黑臭水體底泥治理方法分類及治理技術(shù)
好氧微生物通過新陳代謝作用消耗水體中氧氣，使水體處于缺氧或厭氧狀態(tài)，此時(shí)大量繁殖的厭氧微生物與有機(jī)物發(fā)生腐敗、分解和發(fā)酵等反應(yīng)，發(fā)生有機(jī)硫化物、氨氮和甲烷等14000多種致臭氣體；同時(shí)水體中鐵、錳等重金屬被還原，與硫離子結(jié)合形成FeSMnS等黑色沉淀使水體變黑。另外，鄉(xiāng)村水體流動性差，水動力不足，導(dǎo)致水環(huán)境惡化，污染物積累，水體黑臭狀況加重。
根據(jù)黑臭程度不同，鄉(xiāng)村黑臭水體整治工作指南》將鄉(xiāng)村黑臭水體分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”兩級
截至2016年12月，全國295個地級以上鄉(xiāng)村中，70%以上的鄉(xiāng)村存在黑臭水體，黑臭水體總認(rèn)定數(shù)已達(dá)2100個。黑臭水體的存在不只給人們帶來了惡劣的感官安慰，也直接對人們飲水、用水平安構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。
目前，治理鄉(xiāng)村黑臭水體主要包括物理治理技術(shù)、化學(xué)治理技術(shù)以及生物生態(tài)治理技術(shù)。黑臭水體治理雖然廣泛運(yùn)用3種治理技術(shù)，但各自都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)運(yùn)用某種技術(shù)可能不會保證其耐久有效性。因此，多種技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用于黑臭河道的治理取得了較好的效果。其中，黑臭內(nèi)源治理是基礎(chǔ)措施。
Part1內(nèi)源污染的形成及危害
外來污染物進(jìn)入水體后經(jīng)過長期的積累、沉淀和固化以及水體中死亡生物體的沉降，積于水底底泥，形成內(nèi)源污染源。底泥中含有大量的有機(jī)物和氮磷營養(yǎng)鹽，一定條件下會從底泥中釋放出來，對水體水質(zhì)造成二次污染，嚴(yán)重影響了鄉(xiāng)村水體環(huán)境，加大了水體黑臭程度。
Part2內(nèi)源污染治理技術(shù)
目前，黑臭水體底泥的治理方法分為異位和原位兩大類技術(shù)。
2.1異位治理技術(shù)
異位治理技術(shù)以底泥清淤最為典型。底泥清淤是去除底泥中有害物質(zhì)的最快速簡便的方法。其原理是通過采取人工、機(jī)械的方法移除水體底部污泥，以削減累積在底部的氮、磷、有機(jī)物等污染物質(zhì)，從而增加河道水體容量和降低內(nèi)源污染，改善水體水質(zhì)。工程上，一般在當(dāng)?shù)啄嘀形廴疚餄舛瘸霰镜字?span>35倍且潛在危害人類及水生生態(tài)系統(tǒng)的情況下，優(yōu)選進(jìn)行清淤異位治理技術(shù)。
目前，底泥清淤包括3種方法：干水作業(yè)、帶水作業(yè)、環(huán)保清淤。不同清淤方式對水環(huán)境的影響不同。其中，環(huán)保清淤是帶水作業(yè)的一種特殊方式，主要清除水底表層2040cm淤泥層，施工工程中注重維護(hù)物種和生物多樣性，且為后續(xù)生態(tài)修復(fù)工程發(fā)明較好的基底條件。根據(jù)污染源和底泥的厚度，可將河道底泥從上到下分為浮泥層、淤泥層和老土層。為保證河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性，底泥清淤通常是清除浮泥層和淤泥層的底泥，保管老土層底泥。
江蘇省滆湖北部區(qū)通過底泥疏浚后，與未疏浚區(qū)域相比，疏浚區(qū)TNTP和有機(jī)質(zhì)的平均含量減少了51.4%51.2%和72.0%浮游植物密度和生物量分別減少了19.8%28.1%和 19.5%50.2%江蘇省太湖東部湖區(qū)通過底泥疏浚工程措施，表層堆積物中營養(yǎng)物質(zhì)得到有效去除，底泥重金屬含量及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)明顯降低。但對不同類型湖區(qū)而言，底泥疏浚對水質(zhì)和生物群落結(jié)構(gòu)的影響存在明顯差別；實(shí)施環(huán)保疏浚后，江蘇蠡湖表層堆積物中有機(jī)質(zhì)、TN和TP含量分別下降了51.48%2.52%和77.39%為水生植物生態(tài)修復(fù)營造了良好的生長環(huán)境。
