（环境工程专业论文）排污河道沉积物特性、分布及其疏浚处置的研究.pdf

中文摘要 大洁排污河( 简称大沽河) 是天津市两条排污河道之一，担负着海河以南城 市污水向渤海湾排泄的作用，在大沽河治理工程中，遇到的最难问题是 2 ，3 0 0 ，0 0 0m 3 沉积物的疏浚与处置，本文针对大沽河沉积物进行了以下研究工作： 一沉积物中污染物分布的研究 通过沿岸布点采样，研究了大沽排污河沉积物中重金属污染物的纵向和横向 分布规律，初步评估了沉积物的污染状况，明确了沉积物分类，并为沉积物不同 处置方法处理量的计算和完善河道断面设计提供了可靠依据。通过污染源分析， 建立沉积物中重金属分布的模拟模型以及研究重金属的形态分布，不仅进一步揭 示了沉积物中重金属对环境的危害程度，而且为今后对河道沉积物选择理想的监 测点提供了依据。 二大沽河沿岸植物分布的研究 通过现场调研和实验室监测，首次研究了大沽排污河沿岸的植物分布规律及 植物体内重金属含量从而了解适于各地段沉积物的植物种类和土著植物对重金 属的吸收情况，为植物修复沉积物及填埋场封顶后植物种植提供依据。 三沉积物减容方法的研究 在小试、中试的基础上对污水河道沉积物脱水方式进行了对比研究，包括 对自然风干、带式压滤机脱水、抽真空池、冻融( 首次使用) 、土工布带等不同 方法进行减量的效率，对环境的污染及对后续处理方法影响的研究。通过对比 各种减容方法以及不同方法的沉积物滤液的污染情况，提出了适宜的减容方法， 降低了工程成本。 四沉积物环保疏浚工艺的优化研究 对沉积物处置方法进行了搜集整理、实验分析，研究了沉积物的各种处置 方法，为大沽河沉积物的处置提供多种途径。针对未污染的大量沉积物的利用， 本文对其用于道路建设中地基层的灰土进行了研究；针对被污染沉积物的修复， 在研究沿线植物的分布规律的基础上筛选适宜的土著植物对其进行修复。 最后首次利用网络技术及多目标规划的方法对沉积物环保疏浚集成工艺进 行了优化，基于不同的沉积物性状及疏浚工艺，得出适用于大沽河这样长距离 污水河道沉积物疏浚、运输、减容及处置工艺流程。将研究结果转化为工程中 可实施的工艺过程，使研究成果得到了利用。 关键词：河道疏浚沉积物、沉积物脱水、冻融、植物、疏浚集成工艺、重 金属 a b s t r a c t d a g ns e w a g ef i v e r , o n eo f t w os e w a g er i v e r so f2 q a n j i nc i t y , h a sb e e nd i s c h a r g i n gt h e s e w a g eo ft h es o r t hc i t yt ob o h e i b a y i nd a g uf i v e rr e h a b i l i t a t i o np r o j e c t , t h em o s t d i f f i c u l tp r o b l e mi sh o wt od e a lw i t h2 ，3 0 0 ，0 0 0 m s e d i m e n t 田圮f o l l o w i n gc o n t e n t a r es t u d i e di nt h i sp a p e r ： 1s t u d yo np o l l u t a n td i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n eo f s e d i m e n t b ym e a n so fs a m p l i n ga l o n gt h em e r - t h el e n g t h w a y s & t r a n s v e r s ed i s t r i b u t i o n d i s c i p l i n eo fh e a v ym e t a l i n d a g us e d i m e n t si ss t u d i e d , t h es e d i m e n tp o l l u t a n t s i t u a t i o ni se v a l u a t e da n dt h es e d i m e mi sc l a s s i f i e d t h eg i s ti sg i v e nf o rc a l c u l a t i n g t h es e d i m e n ta m o u n tb a s e do nd i f f e r e n td i s p o s a lw a y sa n do p t i m i z i n gt h ed e s i g n m e t h o do ff i v e rs e c t i o n t h r o u g ht h ep o l l u t i o ns o u r c ea n a l y s i s ，m a t hs i m u l a t i o na n d f o r e c a s t i n gm o d e l so f h e a v ym e t a ld i s t r i b u t i o na n ds e d