天长市胭脂湖污染底泥原位修复方案比选

翁永年 俞建河 曹小玉

(1.天长市重点工程建设管理处; 2.天长市二峰电力灌溉总站安徽天长 239300)

胭脂湖位于安徽省天长市城北永丰镇境内，属淮河流域、白塔河水系。集水面积为483 hm2，总库容为180 万m3，兴利库容为88 万m3，设计灌溉面积为333.3 hm2，库区养殖面积为30.3 hm2。是一座以灌溉防洪为主，兼养殖综合运用的小（1）型水库。周围主要以镇、村为主，地处低洼带，长期受周边农业、城镇污（废）水的面源污染，以及沿岸生活、养殖、餐饮类点源污（废）水的排入。湖体在较长时间曾种植水产作物，养殖水产品，导致水质超标，底泥污染严重，水环境质量恶化，黑臭问题凸显。经测定，底泥主要污染因子为有机质和TN（处于4 级断面），其次是TP（处于2 级断面）。2015年国务院发布的《水污染防治行动计划》对黑臭水体的治理提出了明确目标：到2020 年，我国地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年城市建成区黑臭水体总体得到消除[1]。为达到这一目标，天长市政府决定投入1.29 亿元对市内胭脂湖水环境进行综合整治，其中包含对胭脂湖底泥污染进行修复内容。

目前，对河湖底泥进行修复，分原位和异位两大类修复技术，主要有物理（疏浚[2]、掩蔽[3]、电动[4]）、化学（固化/稳定[5]、化学淋洗[6]）、生物修复（植物[7]、微生物[8]、动物[9]）和联合修复[10]等方法，由于异位修复存在占地面积和工程量大、治理费用较高等问题，故目前国内河湖底泥修复广泛采用原位修复方法[11]，经专家论证，天长市胭脂湖污染底泥修复也拟采用原位修复方法。

由于国内目前底泥污染修复方法较多，且各有优缺点及其应用范围，因此，有必要对胭脂湖底泥底泥污染修复方案进行比选。2022年3—5月，天长市邀请国内A、B、C这3家公司开展了为期45 d的胭脂湖底泥原位修复中试实验，试验分为现场和室内模拟。与其他底泥治理技术相比，该实验未投加外来菌种，主要通过物化处理降解底泥污染并提升水质，无生物入侵风险。该实验结果将作为天长市胭脂湖全水域底泥原位治理的实施依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验现场

现场实验地点选在胭脂湖西北角荷花池下游，此处水域水深约为1 m，底泥淤积有1 m以上，污染严重、黑臭问题突出、代表性强。采用铁皮加筋的方式制作长方形彩钢瓦封闭围格3 个，单个面积为20 m2，高为2 m，并将3个围格整体嵌入到底泥0.5 m中，A、B、C这3家公司各1个。

1.1.2 室内模拟

室内试验安排在胭脂湖西侧胭脂湖水环境综合治理项目部内1 个面积为6 m2洗澡间内进行，此处面积小、密封性好，可加温加湿，可模拟夏季治理效果，实行恒温（30 ℃）培养。采用内径为16 cm, 高为1.5 m的柱状有机玻璃管，设置A、B、C 这3 家公司处理组和对照组CK各1个，共计4组，每组重复3次。采集现场底泥柱样30 cm，模拟夏季温度下开展培养实验。

1.2 试验方法

1.2.1 试验现场（1）A公司：采用化学（稳定）修复技术。试验准备就绪后，使用电子秤对修复剂进行称重，投加修复剂40 kg；将修复试剂人工均匀地投洒到试验水域内；人工使用爬犁、铁锹等工具反复搅动表层底泥数遍，使底泥与修复剂充分反应，随后静置。

（2）B公司：采用化学（固化/稳定）修复技术。试验准备就绪后，使用电子秤对专利物化剂进行称重，投加专利物化剂24.3 kg；人工使用爬犁清理底泥表层内的水草；将专利物化剂使用高压水枪均匀的冲撒到试验区内。

（3）C公司：采用生物（微生物）修复技术。试验准备就绪后，使用电子秤对微生物制剂进行称重，投加微生物制剂5 kg；将盛放在水桶内的微生物制剂按比例添加试验区内的湖水搅拌均匀；将搅拌均匀的微生物制剂均匀的撒布到试验区内。

