這篇自然科學(xué)科技論文研究污染水體底泥原位鈍化技術(shù)，由水體底泥釋放出來的內(nèi)源污染，使我國河流與湖泊等水體遭受嚴(yán)重的污染，因此內(nèi)源污染的治理日顯重要，已經(jīng)成為我國湖泊富營養(yǎng)化與生態(tài)修復(fù)的重要內(nèi)容。

　　《湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》 (季刊)創(chuàng)刊于1991年，由湖南工程學(xué)院主辦。它以繁榮科學(xué)文化，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)人才，為兩個(gè)文明建設(shè)服務(wù)為辦刊宗旨。本刊讀者對象為高等院 校師生、科研院所研究人員及工程技術(shù)人員和管理工作者等。主要欄目：電氣工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程、數(shù)理科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用、建筑工程、紡織工程、 “三新”(新技術(shù)、新產(chǎn)品、新工藝)介紹等。

　　摘要：針對目前在單純控制河流與湖泊外源污染條件下，由底泥釋放出來的內(nèi)源污染物仍能導(dǎo)致水體發(fā)生再次污染及富營養(yǎng)化的現(xiàn)象，從污染水體底泥著手，提出一種生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、快速和效果穩(wěn)定的底泥污染控制技術(shù)，即原位鈍化技術(shù)。該技術(shù)利用加入對底泥污染物具有鈍化作用的鈍化劑，經(jīng)過沉淀、吸附等理化作用達(dá)到凈化水體的目的，是一種高效的湖泊內(nèi)源污染控制技術(shù)。系統(tǒng)闡述了原位鈍化劑技術(shù)的工作原理與功能以及優(yōu)點(diǎn)與不足，對比分析了鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽鈍化劑以及這3種鈍化劑的相互組合及其與其他材料搭配形成的復(fù)合鈍化劑(稱之為組合鈍化劑)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用條件，概述了國內(nèi)外污染水體底泥原位鈍化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出了污染水體底泥原位鈍化技術(shù)未來的重點(diǎn)研究方向：一方面是組合鈍化劑的推廣及應(yīng)用，另一方面則是研發(fā)新型的鈍化劑。

　　關(guān)鍵詞：水體底泥污染;鈍化劑;原位鈍化

　　隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)高度發(fā)展以及人類活動(dòng)逐漸加劇的共同作用，大量的外源污染物通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與雨水沖刷等直接或者間接地進(jìn)入河流、湖泊等水體，由于沒有及時(shí)遷移與輸出，大部分污染物最后都沉積于底泥中并逐漸富集，導(dǎo)致多數(shù)湖泊底質(zhì)遭受嚴(yán)重污染[1-2]。大量研究報(bào)道證實(shí)，一旦條件適宜，如底泥上覆水缺氧、風(fēng)浪擾動(dòng)、夏季升溫或pH值偏離中性時(shí)等，即使河流與湖泊水體等外源污染得到控制，從底泥中釋放出來的氮、磷營養(yǎng)元素，仍會(huì)導(dǎo)致湖泊的富營養(yǎng)化，形成水體的二次污染[3-5]。據(jù)報(bào)道杭州西湖沉積物每年磷的釋放量達(dá)到1.3 t，而巢湖更是達(dá)到每年的220 t，大量的磷進(jìn)一步加劇了水體富營養(yǎng)化程度[6]。國外的許多河流與湖泊，諸如瑞典的Erken湖、著名的美國5大淡水湖群、歐洲的萊茵河、荷蘭的阿姆斯特丹港及德國的漢堡港等也都受到不同程度的底泥污染，有的甚至發(fā)生大面積的水域黑臭現(xiàn)象[7-9]。底泥污染對人類與湖泊、河流等生態(tài)系統(tǒng)具有危害作用。美國EPA 在1998 年的調(diào)查報(bào)告中指出，美國已發(fā)生

