河流底泥污染及其控制与修复

生态环境学报2014,23(10):[e-mail]基金项目：广东省惠州市科技计划项目（2006G57）作者简介：许炼烽(1963年生)，男，高级工程师，主要从事生态保护及生态评价研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2013-09-06河流底泥污染及其控制与修复许炼烽1，邓绍龙1,2，陈继鑫1，夏钟文31.环境保护部华南环境科学研究所，广东广州510655；2.广东梅州市梅江区林业局，广东梅州514000；3.广东省环境保护厅，广东广州510635摘要：水体底泥污染是世界范围内的一个环境问题。污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷进入水体，最后沉积到底泥中并逐渐富集，使底泥受到严重污染。在河流环境中，河床沉积底泥以推移和悬浮形式输送，很大程度上导致了上覆水和沉积底泥的相互物理作用。河流有强有力的自然环境，在河流系统中趋向有利于沉积底泥的解吸作用，从而将会影响上覆水的水质。因此，在水质管理计划中，应该将已污染的沉积底泥作为一个污染源予以考虑，沉积底泥是河流污染的一个重要方面。文章根据近年来国内外对河流底泥污染的控制、处理、修复及利用的文献资料，分析了河流底泥的污染现状及主要类型，包括重金属、NP营养物质、难降解有机物和持久性有毒污染物等，指出了目前在底泥污染修复中存在的问题。针对河流底泥污染控制与修复技术，介绍了除控制外源污染物外的物理修复、化学修复和生物修复等几种主要的修复方法和技术，分析了各种方法的利弊以及适用情况。在阐述了堆肥、建材利用、低温热解、湿地及栖息地建设、修复废弃地和建设填方等利用方式后，提出具体的控制和修复应因地制宜，综合各种恢复技术及利用方式，以达到控制及修复污染的河流底泥，恢复河流生态系统之目的。关键词：河流底泥；污染；控制；修复中图分类号：X522文献标志码：A文章编号：1674-5906（2014）10-1708-08引用格式：许炼烽，邓绍龙，陈继鑫，夏钟文.河流底泥污染及其控制与修复[J].生态环境学报,2014,23(10):1708-1715.XULianfeng,DENGShaolong,CHENJixin,XIAZhongwen.Riversedimentpollutionanditscontrolandrestoration[J].EcologyandEnvironmentalSciences,2014,23(10):1708-1715.近年来，随着我国经济的高度发展，工业废水和生活污水大量排放，导致了我国江河、湖泊和水库普遍受到污染，并仍在加速发展（金相灿，1992）。水的污染导致水资源严重短缺，直接威胁到日常用水的安全和人民生活的健康，同时也影响到工农业生产和农作物的安全。与自然河流相比，城市河流与人类间相互作用更为强烈（宋庆辉和杨志，2002）。水污染防治已经成为国民经济可持续发展的关键保障（水利部国际合作与科技司，2005）。根据广东省水利厅公布的《2012年广东省水资源公报》（下称“公报”）可知，2012年，广东省农业、工业、生态等各种用水量有增有减，总用水量为451.0亿立方米，与上年比减少13.2亿立方米。但水功能区水质达标率不容乐观，在监测评价的310个水功能区中，达标127个，达标率41.0%。超标项目主要为氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、溶解氧和总磷等。在监测评价的232个河流水功能区中，达标100个，达标率43.1%。水质方面，在监测评价的7634千米的河流中，全年Ⅰ至Ⅲ类水质河长占77.4%；Ⅳ至劣Ⅴ类占22.6%。西江、北江、韩江和漠阳江等江河干流和西北江三角洲主要干流水道水质较好，部分省际河流、流经城镇河段及珠江三角洲内河涌水质较差。主要污染项目为氨氮、溶解氧、五日生化需氧量、总磷和高锰酸盐指数等。