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黑臭河道底泥內源修複技術與方法取得階段性進展
【发布时间:2019-04-17 】 【 】【打印】【關閉

  黑臭河道已經成爲我國面臨的主要水環境問題,其對我國水環境造成巨大的影響。黑臭河道內源的主要特征是還原程度、高氮磷汙染嚴重,甚至呈現複合汙染的問題,同時表觀上表現出發黑發臭的現象。由于黑臭河道底泥長期處于高營養負荷汙染,底泥可持續向上覆水中釋放營養鹽,由此成爲湖泊重要的外源輸入。使本已處于富營養化狀態的湖泊繼續惡化。因此,必須采樣相關措施對重汙染底泥進行治理。 

  目前,國際上通用的幾種底泥內源治理方法包括:底泥疏浚、原位鈍化、原位曝氣(增氧)。各種方法均在不同情境的水環境治理中有應用,也取得了一定的效果。然而,到底哪種方法具有優勢?對底泥內源削減效果如何?對沈積物微生物群落組成以及長期內源削減效應到底是什麽樣的結果? 

  基于上述科學問題,尹洪斌等科研人員選取巢湖主要支流南淝河底泥作爲研究對象,室內研究了底泥疏浚、原位鈍化(控氮+控磷材料)以及曝氣增氧對底泥內源的控制效果。在120天的研究中發現,三種技術對上覆水氮磷的控制存在較大差異。 

  對于上覆水磷而言,各個技術均可有效控制磷的濃度,但各個技術在控制水體磷的效率方面隨時間增加逐漸衰減。原位鈍化和曝氣增氧均可有效控制上覆水體中總氮與氨氮的濃度,但是底泥疏浚卻無法有效控制上覆水中氮的濃度。 

  同樣,底泥疏浚、原位鈍化以及曝氣增氧技術均可有效控制底泥磷的釋放,其中底泥疏浚表現最爲出色(疏浚較爲徹底爲前提)。令人遺憾的是,底泥疏浚能造成底泥氨氮的大量釋放。這主要是由于氨氮的濃度傾向于在沈積物底部富集。底泥疏浚雖然將表層重汙染底泥移除,但卻將底泥高濃度氨氮的間隙水暴露,造成較大的濃度梯度差,由此引起疏浚初期氮的大量釋放。 

  有研究表明,底泥疏浚在長期尺度可有效控氮,但是上述研究多是控制模擬實驗。究竟長期控氮是由于上覆水中氧濃度的增高造成氨氮的氧化,還是另有原因,有待在實際的疏浚工作中進行檢驗。 

  對于内源氮磷污染削减方面,底泥疏浚无疑是最佳方法。“新生”界面相对洁净,仍可持续吸附上覆水中的氮磷。此外,底泥氮磷含量相对较低,底泥氮磷的易活化形态也相对较低,因此利于底泥固相氮磷的控制。曝气增氧随可在一定时间内对上覆水中氮磷以及界面释放起到一定的控制作用,但该方法对底泥氮磷形态的转化几乎不起作用。原位氮磷控制材料的材料可将底泥中活性磷转化为惰性磷,由此削减界面磷的释放。但底泥中氮的材料捕获了大量可交换态的氨氮,致使底泥氨氮大量升高。到底捕获的氮是否能够再次释放到水体中,需要深入研究。此外,重污染河道底泥中存在大量的水丝蚓等生物,生物扰动作用可携带大量材料下潜,由此造成底部沉积物中活性磷也被削减。然而,随着时间的延长,表层沉积物中活性磷的含量又继续升高。该研究表明,目前的几种主流治理技术均存在问题,发展多技术联用的方法势在必行。同时,应用针对我国黑臭河道底泥污染情况的共性问题,研发出广谱性的治理技术与方法。 

  通常,黑臭水體易發區底泥呈還原環境,底泥硫化物含量高,黑臭水體的形成與底泥(底質)環境密切相關,底泥中高含量的有機質厭氧分解致使表層底泥中形成厭氧甚至極度厭氧的環境,促使底泥中大量的致黑硫化物生成,在高溫、水動力作用下會導致水體黑臭的發生。因此,還原性底泥的治理是黑臭水體治理的關鍵,也是該區域生態環境恢複的基礎。目前,投加氧化劑(過氧化鈣、過氧化氫)以及電子受體(硝酸鹽)是治理硫質底泥的常用方法。雖然多數研究者認爲這是一種應急措施,而非長久控制技術。但研究者認爲,該技術的使用至少可爲水生植物的恢複搶占時間,良性生境的營造是水生植物恢複的基礎。投加硝酸鹽被認爲是一種比較溫和的治理方法,其原理是基于硫驅動的自氧反硝化(方程1):8MeS2-+5NO3-+6H25SO42-+4N2+2H++5Me(OH)2  

  但是在具體投加過程中,理論投加量是否有效,以及底泥中有機質、Fe2+濃度、微生物以及溫度等對上述反應有何影響仍不得而知。基于上述科學問題,本實驗采集富硫底泥(AVS含量高達1200mg/kg),采用室內模擬研究的方法,詳細研究了電子受體(硝酸鹽)劑量效應以及相關因子對底泥氮硫反應的影響。研究結果表明,基于方程1的理論投加量是不足以完全氧化底泥中的還原性硫(AVS)。由于硝酸鹽劑量的缺失,會導致治理效果的反彈,而1.6倍劑量的理論值相應可達到接受的治理效果。但過度的硝酸鹽會促使底泥間隙水中氨氮的急劇升高,主要是由于底泥中還原性鐵與硝酸根的異化還原(DNRA)反应。因此,底泥中铁含量的高低也间接推高电子受体的投加剂量。此外,研究中详细讨论了上述罗列的各个环境因子对底泥中外加硝酸盐与硫反应的机制。論文最后认为,应该在充分调查我国不同类型黑臭河道底泥的基础上,通过大量模拟反应实验,构建普适性的氮硫剂量反应效应方程,从而为我国黑臭河道治理做出贡献。此外,研究人员认为研制缓效型、智能电子供体在河道底泥治理中将发挥重大作用。 

  以上研究成果得到了十三五巢湖國家水體汙染治理重大專項、中科院交叉團隊、國家自然科學基金以及中科院一三五的資助,成果發表于Yin et al., Science of the Total Environment, 2019,663, 68-77 Yin et al., Chemical Engineering Journal, 2019, 371, 516-523.上。 

  論文连接: 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719303742 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719308733?dgcid=author 

1 不同底泥修复技术与方法的論文摘要 

2 不同技術對底泥氮磷釋放的控制效果 

3 不同技術對底泥磷形態的影響 

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