　　2 100 起關(guān)于魚類消費(fèi)問題的事件，多次證實(shí)污染來自于底泥[10-11]。在我國也已發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了水體底泥具有生物毒性，如樂安江在20～195 km 段沉積物均顯示出毒性;蘇州河底泥與河水均具有生物毒性[12-13]。因此水體底泥污染已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的一個(gè)重要環(huán)境問題，其預(yù)防與治理已經(jīng)勢在必行。

　　國內(nèi)外關(guān)于水體污染底泥控制技術(shù)的研究報(bào)道日趨成熟，歸納起來污染底泥控制技術(shù)主要包括兩類，即原位處理技術(shù)和異位處理技術(shù)[14-15]，兩類控制技術(shù)的具體劃分如圖1所示。原位鈍化技術(shù)通過抑制內(nèi)源營養(yǎng)鹽的釋放來控制水體營養(yǎng)鹽含量，作為近年來興起的一種高效的湖泊內(nèi)源污染控制技術(shù)，越來越受到人們的重視[16-17]。本文主要圍繞污染底泥的原位鈍化技術(shù)，作一個(gè)簡要的說明介紹。

　　1原位鈍化技術(shù)原理與功能

　　原位鈍化技術(shù)的核心技術(shù)是利用加入對污染物具有鈍化作用的人工或自然物質(zhì)，也就是所謂的鈍化劑，經(jīng)沉淀、吸附等理化作用，降低水體中的磷濃度，同時(shí)將底泥中污染物惰性化，在污染底泥的表層形成隔離層，增加底泥對磷的束縛能力，減少底泥中污染物向上覆水體的釋放，從而達(dá)到凈化底泥與水體的作用[18-19]。原位鈍化技術(shù)原理示意圖如圖2所示[13]。運(yùn)用原位鈍化技術(shù)處理底泥污染主要具有如下3個(gè)方面的功能：1)加入的鈍化劑在沉降過程中能捕捉水體中的磷與顆粒物，從而使水體中污染物得到較好的去除;2)鈍化層形成后可有效吸附并持留底泥中釋放的磷，從而有效減少由底泥釋放進(jìn)入上覆水中的污染物量;3)鈍化層的形成可有效壓實(shí)浮泥層，減少底泥的懸浮[20]。

　　2原位鈍化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

　　原位鈍化技術(shù)能夠快速有效的去除水體和底泥中的磷，同時(shí)對底泥中的黑臭現(xiàn)象也有一定抑制作用，且有效期可以維持較長時(shí)間[21-22]。原位鈍化技術(shù)由于其具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、快速和效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在治理河道和湖泊底泥內(nèi)源污染中發(fā)揮著重要作用[23]。然而，鈍化劑一般為純化學(xué)藥劑或改良后的化學(xué)藥劑，使用不當(dāng)易對水體中的生物造成毒害作用，破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定性[24-25]。另外鈍化劑原位施加過程中比較難以控制，造成不同區(qū)域添加的鈍化劑不均勻，從而影響原位處理的效果。

　　3原位鈍化技術(shù)鈍化劑來源與選擇

　　在原位鈍化技術(shù)中，鈍化劑的選擇十分關(guān)鍵。運(yùn)用鈍化技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮到鈍化劑使用的安全性、可操作性與有效性，并且不會(huì)產(chǎn)生二次污染，此外由于河流與湖泊等水體面積及容積相對較大，需要投入大量的鈍化劑，因此還應(yīng)考慮鈍化劑的購買價(jià)格與成本。當(dāng)前常用的鈍化劑主要有：鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽，另外這3種常用鈍化劑相互組合及其與其他材料搭配形成的復(fù)合鈍化劑也有少量報(bào)道[14，16，18]。下面對這幾種鈍化劑的特點(diǎn)及使用一一作簡要說明。

