（环境工程专业论文）官厅水库底泥的农业资源化利用.pdf

摘要 本研究通过对官厅水痒埂前库区疏浚底泥进行理化性炊分析，评价了底泥农业幂j 甩的可 行性，提出了底泥的质地调节以及有害物质去除方案，通过室内盆裁试验检验了底泥理化性 状的调节效果。最后通过大田试验进一步研究了底泥作为植物培植的可行性。 对底泥理化性状的分析结果显示：疏浚底泥容重较高，孔隙度较低，结构较为密实、通 透性能较差；同时底泥的还原性物质含量较高；底泥中只有c d 超过土壤环境质量标准 ( g b l 5 6 1 8 - 1 9 9 5 ) 二级标准限值0 8 6 倍，同时，关注的六种金属的质量分数均远低于农用 污泥污染物控制标准( g 8 4 2 8 4 - 8 4 ) 的相应限值，底泥的潜在生态风险程度为“低”：底泥中的 有机质、全氮、全磷和速效磷等养分的含量对植物生长而言均达到中等以上水平。可阻满足 植物生长对养分的需求。 对底泥的质地调节结果显示：自然堆放条件下，通过与空气接触5 0 d 后，底泥中还原性 物质总量减少8 2 ；将底泥与土壤按体积比1 ：1 或1 ：2 混合后，依次增施相应底泥体积 5 的秸秆、0 5 的石灰、6 7 的草炭均能有效地降低底泥的容重，提高孔隙度改善其通 透性。 田间试验结果显示：不同资源化利用方式不同种类植物生长状况良好，不同处理均提高 了原状土壤的有机质含量，但对原状土壤n 、p 养分状况影响不显著。从底泥的资源化利用 效果出发，综合考虑环境效益和经济效益，将底泥与原状土壤混合同时施入适量秸秆的处理 效果较优。 关键词：官厅水库，底泥，质地调节，农业利用 a b s t r a c t t h ef e a s i b i l i t yo fa g r i c u l t u r a lu t i l i z a t i o nf o rt h es e d i m e n tw a sa p p r a i s e d ，a n dt h es c h e m eo f t e x n j r ea d j u s t i n ga n dh a r m f u ls u b s t a n c er e m o v m gw a sa 岫c e dt h r o u g ht h ea n a l y s i sf o rt h e p r o p e r t i e so fp h y s i a n dc h e m i s t r yo ft h es e d i m e n to fg u 柚在n gr e s e r v o i ri nt h i sr e s e a r c h t h e a d j u s t i n gr e s u l tf o rt h ep r o p e r t i e so fp h y s i c sa n dc h e m i s t r yo ft h es e d i m e n tw a st e s t e di nt h e c o u f s co fp o t t e dp l a n tt e s t t h ef e a s i b i l i t yt h a tt h es e d i m e n tw a su t i l i z e da sp l a n t i n gs o f tw a s f u r t h e rr e s e a r c h e di nf i e l dt e s t sf i n a l l y t h ea n a l y s i sr e s u l t sf o rt h ep r o p e r t i c so fp h y s i c sa n d 曲e m i 卿o ft h es e d i m e n tw e r ea s f o l l o w i n g s ：t h es t r u c t u r eo ft h es e d i m e n tw a sd e n s e r , a n dt h ep e r m e a b i l i t yw a sw o f s eb e c a u s ei t s v o l u m e t r i cw e i g h tw a sh i g h e ra n di t sp o r o s i t yw a sl o w e r a tt h es a m et i m et h ec o n t e n to f r e d u c t i v em a t t e ri nt h es e d i m e n tw a sh i g h e rt o o o n l yt h ec o n t e n to fc do ft h eh e a v ym e t a li nt h e s e d i m e n te x c e e d e dt h es e c o n d a r ys t a n d a r do fe n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo ft h es o i l ( g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 