1.2.2 室内模拟

（1）A 公司：称取修复剂36 g；投入药剂后用长木棍搅拌底泥1 min以上，直至修复剂与底泥充分混合。

（2）B 公司：将泥水混合后倒入桶中进行搅拌，使泥块充分溶解在水体，并将泥块内的沉积物（植物烂根、死亡的螺蛳、水菱）分离出、打捞；继续进行搅拌，使泥水完全混合后形成稀泥浆；在搅拌过程中第1 次加入15 g专利物化剂，人工搅拌连续反应10 min，观察泥水与物化剂反应后第2 次加入10 g 专利物化剂，继续人工搅拌连续反应1 h后，根据实际反应情况第3次加入10 g专利物化剂，接着人工搅拌连续反应30 min；反应过程中，会有垃圾不断地与泥分离，并做打捞；反应结束，静置、泥水分离。

（3）C公司：称取微生物制剂10 g；长木棍搅拌底泥1 min以上，使泥水混合均匀；投放制剂，长木棍搅拌保证制剂与泥水充分接触。

1.3 检测项目

1.3.1 底泥检测

2022 年3 月22 日（投加修复剂前）、2022 年5 月7日（施用修复剂后的第45 天）分别在现场和室内采集底泥样品各4组。其中A、B、C这3家公司处理组现场和室内各1个，现场和室内对照组各1个。现场处理组和对照组分别为围格内外梅花式5 点取样混合样，室内处理组和对照组为3 个重复的混合样，取样深度为30 cm。对混合底泥样品分别检测pH、ORP、有机质、TN、TP这5个指标。

1.3.2 水质检测

在实验开始（2022 年3 月22 日）施用修复剂后的第35天、第40天、第45天分别在现场和室内采集水体样品各4 组。其中A、B 和C 这3 家公司处理组现场和室内各1个，现场和室内对照组各1个。现场处理组和对照组分别为围格内外梅花式5 点取样混合样，室内处理组和对照组为3个重复的混合样。对混合水体样品分别检测CODcr、CODMn、NH3-N、TP 和TN 这5 个指标。

2 试验结果分析

2.1 3种处理措施对底泥修复的效果分析

底泥原位治理的目的主要是通过物理、化学和（或）生物等原位处理措施，降解底泥中的有机质（N），固定P和重金属，大幅度降低底泥对水体的污染。

由相关数据可以看出，室内C 处理和室外B 处理底泥的颜色由黑色变成了黄褐色。而其他处理底泥的颜色和对照CK变化不太明显。

对现场和室内底泥处理前后的有机质、总磷（TP）、总氮（TN）和氧化还原电位（ORP）含量进行分析，以对照为参比，3家公司现场与室内模拟底泥处理45 d后结果分别如表1、表2所示。

表1 3家公司现场底泥处理45 d后结果统计

表2 3家公司室内模拟底泥处理45 d后结果统计表

2.1.1 pH值

由表1、表2 可看出，A 现场和室内处理均显著升高底泥pH 值，增幅分别为12.3%和14.6%。B 现场和室内处理均升高底泥pH 值，其中室内模拟较显著，升高幅度为14.4%，C现场处理底泥pH值升高较显著，升高幅度为11.3%，而室内模拟处理底泥pH 值变化不大。

2.1.2 底泥有机质

由表1、表2 可看出，A 现场和室内处理均对降解和削减底泥有机质有效果，其中室内处理效果显著，现场和室内模拟底泥有机质的降幅分别为18.5%和30.3%。B 现场处理对降解和削减底泥有机质效果显著，降幅为31.5%，而室内模拟处理对底泥有机质没有削减作用，C 处理无论现场还是室内模拟处理对有机质不仅没有削减作用，反而增加了底泥中的有机质含量。

2.1.3 底泥TP

由表1、表2 可看出，只有B 室内模拟处理对底泥TP 有削减效果，削减率达到18.6%，A 和C 室内模拟处理处理室对底泥TP 没有削减作用。A、B 和C 现场处理对底泥TP不仅没有削减作用，反而增加了底泥中的TP含量。

2.1.4 底泥TN

由表1、表2可看出，只有A室内处理对底泥TN有削减效果，削减率达到14.5%。其余室内和现场处理均造成底泥TN含量的升高。

2.1.5 底泥ORP

由表1、表2可看出，现场处理均降低底泥ORP值，其中A和C处理降低幅度较显著，降幅分别为16.9%和14.7%。而室内处理均升高底泥ORP值，其中A和B处理升高幅度较显著，升幅分别为12.9%和14.5%。

2.2 3种处理措施对水质的影响分析

理论上，有效的原位处理措施将造成有机质（N）的降低，一部分有机降解物以CO2、CH4的形式释放到水体，另一部分降解物则以有机和无机小分子形式释放到水体，短期内将造成水体有机质和营养盐含量的升高。经过处理45 d 后水的透明度，室外以B 处理为最好、C 处理次之、A处理与对照CK 变化不太明显，室内模拟也以B 处理为最好、A 处理次之、C 处理与对照CK变化不太明显。

