强，从而促进有机氮磷向无机氮磷的转化，同时温度一定程度的上升和适当的缺氧环境会增强微生物的生命活动，从而加速氮磷向上覆水体的释放。另一方面，高浓度的有机物还可以创造出还原氛围，还原重金属以加速其向上覆水体迁移的速率。

2 底泥修复技术

原位处理是指底泥无需进行清淤疏浚，直接在河道对底泥采用物理、化学或生物修复的方法来稳定或去除底泥中的污染物。

2.1 物理修复

物理修复是指通过覆盖一层材料来阻隔底泥和上覆水体的接触或者将污染物进行掩蔽以减少底泥污染物向上覆水体的迁移释放，代表性方法有氨氮、磷酸根离子以及有机物的沸石改性修复方法。很多研究围绕锁磷进行，其中锁磷剂由自然物质黏土和镧组成，黏土部分是镧的一个载体,镧本身不溶于水, 与磷酸盐结合形成不溶性的磷酸镧, 进而被锁在底泥中以达到固磷的效果。锁磷剂通过两种途径发挥作用：首先, 锁磷剂在其下沉的过程中会吸收水体中的可溶性磷酸盐；其次，在锁磷剂穿过整个水体后，在水体底部的底泥上会形成一层覆盖层，这个覆盖层能够阻止下层底泥中溶解性磷向水体释放。比如在500 g/m2的投加强度下，锁磷剂能够有效地将河道的磷浓度控制在0.010 mg/L以下，对于污染较轻和较重河段都具有显著的修复优势。然而物理修复利用了添加物质对污染物的吸附和结合的作用，或多或少存在污染物缓释的风险，进行非金属类污染物修复时具有应用范围狭窄、作用对象单一等的缺点，适用于简单污染的底泥修复，对于复合污染底泥的修复还需要联合其他技术。

2.2 化学修复

化学修复是通过化学药剂的性质对污染物进行固定或者转化的，分为氧化还原和钝化技术，前者包括电动修复技术、淋洗、臭氧氧化等，后者包括稳定化技术。

通过电动修复和臭氧氧化技术，可以实现对硫化物、亚铁、氨氮等还原性物质的高效去除，赖江钿等发现对上述污染物分别可以实现76.19%，72.48% 和88.57%的去除效率，甚至还可以实现对重金属污染底泥的修复，一项进行了226 h 的针对Pd 污染底泥回收利用于农业的中试实验取得很好的效果，不仅低成本地将Pd 控制在标准以下，还实现了农用风险管控。

利用淋洗和稳定化技术可以实现重金属污染的有效去除，赵霞等利用乳酸发酵液淋洗铅锌矿尾矿坝口底泥中的重金属铅，其中可提取态铅和可氧化态铅的，去除率分别为80%和50%。固化稳定化处理技术也可以用于重金属污染底泥的修复，实验发现投加的FeS 和底泥中的重金属结合，可以形成更加稳定的金属硫化物，以达到减缓重金属向上覆水体释放的速率来实现底泥的物理修复。化学修复能够实现污染物的高效去除，但是也极大地改变了底泥的土壤性质和上覆水体的理化性质，比如利用金属系比如铁盐、铝盐来稳定化重金属污染物时容易改变水体的理化性质，如pH 等。

2.3 生物修复

生物修复是利用微生物、植物的代谢活动将底泥中的污染物分解、转化。借鉴土壤修复中的超富集植物，在底泥修复过程中也可以利用植物富集的特点，比如分别对Zn，Cd 的富集系数大于1 的高羊茅、菊苣，还有对Cu，Pd，Cd 修复效率高的黑麦草，这些植物都值得关注[2]。

3 底泥资源化处理技术

河道底泥既是土壤资源，也是吸收了N，P 等营养元素的污泥，从前者来看可以发挥替代土壤的作用，如充当建筑材料、填方材料以及替换原有不合适的土壤等，从后者来看，又可以应用于农林业，充分利用底泥中的营养元素，如此不仅能解决土地紧张问题，还能回收资源，实现固体废物的减量化、无害化以及资源化利用[1]。当然由于底泥污染很多，可能是复合型污染，进行利用之前可参照GB/T 23486-2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》、GB4284-2018《农用污泥污染物控制标准》、CJ/T 362-2011《城镇污水处理厂污泥处置林地用泥质》的相关规定，避免出现二次污染[2]。

杨艳丽等向有明显恶臭、有机质含量高的东蠡湖底泥中，加入废菇渣、木屑、猪粪和稻壳等固体废物后进行堆制，堆肥腐熟后，水分降至30%以下，pH 基本保持在中性范围，C：N 不断降低，生物发芽指数在60%以上，高于无植物毒性的50%标准，表明能够作为园林绿化类用肥[1]。

然而污染类型多样和复合污染的底泥对底泥的资源化利用提出了挑战，否则二次污染以及污染物的富集作用，会使得污染底泥的生态和健康风险更大。

4 结论

文章对底泥污染物释放机制、修复及资源化利用方法进行了论述，描述了底泥中的污染物可以通过界面扩散和起动悬浮扩散的物理方法以及有机物浓度、溶解氧等影响因素下的化学和生物扩散方法，总结了不同修复方法处理不同污染类型的底泥时的优点以及需要改进之处，物理方法虽然简单但是对于复合污染还需进一步研究，化学方法处理效果显著，但是成本高以及处理后底泥改性严重的问题需要得到重视。如何增加化学修复方法的选择性需要进行深入研究，生物方法生态无风险，成本低，但是修复时间长而且生物修复的广谱性，面对多样的污染时比较低。综上所述，面对污染类型多样的底泥，分类施策是解决当前治理乱局的首选之策，结合污染类型和处理后底泥的用途来选择修复技术。面对国内底泥疏浚工作的不断深入开展以及《水污染行动计划》的切实要求，资源化利用虽然面临不达标、回收难度大等问题，但大量研究工作正在展开，未来市场潜力巨大。