自然科学科技论文污染水体底泥原位钝化技术

　　这篇自然科学科技论文研究污染水体底泥原位钝化技术，由水体底泥释放出来的内源污染，使我国河流与湖泊等水体遭受严重的污染，因此内源污染的治理日显重要，已经成为我国湖泊富营养化与生态修复的重要内容。

　　《湖南工程学院学报(自然科学版)》 (季刊)创刊于1991年，由湖南工程学院主办。它以繁荣科学文化，促进学术交流，发现和培养人才，为两个文明建设服务为办刊宗旨。本刊读者对象为高等院 校师生、科研院所研究人员及工程技术人员和管理工作者等。主要栏目：电气工程、机械工程、化学工程、数理科学、计算机科学与应用、建筑工程、纺织工程、 “三新”(新技术、新产品、新工艺)介绍等。

　　摘要：针对目前在单纯控制河流与湖泊外源污染条件下，由底泥释放出来的内源污染物仍能导致水体发生再次污染及富营养化的现象，从污染水体底泥着手，提出一种生态、经济、快速和效果稳定的底泥污染控制技术，即原位钝化技术。该技术利用加入对底泥污染物具有钝化作用的钝化剂，经过沉淀、吸附等理化作用达到净化水体的目的，是一种高效的湖泊内源污染控制技术。系统阐述了原位钝化剂技术的工作原理与功能以及优点与不足，对比分析了铝盐、铁盐、钙盐钝化剂以及这3种钝化剂的相互组合及其与其他材料搭配形成的复合钝化剂(称之为组合钝化剂)的优缺点及应用条件，概述了国内外污染水体底泥原位钝化技术的应用现状，在此基础上提出了污染水体底泥原位钝化技术未来的重点研究方向：一方面是组合钝化剂的推广及应用，另一方面则是研发新型的钝化剂。

　　关键词：水体底泥污染;钝化剂;原位钝化

　　随着当前经济社会高度发展以及人类活动逐渐加剧的共同作用，大量的外源污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与雨水冲刷等直接或者间接地进入河流、湖泊等水体，由于没有及时迁移与输出，大部分污染物最后都沉积于底泥中并逐渐富集，导致多数湖泊底质遭受严重污染[1-2]。大量研究报道证实，一旦条件适宜，如底泥上覆水缺氧、风浪扰动、夏季升温或pH值偏离中性时等，即使河流与湖泊水体等外源污染得到控制，从底泥中释放出来的氮、磷营养元素，仍会导致湖泊的富营养化，形成水体的二次污染[3-5]。据报道杭州西湖沉积物每年磷的释放量达到1.3 t，而巢湖更是达到每年的220 t，大量的磷进一步加剧了水体富营养化程度[6]。国外的许多河流与湖泊，诸如瑞典的Erken湖、著名的美国5大淡水湖群、欧洲的莱茵河、荷兰的阿姆斯特丹港及德国的汉堡港等也都受到不同程度的底泥污染，有的甚至发生大面积的水域黑臭现象[7-9]。底泥污染对人类与湖泊、河流等生态系统具有危害作用。美国EPA 在1998 年的调查报告中指出，美国已发生

　　2 100 起关于鱼类消费问题的事件，多次证实污染来自于底泥[10-11]。在我国也已发现并证实了水体底泥具有生物毒性，如乐安江在20～195 km 段沉积物均显示出毒性;苏州河底泥与河水均具有生物毒性[12-13]。因此水体底泥污染已经成为世界范围内的一个重要环境问题，其预防与治理已经势在必行。

　　国内外关于水体污染底泥控制技术的研究报道日趋成熟，归纳起来污染底泥控制技术主要包括两类，即原位处理技术和异位处理技术[14-15]，两类控制技术的具体划分如图1所示。原位钝化技术通过抑制内源营养盐的释放来控制水体营养盐含量，作为近年来兴起的一种高效的湖泊内源污染控制技术，越来越受到人们的重视[16-17]。本文主要围绕污染底泥的原位钝化技术，作一个简要的说明介绍。