i m e n tc o n f i g u r a t i o na r e s t u d i e d w h i c hn o to n l yh e l pp o i n to u tt h ek e yi n s p e c t i n gp o i n t s ，b u ta l s oh e l pr e v e a lt h e d a n g e rd e g r e eo f s e d i m e n tt oe n v i r o n m e n t 2s t u d yo np l a n td i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n ea l o n gt h ed a g ub a n k b ys i t es u r v e ya n dl a bt e s t , t h ep l a n td i s t r i b u t i o nd i s c i i i l i n ea l o n gt h ed a g ub a n ka n d h e a v ym e t a lc o n t e n ti np l a n ti ss t u d i e df o rt h ef i r s tt i m e ，a c c o r d i n g l y , w ec a l lf i n do u t t h es u i tp l a n tf o rs e d i m e n ta te v e r yp a r to ft h ef i v e ra n da b s o r p t i o nd e g r e eo f a b o r i g i n a lp l a n tt oh e a v ym e t a l a l lo f t h e s ec a nh e l pu sk n o wh o w t or e h a b i l i t a t et h e s e d i m e n tb y p l a n ta n dh o w t oc h o o s et h ep l a n ta f t e rt h el a n d f i l li sc o v e r e d 3s t u d yo nt h ed e w a t e r i n gm e t h o do f s e d i m e n t 。 1 1 舱d e w a t e f i n gm e t h o d sa r es t u d i e do nt h eb a s i so ft e s ta n dp i l o t - s c a l et r i a l t h e m e t h o d si n c l u d ea i r - d r y i n g ，b e l tf i l t e r , v a c u u m i z i n gt a n k ，f r e e z e t h a w ( f o rt h ef i r s t t i m e ) a n dg e o t e x t i l eb a g w ec a nf i n do u t t h ee f f i c i e n c ya n da f f e c t i o no nt h e f o l l o w i n gt r e a t m e n tp r o c e s sf o re v e r ym e t h o d n 地r e s u l t sh e l pu su s et h el a n d e f f i c i e n t l y , r e d u c et h ec o s ta n df i n do u tl e a e h a t ec o n t a m i n a t i o nd e g r e ef o re v e r y d e w a t e r i n gm e t h o d 4s t u d yo no p t i m i z i n ge n v i r o n m e n t a ld r e d g i n gp r o c e s s t h es e v e r a ls e d i m e n td i s p o s a lm e t h o d sa r eo f f e r e do nt h eb a s i so fc o l l e c t i n g ， a n a l y z i n ga n dt e s t i n g t h eu n c o n t a m i n a t e ds e d i m e n to fd a g ui su s e di nt h eb a s i so f r o a d d i f f e r e ma b o r i g i n a lp l a n t sa 地f i l t e r e da c c o r d i n gt op l a n td i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n e a l o n gt h ef i v e rf o rd i f