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富營(yíng)養(yǎng)化水體底泥污染狀況及修復(fù)技術(shù)

  富營(yíng)養(yǎng)化指在人類活動(dòng)的影響下,生物所需的氮(N)、磷(P)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體,引起一些特征性藻類的異常增殖,使水體的顏色加深(褐色或墨綠色),水體透明度下降,溶解氧(DO)降低,水質(zhì)惡化,魚類和其他生物大量死亡,水體有魚腥氣味,從而破壞水體生態(tài)平衡。底泥為水生植物的生長(zhǎng)提供了養(yǎng)分,為底棲動(dòng)物的繁衍提供了場(chǎng)所,但同時(shí)也為各種污染物的積累和富集提供了更加穩(wěn)定的場(chǎng)所。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí),即使在外源污染物被截?cái)嗟那闆r下,底泥作為內(nèi)源污染,仍會(huì)釋放N、P等營(yíng)養(yǎng)元素,促進(jìn)藻類異常增殖,從而加速水體富營(yíng)養(yǎng)化的進(jìn)程。底泥污染物濃度可以初步反映出水體的受污染程度。水體底泥具有生物毒性,如馬梅等的研究發(fā)現(xiàn),樂安江20~195km處的沉積物皆顯示毒性。因此,對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體底泥的研究至關(guān)重要,本文描述了湖泊和池塘底泥的污染現(xiàn)狀,并據(jù)此論述了污染底泥的修復(fù)技術(shù),此研究也為進(jìn)行底泥修復(fù)提供參考。

  一、底泥的污染現(xiàn)狀

  1.1 湖泊底泥污染現(xiàn)狀

  底泥作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的組成成分,是沉積物-水界面物質(zhì)交換的過渡帶。湖泊底泥中原本存在著大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),可滿足水體中植物和動(dòng)物的生長(zhǎng)需求。近年來,由于污染加重,水體中N、P含量的增加使水體的富營(yíng)養(yǎng)化狀況日益嚴(yán)重。底泥一般可作為湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬、難降解有機(jī)物等污染物的蓄積庫,成為了水體主要的污染源。李勇等通過對(duì)長(zhǎng)蕩湖底泥中總氮(TN)與總磷(TP)的研究發(fā)現(xiàn),TN和TP的變化是湖泊水質(zhì)變化的一個(gè)縮影。據(jù)統(tǒng)計(jì),歐洲、北美洲、南美洲和非洲分別有53%、48%、41%和28%的湖泊因富營(yíng)養(yǎng)化而受損,亞洲54%的湖泊也呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),在我國(guó)已有67個(gè)湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化,約占湖泊總數(shù)的51.2%,調(diào)查顯示太湖流域內(nèi),超75%的河道長(zhǎng)度N、P嚴(yán)重超標(biāo),富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。巢湖內(nèi)源污染中TN含量占18.5%~34.7%,TP含量占23.7%~29.4%。研究表明,減少過多的外部營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷是減輕富營(yíng)養(yǎng)化最直接的措施。然而,當(dāng)入湖營(yíng)養(yǎng)鹽的負(fù)荷量減少,甚至完全截污后的幾年內(nèi),湖泊仍可發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化,甚至出現(xiàn)野水華冶。造成此現(xiàn)象的主要原因是水體中的營(yíng)養(yǎng)元素與底部沉積物之間存在溶解-沉積動(dòng)態(tài)平衡院在物理、化學(xué)和生物學(xué)作用下,外源性的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體后會(huì)沉積到底泥中,而當(dāng)水體中含有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量下降到一定限度時(shí),底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)則會(huì)重新釋放到水體中,對(duì)水體產(chǎn)生二次污染。其中,流域管理后維持富營(yíng)養(yǎng)化癥狀的主要過程是P的內(nèi)部循環(huán),湖中P會(huì)從高外部負(fù)荷時(shí)期積累的沉淀池中釋放出來。因此,富營(yíng)養(yǎng)化緩解應(yīng)旨在將P負(fù)荷降低到臨界閾值以下。雖然目前P滅活劑(PIAs)與其他修復(fù)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的治理,但結(jié)果不容樂觀,營(yíng)養(yǎng)鹽季節(jié)性釋放這一現(xiàn)象可以維持約數(shù)十年的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。姜加虎等對(duì)底泥污染進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),即使嚴(yán)格控制外源性污染物,污染沉積物恢復(fù)到治理前的狀況仍需要數(shù)十年。同樣,武漢東湖在截污工程完成后,理論上只需3年水體便可恢復(fù),卻由于底泥的釋放作用,不得不耗費(fèi)35年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間來恢復(fù)污染水體。由此可見,含高濃度污染物的底泥作為湖泊水體的主要污染源,不僅威脅著水生生物,還會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