雖然底泥疏浚能快速轉(zhuǎn)移局部污染物，但存在一些不足。比如底泥清淤花費(fèi)巨大，滇池一期二期工程總計(jì)投資為4.275108元；底泥清淤會對水底生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，具體表示為水生植物和底棲動物種類、豐富度與生物量的減少等方面；同時(shí)，表層污染物在施工過程中通過擾動擴(kuò)散作用對周邊水體發(fā)生有利影響，浙江省寧波市對月湖進(jìn)行底泥清淤一段時(shí)間后，兒童公園附近水域TN濃度上升150.0%TP濃度上升13.5%此外，被清淤的底泥具有量大、含水率高及污染物成分復(fù)雜等特點(diǎn)，容易給環(huán)境帶來二次污染。
2.2原位治理技術(shù)
原位治理技術(shù)是指原位保管底泥，采取工程措施阻止或削弱底泥中污染物進(jìn)入上覆水體。與底泥清淤異位治理技術(shù)相比，其具有對底泥擾動小、可防止底泥清淤過程中底泥再懸浮對水體的污染等特點(diǎn)。
2.2.1底泥覆蓋
底泥覆蓋是通過在污染底泥上部鋪設(shè)一層或多層材料，隔斷底泥與上覆水，達(dá)到阻止或減弱底泥中污染物釋放的效果。常用的覆蓋資料包括天然資料(如細(xì)沙、紅土，方解石和石英砂等)及改性礦石。工程上，一般采用表層傾倒和表層撒布等方式，將覆蓋資料鋪設(shè)在底泥上，但使用時(shí)需考慮一些條件：1水體的外污染源已經(jīng)得到控制；2底泥污染物具備低毒性和低遷移率時(shí)才干考慮此技術(shù)；3覆蓋資料現(xiàn)成易得；4水體流速較緩；5覆蓋后不會影響現(xiàn)今或?qū)淼慕ㄔO(shè)和水路使用。
利用河道中粗糙沙礫對華盛頓塔科馬航道中含PA HS苯酚等有機(jī)物的底泥進(jìn)行原位覆蓋工程，10年的監(jiān)測標(biāo)明未見污染物遷移；利用紅壤，原位覆蓋成都清水河黑臭底泥，抑制底泥中氮、磷污染物的釋放，發(fā)現(xiàn)60d后上覆水中TN氨氮、TP和SRP釋放抑制率分別為77%63%60%和65%郭赟等對太湖流域梁塘河進(jìn)行底泥原位活性覆蓋實(shí)驗(yàn)室模擬研究，發(fā)現(xiàn)通過方解石+沸石組合覆蓋，底泥中TN和TP平均釋放抑制率為60%達(dá)到穩(wěn)定削減氮磷釋放量的目的
底泥原位覆蓋能夠適用于多種污染底泥，具有環(huán)境潛在危害小等優(yōu)點(diǎn)，但存在一些缺乏和局限。一方面，覆蓋工程量大，投加覆蓋資料會減少水體庫容，改變湖底坡度；另一方面，底泥原位覆蓋并沒有將水體中的污染源清除，仍存在污染物釋放到水體的風(fēng)險(xiǎn)。
2.2.2投加化學(xué)藥劑
投加的化學(xué)藥劑通過與沉積物中的污染物發(fā)生氧化、還原、沉淀、水解、絡(luò)合、聚合等反應(yīng)，降低底泥中污染物含量或轉(zhuǎn)化低毒甚至無毒形態(tài)。
目前，常用的化學(xué)藥劑有鋁鹽、鐵鹽、生石灰、CaNO32CaO2H2O2和KMnO4等。其中，鋁鹽、鐵鹽、生石灰投入水體后，鋁離子、鐵離子和鈣離子3種金屬離子通過在底泥外表形成活性層，與底泥中的磷反應(yīng)形成沉淀，減少甚至抑制向水體擴(kuò)散的磷含量。
CaNO32中的鈣離子能與底泥中的磷酸鹽反應(yīng)形成穩(wěn)定的鈣結(jié)合態(tài)磷，減弱了底泥中磷的釋放。張華俊等向黑臭水體中投放硝酸鈣，與空白組相比，有效降低了上覆水中TP含量。CaO2強(qiáng)氧化性能改變重金屬的形態(tài)，其強(qiáng)堿性能與重金屬發(fā)生化學(xué)沉淀，二者可共同降低堆積物中重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)。王熙等在試驗(yàn)中通過向黑臭水體投加CaO2泥-水界面處的亞鐵離子含量降低了21.22%同時(shí)，CaO2具有緩釋氧氣的功能，能強(qiáng)化底泥微生物新陳代謝的能力，促進(jìn)微生物對黑臭底泥的修復(fù)。H2O2和KMnO4可通過強(qiáng)氧化性提高底泥的氧化還原電位，減少硫化物的酸揮發(fā)性，有效改善底泥黑臭。
然而，投放化學(xué)藥劑會帶來一些風(fēng)險(xiǎn)。首先，化學(xué)藥劑可能增加水體毒性。研究發(fā)現(xiàn)，向水體中投加鋁鹽后，當(dāng)水體中鋁濃度超過2μmol/L時(shí)，對魚類存在潛在毒性風(fēng)險(xiǎn)。其次，化學(xué)藥劑的投放可能造成污染物的異常釋放和穩(wěn)態(tài)變化，容易改變水體中的生物和生態(tài)環(huán)境。因此，投放化學(xué)藥劑一般用于應(yīng)急處置情況。
2.2.3微生物修復(fù)