f e r e n tp a r ta n dd i f f e r e u tc o n t a m i n a t i o n f i n a l l y , t h ed r e d g i n ga n dd i s p o s a li n t e g r a t e dp r o c e s so f s e d i m e n ti so p t i m i z e df o rt h e f i r s tt i m eb yt h em e a n so fn e tt e c h n o l o g ya n dm u l t i - g o a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d s w e c a nf i n do u tt h eb e s tw a yo fd r e d g i n g , i x a n s p o r t a f i o na n dd i s p o s a lp r o c e s st h r o u g h s t u d ya n dc o m p a r ed i f f e r e n tm e t h o d sf o rd i f f e r e n tt y p es e d i m e n t s oa l ls t u d yr e s u l t s i nt h ep a p e rc a nb e u s e di nr e a lp r o j e c t s k e yw o r d s ：s e d i m e n t ，d r e d 百n g , d e w a t e r i n g ，f r e e z e - t h a w , p l a n t , d r e d g i n ga n d d i s p o s a li n t e g r a t e dp r o c e s s ，h e a v ym e t a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 ， 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘堂或其他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。 学位论文作者签名：琴为签字日期：2 | 毋，年3 ，月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：勰 签字日期： 巧年9 月- 日 一名：移驰坪 签字日期：夕多年月夕日 第l 章引论 第1 章引论 1 1水体沉积物的污染 1 1 1水体沉积物的概念及来源 自然水体沉积物是由固、液两相物质组成的互不关联的多种化合物的复杂混 合体。沉积物由无机和有机颗粒组成。沉积物组成分为四大部分：火成岩和变质 岩的残留物、低温水成矿物、有机成分及流动相，火成岩和变质岩的残留物类似 土壤中的原生矿物；低温水成矿物主要包括粘土矿物，还有一些铝、铁、锰氧化 物和氢氧化物以及碳酸盐、硫酸盐、硫化物和卤化物；有机成分包括腐殖质以及 蛋白质、多糖、脂肪和烃类物质：流动相是指水“3 。水体沉积物主要是通过大 气沉降、外来水源排放、雨水淋溶与冲刷进入水体，最后沉积到自然水体的底部 并逐渐富集。 1 1 2 污染沉积物的形成及与上覆水的关系 随着工业生产和城市的迅速发展，大量的工业废水和生活污水排入河道中， 当废水或污染物进入水体后，即产生两个互相关联的过程：一是水体污染过程， 二是水体自净过程；即当污染过程与水体白净过程平衡破坏，水质恶化。平衡与 污染物性质、污染源大小和受体三方面及相互作用有关。如重金属离子进入水体 后，往往为河流悬浮物所吸附，水体得到了不同程度的净化作用，研究表明，悬 浮物的吸附作用使许多污染物、特别是各种重金属离子由水中转入底泥。是环境 污染自净过程的重要方式；河水净化能力的增加除了利用稀释作用外，悬浮物含 量增加也是一个重要的因素。研究还表明，悬浮物对重金属平均净化能力的贡献 约为4 5 6 0 ；在吸附质浓度固定时，吸附量随吸附剂含量的增大而减少，即 悬浮物对重金属的吸附量随着其含量的增加而减少，有人将这种现象称为重金属 吸附试验中的“泥沙效应”。重金属被悬浮物吸附后，由于水体理化条件的改变 而沉入水底，变成潜在性的次生污染源，可以说水体沉积物成为污染物的载体和 水系统中潜在的污染源1 2 j 。吸附是污染物在沉积物水界面的物质传输过程之一， 无论是水和悬浮沉积物之间或者是底部沉积物和间隙水之间，都涉及到污染物在 第l 章引论 沉积物颗粒物相和水相之间的分配平衡过程即吸附一解吸【3 1 4 1 ，尤其在低浓度 时，吸附是重金属在固液两相中交换的主要途径之一【5 】。 由此可见，不仅水体的性质决定着沉积物的性质，水体的演变决定着沉积物 的演变，而且沉积物物质的释放又影响着水体的水质，即一方面水体水质的恶化 是沉积物污染直接原因，例如已有研究表明，苏州河水质与底泥中的污染物浓度 成正比；另一方面污染的沉积物也是水体的潜在污染源。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，其对河水的二次污染也会增大。 