2.2.1 水体CODMn

3 种处理措施处理对水质指标CODMn值的变化过程如图1 所示，由图可以看出，现场3 种处理措施造成的水体CODMn含量为B＜C＜A，但均优于地表水IV 标准。室内处理中，B处理组一直优于地表水III标准，指标最优。A 处理组35 d 和40 d 出现升高，但稳定在地表水V类水平，说明原位修复造成底泥有机质的释放，与观察到的底泥有机质削减率为33%是一致的；治理45 d后，CODMn含量快速回落，与B处于同一水平，说明在最后阶段释放到上覆水体的有机小分子物质在高温条件下（30oC）发生了快速分解。C处理组均增加水体CODMn，尤其是40 d 和45 d 后面两个阶段，水体CODMn含量均出现大幅度增加。由于该处理组底泥有机质并未得到削减，分析可能是原位处理带入有机质造成。

图1 3种处理措施处理对水质指标CODMn值的变化过程

2.2.2 水体CODCr

3 种处理措施处理对水质指标CODCr值的变化过程如图2 所示，由图2 可以看出，CODCr值总体变化与CODMn类似，值得一提的是，室内模拟实验C处理大幅度增加CODCr含量（195 mg/L和149 mg/L），远超A、B另外两组处理，说明水体出现一定程度的恶化。

图2 3种处理措施处理对水质指标CODcr值的变化过程

2.2.3 水体NH3-N

3种处理措施处理对水质指标NH3-N值的变化过程见图3，由图3 可以看出，现场实验所有处理NH3-N水平均优于地表水Ⅲ类，其中以A处理最优，B处理次之。室内模拟实验治理前面35 d 和40 d 两个阶段，B处理组优于另外A、C 两处理组但，尤其C 处理在40 d和45 d后面两个阶段保持高值（＞26 mg/L，劣五类）。

图3 3种处理措施处理对水质指标NH3-N值的变化过程

2.2.4 水体TP

3种处理措施处理对水质指标TP值的变化过程如图4 所示，由图4 可以看出，现场实验TP 水平B＜C＜A，但均控制在0.1 mg/L的低值范围内。室内模拟实验中A处理组在治理35 d和40 d造成水体TP的升高，但仍然优于地表水IV类标准。最后的阶段，所有处理组的TP含量均低于CK，且处于很低的范围（0.01～0.02 mg/L）。

图4 3种处理措施处理对水质指标TP值的变化过程

2.2.5 水体TN

3 种处理措施处理对水质指标TN 值的变化过程如图5 所示，由图5 可以看出，现场实验TN 水平A＜C＜B，均优于地表水IV 类标准。室内实验中B 处理组指标最优，另外两组均有显著增加；其中C 处理组TN 非常高（＞35 mg/L）。

图5 3种处理措施处理对水质指标TN 值的变化过程

3 试验效果总体评价

（1）从底泥修复过程中水质维护的效果看，总体上B 处理组的水质最佳，其次是A 处理组，C 处理组室内模拟实验组的多个水质指标在40 d和45 d后面两个阶段均出现异常值，远超现有的水质标准。B 处理组虽然对底泥污染物削减不明显，但水质一直维持较好状态，主要是该处理措施采用了物化方法，将底泥中的有机质和N 进行了固定，阻止了底泥中的污染物向水体释放，因此水质不受处理的影响。

（2）A 处理组现场和室内模拟实验中水质指标的升高，与处理后底泥有机质和TN 的释放是一致的，进一步证实该处理有效削减了底泥有机质和N污染。在45 d 最后一个阶段，A 处理组实验组的水质指标出现了快速的回落，说明A 处理组底泥原位修复后水质是可以保障的。

（3）从底泥原位修复效果看，A处理组的处理效果显著，尤其室内和现场处理的有机质均出现较大幅度削减，室内TN 的削减率为30.3%。B 现场处理对降解和削减底泥有机质效果显著，降幅为31.5%，而室内模拟处理对底泥有机质没有削减作用，C 处理无论现场还是室内模拟处理对有机质不仅没有削减作用反而出现有机质和TN 升高的现象。由于胭脂湖底泥原位修复的核心是削减有机质和TN，故A处理组的处理效果达到了核心目标。

4 结论

（1）经过处理可削减底泥有机质和TN，且修复后水质有向好发展趋势，证实在胭脂湖采取原位修复的方法治理底泥污染是可行的。

（2）如果以稳定底泥污染物和水质为主要目标，则B公司的处理措施是最优方案。

（3）如果以底泥污染物削减为核心目标，则A公司的处理措施是最优方案。

（4）由于胭脂湖底泥原位修复的核心是削减有机质和TN，因此这3种方案比选结果，确定A公司的处理方案为天长市胭脂湖污染底泥原位修复方案。