  1.2 池塘底泥污染現(xiàn)狀

  池塘養(yǎng)殖是目前中國(guó)主要養(yǎng)殖方式,其產(chǎn)量占淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的70%以上。截至2016年,我國(guó)已有養(yǎng)殖池塘面積276萬hm2,占淡水養(yǎng)殖總面積的44.7%,產(chǎn)量達(dá)2286萬t,居世界首位。池塘中養(yǎng)殖動(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),很大部分來自于養(yǎng)殖戶的餌料投入。為了追求經(jīng)濟(jì)效益的最大化,養(yǎng)殖戶大量投入人工飼料,造成底泥中大量的殘餌糞便堆積,使池塘富營(yíng)養(yǎng)化狀況加重。歐陽佚亭等通過對(duì)中國(guó)28個(gè)省、自治區(qū)和直轄市中24種淡水池塘養(yǎng)殖魚類的污染負(fù)荷進(jìn)行量化,得出結(jié)論院2014年,中國(guó)淡水池塘養(yǎng)殖魚類中TN、TP、COD污染負(fù)荷分別為61388、11273、592288t。池塘富營(yíng)養(yǎng)化的原因主要有2個(gè),一是外來物質(zhì),如工業(yè)廢水、生活污水經(jīng)雨水沖刷進(jìn)入池塘,人工投喂飼料量過剩等,都會(huì)使池塘中的N、P含量增加,當(dāng)過多的有機(jī)物堆積在底泥中時(shí),將會(huì)改變底泥的理化指標(biāo),加快微生物的分解,導(dǎo)致底泥DO不足,因缺氧或無氧而轉(zhuǎn)化為還原態(tài)。二是內(nèi)源,即池塘中底泥等沉積物的自身分解造成池塘中N、P含量上升。

  有研究表明,養(yǎng)殖池出水是中國(guó)沿海地區(qū)水污染的重要 >

  二、富營(yíng)養(yǎng)化水體底泥修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展

  針對(duì)日益嚴(yán)峻的水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況,各種修復(fù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體底泥的修復(fù)處理位置,可分為原位修復(fù)和異位修復(fù)2種類型。原位修復(fù)技術(shù)指的是不用轉(zhuǎn)移污染體自身的位置,就地對(duì)其進(jìn)行修復(fù)的技術(shù)。異位修復(fù)指將被污染的底泥轉(zhuǎn)移至其他地方進(jìn)行集中處理。根據(jù)修復(fù)技術(shù)的作用機(jī)理又可分為3種類型,即物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)。

  2.1 原位修復(fù)技術(shù)

  2.1.1 原位物理修復(fù)技術(shù)

  (1)底泥覆蓋技術(shù)。底泥覆蓋是原位物理修復(fù)技術(shù)中常用的方法,即在原有底泥的基礎(chǔ)上再覆蓋一層未經(jīng)污染的底泥、礪石、沙或一些人造地基材料等覆蓋物。1978年,美國(guó)首次實(shí)施了原位覆蓋工程,隨后日本、挪威和加拿大在1983年、1992年和1995年相繼實(shí)施了這一技術(shù)。薛傳東等利用底泥覆蓋技術(shù)對(duì)滇池進(jìn)行修復(fù)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,紅土作為覆蓋材料對(duì)修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體效果良好。盡管此法可以達(dá)到修復(fù)污染底泥的效果,但極易造成水體的庫容量減少,因而對(duì)淺水流域和池塘并不適用。此外,尋找便宜清潔的覆蓋材料 >