作為生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，微生物通過代謝等作用將水體中的污染物進(jìn)行削減。通過向黑臭水體底泥中投加治污高效菌，原位降解底泥中的有機(jī)污染物，重建嚴(yán)重受損的底端生物鏈，加速底泥的礦化進(jìn)程，底泥被分解轉(zhuǎn)換和傳遞，底泥中有機(jī)物含量減少，體積和厚度也隨之降低和減少。
微生物處置技術(shù)具有較好的處置效果、資金消耗較少、耗能較低以及后期運(yùn)行利息低廉等特點(diǎn)。另外，該技術(shù)無需向污染水體投放藥劑，無二次污染風(fēng)險(xiǎn)。然而，目前利用微生物菌劑對黑臭底泥的治理還處于實(shí)驗(yàn)室和中試水平。如吳光前等利用微生物制劑(主要成分：硝化細(xì)菌、桿菌、放線菌、真菌、絲狀菌)處置南京林業(yè)大學(xué)校內(nèi)紫湖溪黑臭河水中的厭氧底泥，結(jié)果顯示底泥厚度由0.1m減少為0.02m底泥CODCr由26640mg/kg降至1843mg/kg涂瑋靈等向南寧市向陽溪黑臭底泥中投加0.5g/m3反硝化細(xì)菌制劑，6周后，底泥厚度得到有效降低，有機(jī)質(zhì)降解率和生物降解能力得到顯著提高。姚宸朕等采用固定化微生物技術(shù)(主要包括乳酸菌、酵母菌群、光合菌群、Gram陽性桿菌群、硝化菌群)修復(fù)西安市某黑臭河道，3個月后黑臭底泥的厚度減少50%左右，底泥顏色從黑色變成土黃色，底泥的生化降解能力增強(qiáng)。因此，今后的工作應(yīng)加強(qiáng)工程水平的研究。
除直接投加微生物外，還可通過向底泥投加生物促生劑以撫慰底泥中土著微生物的生長繁殖，加快微生物對污染物的降解速率。定期通過向受污染底泥中注入生物促進(jìn)劑進(jìn)行修復(fù)，能夠使底泥中原有異養(yǎng)菌的數(shù)量由105個/g以干泥計(jì))提高到106個/g以干泥計(jì))且反硫化細(xì)菌數(shù)量大大減少。
2.2.4底泥曝氣
氧分子通過氣膜及液膜從氣相轉(zhuǎn)移到液相的過程為曝氣過程。黑臭水體有機(jī)物含量比較高，污染嚴(yán)重，底泥處于缺氧或厭氧的狀態(tài)，一方面，通過曝氣可以加快底泥復(fù)氧速度，增強(qiáng)底泥自凈能力；另一方面，曝氣可增強(qiáng)水體中的氧化能力，促進(jìn)水體中發(fā)黑發(fā)臭物質(zhì)(H2SFeS和NH3等)氧化為高價(jià)態(tài)物質(zhì)[FeOH3和等物質(zhì)]生成的沉淀物可在堆積物外表形成維護(hù)層，起到減弱上層底泥再懸浮和污染物擴(kuò)散釋放的作用。
廣州郭村涌黑臭河道治理示范工程通過底泥曝氣有效氧化底泥中的硫化物，且運(yùn)行1月后對其去除率達(dá)到86.3%92.1%臭味基本被消除；許寬等研究底泥曝氣對南京九鄉(xiāng)河黑臭底泥氮形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)在pH值=7條件下，底泥曝氣對上覆水、間隙水和底泥中氨氮的去除率分別為94.31%84.07%和68.29%曝氣裝置裝置位置不同其處置效果存在不同，王美麗分別將曝氣頭放置于底泥下方5cm及15cm處進(jìn)行曝氣，發(fā)現(xiàn)深度越大底泥中溶解氧含量下降越慢，處置效果越好。
雖然大量試驗(yàn)標(biāo)明底泥曝氣能有效改善黑臭水體污染情況，但鑒于曝氣耗能高、處置不完全以及受設(shè)備限制等因素，實(shí)踐中底泥曝氣很少得到應(yīng)。
Part3結(jié)論與展望
內(nèi)源污染作為鄉(xiāng)村黑臭水體的重要污染來源，采用異位治理技術(shù)或原位治理技術(shù)均能取得一定的良好效果，但各有利弊。因此，實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)加強(qiáng)以下方面的工作。
1黑臭水體內(nèi)源治理應(yīng)結(jié)合水體污染現(xiàn)狀，依據(jù)不同治理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)制定具體方案，以較經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到最佳工程效果。
2對黑臭水體底泥進(jìn)行治理后，應(yīng)輔以水生植物(尤其是沉水植物)恢復(fù)措施，加強(qiáng)底泥環(huán)境的穩(wěn)定性。
3逐步建立相關(guān)條例，加大對鄉(xiāng)村水體生態(tài)環(huán)境的監(jiān)管力度，確保水體生態(tài)的長效性。
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