作为河流生态系统的重要组成部分，底泥不仅是河流营养物质循环的中心环 节，而且也是营养物质的主要聚集库。通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与冲 刷等各种方式，大量的污染物进入河流水体，其中一部分沉积到底泥中逐渐富集， 使之受到污染嘲。由于底泥与上覆水之间不停地进行着物质交换，因此在一定条 件下溶解于水中的污染物浓度在很大程度上要受到沉积物的影响。当底泥未被扰 动时，底泥中的污染物主要从表层沉积物向上覆水扩散和分解，对水质的影响较 小：而底泥一旦被扰动，较厚层底泥中的污染物将会大量向水体释放，消耗上覆 水中的溶解氧，造成水质不断恶化。底泥的扰动除去人为的因素外，主要取决于 上覆水的流速，研究表明，底泥的起动流速为0 3 r i g s t 7 。 1 1 3沉积物的污染现状 当前我国国民经济快速发展，但由于没有对环境保护引起足够的重视，不达 标的工业废水和生活污水源源不断的排入河流湖泊等水体，使我国许多河流湖泊 水体都处于比较严重的污染状态，且仍有继续加剧的趋势。根据国家环保总局 1 9 9 9 年发表的公报，我国年排放的工业废水和城市生活污水总量达6 0 0 亿m 3 ， 8 0 未经处理直接排入江河湖海，受污染的水体几乎占到江河湖库的一半。全国 7 0 0 多条主要河道，平均有5 0 的河段被污染；全国2 0 0 0 多个上规模的湖、库， 2 5 重、中污染( 富营养化) ，2 5 轻污染【s j 。 河流水质污染的成因主要有以下几个方面：入境水所携带的污染物：沿河工 业废水、生活污水的排入；支流对干流的污染作用：底泥释放：沿河污水泵站溢 流排放：其他途径，如航运排放、禽畜废水排放等，其中工业废水、生活污水的 排放和沿河泵站的溢流排放是主要的污染原因【3 l 】。从上述任何一污染源进入水体 的污染物通过理化作用均有可能成为沉积物，因此城市河流底泥中积累了大量耗 氧性有机污染物、重金属、氮磷和各类有机污染物，其含量往往比背景值高出一 至几个数量级。从国外来看，莱茵河流域、美国的大湖地区、荷兰的阿姆斯特丹 港口、德国的汉堡港等，底泥污染均十分严重【6 】。底泥污染会严重损坏河流生态 2 第1 章引论 系统的健康，美国e p a 在1 9 9 8 年的调查报告中指出，美国已发生的2 1 0 0 起鱼 类污染事件大部分与底泥污染有关。在我国，也已发现并证实水体底泥具有生物 毒性，如乐安江在距河口2 0 1 9 5 k m 河段沉积物中均显示出毒性 6 1 。 近2 0 年来，底泥重金属污染日益受到人们的重视。我国学者对国内一些重 要的河流、湖泊重金属污染进行了不同程度的调查和研究，如长江、黄河、湘江、 运河、南四湖、太湖、环渤海湾诸河口、山东小清河等，另外，还有上海的苏州 河、徐州的荆马河、水口山矿区康家溪、二百方子沼泽湿地等。各地的评价结果 表明，底泥中重金属含量明显高于当地土壤背景值，部分河流或湖泊，尤其是城 市污水、工业污水、矿业废水影响的水体，其底泥重金属污染严重，其含量超过 了土壤环境质量标准嗍，部分指标甚至超过了农用污泥中污染物质控制标 准 9 1 1 ， 发达国家在河流水体改善方面经历了清水河水黑臭回归交清的过 程，虽然取得了相当的成功，但是在对于底泥的污染控制方面却不容乐观。美国 已发生了2 1 0 0 次鱼类消费问题，多次证实污染源来自底泥，e p a 调查了1 3 7 2 处底泥质量数据，证实有9 6 处存在底泥的恶化问题。e p a 在1 9 9 8 年9 月关于“污 染底泥战略报告”中指出，“在全美国许多水域污染底泥都造成生态和人体健康 的危机，底泥成为污染物的储存库，鱼类和底栖生物从它们富集有毒化合物进入 鱼、鸟和哺乳动物体内直到有毒水平”。 1 1 4沉积物污染的危害 水环境污染可能造成各种危害，其中最直接也是目前最受关注的是持久性有 毒污染物( p e r s i s t e n tt o x i cs u b s t a n c e s ，简称p t s ) 对生态系统的影响。水体的底泥 是持久性有毒污染物的“沉积库”，是“汇”，是水体污染的内源，是世界各国迫 切需要解决的重要环境问题之一。底泥中的p t s 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，即在气一水一生物一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 9 1 。 底泥中的p 1 - s 污染不仅危害水体和底栖生物，其对生态系统和人类健康的 危害，以及对人类生殖系统的影响已受到世界各国的普遍关注。当水环境受到污 染，进入水环境的p t s 类污染物，就会通过水生生态系统对农副产品的产量和 品质产生危害；或者通过动物、植物和微生物区系的代谢活动，特别是对生态系 统平衡体系的破坏，影响城市或区域范围内的人体健康和生态安全1 9 。 第1 章引论 底泥中的p t s 类污染物主要有重金属和持久性有机污染物( p e r s i s t e n t o r g a n i cp 0 1 1 u t a n t s ，简称p o p s ) 两大类。