、 i n0 8 6t i m e s m e a n w h i l e ，t h ec o n t e n to ft h es i xk i n d so fm e t a lp a i dc l o s ea t t e n t i o nt ow e r ea l l b e l o wt h ec o r r e s p o n d i n gl i m i to fc o n t r o l l i n gs t a n d a r do fa g r i c u l t u r a ls l u d g e ( g b 4 2 8 4 - 8 4 ) , a n dt h e p o t e n t i a le c o l n g i c a lr i s kd e g r e eo ft h es e d i m e n tw a s 。1 。矿t h ec o n t e n to fo m ，i n ，t p , a n d o l s e n pi nt h es e d i m e n tc o u l dm e e tt h ed e m a n do ft h en u u i e n tf o rt h ep l a n t s t h er e s u l t so ft e x t m ba d j u s t i n gf o rt h es e d i m e n ts h o w e d ：t h et o t a la m o u n to ft h er e d u c t i v e m a t t e ro ft h es e d i m e n tr e d u c e db y8 2 w h i l ei tw a sp f l e du pn a t u r a l l yf o r5 0d a y s t h ev o l u m e t r i c w e i g h to ft h es e d i m e n tc o u l db er e d u c e d ，a n di t sp o r o s i t yc o u l db ei m p r o v e dw h i l et h es e d i m e n t w a s m i x e d w i t h t h en a t u r a ls o i lb y t h er a t i n o f l ：1o r l ：2 i nb u l k o r t h es t r a w , 5 t h eb u l k o f t h ec o r r e s p o n d i n g i n gs e d i m e n t ，c a o ，0 5 t h eb u l ko ft h a t , t h ep e a t ，6 7 t h eb u l ko ft h a tw a s a d d e ds e q u e n t i a l l ya g a i n t h er e s u l t so ft h ef i e l dt e s t ss h o w e d ：t h e g r o w t ho ft h ep l a n t sw a sg o o di nd i f f e r e n t h a n c n t s ，a n dt h ec o n t e n to f0 m o fo r i g i n a ls o i la l lc o u l db ei m p m v e di nd i f f e r e n tt r e a t m e n t s b u tt h ec h a n g ef o rt h ec o n t e n to fn ，pw a sr i o tr e m a r k a b l e t h es e c o n dt r e a t m e n t ，i e m i x e dt h e s e d i m tw i 血s o i la n ds t r a w c o u l dm e e tb e t t e re n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i cb e n e f i l k e y w o r d s ：g u a n t i n gr e s e r v o i r , t h es e d i m e n t , t e x t u r ea d j u s t i n g , a g r i c u l t u r a lu t i l i z a t i o n n 独创性声明 y 7 7 4 0 2 8 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 啾潞翻秀畸 时间：洲年月瑚 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容 ( t t 密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生叛馘赢苷 时间：d 年月扣日 导师签名：锄彦茬毖时间：仙。