  (2)引水技術(shù)。引水沖污、建筑大壩是常用的一種方法。美國(guó)曾通過引水工程治理Green湖的富營(yíng)養(yǎng)化狀況,取得了顯著成效。劉薇等調(diào)查發(fā)現(xiàn),大量外流域引水對(duì)異龍湖的凈化效果顯著。肖瓊等[通過對(duì)玄武湖的研究發(fā)現(xiàn),引水工程確實(shí)可降低底泥中的污染物濃度,緩解水體的富營(yíng)養(yǎng)化,但此法使水體原有的生態(tài)系統(tǒng)被破壞,并未從根本上解決問題。此外,該法工程量大、成本造價(jià)高,因而運(yùn)用起來有較大的局限,不宜大規(guī)模推廣。

  (3)人工曝氣技術(shù)。根據(jù)水體分層是否被破壞,可將其分為2種類型院破壞分層和深水曝氣。破壞分層,即破壞掉水體的分層結(jié)構(gòu),促進(jìn)上下層水的流動(dòng),有助于增加水體DO濃度,促進(jìn)水生生物的生長(zhǎng),但是水的流動(dòng)可能會(huì)引起底部沉積物的上浮,從而有可能進(jìn)一步導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放,引發(fā)二次污染。深水曝氣可增加底層水體DO,對(duì)水生生物的生存有利。自20世紀(jì)60年代起,水體曝氣充氧技術(shù)就被許多國(guó)家用來改善水體質(zhì)量,德國(guó)、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)采用不同方式對(duì)水體進(jìn)行曝氣增氧,均取得了不錯(cuò)的效果。

  2.1.2 原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)

  主要是底泥封閉技術(shù),即通過向底泥中添加化學(xué)試劑,使其在底泥的表面形成一個(gè)覆蓋層來固定水體中和底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽,阻止底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向水體釋放。德國(guó)曾用鐵復(fù)合物和硝酸鹽對(duì)Globsow湖和Dagow湖的底泥進(jìn)行處理,處理結(jié)果顯示磷的釋放量從處理前的4~6mg/(m2•d)到處理后幾乎無釋放,說明取得顯著成效。但目前工程中應(yīng)用較多的是鋁鹽,如硫酸鋁[Al2(SO4)3]和偏鋁酸鈉(NaAlO2),因?yàn)殇X鹽和P會(huì)生成性質(zhì)較穩(wěn)定的絡(luò)合物或聚合物,即便在缺氧甚至厭氧的狀態(tài)下也不會(huì)釋放P。Welch和Cooke在研究了美國(guó)21個(gè)用鋁鹽處理的湖泊后認(rèn)為,當(dāng)沒有大型水生植物干擾時(shí)進(jìn)行鋁鹽處理,多循環(huán)湖和雙循環(huán)湖的有效期分別約為10年和15年。

  2.1.3 原位生物修復(fù)技術(shù)

  原位生物修復(fù)是指利用具有高效降解功能的植物、動(dòng)物、微生物的生命活動(dòng)將底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化,進(jìn)而達(dá)到修復(fù)效果。在生物修復(fù)的過程中,植物修復(fù)具有投資少、風(fēng)險(xiǎn)小、符合生態(tài)修復(fù)要求等優(yōu)點(diǎn),往往成為污染防治的首選技術(shù)。水生植物修復(fù)技術(shù)是最常用的一種技術(shù)手段,主要是在水體底泥污染環(huán)境中,種植一些耐受性和吸收能力都相對(duì)較強(qiáng)的植物,在其自身生長(zhǎng)過程中能夠吸收水體中的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),并且還可以通過定期收獲水生植物帶走某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)而有效地降低水體環(huán)境的受污染程度。李文朝在太湖五里湖中種植了水生植物,結(jié)果顯示,水生植物的生長(zhǎng)可以加快生態(tài)修復(fù)。水生植被的種植能夠有效降低營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)速度,浮葉植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)的底泥也有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,是治理富營(yíng)養(yǎng)化的重要措施。張迎穎等研究發(fā)現(xiàn),鳳眼蓮不僅可以有效降低水體中的總磷濃度,而且能夠吸收底泥中的磷元素。李姣等、王智等的研究也證實(shí),在池塘和湖泊中施放一定量的水葫蘆,在一定程度上可改善養(yǎng)殖池塘水質(zhì)