这两类污染物都能够通过大气沉降、废 水排放、雨水淋溶、洪水冲刷和农田退水等渠道进入地表水体，进而经过复杂的 物理、化学、生物和沉积过程沉降到底泥中并逐渐富集。进入水体的p t s 主要 通过吸附、络合和沉淀等作用沉积到底泥中，并与水相保持一定的动态平衡，当 环境条件发生变化时，底泥中的p t s 污染物极易再次进入水体，成为二次污染 物1 9 1 。 重金属是底泥中具有潜在危害的化学污染物，它不能被微生物分解，却能在 生物体内富集，某些重金属还能够通过烷基化作用转化成毒性更大的甲基化合 物，进而通过食物链危害人体和生态系统健康。日本曾在2 0 世纪5 0 年代前后出 现的“水俣病”和“骨痛病”事件都是由重金属污染物引起的【9 】。水体中重金属 直接影响人们的身体健康和经济的发展。研究发现重金属排入水体中，有6 0 9 0 以上都结合在悬浮沉积物的表面，颗粒物作为重金属的载体，其吸附、絮凝、 沉积和迁移过程决定着重金属的去向和归宿【l o l 。同时，被水底沉积物吸附的重金 属不是固定不变的，它可以通过一系列的物理、化学和生物过程而被释放出来， 造成水环境的“二次污染” 1 1 1 。 p o p s 是一类具有毒性、持久性、生物蓄积性和半挥发性，且能在大气环境 中长距离迁移并沉积回地表环境，对人类健康和环境造成严重危害的有机污染 物。沉积物是疏水性毒害有机污染物的重要储集场所，其中的毒害有机污染物一 方面直接影响水生生物( 特别是底栖生物) ，另一方面可通过再悬浮、解析及扩 散等作用再循环进入水体，从而危害水生生态系统。沉积物中毒害有机污染物的 迁移( 解析及扩散) 能力主要受控于污染物与不同颗粒物之间的相互作用( 特别 是吸附作用) ，而沉积物颗粒的大小、形态、结构及化学组成等对污染物的吸附 能力有重要影响【1 2 1 【1 3 l 【1 4 1 。在底泥系统中，有机污染物是以三种形式存在的：溶 解于间隙水、吸附于固相颗粒表面、存在于底泥颗粒内部。其中溶解于间隙水相 及由于吸附平衡而附着于固相颗粒表面的污染物的量是占释放总量的绝大部分 【1 5 j 【1 6 1 。 河流湖泊污染是一个全球性的问题，在我国尤为严重。由于长年接受污水、 废水等的排入，在河湖底部形成了具有一定厚度并富含各种污染物质( 主要是有 机污染物和重金属) 的底泥层，底泥耗氧、底泥向上层水体释放污染物，以及底 泥在冲刷作用下的悬浮释放等，都对水域的水质和水环境容量等产生显著影响。 即使将所有陆上点源、面源污染进行控制，由于内源污染的存在，仍不能完全避 免水质的恶化【1 7 】。在内源污染的释放过程中，水力条件、污染物数量及特性起着 决定性作用u 引。 4 第l 章引论 1 2有关沉积物中污染物研究的概述 1 2 1沉积物中重金属的研究概述 重金属是指比重大于5 o 鲋咖3 的金属元素，包括铁、锰、铜、锌、镉、铅、 汞、铬、镍、钼、钴等；砷是一种准金属，但由于其化学性质和环境行为与重金 属有相似之处，通常也归并于重金属的研究范畴。 a s ：砷及其化合物是剧毒污染物，可致畸、致突变、致癌，对人体和生物有 不少有害的影响f 2 】。 h g ：是唯一在常温下呈液态并易流动的金属，汞不溶于水，可通过表面的水 封层蒸发到空气中。汞与体内蛋白结合后可由半抗原成为抗原，引起变态反应， 出现肾病综合征；高浓度的汞还可直接引起肾小球免疫损伤。汞能抑制t 细胞， 导致免疫性损害。此外，汞接触者的淋巴细胞微核率与染色体畸变率都增加。是 有毒微量元素，典型的汞公害病为日本的“水俣病”。 p b ：土壤是植物吸收铅的主要来源，因此，土壤中铅的含量与人体健康有着 十分密切的关系，过量铅对人体和植物都有一定的危害。 c d ：镉被认为不是人体所必需的元素，一种危害环境的污染物，可引起人和 动物的一些疾病，著名的公害事件日本的“骨痛病”就是因为长期食用了被c d 污染的稻米和大豆引起的。 c r ：三价铬( c “) ) 是生命体的必需元素，但六价铬( c r ( ) ) 可导致多种 临床问题，无论是c r ( i i i ) 还是c r ( v i ) 在超过一定浓度范围后，均可对植物产生毒 害【2 】。 c u ：是植物、人体及动物的必需元素，当土壤的铜含量超过该土壤的临界值 时，作物将减产，过量的c u 对人体健康构成危害。 n i ：镍是植物、人体及动物的必需元素，但过量的镍对植物、动物和人体都 有一定的毒害作用。 z n ：锌是植物、人体及动物的必需元素，但过量的锌对植物、动物和人体都 有一定的毒害作用。 有关沉积物中重金属的研究归纳起来包括三方面，即平面及断面上分布及重 金属间相关性的研究、重金属在沉积物和水生生物体中的富集的研究、沉积物中 各重金属的形态分布的研究。 对重金属分布及相关性的研究：如珠江口表层沉积物中重金属z n 、c r 、c u 、 c d 的含量分布呈现由西北逐渐向东南递减趋势【l 明；如京杭运河( 杭州段) 和南 四湖垂向剖面的测试结果表明，近2 0 年来，底泥的重金属污染明显增强瑚1 ：苏州 第1 章引论 河底泥中c u 、p b 、z n 、c d 、n i 、c r 的峰值比背景值分别高出4 7 、1 8 、l 4 、1 2 5 0 、1 5 和l 2 倍川；苏州河市郊段沉积物重金属元素含量南岸 北 岸 河中，且底层高于上层圈；苏州河市郊段沉积物重金属元素存在较为密切的 相关性【研】；太湖北部沉积物中重金属垂向的变化与粘土含量呈正相关【5 5 】：卡塔 尔半岛东侧的沉积物的c r 的含量与有机碳含量有相关性( r - - - - + o 6 4 ) 田】。 