r 年易月阳詹 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 官厅水库位于北京市西北的永定河上游，设计总库容为4 1 6 亿“r ，现蓄水4 2 亿t l l ，是北 京最重要的水源地之一。入库水系有洋河、桑干河、妫水河和壶流河，流域面积约4 3 4 万k 舒， 包括山西、内蒙古、河北和北京的3 1 个区、县。约占永定河流域总面积的9 0 。进入2 0 世纪8 0 年代中期，由于库区及其上游人类活动强度的遂步加大和气候变化的影响，地表水入库径流量逐 年减少，水质日趋恶化，1 9 9 7 年被迫退出生活饮用承源。随着首都经济和社会的快速发展。水供 霰矛盾越采越突出。恢复官厅水库正常承源功链，改善水库流域生态环境是国务鲩批复的( 2 1 世纪初期曹都水资源可持续利用规划中的重点内容，是缓解首都水资源严重短缺的主要措施之 一，也是绿色奥运行动计戈i | 的重要内容。为了达到预期的目标。必须彻底改善官厅水库蠹q 水质， 在控制外来污染源之后影响水库水质的一个重要因素就是底泥释放所产生的二次污染。如 果不对底泥进行处置，单纯地净化上覆水显然无法达到治理水库污染的目的。因此。对官厅水库 底泥的合理整治是根本之举。底泥本身具有底泥量大、含水率较高、污染较严重、含有各种有益、 有害成分等特性，如果把疏浚的底泥单纯堆置，一方面会占用大量土地。另一方面会由于雨水的 冲刷而产生二次污染，而且其中有益成分不能得到充分利用，浪费了资源。所以，对底泥进行资 源化利用，是解决底泥出路闻题的根本措臆。 底泥污染是城市河流污染的重要研究内容之一，也是世界范围的一个突出环境问题。作为河 流生态系统的重要组成部分，底泥不仅是河流营养循环的中心环节，而且也是营养物质的主要聚 集库( 陈荷生等，1 9 9 8 ) 。通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲刷等各种方式。大量污染物 进入河流水体，其中一部分沉积到底泥中并逐渐富集，使底泥受到污染( 陈华林等，0 2 ) 。从 国外来看，莱茵河流域、美国的大湖地区、荷兰的阿妈斯特丹港口、德国的汉堡港等，底泥污染 均十分严重( b l c r a ，1 9 9 8 ) 。我国城市河流底泥中也积累了大量耗氧性有机污染物、重金属、氮 磷和各类优先有机污染物。其含量往往比背景值高出一至几个数量级( 陈芳等，1 9 9 9 ；曾前东等， 1 9 9 1 ；郑莫铭等，1 9 9 8 ) 。作为河流污染的主要蓄积库。底泥不仅可以直接反映水体的污染历史， 而且在一定条件下可以向上覆水体释放各种污染物，是影响河流水体的重要二次污染源。 在点源污染得到有效控制以后底泥就成为河流水体污染的主要来源之一( 陈华林等2 0 0 2 ) 。 底泥与上覆水之间不停地进行着物质交换，水中的污染物浓度在很大程度上要受到底泥的影响。 当底泥未被扬动时底泥中的污染物主要从袁层沉积物向上覆水扩散和分解，对水质的影响较小； 而底泥一旦被扬动，较厚层底泥中的污染物将会向东体释放，请耗上覆水中的溶解氧，造成水质 不断恶化( 贺宝根等1 9 9 7 ) 。由于底泥与河水之间存在着一种吸收与释放的动态平衡，一旦河 水污染物含量减少，底泥中污染物的释放量就会增加，其对河水钓二次污染也会增大( 陈宗鲷， 1 9 9 8 ) 。底泥污染会严重损坏河流生态系统的健康，美国e p a 在1 9 9 8 年的调查报告中指出，美雷 已发生的2 1 0 0 起鱼类污染事件大部分与底泥有关( 曲久辉，2 0 0 0 ) 。在我国，也已发现并证实水 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 体底泥具有生物毒性。如乐安江在距河i ：l2 0 - 1 9 5 1 0 n 河段沉积物中均显示出毒性( 马梅等，1 9 9 7 ) 。 此外，水体富营养化的解决关键也仍与底泥密切相关( s t o t e l d e r ，1 9 9 5 ) 。因此，污染底泥的治理 已刻不容缓，势在必行。 河流底泥对水质的影响一般通过以下几个途径实现：a 底泥悬浮过程中吸辩于颗粒物上的污 染物吸收释放。b 表层底泥中的污染物直接向上覆水体解吸释放。c 底泥间隙水中的污染物直接 向上覆水扩散释放等。当底泥间隙水污染物浓度接近平衡时，其与上覆水的混和作用是影响水质 的主要因素，其次是下部底泥的静态释放，而悬浮颗粒的污染物解吸释放作用则较小( 李剑超等， 2 0 0 2 ) 。在h u d s o n 河下河口地区，p c b s 的沉积物交换通量估计在2 0 8 6 0 u g n 1 2 一d 1 ) 之间。沉积 物中的p c b s 主要通过两个过程进入河口水体：溶解态和胶体态p c b s 从底泥沉积物中向上覆水 体的扩教释放底泥沉积物再悬浮后发生解吸附过程( a c h m a n ，1 9 9 6 ) 。底泥中的污染物积累是 在很长时问中形成的，它对水质的影响也比较持久。受污染的底泥相当于一个储藏的污染源，即 使外界污染源消除后，河流底泥仍能在较长时间中对上覆水的水质不断产生影响。因此，河流底 泥污染的研究和治理，是城市河流污染综合整治的重要内容，是从根本上解决河流污染问题的重 要途径之一。 