南京地理所在黑臭河道底泥內(nèi)源修復(fù)技術(shù)與方法研究中取得進展

環(huán)境修復(fù)網(wǎng)訊:黑臭河道已經(jīng)成為我國面臨的主要水環(huán)境問題，其對我國水環(huán)境造成巨大的影響。黑臭河道內(nèi)源的主要特征是還原程度、高氮磷污染嚴重，甚至呈現(xiàn)復(fù)合污染的問題，同時表觀上表現(xiàn)出發(fā)黑發(fā)臭的現(xiàn)象。由于黑臭河道底泥長期處于高營養(yǎng)負荷污染，底泥可持續(xù)向上覆水中釋放營養(yǎng)鹽，由此成為湖泊重要的外源輸入，使本已處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊繼續(xù)惡化。因此，必須采取相關(guān)措施對重污染底泥進行治理。

目前，國際上通用的幾種底泥內(nèi)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(huán)境治理中有應(yīng)用，也取得了一定的效果。然而，到底哪種方法具有優(yōu)勢？對底泥內(nèi)源削減效果如何？對沉積物微生物群落組成以及長期內(nèi)源削減效應(yīng)到底是什么樣的結(jié)果？

基于上述科學(xué)問題，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所尹洪斌等選取巢湖主要支流南淝河底泥作為研究對象，室內(nèi)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(nèi)源的控制效果。在120天的研究中發(fā)現(xiàn)，三種技術(shù)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(shù)均可有效控制磷的濃度，但各個技術(shù)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(shù)均可有效控制底泥磷的釋放，其中底泥疏浚表現(xiàn)最為出色（疏浚較為徹底為前提）。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沉積物底部富集。底泥疏浚雖然將表層重污染底泥移除，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。

對于內(nèi)源氮磷污染削減方面，底泥疏浚無疑是最佳方法?！靶律苯缑嫦鄬崈簦钥沙掷m(xù)吸附上覆水中的氮磷。此外，底泥氮磷含量相對較低，底泥氮磷的易活化形態(tài)也相對較低，因此利于底泥固相氮磷的控制。曝氣增氧雖可在一定時間內(nèi)對上覆水中氮磷以及界面釋放起到一定的控制作用，但該方法對底泥氮磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化幾乎不起作用。原位氮磷控制材料的材料可將底泥中活性磷轉(zhuǎn)化為惰性磷，由此削減界面磷的釋放。但底泥中氮的材料捕獲了大量可交換態(tài)的氨氮，致使底泥氨氮大量升高。到底捕獲的氮是否能夠再次釋放到水體中，需要深入研究。此外，重污染河道底泥中存在大量的水絲蚓等生物，生物擾動作用可攜帶大量材料下潛，由此造成底部沉積物中活性磷也被削減。然而，隨著時間的延長，表層沉積物中活性磷的含量又繼續(xù)升高。該研究表明，目前的幾種主流治理技術(shù)均存在問題，發(fā)展多技術(shù)聯(lián)用的方法勢在必行。同時，應(yīng)用針對我國黑臭河道底泥污染情況的共性問題，研發(fā)出廣譜性的治理技術(shù)與方法。

通常，黑臭水體易發(fā)區(qū)底泥呈還原環(huán)境，底泥硫化物含量高，黑臭水體的形成與底泥（底質(zhì)）環(huán)境密切相關(guān)，底泥中高含量的有機質(zhì)厭氧分解致使表層底泥中形成厭氧甚至極度厭氧的環(huán)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(dǎo)致水體黑臭的發(fā)生。因此，還原性底泥的治理是黑臭水體治理的關(guān)鍵，也是該區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的基礎(chǔ)。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(zhì)底泥的常用方法。雖然多數(shù)研究者認為這是一種應(yīng)急措施，而非長久控制技術(shù)。但研究者認為，該技術(shù)的使用至少可為水生植物的恢復(fù)搶占時間，良性生境的營造是水生植物恢復(fù)的基礎(chǔ)。投加硝酸鹽被認為是一種比較溫和的治理方法，其原理是基于硫驅(qū)動的自氧反硝化（方程1）：8MeS2-+5NO3-+6H2→5SO42-+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(zhì)、Fe2+濃度、微生物以及溫度等對上述反應(yīng)有何影響仍不得而知?；谏鲜隹茖W(xué)問題，本實驗采集富硫底泥（AVS含量高達1200mg/kg），采用室內(nèi)模擬研究的方法，詳細研究了電子受體（硝酸鹽）劑量效應(yīng)以及相關(guān)因子對底泥氮硫反應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，基于方程1的理論投加量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(dǎo)致治理效果的反彈，而1.6倍劑量的理論值相應(yīng)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）反應(yīng)。因此，底泥中鐵含量的高低也間接推高電子受體的投加劑量。此外，研究中詳細討論了上述羅列的各個環(huán)境因子對底泥中外加硝酸鹽與硫反應(yīng)的機制。論文最后認為，應(yīng)該在充分調(diào)查我國不同類型黑臭河道底泥的基礎(chǔ)上，通過大量模擬反應(yīng)實驗，構(gòu)建普適性的氮硫劑量反應(yīng)效應(yīng)方程，從而為我國黑臭河道治理做出貢獻。此外，研究人員認為研制緩效型、智能電子供體在河道底泥治理中將發(fā)揮重大作用。

以上研究成果得到十三五巢湖國家水體污染治理重大專項、中科院交叉團隊、國家自然科學(xué)基金以及中科院一三五的資助，成果發(fā)表于Yin et al., Science of the Total Environment, 2019,663, 68-77 及Yin et al., Chemical Engineering Journal, 2019, 371, 516-523上。

原標(biāo)題:南京地理所在黑臭河道底泥內(nèi)源修復(fù)技術(shù)與方法研究中取得進展