对沉积物及水生生物对重金属富集能力的研究：如珠江口沉积物中重金属富 集程度依次为h g p b c u c r z n a s c d t l 9 1 ；颗粒对重金属吸附能力z n c u c d c o n i ，且共存时吸附顺序不变口q ；对粘土矿物亲和力的经验顺序为p b n i c u z n 2 习；三峡库区香溪河中鱼类对重金属的富集系数顺序为c d z n p b c a c u c r i g ，且统计显示鱼体中的p b 和c d 浓度分别与沉积物、原水中 c d 、z n 、p b 、c r 含量有显著的相关性【2 6 】：可以认为富集c d 能力强的水生生物将 来能预报该种重金属污染【2 7 】。 对重金属形态的研究：沉积物中重金属的总量往往很难表征其污染特性和危 害，重金属的形态分布可以揭示重金属在沉积物中的存在形态、毒性以及对环境 的危害。一般沉积物中重金属有残渣态、交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态和 有机结合态。残渣态是稳定的结合态，是一种共价键化合物，只有在风化作用下 才能释放出来；其它四个形态为离子键化合物，在环境条件发生变化时，可从固 态转化为液相污染水体，对环境构成威胁【2 酊。王晓蓉把交换态、碳酸盐结合态、 铁锰结合态作为对生物有直接或潜在作用的有效态，认为有机结合态不易被生物 吸收，残渣态属于生物无效部分 2 9 1 。王新伟等直接将沉积物中重金属可交换态作 为直接生物可给态，碳酸盐结合态、铁锰结合态及有机结合态作为潜在生物可给 态 3 0 l 。有报道的相关研究还有黄河( 清水河段) 沉积物中重金属c d 主要以可交 换态存在，z n 与c u 的有机结合态比例较高，p b ，n i ，c o ，m n 均以残渣态为主【3 2 】； 二道坊河河道沉积物中p b 的铁锰氧化态较高，c u 与h g 以残渣态为主【2 8 1 ；黄河 包头段的沉积物c d 可交换态含量较高，c u 、z n 、c r 以铁锰氧化态和有机结合态 为主，p b 、c d 以碳酸盐结合态为主【刈；伊通河( 长春市区段) 沉积物中f e 主要 以残渣态存在，m n 、p b 、c u 、z n 主要以有效态存在【3 3 】。 由于沉积物中重金属的含量、形态及分布对环境有很大的影响，因此有必要 研究主要河道特别是长距离污水河道沉积物中重金属的含量、形态及分布。 1 2 2沉积物中有机物的研究概述 国内针对沉积物中有机物的研究的报道主要是关于沉积物中有机物分布特 征的研究，如苏州河底泥中多环芳烃( - - 圆环至六圆环化合物) 、单氯酚( 2 氯 酚和4 。氯酚) 、氯苯类( 二氯苯到六氯苯) 、多氯酚( 二氯酚到五氯酚) 、六六六 6 第1 章引论 ( 四种异构体) 的平均含量为1 4 9 9 m g k g 、8 6 3m g k g 、6 2 7ug k g 、4 4 7ug k g 、 5 9 肛眺g 阎。官厅水库上游及永定河沿途的燃料的不充分燃烧导致水体沉积物 中含有大量多环芳烃污染物1 3 4 1 另外相关的研究还有不同粒径沉积物中有机污染 物分布特征、沉积物组成( 如矿物组成和有机质类型等) 与污染物富集能力的关 系的研究，有关有机污染物与沉积物之间相互作用机理的研究【3 5 】等等。国外的报 道大多集中在有关p c b s 污染的分布特征和修复的研究，如低温可降解p c b s 含 量从1 0 0 0 到1 0 p p m 3 6 1 。 1 2 3沉积物中污染物与植物关系的研究概述 由于植物与土壤天然依附的关系及植物具有生物量大且易于后处理的优势， 所以近来人们一直寻找可以用来修复被污染沉积物的植物，进而促使了植物修复 技术的出现及发展。植物修复技术( p h t o r e m e d i a f i o n ) 就是直接利用活的绿色植 物原地净化污染土、有害固体废弃物、污泥、工业污水、污染地下水等污染介质。 目前它主要用于处理污染物含量为低中等的污染土或污染的地下水【3 ”。植物对 重金属的修复有三种方式：植物固定、植物挥发、植物吸收，其中植物吸收是目 前研究最多且最有发展前景的方法。植物通过三种机制去除环境中的有机物：直 接吸收、释放分泌物和酶去除有机物、根区有机物的生物降解【舳】。植物的固定作 用，是指利用植物根系把污染土壤固定在原地，避免因风吹扬尘或雨水冲刷而把 污染土移到别处引起二次污染。另外植物的覆盖也可以大大减少人类接触到这类 污染土的机会p 7 1 。 植物吸收的研究表明，c d 、p b 、c u 、z n 、a s 五种元素交互作用能促进c d 、 p b 、c u 的活化，增加植物对它们的吸收p 明：n i 、z n 、c u 元素最容易被植物所吸 收，常见的近4 0 0 种植物中绝大多数都喜欢吸收这三种元素，但p b 、c r 、h g 不 是植物必需元素且对植物具有毒害作用，因此利用植物对它们吸收比较困难p 9 1 ； 金属元素在植物体内的含量由高到低为z n m n p b c u c r c d ，富集系数 由大到小为c d p b z n m n c u c r t 3 9 1 。 