1 2 文献综述 1 2 1 官厅水库水质污染历状况 官厅水库主要入库河流为桑干河、洋河和妫水河。水库水质受上游张家口、宣化、下花园、 涿鹿、怀来、延庆等市、县影响，2 0 世纪7 0 年代出现以酚、氰、砷、汞、铬、d d t 、六六六等 为主的无机污染。年代中期以来。随着上游工业废水、生活污水的逐年增加，水库出现氨氮、 生化需氧最、b o d s 、大肠杆菌、总氮、总磷等有机污染指标超标现象，呈现富营养化( 姜树君 等，2 0 0 3 ) 。1 9 9 6 年至今表现为以氮磷污染为明显特征的水体有机无机复合污染( 粱涛等，2 0 0 1 ： 2 0 0 3 ) 。 官厅水库水质污染超标项目主要为c o d 、b o d 5 、氮氯、总磷、总氮、氟化物、挥发酚、大 肠杆菌等，近1 0 年各监测点监测结果平均值情况及水质类别见表1 - 1 ( 姜树君等，2 0 0 3 ) 。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 囊1 - 1 兰蔫结果均值范国与水霞粪烈 t a b l e i - 1m e a n v a l n m g e o f m o n i t o r i n gr e s u l t a n d w a t e r q u a i l t y d a s s m c a f i o u 监测部位监测结果均值范围与水质类别 区c o d b o d 5氮氮总磷总氮氟挥发酚大肠杆菌水质 监测点 域o i l g l b( m g - l 1 ) ( m 譬l 1 )( m 譬0 1 ) ( m g e1 ) ( m s - l ) ( m g - l 1 )( 个- l 1 ) 类别 涿鹿桥 1 4 - 3 83 , 1 1 2 60 2 5 - 6 , ( b0 0 2 - 0 1 52 3 6 - 5 7 30 6 - 1 - 【) 0 0 ( 0 m 0 0 4 劣v 入下花园 6 0 - 3 0 16 9 - 1 9 3 9 1 7 - 2 6 7 0 3 0 - 0 5 4 1 2 6 - 3 1 11 0 - 1 40 , 0 0 6 - 0 0 7 5 劣v 轿 库八号桥8 2 - 1 5 71 5 0 - 3 3 j ) 5 3 8 - 1 0 20 2 3 - 1 鸣1 0 , 1 - 2 0 41 1 - 2 1 咖如嘲4 8 0 - 3 0 0 0 0劣v 延庆桥 1 9 4 32 5 - 4 90 2 6 - 0 7 30 0 6 - 0 6 22 7 0 - 4 且00 4 - 0 6 0 舶吣0 0 64 6 6 - 6 3 0 5劣v 永1 0 0 0 + 3 0 - 5 - 11 8 - 2 90 5 2 - 2 3 00 t d 0 0 62 4 9 - 5 5 6 1 0 - 1 10 j 0 0 0 0 0 20 0 5 - 2 0 0 8 劣v 永1 0 ) 0 ， 3 9 - 5 01 争2 , 80 9 3 - 2 m 00 0 1 - 0 0 92 8 8 - 5 0 31 0 - 1 10 0 0 0 - 0 0 0 2 劣v 永1 0 0 0 库底 永1 0 0 6 区表 永1 0 0 8 底 4 4 - 5 62 4 - 3 11 3 7 - 2 2 00 0 4 - 0 ，1 13 2 7 - 5 5 61 肛1 10 d 0 0 - 0 0 0 2 劣v 4 ，1 - 5 52 2 - 4 20 6 1 - 2 - 3 2 0 0 2 - 0 0 82 - 4 8 - 5 1 41 0 - 1 10 0 0 0 0 j 3 0 2劣v 3 7 - 5 32 1 - 4 10 7 3 - 2 4 60 0 3 - 0 1 12 9 2 - 5 3 31 0 - 1 10 0 0 0 - 0 1 x 3 2 劣v 河口4 2 - 5 32 4 - 4 00 8 5 - 2 2 30 腰蚴3 0 7 - 6 0 41 肛1 _ 1 0 0 0 0 - 0 0 0 40 8 5 - 1 2 6劣v 妫大侨 3 纠71 4 - 2 70 2 4 - 0 , 7 40 0 1 - 0 0 6 1 1 7 - 3 2 30 9 - 1 o0 0 0 0 - 0 x d 2 表 劣v 妫大桥 3 5 - 4 81 0 2 5 0 3 1 - 0 9 90 b - 0 0 81 3 53 2 00 。9 - 1 00 , 0 0 0 - 0 0 0 2 妫 底 劣v 妫 库 一1 0 1 8 + 1 3 枷1 6 - 2 70 1 2 - 0 5 90 0 1 - 0 0 6 0 9 7 - 2 6 20 9 - 1 00 0 0 0 - 0 0 0 2 区 。 劣v 妫 1 0 1 “l土5 4 21 7 - 3 40 1 知6 30 m 也嘶1 壤- z 6 1 们l 1 - o 咖呲0 0 1 底 劣v 出 库 坝后姒71 舯矗噼1 0 嘞1 83 1 - 5 4 8 0 9 - 1 _ 1 ) 0 0 0 0 - 0 由0 20 5 0 - 7 6 7 劣v 由表可以看出，近1 0 年官厅水库各监测部位的水质污染状况均为劣v 类，其中入库八号桥 和下花园桥水质最差，其次为延庆桥，涿鹿桥( 经常无水) ；妫库区( 妫大桥、妫1 0 1 8 + 1 ) 水质 好于永库区( 河口、l 0 0 8 、永1 0 0 0 ) ，表层水质好于底层；出库水质比永库区稍好，但同妫库区 比，情况则差得很远。 