　　3.1鋁鹽

　　鋁鹽鈍化劑是最早使用的鈍化劑，也是目前應(yīng)用最為廣泛的鈍化劑，常見于廢水與飲用水的處理中。使用鋁鹽鈍化劑具有4個(gè)方面的特點(diǎn)：1)鈍化效果較穩(wěn)定，不受氧化還原電位影響;2)處理效果較好，可使水體中磷濃度降低30%~90%;3)有效時(shí)間長，一般可以維持在1-20 a，平均可以達(dá)到10 a;4)處理成本低。另外，鋁鹽鈍化劑可以吸附水體中的重金屬離子，如鉻、銅、鉛、鋅(Zn) 等[23]。目前主要使用的鋁鹽鈍化劑主要有硫酸鋁(明礬)、氯化鋁、聚合氯化鋁等。在實(shí)際使用中，鋁鹽鈍化劑的使用效果受多種因素的影響，如鈍化劑的用量、pH值、水體中的堿度、擾動(dòng)強(qiáng)度等[26-29]。

　　3.2鐵鹽

　　鐵鹽對水體和底泥中的磷去除和釋放控制主要是通過鐵氫氧化物的吸附絮凝作用而實(shí)現(xiàn)的。在堿性、氧化狀態(tài)條件下，F(xiàn)e2+被氧化Fe3+，鐵鹽水解可生成Fe(OH)3絮狀物，F(xiàn)e(OH)3除了可以吸附不穩(wěn)定擴(kuò)散狀態(tài)的膠體之外，也能吸附水體中的磷，并在底泥表面形成一個(gè)氧化“微型區(qū)”來控制底泥磷的釋放。另外，F(xiàn)e(OH)3能夠與磷反應(yīng)生成FeOOH-PO4絡(luò)合物與磷酸鐵等達(dá)到去除磷的目的[30-31]。在實(shí)際應(yīng)用中，鐵鹽極易受到氧化還原條件和pH 值變化的限制。目前常使用的鐵鹽鈍化劑主要有氯化鐵和硫酸鐵等。隨著對鐵鹽研究的逐漸深入，一些復(fù)合鐵鹽與高分子聚合鐵鹽也被逐漸應(yīng)用于底泥污染的處理中，如復(fù)合亞鐵、聚硫酸鐵等，并且取得了較好的應(yīng)用效果[18]。

　　3.3鈣鹽

　　鈣鹽被應(yīng)用于底泥污染的治理是近十年發(fā)展起來的，其原理主要利用鈣的化合物的吸附能力，以及在水體和底泥中通過形成羥基磷灰石去除水體中的磷[32]。在應(yīng)用過程中，可向湖泊中投入碳酸鈣和氫氧化鈣，碳酸鈣能夠吸附磷，尤其是當(dāng)pH值>9時(shí)，對磷的去除效果最好。另外，Ca2+和P在pH值高的情況下能形成羥基磷灰石，羥基磷灰石在pH值>9.5的情況下溶解性最低并且對磷的吸附能力最強(qiáng)[33]。在實(shí)際應(yīng)用中，鈣鹽作為鈍化劑的時(shí)候需要控制水體和底泥中的pH值[30]。常用的鈣鹽主要有有熟石灰、氯化鈣、氧化鈣及硝酸鈣等。

　　3.4組合鈍化劑

　　針對鋁鹽、鈣鹽和鐵鹽3種鈍化劑各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，有學(xué)者提出將組合鈍化劑應(yīng)用于污染底泥的原位處理技術(shù)當(dāng)中，并取得了較好的效果。胡小貞等采用鋁酸鈉和石灰為pH 緩沖劑，運(yùn)用并用粘土礦物對硫酸鋁進(jìn)行改良，研究不同劑量的硫酸鋁對滇池污染底泥磷鈍化的效果發(fā)現(xiàn)，所有經(jīng)處理后的底泥中的Al3+的濃度均小于0. 05 mg/L，該濃度的Al3+不會(huì)對水生生物造成毒害作用[24]。陳雷等將鋁鹽、土和鈣鹽組成的復(fù)合鈍化劑應(yīng)用于滇池重污染湖灣福保灣的現(xiàn)場圍格中表明，該復(fù)合鈍化劑對底泥污染物具有較好的處理效果，經(jīng)過處理后的水體透明度明顯提高，水體中藻類生物量和有機(jī)氮濃度減低，水質(zhì)改善作用顯著[25]。組合鈍化劑具有處理污染效果好、改善水質(zhì)明顯以及對水生生物毒害作用小等優(yōu)點(diǎn)，為鈍化劑的選擇提供了一種新途徑。