植物修复有一定的局限性，多数能富集重金属植物根系分布不仅很窄而且多 在土壤表层【删。对于污染土壤深度大于5 m 或土壤中重金属浓度过高而不适于超 富集植物生长的污染场地则不适合于植物修复】。植物的种植布局一般有三种方 式：河岸走廊式，缓冲带式，植物覆盖【3 ”。 在实际工程中经常从不同角度使用植物修复技术，比利时a n t w e r p e n 的 z e e s c h e l d e 河口沉积物上进行造林并使其不进入食物链【4 2 】。比利时m e n e n 的生 产性实验显示柳树不仅可用于植物稳定而且还可以植物吸收重金属【8 ”。柳树和白 杨可以吸收很多z n 和c u ，而且产量大。但同时又带来了另外一个问题，如果它 7 第l 章引论 们的树叶秋天落下，有可能进入生态系统【4 3 1 。 目前重金属污染土壤的植物修复研究的方向主要有植物修复机理的研究，积 累与超积累植物的筛选，分子生物学和基因过程技术应用 4 4 1 。积累与超积累植物 的筛选目前是研究较多的一项，同时也取得了一定成果。超富集植物特点：植物 地上部富集的重金属应达到定的量，植物地上部的重金属( s ) 应高于根部重 金属( r ) 。目前采用较多的是b a k e r 和b r o k s l 9 8 3 提出的参考值，即把叶片或地 上部( 干重) 中含c d 达到1 0 0 9 9 g ，含c o 、c u 、n i 、p b 达到1 0 0 0 t t g g ，含m n 、 z l l 达到1 0 0 0 0 i j t g g 以上的植物称为超富集植物。同时这些植物还应满足s r l 的条件p 9 1 。为了防止生物入侵和基因链的污染，采用超积累植物进行修复时，尽 量采用本地植物种，因而筛选本地种的超积累植物显得特别重要【7 9 1 。 1 3 水体沉积物的疏浚 1 3 1 现代沉积物疏浚工程 河流、湖泊、海湾的疏浚均是将底部的沉积物运离水体底部，从而恢复过水 断面或蓄水容量，以保证水流及航运的通畅。但同时也带来了另一个问题，即疏 浚后沉积物的去向，特别是近代工业发展后受污染沉积物的去向，为了完成疏浚， 同时又不造成二次污染，现代疏浚工程不仅包括沉积物的挖、运、放过程，还包 括沉积物的处置。 1 3 2 沉积物疏浚的现状 中国城市水体疏浚业，历史悠久。较为著名的如唐朝和宋朝的西湖疏浚，西 湖原本是钱塘江的一部分，由泥沙堆积形成一个内湖，因此，每隔一段时间就须 人工疏浚。历史上最著名的就有两次，分别是在唐朝和宋朝，受当时运输条件的 限制，不能把疏浚出来的泥沙运到很远的地方，只能就近筑了两条河堤，负责这 两次疏浚的人是著名诗人自居易和苏东坡，这就是“白堤”和“苏堤”的由来。 底泥疏浚后处理是目前应用最为广泛的p t s 污染底泥修复技术，是美国、 荷兰和日本等发达国家修复p t s 污染底泥的重要措施之一，也是底泥修复普遍认 同的适用技术。但是，疏浚后的底泥因量大、污染物成分复杂、含水率高而难于 处理m j 。国内多采用农田施用、堆放和填埋处理疏浚底泥，底泥的利用价值低， 处理不彻底，极易造成二次污染 4 6 1 。国外已将经过物化、生物处理的疏浚底泥用 作建筑材料和路基材料，实现了生态清淤基础上的污染底泥无害化和资源化利用 第1 章引论 嗍【4 _ 7 l 唧 9 1 。环保疏浚是国际上修复污染底泥的常用技术，也是p t s 污染底泥控 制的有效措施。但是，疏浚底泥处置不当会对人体健康和生态安全造成严重影响， 进而危害人类未来的生存发展。但是，当p t s 类污染物在疏浚底泥中大量共存 时，现有的修复方法需要将两种污染物分别进行处理，底泥修复的成本较高，限 制了其在发展中国家的推广应用。 从国内外的相关研究和技术应用来看，物理疏浚技术在一定程度上取得了较 为明显的效果，但总体来说存在以下几个主要问题t 4 8 1 ： ( 1 ) 成本高。疏浚成本受许多因素影响，包括设备类型、项目大小、堆放 场、底泥密度、输送距离、底泥的综合利用等。有人作过估算，机械清淤l m 3 底泥约需9 9 _ - 2 4 7 万美元。郭慧光等对昆明滇池的疏浚做了投资估算后发现， 近年来，滇池共挖底泥4 0 0 万吨，耗资2 5 亿元，折合为每吨6 2 5 元。 ( 2 ) 疏浚过深将会破坏原有的生态系统。底泥疏浚可能会去除底栖生物， 破坏鱼类的食物链。如果底泥被完全疏挖，可能需要2 3 年的时间才能重新建 立底栖生物群落。如果底泥疏挖不彻底，底栖生物群落的恢复相对比较快。因此 采取疏浚方法时，必须加强实验研究和科学决策，慎重考虑投入效益比。 ( 3 ) 城市河道清淤疏浚工作不同于湖泊，湖泊水面开阔，方便疏浚船进行 水上作业。而城区河道断面一般较小，且河道中长年有水流动，这给疏浚作业带 来了因难。特别是有些需要清淤的河道靠近闹市区，疏浚工作必须安排在夜间进 行，这也会给施工带来一定的不便。 ( 4 ) 疏浚底泥的处理是环境保护的选择。疏浚底泥以其量大、污染物成分 复杂、含水率高而使其处理因难。 