3 1 2 2 官厅水库水质恶化的原因 ( 1 ) 入库水量大幅度下降( 武贵桃等，2 0 0 3 ) 。 水库上游有2 6 7 座大中小型水库。仅永定河水系上游就有大小水库7 6 座。这些拦蓄工程拦 蓄了大部分地表径流。造成水库来水少，在年均降水量相当的情况下，1 9 8 5 1 9 9 5 年的年均入库 水量仅相当于8 4 年以前的1 4 。加之气候变化，降水量减少，上游需水量骤增，用水浪费水库 来水锐减5 0 年代水库来水量为1 9 亿立方米，年，6 0 年代1 3 亿立方米，年，7 0 年代8 亿立方米， 年8 0 年代5 亿立方米，年，到9 0 年代减少到4 0 亿立方米，年，1 9 9 9 年为1 4 6 亿立方米，年，比 5 0 年代减少9 2 3 。水环境容量也随之大幅度下降。 ( 2 ) 大量污水排入库区。 目前，非汛期污水入库量已是清水入库量的两倍。上游共有工业污染企业6 4 3 家，主要分布 在轻工、食品、酿造、医药、化工、冶金、纺织、选矿等行业，每年直接捧放入河的工业污水约 1 5 5 0 2 万吨，主要污染物c o d 排放量5 5 1 万吨。据统计，工业污染企业河北省有3 0 5 家，年捧 废水7 8 0 0 万吨；山西省有3 1 8 家，年排废水6 9 6 7 万吨：北京市延庆县有1 8 家，年捧废水9 5 万 吨；内蒙古区有2 家，年排废水6 4 0 万吨。其中河北省宣化市的钢铁、造纸、化a b 等企业排放的 工业废水对水库的污染贡献率较大。 上游城镇生活污水年排放总量约1 4 9 1 0 万吨。其中河北省4 5 0 0 万吨，山西省9 5 9 4 万吨， 北京市6 6 6 万吨。内蒙古区1 5 0 万吨。这些污水大部分未经处理直接捧放。河北省张家口、宣化 和下花园地区人口集中，污水排放量大，但至今尚无一座污水处理厂建成运行，大量生活污水直 接进入库区支流。加之1 9 9 7 年水库退出饮用水源功能后，建设项目环境管理标准降低，库区相 继建设了一批疗养设施。目前，在水源地一、二级保护区内，仍存在着严重违章建设的情况。距 水库2 5 公里处怀来县的华电、温泉等疗养院至今仍以漫流方式向库区捧放生活污水。 ( 3 ) 水库上游地区生态环境恶化。 因库区上游大部分为沟壑纵横的黄土丘陵地带，植被覆盖率低，加之农民上山砍柴，山区及 川区过度放牧。荒滩、河道无序开采等生态破坏，致使水土流失、沙漠化严重。张家口市过度放 牧草场5 7 2 万公顷。沙化、退化草场1 3 5 万公顷，水土流失面积1 2 5 4 0 平方公里。土壤沙漠化 面积4 1 3 5 平方公里，平均每年土壤流失量为4 5 0 0 吨，乎方公里，官厅水库周边约有7 0 的地区 被沙漠化土地覆盖每年入库泥沙为2 2 5 0 万吨。大同、朔州均是山西省水土流失严重的地区 其中大同地区森林覆盖率只有1 8 5 ，土地沙漠化面积6 4 粥平方公里。北京市妫水河流域水土流 失面积3 1 4 平方公里，占流域面积的2 9 ，由于长期不合理的开发，形成荒滩2 0 0 0 亩，土地条 件十分恶劣。 1 2 3 底泥的分层 湖泊沉积层( j 亳泥) f il - 而下分为三层：第一层( a 层) 为污染层，为近二三十年人类活动的 产物，多里黑色至深黑色；第二层( b 层) 为过渡层，含大量沉水植物根系及茎叶残骸，结构疏 松；第三层( c 层) 为正常湖泊沉积层。一般保持湖区周围土壤母质的岩相特征，多为粘质夹粉 4 质粘土，质地密实。沉积物一般含丰富的营养物质和大量的腐败性有机质。 根据周小飞等( 2 0 0 2 ) 对官厅水库底泥的污染分析，结果显示：底泥a 层污染物质含量与b ， c 层有显著相异，a 层大多数污染物高于b ，c 层。 1 2 4 底泥污染物的种类 ( 1 ) 重金属。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。 ( 2 ) 营养元素。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，其余大部分仍与水体保持动态平衡当水体外来污染源得到一 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。 ( 3 ) 难降解有机物。p a l l 、p c b s 等有机物，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至较高的水平。从而产生较强的毒害作用，通 过食物链还可能危害到人类。 1 2 5 底泥对上覆水体水质的二次污染作用 在控制污染源之后，影响水库水质的一个重要因素就是底泥释放所产生的二次污染。例如， 研究发现，杭州西湖内源污染负荷已经达到外来污染负荷的4 1 ；安徽巢湖内源污染负荷是外来 负荷的2 1 ；而云南滇池中8 0 的氮和9 0 的磷都分布在底泥中。河口卿湖泊底泥污染物的释出， 类似于非点源污染。释放面积大，释放时间、途径和释放量具有不确定性( 胡雪峰等，2 0 0 1 ) 。 