　　4原位鈍化技術(shù)實(shí)例應(yīng)用與效果

　　在國外，原位鈍化技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于河流、湖泊等污染水體底泥治理，并取得了較好的效果。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以及美國的Cammbell Lake、Kitsap Lake等湖泊，在用鋁鹽處理后鈍化底泥中磷的時(shí)效能夠達(dá)5-12 a之久[26]。Prepas et al.運(yùn)用碳酸鈣和氫氧化鈣對加拿大的2個(gè)湖泊(Halfmoon Lake和Figure Eight Lake)進(jìn)行修復(fù)并作了長期跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，處理后2個(gè)湖泊的總磷濃度和葉綠素a濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于處理前的濃度[27]。

　　目前，在我國開展原位鈍化技術(shù)處理水體污染底泥的實(shí)例應(yīng)用還不多。關(guān)于鈍化技術(shù)報(bào)道較早見于1996年長春南湖湖區(qū)內(nèi)用聚乙烯材料圍成直徑 2.8~3.2 m的圓柱形圍欄，并在圍欄內(nèi)進(jìn)行硫酸鋁鈍化底泥的試驗(yàn)，結(jié)果表明經(jīng)鈍化處理后圍欄范圍內(nèi)可溶性磷酸鹽的去除率可達(dá)54.0%~80.6%[28]。成曉玲等在星湖分別投加鋁鹽和鐵鹽鈍化劑治理污染底泥，經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)2種鈍化劑都取得了較好的去除效果，能脫除水體中50%左右的磷含量;且相比于鐵鹽鈍化劑而言，鋁鹽更容易凈化湖水水質(zhì)，并且藥劑用量較少[29]。

　　5討論與展望

　　隨著天然水體污染問題的日益突出，我國對水污染治理也越來越重視，政府對于河流與湖泊的外源污染控制力度逐步加強(qiáng)，并且取得了一定的效果。原位鈍化技術(shù)作為當(dāng)前一項(xiàng)重要的湖泊內(nèi)源污染控制技術(shù)，其主要目的是使污染水體底泥減量化及無害化，由于其具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、快速和效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在我國水體底泥污染治理中所起的作用也愈加顯著。然而原位鈍化技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一些問題需要注意，如水體和底泥中的pH值維持在6~8的時(shí)候，鋁鹽鈍化劑去除磷才能發(fā)揮更大的效果，但是一旦水體中的pH值不在這個(gè)范圍內(nèi)或者Al3+濃度大于50 μg/L時(shí)會(huì)對水生生物造成毒害甚至導(dǎo)致魚類死亡，故應(yīng)用鋁鹽的時(shí)候需要考慮生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。鐵鹽對水體無毒性，但是鐵鹽容易受到氧化還原條件和pH值變化的限制，故需要借助其他的輔助措施(如曝氣或人工循環(huán))進(jìn)行。鈣鹽鈍化劑處理污染底泥時(shí)，應(yīng)注意藥劑的用量問題，鈣鹽(氫氧化鈣)含量過高不僅會(huì)增加水體中的堿度，同時(shí)對水生生物也有危害作用。另外，鈍化劑在施加的過程中難以控制，容易造成河流與湖泊底部區(qū)域加藥不均勻而影響鈍化效果不理想。組合鈍化劑能夠?qū)�鋁鹽、鈣鹽與鐵鹽3種鈍化劑各自的優(yōu)點(diǎn)都發(fā)揮出來，同時(shí)又可以彌補(bǔ)某一種鈍化劑的缺點(diǎn)與不足，因而具有良好的推廣及應(yīng)用前景，另外新型鈍化劑的研發(fā)也是未來污染水體底泥原位鈍化技術(shù)的工作重心之一。