　　1原位钝化技术原理与功能

　　原位钝化技术的核心技术是利用加入对污染物具有钝化作用的人工或自然物质，也就是所谓的钝化剂，经沉淀、吸附等理化作用，降低水体中的磷浓度，同时将底泥中污染物惰性化，在污染底泥的表层形成隔离层，增加底泥对磷的束缚能力，减少底泥中污染物向上覆水体的释放，从而达到净化底泥与水体的作用[18-19]。原位钝化技术原理示意图如图2所示[13]。运用原位钝化技术处理底泥污染主要具有如下3个方面的功能：1)加入的钝化剂在沉降过程中能捕捉水体中的磷与颗粒物，从而使水体中污染物得到较好的去除;2)钝化层形成后可有效吸附并持留底泥中释放的磷，从而有效减少由底泥释放进入上覆水中的污染物量;3)钝化层的形成可有效压实浮泥层，减少底泥的悬浮[20]。

　　2原位钝化技术优点与缺点

　　原位钝化技术能够快速有效的去除水体和底泥中的磷，同时对底泥中的黑臭现象也有一定抑制作用，且有效期可以维持较长时间[21-22]。原位钝化技术由于其具有生态、经济、快速和效果稳定等优点，在治理河道和湖泊底泥内源污染中发挥着重要作用[23]。然而，钝化剂一般为纯化学药剂或改良后的化学药剂，使用不当易对水体中的生物造成毒害作用，破坏生态系统的平衡与稳定性[24-25]。另外钝化剂原位施加过程中比较难以控制，造成不同区域添加的钝化剂不均匀，从而影响原位处理的效果。

　　3原位钝化技术钝化剂来源与选择

　　在原位钝化技术中，钝化剂的选择十分关键。运用钝化技术时应考虑到钝化剂使用的安全性、可操作性与有效性，并且不会产生二次污染，此外由于河流与湖泊等水体面积及容积相对较大，需要投入大量的钝化剂，因此还应考虑钝化剂的购买价格与成本。当前常用的钝化剂主要有：铝盐、铁盐、钙盐，另外这3种常用钝化剂相互组合及其与其他材料搭配形成的复合钝化剂也有少量报道[14，16，18]。下面对这几种钝化剂的特点及使用一一作简要说明。

　　3.1铝盐

　　铝盐钝化剂是最早使用的钝化剂，也是目前应用最为广泛的钝化剂，常见于废水与饮用水的处理中。使用铝盐钝化剂具有4个方面的特点：1)钝化效果较稳定，不受氧化还原电位影响;2)处理效果较好，可使水体中磷浓度降低30%~90%;3)有效时间长，一般可以维持在1-20 a，平均可以达到10 a;4)处理成本低。另外，铝盐钝化剂可以吸附水体中的重金属离子，如铬、铜、铅、锌(Zn) 等[23]。目前主要使用的铝盐钝化剂主要有硫酸铝(明矾)、氯化铝、聚合氯化铝等。在实际使用中，铝盐钝化剂的使用效果受多种因素的影响，如钝化剂的用量、pH值、水体中的碱度、扰动强度等[26-29]。

　　3.2铁盐

　　铁盐对水体和底泥中的磷去除和释放控制主要是通过铁氢氧化物的吸附絮凝作用而实现的。在碱性、氧化状态条件下，Fe2+被氧化Fe3+，铁盐水解可生成Fe(OH)3絮状物，Fe(OH)3除了可以吸附不稳定扩散状态的胶体之外，也能吸附水体中的磷，并在底泥表面形成一个氧化“微型区”来控制底泥磷的释放。另外，Fe(OH)3能够与磷反应生成FeOOH-PO4络合物与磷酸铁等达到去除磷的目的[30-31]。在实际应用中，铁盐极易受到氧化还原条件和pH 值变化的限制。目前常使用的铁盐钝化剂主要有氯化铁和硫酸铁等。随着对铁盐研究的逐渐深入，一些复合铁盐与高分子聚合铁盐也被逐渐应用于底泥污染的处理中，如复合亚铁、聚硫酸铁等，并且取得了较好的应用效果[18]。

　　3.3钙盐

　　钙盐被应用于底泥污染的治理是近十年发展起来的，其原理主要利用钙的化合物的吸附能力，以及在水体和底泥中通过形成羟基磷灰石去除水体中的磷[32]。在应用过程中，可向湖泊中投入碳酸钙和氢氧化钙，碳酸钙能够吸附磷，尤其是当pH值>9时，对磷的去除效果最好。另外，Ca2+和P在pH值高的情况下能形成羟基磷灰石，羟基磷灰石在pH值>9.5的情况下溶解性最低并且对磷的吸附能力最强[33]。在实际应用中，钙盐作为钝化剂的时候需要控制水体和底泥中的pH值[30]。常用的钙盐主要有有熟石灰、氯化钙、氧化钙及硝酸钙等。