底泥的释放试验是了解底泥污染物对水体造成二次污染的重要手段，刘培斌等( 2 0 0 2 ) 分别 采用静态和动态两种试验方法对官厅水库底泥中重金属、t p 、t n 的释放情况进行了研究，结果 显示：动态试验底泥中重金属及n 、p 的释放均高于静态试验：动态试验t n 的释放量每年可以 达到2 2 5 9 吨，t p 的释放量可达到8 9 3 吨，分别占到入库污染负荷的5 5 3 、5 5 9 。 1 2 6 环境因子对底泥释放的影响 ( 1 ) d o 的影响 李文红等( 2 0 0 3 ) 在不同溶解氧水平下对杭州新开河底泥傲释放研究，结果显示：低溶解氧 水平下，水体中氨氨浓度升高而硝态氮浓度下降，总氮呈现舞高趋势；高溶解氧水平下，水体中 氨氮浓度下降而硝态氮浓度升高，总氮呈现下降趋势：低溶解氧水平下，上覆水体中总磷浓度升 高，高溶解氧水平下，水体中总磷浓度保持稳定并略有下降。李勇等( 2 0 0 3 ) 通过对玄武湖底泥 磷释放特性条件试验及其结果分析，得出如下结论；降低上覆水溶解氡浓度能加速底泥中磷的释 放。侯立军( 2 0 0 3 ) 、张丽萍( 2 0 0 3 ) 等也认为厌氧状态可促进底泥内源磷的释放。 ( 2 ) 温度的影响 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 在其他条件相同的情况下，沉积物对磷的释放随温度升高而增强。王庭健等( 1 9 9 4 ) 对南京 玄武湖底泥磷释放的模拟试验表明，3 5 比2 5 时磷的释放提高了i 倍；a n u 1 i i k a n e n ( 2 0 0 2 ) 试验也证明，无论好氧与厌氧，磷的释放都随温度升高而增长，温度升高l c 3 将使底泥中 1 | p 的释放增加9 ”；p a u l a k a n k a a l a 等的温室塘对照试验也表明，在北方的夏、秋季，温室 塘( 比对照塘高2 3 ) 的磷释放分别占磷负荷的6 5 和7 2 ，而对照塘分别占4 9 和3 2 。按 照h o l d r e nj r 和a r m s t r o n g ( 1 9 8 0 ) 的说法，温度升高，微生物活力增强，有机物质分解加速，结 果导致氧气的损耗和氧化还原电位的降低，使f e “还原为f b ”，磷从正磷酸铁和氢氧化铁沉淀物 中释放出来。 ( 3 ) p i t 的影响 研究表明，在没有其它因素影响的情况下，湖水p h 为7 0 左右时底泥磷的释放最小。因为 磷以1 日吣产、h 2 1 0 4 形态存在，最易被吸收。降低p h ，磷酸盐以溶解为主，铝磷最先释放。升 高p h ，以离子交换为主，即o h 与被束缚的磷酸盐阴离子产生竞争( d em o n t i g n yc 1 9 9 3 ) ，所 以都使磷的释放增强。湖泊集水区生态系统的大气酸化提供了一个控制湖中磷循环的自然条件， 这一过程是基于提高越的移动能力而进行的。集水区与湖泊之间的p h 梯度是影响a l 化学行为 的关键因素酸化使脚溶入水体，在舢离子随集水区水进入湖泊后，由于湖泊中的碳酸盐缓冲 系统和碱度作用湖水的p h 升高至7 左右，削离子水解形成胶体状a i ( o h ) 3 ，它具有很大的比 表面积和强的吸附水相中正磷酸盐的能力，降低了水体磷的有效性。 ( 4 ) 扰动的影响 扰动是影响浅水湖泊水沉积物界面反应的主要物理因素。隋少峰等( 2 0 0 1 ) 通过对东湖底泥 沉积物磷释放的研究，结果显示：扰动促使沉积物再悬浮，促进沉积物中的磷释放。加速了沉积 物问隙水中磷的扩散，从而增加了磷的释放。李勇等( 2 0 0 3 ) 通过模拟试验也认为扰动上覆水体 会加快磷的释放。汪家权等( 2 0 0 2 ) 通过对巢湖底泥磷释放的研究，也证明揽动条件下的底泥磷 释放量大于静置条件下的底泥磷释放量：且释放初期，搅动条件下的影响曲线明显高于静置曲线。 1 2 7 底泥的无害化与资源化技术 由于底泥的释放作用而对河流水质产生二次污染，会使得水质恶化，因此如果不对底泥进 行处置，单纯地净化河水显然无法达到治理河道的目的。根据底泥本身的特性：底泥量很大含 水率较高，污染较严重，含有各种有益、有害成分等，人们逐渐认识到如果把疏浚的底泥单纯堆 放而不采取任何措施一方面会占用大量土地，另一方面会由于雨水的冲刷又会产生二次污染。而 且其中有益成分不能得到充分利用，又浪费了资源。所以，人们的眼光开始转向污泥资源化，这 不仅可以解决底泥出路问题，又可以产生一定的经济效益。底泥资源化技术主要有以下几种。 ( 1 ) 制砖 刘贵云等( 2 0 0 2 ) 用苏州河底泥进行了制砖试验，并分别以煤粉和城市生活污泥为添加剂， 其中含有的大量有机物在焙烧过程中烧失产生微孔，降低了产品的体积密度，通过调节配方可以 制得轻质砖。结果表明，产品的物理特性基本上可以达到烧结普通砖的技术要求，砖的标号达到 5 0 和7 5 。试验中对底泥和生活污泥原料以及烧成产品分别做了重金属浸出浓度试验。结果显示， 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 原料中重金属的含量很高，但通过1 0 0 0 1 1 0 0 c 的焙烧后，绝大部分重金属固化在成品中，成品 中重金属的浸出率相对于原料而言大大降低，因而不会对周围环境造成影响。 