  微生物可以將污染底泥中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物,并通過氧化一些無機(jī)污染物將其除去,如氨氮。目前,已有眾多學(xué)者對(duì)污染底泥的微生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究,并取得了顯著的成果。

  侯勤成、李興啟等、劉軍等利用生物修復(fù)技術(shù)研究了老化蝦塘的底泥,結(jié)果顯示,在底泥-水界面噴灑土著微生物、生長(zhǎng)促生劑、共代謝底物后,不僅可以提高池塘的自凈能力、建立穩(wěn)定的池塘生態(tài)系統(tǒng),而且還可以進(jìn)一步地增加池塘藻類的多樣性,提高池塘的溶解氧水平。林亮等研究了施用芽孢桿菌制劑前后蝦池底泥細(xì)菌群落的變化情況,發(fā)現(xiàn)此制劑可以影響蝦池底泥細(xì)菌群落的組成,增加底泥中好氧細(xì)菌的數(shù)量。李正魁等曾用固定化增殖氮循環(huán)細(xì)菌群處理富營(yíng)養(yǎng)化湖水,處理之后總氮、氨氮和COD分別下降了75%、91.5%和75%,水質(zhì)得到了明顯改善。金春華等研究了固定化微生物對(duì)凡納濱對(duì)蝦生產(chǎn)性養(yǎng)殖池塘水質(zhì)調(diào)控和污染底泥的修復(fù)能力,結(jié)果表明,固定化微生物技術(shù)對(duì)改善蝦池水質(zhì)、穩(wěn)定水體藻相結(jié)構(gòu)和提高微生物對(duì)污染底質(zhì)的修復(fù)能力有顯著效果。錢燕等研究發(fā)現(xiàn),微生物代謝過程中產(chǎn)生的酸類物質(zhì)能夠促進(jìn)底泥中磷的釋放。

  2.2 異位修復(fù)技術(shù)

  2.2.1 異位物理修復(fù)技術(shù)

  底泥疏浚技術(shù)又稱環(huán)境疏浚技術(shù),即通過移除被污染的底泥、清除污染內(nèi)源,從而減少底泥中污染物的釋放,達(dá)到治理水體的作用,這是一種常用的修復(fù)方法。但在進(jìn)行疏浚時(shí),翻動(dòng)底泥易造成水體透明度下降、加速底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向水體中遷移引起二次污染,而且挖掘出來的大量底泥需要進(jìn)行有效處理。不過,目前對(duì)疏浚后的底泥利用已有成效。如Gold等的研究表明,池塘沉積物挖掘可以提高濕塘的容量,從而永久去除N來提高水質(zhì)。吳芝瑛等觀察到疏浚工程之后,杭州西湖底泥的富營(yíng)養(yǎng)化的狀況得到了明顯改善。王小雨等對(duì)長(zhǎng)春南湖底泥疏浚進(jìn)行的研究表明,采用底泥疏浚技術(shù)對(duì)治理水體富營(yíng)養(yǎng)化是有效果的。美國(guó)阿爾伯恩奧本大學(xué)漁業(yè)研究組研究了底泥的去除對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘底土理化特性的影響,對(duì)比從未移除過底泥的池塘和取樣前2個(gè)月清除了底泥的池塘,結(jié)果顯示,底泥的清除改善了底部土壤的物理和化學(xué)特性。由此可見,采用底泥疏浚技術(shù)來改善底泥污染狀況切實(shí)可行。然而,早期實(shí)踐中也不乏失敗的案例,1998年初南京玄武湖的底泥疏浚釋放試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),疏浚后的水質(zhì)較疏浚前更差。1999年,對(duì)寧波市的月湖進(jìn)行底泥疏浚,結(jié)果發(fā)現(xiàn),湖水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度有所增加。盡管此修復(fù)方法見效快,但在疏浚過程中可能會(huì)加重底泥污染物的擴(kuò)散,存在一定的風(fēng)險(xiǎn),加之工程量大、耗財(cái)耗力以及覆蓋的材料和適用范圍有局限性、時(shí)效短、無法根治底泥污染,因而非理想方法。

  2.2.2 異位化學(xué)修復(fù)技術(shù)