　　3.4组合钝化剂

　　针对铝盐、钙盐和铁盐3种钝化剂各自的优点和不足，有学者提出将组合钝化剂应用于污染底泥的原位处理技术当中，并取得了较好的效果。胡小贞等采用铝酸钠和石灰为pH 缓冲剂，运用并用粘土矿物对硫酸铝进行改良，研究不同剂量的硫酸铝对滇池污染底泥磷钝化的效果发现，所有经处理后的底泥中的Al3+的浓度均小于0. 05 mg/L，该浓度的Al3+不会对水生生物造成毒害作用[24]。陈雷等将铝盐、土和钙盐组成的复合钝化剂应用于滇池重污染湖湾福保湾的现场围格中表明，该复合钝化剂对底泥污染物具有较好的处理效果，经过处理后的水体透明度明显提高，水体中藻类生物量和有机氮浓度减低，水质改善作用显著[25]。组合钝化剂具有处理污染效果好、改善水质明显以及对水生生物毒害作用小等优点，为钝化剂的选择提供了一种新途径。

　　4原位钝化技术实例应用与效果

　　在国外，原位钝化技术已经被广泛应用于河流、湖泊等污染水体底泥治理，并取得了较好的效果。例如1975年的West Twin Lake，1978年的Mirror Lake，1980年的White Lake，1986年的Morey Lake，1991-2002年的Green Lake以及美国的Cammbell Lake、Kitsap Lake等湖泊，在用铝盐处理后钝化底泥中磷的时效能够达5-12 a之久[26]。Prepas et al.运用碳酸钙和氢氧化钙对加拿大的2个湖泊(Halfmoon Lake和Figure Eight Lake)进行修复并作了长期跟踪监测发现，处理后2个湖泊的总磷浓度和叶绿素a浓度均远远低于处理前的浓度[27]。

　　目前，在我国开展原位钝化技术处理水体污染底泥的实例应用还不多。关于钝化技术报道较早见于1996年长春南湖湖区内用聚乙烯材料围成直径 2.8~3.2 m的圆柱形围栏，并在围栏内进行硫酸铝钝化底泥的试验，结果表明经钝化处理后围栏范围内可溶性磷酸盐的去除率可达54.0%~80.6%[28]。成晓玲等在星湖分别投加铝盐和铁盐钝化剂治理污染底泥，经过对比分析发现2种钝化剂都取得了较好的去除效果，能脱除水体中50%左右的磷含量;且相比于铁盐钝化剂而言，铝盐更容易净化湖水水质，并且药剂用量较少[29]。

　　5讨论与展望

　　随着天然水体污染问题的日益突出，我国对水污染治理也越来越重视，政府对于河流与湖泊的外源污染控制力度逐步加强，并且取得了一定的效果。原位钝化技术作为当前一项重要的湖泊内源污染控制技术，其主要目的是使污染水体底泥减量化及无害化，由于其具有生态、经济、快速和效果稳定等优点，在我国水体底泥污染治理中所起的作用也愈加显著。然而原位钝化技术在应用过程中也存在一些问题需要注意，如水体和底泥中的pH值维持在6~8的时候，铝盐钝化剂去除磷才能发挥更大的效果，但是一旦水体中的pH值不在这个范围内或者Al3+浓度大于50 μg/L时会对水生生物造成毒害甚至导致鱼类死亡，故应用铝盐的时候需要考虑生态风险。铁盐对水体无毒性，但是铁盐容易受到氧化还原条件和pH值变化的限制，故需要借助其他的辅助措施(如曝气或人工循环)进行。钙盐钝化剂处理污染底泥时，应注意药剂的用量问题，钙盐(氢氧化钙)含量过高不仅会增加水体中的碱度，同时对水生生物也有危害作用。另外，钝化剂在施加的过程中难以控制，容易造成河流与湖泊底部区域加药不均匀而影响钝化效果不理想。组合钝化剂能够将铝盐、钙盐与铁盐3种钝化剂各自的优点都发挥出来，同时又可以弥补某一种钝化剂的缺点与不足，因而具有良好的推广及应用前景，另外新型钝化剂的研发也是未来污染水体底泥原位钝化技术的工作重心之一。