在评价的38个重要城市饮用水源地中，水质达到或优于Ⅲ类的有35个，占92.1%，主要污染项目为溶解氧和氨氮。水功能区仅四成水质达标，一方面是由于2011年开始实行的《广东省水功能区划》2020年水质管理目标比之前定的水质目标更加严格，所以其达标率比较低。另外，在粤东、粤西、粤北的水源地区江河的水量本身就小，纳污能力较弱，而这些地区的经济发展又较快，而一些边远县城和山区的生活污水处理全覆盖不够，这导致工业废水和生活污水排放量增加（广东省水利厅，2012）。完整的水体概念包括上覆水、底泥以及周围的各种环境条件，在河水——底泥体系中，底泥是水生植物生长的基质和底栖动物繁衍的场所，同时底泥也为各种污染物累积富集比较稳定的场所，底泥中污染物许炼烽等：河流底泥污染及其控制与修复1709的浓度可以初步反映河流的污染程度（郑习健，1996；文湘华，1993）。目前底泥的重金属污染已成为世界性的问题（Delvals等，1998，Delvals等，2012），底泥的重金属蓄积量也可以反映底泥对上覆水体影响的持久能力，掌握底泥中重金属的含量能更加准确地分析水体重金属污染状况（文湘华，1993；佘中盛，1984）。水体下底泥的污染状况对全面衡量水环境质量具有重要的作用（Legret和Colandini，1999）。近些年来，随着我国工农业的快速发展，城市化的进程进一步加快，城市、农村生活废水和工厂生产废水的排放，导致我国河流的水污染问题越来越突出。人类活动排放的各种污染物进入河流，使河流水质和河流底泥的物理、化学性质或生物组成发生变化，从而降低了河流的使用价值，使河流失去了原有的意义（张乾铄，2009）。虽然我国政府已经意识到环境问题的重要性，并逐步重视起来，通过制定各种法律、法规来严格控制河流流域和湖泊周围的各种排污点，但是由于农业生产中农药化肥的大面积使用，大量氮、磷等各种物质吸附在土壤颗粒上，随着泥沙颗粒一起迁移，这些泥沙在河流或者湖泊中沉积下来，形成具有一定厚度的含有各种污染物的底泥层。而底泥中有机物质的分解以及各种早期化学成岩反应往往使得底泥孔隙水中生物营养元素(如N、P、Si等)的浓度高于上覆水体，这些高浓度的营养盐通过底栖生物活动、浓度差扩散、以及河道水流流态发生改变等过程（Aller，1980；Lerman，1975；Hakanson，1980），又不断地迁移到上覆水体中，使得底泥中大量的污染物被重新释放出来，从而造成了河流湖泊水体的二次污染（Bermejo等，2003；Caille等，2003），降低水体功能，产生生物毒性效应（Vallee等，1972），也对城市河道的有效治理产生重大影响（Jacqueline和Kevin，2004）。底泥中的硫和氮含量较高，是河流黑臭的主要原因之一（徐祖信，2005）。因此，研究污染底泥修复治理技术具有一定的必要性和重要性。国内外已经有相关学者做过这方面的研究，并取得不错的成就，本文通过查阅国内国际相关河流底泥污染修复的文献，对河流底泥的污染危害，污染控制处理与修复技术做了概括总结。希望为今后在处理河流底泥污染问题上提供相关参考。1国内外河流底泥污染现状及污染修复研究进展1.1污染现状发达国家在水质改善方面已相当成功，但对河流湖泊底泥的控制不容乐观，如美国国家环境保护局（USEPA）在1998年9月的《污染沉积物战略总报告》中指出，“在全美国许多水域，污染沉积物都对生态和人体健康造成了危机，沉积物已成为污染物的储存库。1998年4月美国国家环保局向国会递交了“美国EPA污染底泥管理战略”,其目的是更好地了解底泥污染的严重性，包括分布的不确定性;介绍EPA为减少由污染底泥引起的生态问题的战略方案的框架以及由底泥污染而引起的风险措施等。这充分体现了美国对底泥污染问题的高度重视。底泥中重金属的富集性与持久性（陈静生，1983），城市内河底泥在美国已发生的2100起鱼类消费问题，经多次证实污染来自底泥”（曲久辉，2000）。上世纪莱茵河流域、荷兰的阿姆斯特丹港口、德国的汉堡港，底泥污染的情况都十分严重（陈华林和陈英旭，2002）。