安徽省南淝河底泥制砖的试验结果表明( 薛世浩等，1 9 9 9 ) ，成品符合m u 7 5 级砖的等级要 求，干容重为1 3 6 4 k g l - 3 ，低于烧结普通砖容重的2 0 ，其导热系数为1 4 4 k j k g 1 ，比烧结普通 砖低5 3 ，具有一定保温隔热性能。 ( 2 ) 制冉粒 利用苏州河底泥烧制陶粒的工序主要为：挖泥运至排泥场堆放一自然干燥与外掺辅料混 合生料成球一筛选料球进窑预热焙烧一冷却一分级成品。经过高温焙烧，产品可以达到粘 土陶粒的技术指标，而且底泥中的重金属也大部分固化在陶粒中。同济大学进行了利用苏州河底 泥研制陶粒的试验研究( 王中平等，1 9 9 9 ) ，制得产品按照g b 2 8 4 2 - 8 1 粘土陶粒和陶砂要求 进行测定，结果表明产品性能完全满足g b 2 4 8 2 8 1 技术指标的要求。重金属浸出试验表明，成品 用强腐蚀的王水浸出时，重金属的溶出量均大幅度下降，在普通水中浸泡一周未见有重金属析出。 由此可见，其对周围环境不会造成二次污染。 ( 3 ) 农用 朱本岳等( 2 0 0 1 ) 利用西湖琉浚的底泥废弃物，与化肥以2 ：8 的配比混合，加工成有机无机 复混肥。在蔬菜上施用结果表明，产量与等养分量的进口复合肥持平或略有增加，肥料成本降低， 蔬菜中硝酸盐含量下降。上海市桃浦河底泥经加药、混凝和机械快速脱水“虱括真空抽滤脱水和滚 筒脱水) 后，同鸡粪等混合制成有机肥料，具有比较均衡的肥料成分，用此肥料进行种植青菜试验， 经上海市卫生防疫站化验测试结果，对照国家g b 2 7 6 2 8 1 、g b 2 7 6 3 - 8 1 、g b 4 8 1 0 - - 8 4 标准及上海 市农业科学院土肥所提出的青菜污染程度标准，均在国家允许范围内( 夏治河等1 9 9 5 ) ，按分级 标准在未污染与轻污染之间。但考虑到重金属污染的累积作用，根据国家g b 4 2 8 4 - 8 4 农用污泥中 污染物控制标准，此底泥割成的有机肥料不宜用于菜地可用于园林、花卉、绿地等。 ( 4 ) 吸附剂 底泥是一种含腐殖质的天然吸附剂( 樊邦棠，1 9 9 3 ；任乃林等，2 0 0 2 ) 利用底泥吸附处理了 模拟含。斗废水，结果表明：底泥对废水中铬具有较强的吸附能力，底泥对铬的吸附量及去除率 远远大于陶土( 夏治河等，1 9 9 5 ) 这是由于底泥中含有大量的腐殖质，它对金属离子有吸附交 换和络合的作用：并且粉状底泥比颗粒状底泥吸附能力更强( 任乃林等，2 0 0 2 ) ，这是由于粉状 底泥的表面积较大、富集能力增强所致。 1 2 8 污染底泥的修复 底泥的污染包括对水体的污染和底栖生物的危害。如果能消除其对水体和底栖生物的作用， 则能有效降低污染底泥的环境影响。因而，底泥污染的控制既可采用固定的方法阻止污染物在生 态系统中的迁移，也可采用各种处理方法降低或消除污染物的毒性，以减小其危害。据此，底泥 的修复有以下几种方法：原位固定、原位处理、异位固定、异位处理。碾位固定或处理是底泥不 疏浚而直接采用固化或生物降解等手段来消除底泥的污染行为。异位处理或固定则是将底泥疏浚 后再行处理。消除其对水体的危害。这两类方法分别在不同的情况下采用。 7 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 原位固定主要有原位掩蔽技术，原位处理则尚不成熟，有原位生物降解处理。目前底泥的处 理多是进行异位处理，即疏浚，疏浚后再进行固化填埋或物理、化学、生物处理。 1 2 8 1 物理修复 物理修复是借助工程技术措施，消除底泥污染行为的一种方法，主要有疏浚、引水、填沙掩 蔽等措施。 ( 1 ) 疏浚 当底泥中污染物的浓度高出本底值2 - - 3 倍，即认为其对人类及水生生态系统有潜在危害时， 则要考虑进行疏浚( f i n np e d e e n ，1 9 9 8 ) 。 疏浚前后污染物的监涓、分析及评价 运用海洋测绘学方法、科学成像技术和离散数学模型。利用计算机能方便快捷地监测底泥污 染物的时空分布和粒径特征( a a df i o o l e ，1 9 9 8 ；m ah o n g ，1 9 9 8 ) ，从而能更快捷准确地制定最 佳疏浚方案以及疏浚后进行监测评价。 底泥污染物的监测、分析、评价越来越朝着仪器化、自动化、快速化、精确化方向发展，目 前的研究正在试图建立多因素、多变量的监测分析评价模型，且尽可能与真实环境逼近，做到快 速、准确的长期在线监测，自动分析和评价，为此还有许多工作要做。 斑浚技术的研究 疏浚技术是疏浚效果好坏的关键，主要集中在发展轻质疏浚材料，配合科学的疏浚方式，使 疏浚过程对水体的扰动达到最小。从最早的人工挖泥到现在的精确水下吸泥，疏浚过程对环境的 影响正越来越小。s h e p a i sv l a d l m i r 等人( 1 9 9 4 ) 采用轻质疏浚材料，将淤泥吸到轻质软管中，能 有效防止疏浚过程中对底泥的扰动而造成的二次污染。 疏浚污泥的处理 对疏浚污泥进行的处理，常用的方法有固化填埋和农用，但这两种方法都必须考虑到防止地 下水和土壤的二次污染，因而要慎用。 