  對(duì)疏浚后的底泥進(jìn)行處理一般采用化學(xué)固化法或淋洗法?;瘜W(xué)固化法具有效率高、施工方便且易于推廣使用的特點(diǎn)。張春雷等采用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)無錫長(zhǎng)廣溪堆場(chǎng)的淤泥進(jìn)行了固化資源化利用,實(shí)現(xiàn)了疏浚底泥的資源化利用,解決了大量疏浚底泥難以處理的難題。劉彤宙等采用異位高級(jí)氧化淋洗對(duì)污染底泥的進(jìn)行了研究,證明該法可有效去除底泥中的大部分有機(jī)污染物和重金屬,對(duì)修復(fù)受污染底泥具有顯著成效?;瘜W(xué)方法修復(fù)效率高,但最大的缺陷是對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞較大,對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)有潛在威脅,一般只作為應(yīng)急措施使用。

  2.2.3 異位生物修復(fù)技術(shù)

  異位生物修復(fù)技術(shù)是指將受污染的底泥運(yùn)往其他場(chǎng)所進(jìn)行集中生物修復(fù)的技術(shù)。異位生物降解主要處理的是有機(jī)污染嚴(yán)重的疏浚底泥。雖然生物降解越來越受到重視,已成為今后大力舉薦的方法,但對(duì)于異位生物處理來說,尚有一些問題亟待解決,由于微生物無法利用固相中的有機(jī)物,僅可以利用存在于液相中的有機(jī)物,而底泥中的有機(jī)物又具有低水溶性,因而底泥中有機(jī)物生物可利用性低、降解速率慢。對(duì)此,可以通過提高生物活性、生物的可利用性和研制基因工程來盡快實(shí)現(xiàn)異位生物降解的實(shí)際應(yīng)用。

  2.3 原位修復(fù)技術(shù)與異位修復(fù)技術(shù)的比較

  從修復(fù)位置來看,異位處理技術(shù)可操作性強(qiáng)、見效快,但是投資成本高、工程量大,且由于疏浚工程設(shè)備落后、造價(jià)昂貴,疏浚后底泥的處理效果難達(dá)標(biāo)。因此,要想大規(guī)模推廣使用異位修復(fù)來治理污染底泥,仍需展開進(jìn)一步的研究工作。原位處理技術(shù)由于其發(fā)展?jié)摿Υ?、效率高且投資少而被認(rèn)為是一種高效、可行的處理方法。依作用機(jī)制而言,生物修復(fù)不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)用,不影響周遭環(huán)境,還可以最大限度降低污染物濃度。原位生物修復(fù)成本低廉但修復(fù)效果差,適宜于大面積、低污染負(fù)荷底泥的生物修復(fù)。而異位生物修復(fù)雖然修復(fù)效果好但成本高昂、使用受限,主要用于疏浚后底泥的處理,適宜于小面積、高負(fù)荷污染底泥的修復(fù)。

  三、結(jié)語

  底泥是一個(gè)營(yíng)養(yǎng)發(fā)源地,可以為水生生物提供各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),但同時(shí)它也是一個(gè)污染匯集地,給水生生物造成極大的隱患和威脅。因此,對(duì)底泥的污染控制是一個(gè)長(zhǎng)期且艱巨的過程,各種修復(fù)技術(shù)雖各有所長(zhǎng),但亦有不足。物理修復(fù)見效快,但成本高。化學(xué)修復(fù)成本較低但易造成二次污染。生物修復(fù)投入低、處理量大,但處理效率低,短期內(nèi)難以見效。因此,將這3類技術(shù)結(jié)合,互為補(bǔ)充,具有廣闊的發(fā)展前景。蔡惠鳳等在進(jìn)行底泥生物修復(fù)的室內(nèi)比較試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),通過添加3種生物制劑并實(shí)施水底曝氣,能夠有效改善試驗(yàn)組底泥的黑臭現(xiàn)象。但目前研究較多的是生物聯(lián)合修復(fù),如植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)已被眾多學(xué)者進(jìn)行過研究并取得顯著的成果。此外,隨著生物技術(shù)不斷發(fā)展,轉(zhuǎn)基因技術(shù)逐漸成熟,基因工程菌大規(guī)模投入使用,因而投資小、對(duì)環(huán)境影響小且污染物降解效率高的生物修復(fù)技術(shù)具有更廣闊的應(yīng)用前景。( >

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