近年来，由于环保意识的提高，基础设施的逐步完善，越来越多的目光投向 城市内或城市周边江、河、湖的综合治理，在综合治理中沉积物的疏浚与处置是 工作量最大、也是最令人头疼的问题之一。如滇池底泥的疏浚、西湖底泥的疏浚。 面对日益恶化的环境，如何在疏浚中注意环保问题和如何利用疏浚手段改善环境 越来越引起人们的重视，现代意义的疏浚即环保疏浚的产业从而诞生和发展。江 苏省无锡市太湖湖泊治理有限责任公司在“太湖水污染控制与水体修复技术及 工程示范”项目中，首次向社会公开招标“重污染水体底泥环保疏浚与生态重 建技术”的研究课题标志着我国环保疏浚将成为今后城市水体疏浚业的发展方 向。同时开发p t s 污染疏浚底泥协同修复新技术，将物理、化学和生物修复技 术有机集成，实现经济有效生态清淤与处置，将是p t s 污染底泥异位修复的发 展方向【9 】。 9 第1 章引论 1 3 3沉积物减容的研究概述 污水河道沉积物的疏浚，特别是被污染沉积物的疏浚第一要面对的问题与污 水处理厂污泥处置一样，是如何降低其含水率，即减容。沉积物疏浚过程最令人 头疼的是沉积物的高含水率，以前简单的疏浚可以用大量占地来回避这一问题， 但在现代环保疏浚过程中降低含水率将是疏浚过程中重要环节。脱水是一降低沉 积物含水率的物理处理过程，为了其最终处置降低其含水率是必须的，有机物、 无机物和放射性污染的沉积物均需脱水。针对土壤的脱水视其体积、含水率、场 地和脱水要求而定，一般采用离心脱水机、干化砂床( 使用重力或抽真空过滤的 方法经过细砂床使沉积物脱水) 、干化渠( 利用过滤和蒸发作用使沉积物脱水) 、 过滤( 如带式脱水机等) 【4 9 】。另外污水河道沉积物由于在厌氧环境下沉积若干年， 聚集了很多的污染物质，因此在运输、减容、处置沉积物过程中，沉积物的渗出 液被污染程度也是受到关注的问题。因此研究脱水减容的同时也应研究这一过程 中产生的滤液。 土工布带( g e o t e x t i l et u b e s ) 用于沉积物的脱水是近年来发展起来的一项技 术，实验证明土工布带可以快速降低沉积物的含水率1 5 0 】。另外土工布在对沉积物 的处置中还有其它的作用，在填埋场中用来筑堤【5 1 】和封顶【5 2 】的材料。 上述方法均在水处理厂产生的污泥处置中使用过，另外还有一种方法在污水 处理厂中使用过冻融方法，该方法已被公认为是对水处理产生的污泥处理中 物理调节方法之一，该方法可以( 1 ) 极大的改善污泥的脱水性能，( 2 ) 将污泥从 絮状结构改变为更紧凑的结构，( 3 ) 降低污泥结合水含量【5 3 】。由于污水处理厂的 活性污泥中含有较高的溶解有机物和离子，冻融方法对其调节效果较给水处理厂 污泥的调节效果差【划。冻融方法可以从被油污染的污泥中分离出5 0 o 的油【8 s 】。采 用干冰进行快速冻融可以提高污泥的脱水性能【5 6 】。 但冻融对于污水河道沉积物性能影响研究的报道还没有，污水河道沉积物是 一种特殊的污泥，它不同于一般河道的沉积物是由背景土或背景基岩上覆盖的物 质组成【5 ”，也不同于市政排水系统中的污泥是由微生物群及其自身氧化的残留物 质、不易降解的有机物和无机物组成【5 舯。由于污水河道兼有两者功能，所以其沉 积物是由所有这些物质共同组成。因此有必要研究冻融过程对沉积物脱水性能的 影响。 1 0 第1 章引论 1 4水体沉积物的处置 1 4 1沉积物处置的方法 美国e p a 按照沉积物最终去向将水体沉积物处置分为：开放水体处置 ( o p e n - w a t e r d i s p o s a l ) 、限制式处置( c o n f i n e d d i s p o s a l ) 、利用( b e n e f i c i a l u s e s ) 共三类。实际上在工程中往往几个方法有机结合着使用。 开放水体处置：沉积物通过管道、船舶或车辆运输至其他河流、湖泊、港湾 或海洋，在接受水体是非扩散型的情况下，沉积物将沉积在底部：在接受水体是 扩散型的情况下，沉积物在放置过程就有可能冲散或放置后随时被水流或潮水冲 走。这种方法对沉积物和接受水体状况要求都较高，首先，沉积物没有被污染， 以防止二次污染发生；其次对接受的水体进行评估，评估内容包括：水流和潮汐 情况、水深、盐度和温度、底部物理性能、周边情况、水体化学和生物特性等， 综合考虑各项评估结果。 限制式处置：将沉积物放入与附近水体隔离并且筑堤的洼地或丘陵，如卫生 填埋等。在该种处置方法中提高场所容纳能力的措施包括：( 1 ) 沉积物脱水，可 以大量减少容积物所需场所：( 2 ) 跑漏液处理，可以去除固体从而减少跑漏液浑 浊度。对污染的控制措施包括：( 1 ) 液体的处理，如悬浮物的处理、金属物处理， 有机物的处理工艺；( 2 ) 现场措施，采用衬里，地下水泵、地下排水、泥浆墙和 水面排水等措施；( 3 ) 沉积物的处理，如生物修复( 用细菌、真菌和酶控制有机 物污染) ，化学处理( 如氧化、降解、鳌合、水解) ，萃取，热处理( 如焚烧) 和 固定化等。 利用：将沉积物或沉积物置放场所用于生产性用途。如果沉积物没有有毒物 质，尽量利用沉积物，用途包括：( 1 ) 动植物环境的修补，改善包括湿地生态环 境、丘陵生态环境、岛屿生