在我国，也已发现并证实了水体底泥具有生物毒性，如乐安在20~195km段沉积物均显示出毒性（马梅等，1997）。乡村小河的水质污染更为严重。许多农村小河的水体呈棕褐色，臭气熏天，垃圾占据半边河道，偶尔还有死牲畜漂浮在上面，且藻类繁茂覆盖水体，不少河水中几乎无活物存在（孙俊，2010）。安徽巢湖内源污染负荷是外来负荷的21%，2002年杭州西湖内源污染负荷已经达到外来污染负荷的41%，而云南滇池中80%的氮和90%的磷都分布在底泥中（张丽萍等，2003）。外污染源控制达到一定程度后，河流湖泊中的底泥由于历年排放的污染物大量聚集，底泥对上覆水体水质的影响就显现出产生了广泛而严重的社会影响。2007年6月11日，安徽巢湖蓝藻暴发；2007年6月24日，云南滇池蓝藻暴发；2007年7月11日，武汉东湖子湖之一的官桥湖面出现大面积“翻塘”，近3万公斤鱼因缺氧死亡；就连一向很少有蓝藻出没的北方地区也难以幸免，北戴河饮用水库也出现了蓝藻蔓延现象（长江流域水资源保护局，2007）。可见，国内外河流湖泊中底泥污染现象都比较普遍。1.2底泥污染物的常见种类、污染途径以及危害1.2.1重金属重金属是指相对密度在4.0以上的约60种金属元素或相对密度在5.0以上的45种金属元素，主要包括汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素。重金属具有生物有效性，即重金属有能被生物吸收利用或对生物产生毒性效应的性状，可用间接的毒性数据或生物体浓度数据来评价。河流底泥中的重金属与不同载体相结合，以多种形态存在，大致有可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和金属残片等。不同形态的重金属具有不同的生物有效性（程晓东和郭明新，2001）。Stone和Droppo（1996）研究了加拿大安大略省河流沉积物中重金属的分布时发现，在各径粒1710生态环境学报第23卷第10期（2014年10月）范围内的沉积物中，有机质结合态都是Zn、Pb等重金属的主要存在形态。重金属通过吸附、络合、沉淀等作用而沉积到底泥中，同时与水相保持一定的动态平衡。当环境条件发生变化时，重金属极易再次进入水体，成为二次污染源（钟萍等，2007）。1.2.2营养物质营养物质，包括氮磷化合物。经各种途径进入水体的N，P等营养元素，相当一部分沉积到底泥中。水生植物的生长会吸收部分营养成分，但大部分仍与水体保持动态平衡。当水体污染源得到一定控制后，N，P则可能主要来自底泥的释放，严重时可造成水体富营养化（王化可等，2006）。水体中磷的含量过高会造成藻类的大量繁殖，藻类的生长和腐烂过程中会消耗大量的溶解氧，氨的浓度过高会对水体中的有机体产生毒副作用（Blum等，2001）。1.2.3大量难降解有机物难降解有机物，包括油和油脂，PAH（PolycyclicAromaticHydrocarbons，多环芳烃），PCBs（polychlorinatedbiphenyls，多氯联苯）等，由于疏水性强、难降解，在底泥中大量积累。底泥中的POPs类污染物能通过生物富集作用在生物体内达到较高的浓度，从而对生物体产生较强的毒害作用。由于疏水性强，难降解，在底泥中大量积累。通过生物富集作用，有毒有机物可以在生物体内达到较高的水平，从而产生较强的毒害作用，通过食物链还可能危害到人类（王化可等，2006）。1.2.4持久性有毒污染物(PTS)底泥中的PTS类污染物能够通过生物富集作用在生物体内达到较高的浓度，从而对生物体产生较强的毒害作用。这些污染物还能够通过水-泥界面的迁移转化作用重新进入水体，并通过复杂的污染生态化学过程，即在气-水-生物-底泥等多介质环境体系中的迁移、转化和暴露，在人和动物体内大量累积，影响人和动物的生殖系统健康，从而对人类未来的生存发展构成严重威胁（Blum等，2001；Mans，2001）。1.3污染修复中存在的问题许多国家进行河流污染生态恢复，但是多是河道形态的修复，而且多集中于生