对污染较重的疏浚污泥，必须采取物化、生物方法进行处理。常用的有颗粒分离、生物降解、 化学提取等。由于重金属和有机物性质上的差异，其处理方法也不同，如果二者同时大量存在， 一般需先将其分离，再分别进行处理。 采用调整p h 值或还原的方法，能将底泥中的重金属固定，有效防止疏浚污泥中重金属的迁 移。也可用粘土、有机物等来吸附重金属以达到固定化的目的( m u l l e r ，1 9 9 8 ) 。或者用酸或徽生 物将重金属溶出，再集中处理。用某些微生物来溶出重金属，要比用酸浸提经济得多，处理后的 底泥颗粒还能再利用。硫杆菌以硫为营养源可以使底泥中绝大部分的珏、c d 、n i 、c o 、m n 、c u 在几天到几周内浸出( s e i d e l ，1 9 9 8 ) 。 底泥中有机物的处理有热处理、微生物降解、浮选、湿式氧化、溶剂萃取等技术。利用臭氧 曝气能有效地去除底泥中的c o d ，并能显著抑制氮、磷的溶出，还能降低硫化物的生成。用t i 0 2 作催化剂，模拟太阳光也能有效地降解p ( = b s 。湿式氧化、热处理、溶剂萃取等对有机物的处理 也有明显效果( r i e n k s ，1 9 9 8 ；r u l k e n s ，1 9 9 8 ) 。生物处理能使s p a h 、矿物油有大幅度的降低， 重金属成分也有一定程度的去除( s t e f e s s ，1 9 9 8 ) 。 疏浚技术展望 疏浚在很多时候是一种必需的选择，如运河、海港、航道的清淤，疏浚后淤泥的处理则是环 8 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 境保护的一个难题。疏浚污泥以其量大、污染物成分复杂、含水率高而处理困难。目前国内由于 经费的限制。多采用农田施用和填埋处理，污泥的利用价值低，处理不彻底，又极易造成二次污 染。因此，建议采用物化或生物处理方法加强对疏浚污泥的处理力度，先使其达无害化，然后用 作建筑材料或路基材料，以代替秸土。一方面可节省粘土的用量，减少对土地资源的破坏，另一 方面又充分利用了污泥，减少了处置费用，节约用地，一举多得。而且建筑材料需求量大，完全 有可能大量消纳疏浚污泥，将疏浚污泥变废为宝。 ( 2 ) 掩蔽 掩蔽是在污染的底泥上放置一层或多层覆盖物，使污染底泥与水体隔离，防止底泥污染物向 水体迁移。采用的覆盖物主要有未污染的底泥、沙、砾石或一些复杂的人造地基材料等。 掩蔽的处理效果 最早的掩蔽技术是1 9 7 8 年在美国进行的，随后其他几个国家也相继使用，如日本( 1 9 8 3 年) 、 挪威( 1 9 9 2 年) 以及加拿大( 1 9 9 5 年) 都纷纷采用了这一技术。掩蔽是目前美国大湖修复措施 之一。相比别的修复技术，掩蔽花费低，适合有机、无机处理，对环境潜在危害小，现在已得到 普遍应用。大量试验结果表明，掩蔽能有效防止底泥中p c b s 、p a h 及重金属进入水体而造成二 次污染，对水质有明显的改善作用( a z c u e ，1 9 9 8 ) 。 掩蔽工程实例 国外对污染严重的底泥，已多次采用了掩蔽技术，许多已取得了显著的效果，其中比较成功 的掩蔽工程例见表1 - 2 ( p a l e r m o n ，1 9 9 8 ) 。 囊1 - 2 田外一些原位掩蕾工程实倒 1 妯l e1 - 2s o m ei 衄岫懈o f l n 葫如s h d t e r w o r l 强细f o r e i g n 掩蔽存在的问题是工程量大，需要大量的清洁泥沙等，来源困难。同时掩蔽会增加底泥的量， 使水体库容变小，因而不适用于河流、湖泊和港口，适用于深海底泥修复。 9 中国农业大学硕士学位论文第一苹绪论 掩蔽作为底泥的一种原位修复技术效果明显，还常常与疏浚同时使用，如疏掉上层淤泥后， 在上面盖一层沙，以防止下层底泥的再悬浮和污染物的进一步释放。掩蔽宜和固体废物处理相结 合，可采用惰性固体废物或废物的固化体作为掩蔽材料，既达到了掩蔽的目的，又处置了固体废 物。 l 勰2 生物修复 生物修复是利用生物体，主要是微生物来降解环境污染物，消除或降低其毒性的过程。它是 传统的生物处理方法的延伸，其新颖之处在于它治理的对象是较大面积的污染( 林力等1 9 9 7 ) 。 既可在原位进行生物修复，也可以对疏浚污泥进行生物处理。 ( 1 ) 原位生物处理 对有机污染的底泥，最理想的办法是不疏浚，而是让微生物在原地直接分解污染物。这样可 以节省大量疏浚费用，同时能减少疏浚带来的环境干扰。原位处理需要外加具有高效降解作用的 微生物和营养物，有时还需外加电子受体或供氧剂。虽然经过纯培养，发现有些微生物能较大程 度分解p a h 、p a b 等有机物，但要制成在原位能活跃分解有机物的产品，目前的效果还不理想 ( m a r i j k e ，1 9 8 3 ) 。 ( 2 ) 异位生物降解 对有机污染严重的疏浚污泥进行处理，首选的方法是生物降解。从简单的烃类到复杂的 p c b s 、p a i l 及联苯等，运用生物降解都有较多的报道。目前面临的闻题是底泥中的有机物水溶 性低，而普遍认为微生物只能利用液相中的有机物，而不能利用固相中的有机物。因而底泥中有 机物生物可利用性低，降解速度慢。 提高生物活性 在现场治理中，影响