（环境科学专业论文）湖泊底泥二次污染防治与资源化利用相关技术研究.pdf

药剂对于重金属形态的变化幅度相当。 利用模拟酸雨淋溶重金属稳定化处理后的金山湖底泥，通过迁移层数和首层 迁移量来评价稳定化的效果。重金属在土柱中迁移距离表现为z n 最大，n i 和 c d 次之，说明重金属迁移速度不仅仅与总量有关，还与其不稳定态的含量有关： 稳定化处理后，重金属的迁移距离均有所缩短，首层迁移量也都有所减少，说明 这三种稳定化药剂都能够减少重金属在土壤中的迁移。 关键词：底泥；原位修复；磷形态；资源化；重金属稳定化 n r e s e a c ho nc o r r e l a t i v et e c h n o l o g yo fp o l l u t i o nc o n t r o la n d r e s o u r c er e u s eo fl a k es e d i m e n t s a b s t r a c t t h ev a r i e t ya n dh a r mo fc o n t a m i n a t e ds e d i m e n ta r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r c o m b i n i n gw i t h m t e g r a u x lr e m e d i a t i l y af l a 1 3 a c ，t h ei m m i n e n c yo f i - s i t us e d i m e n tr e h a b i l i t a t i o ni s 龃a l y z e d d e e m i n gp h o s p h o r u s 铋ai m p o r t a n tf a c t o r , ic a r r i e do u tam t u m i s ms m a yo ni n - s i r et r e a l m e l l t t e c h n i cb yt h em e t h o do fp h o s p h o r mf r a e t i o n a f i o n a l s o ，e x - s i md m x m dt e c h n i co f h e a v ym e t a l c o n t a m i n a t e ds e d i l l l e l l ti si n t r o d u e o di nt h ep a p e r s e v e r a lw a y so fh e a v ym e t a ls t a b i l i z a t i o ni s s t u d i e da n dt h em i g r a t i n gr u l ea f t e rl l e a m a e n ti ss t u d i e da sr i s ka s s e s s m e n tw h e nd r e d g e ds e d i m e n t i sr e s o u r e e d l a n da p p l i c a t i o r l c h 孤曩c k 枷c s o f s m f a e es e d i m e n t s a n d e o l u l l l ns e d i m e n t s i nj i n s h a n l a k ea r ea s s e 辩d w i t h t h e s em e t h o d so f f i o l di m , e s t i g a t i o n , m o m t o r i n gs y s t e ma a dl a b o r a t o r ye h a m i e a ia n a l y s i s e t c t h e i n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tp h o s p h o r u sc o n t e n to fs u r f a c es e d i m e n ti s2 5 6m e c i 毡w h i c hb e c o m e v i t a ll i m i t e d 白c 饥t h eh e a v ym 酏a lc 咖ti s 勰f o l l o w s ：盈2 7 4 2 m g k g , n i3 8 5m g ，k g ，c a 4 8 m g k g , w h i c hs h o w s 骶e r ec o n 曲叮吐删d e g r e e m e c h a n i s mo fc o n l z o lp h o s p h o r u sr e l e a a ef i x n 靼d i m 加lb ya d d 面喀c a l e h nn i t r a t ew 舔 s t u d i e d b a s e d l a b o r 呦r y - s i m u l a m lt e s t ，c h 血g 髓o f p b o s p b o r u s 咀m 珀d o ni no v e r l y i n ga n d p o r ew a 地fw 嗽m e = s u r e da f t e re l e i u mn i t r a t ei j e e t e dy m a s f o r m a f i o nn m o n gd i f f e r e n t p h o s p h o r u s 钿c 6 啷i nt h es l 蝴t i m g a t sw a ss t u d i e dt od i s c u s st h em e c h a n i s mo f t h et e e l m i q u e t h e r e s u l t ss h o wt h a tp h o s p h o r u sc o n c 删加j no v e r l y i n ga n dp o r ew 8 1 。1 d e c r e a s e s t h ea v e r a g e r e l e a s ev e t o e i t yo fp h o s p h o r u sg o e sd o w nt o - 0 5 9 6 m g ( m 2 d ) p b o s p h o m sf a c t i o n si nt h e s e d i m e n t sv a r i e d , s o l u b l ep h o s p h a t ea n do r g a n i c - o c c l u d e dp h o s p h a t ea r er e d u c e df 2 3 8 a n d 2 6 3 r e s p e c t i v e l y ) w h i l ei r o n - b o u n dp h o s p h a t ea n dc a k , - i n m - b o o n dp h o s p h a t ea 地i n e r e a s o d ( 4 8 6 a n d1 7 9 0r e s p e c t i v e l y ) ，b u tc h a n g eo f a h t m i n u m - b o o n dp h o s p h a l eh a sn o tb e e no b s e r v e d o b v i o u s l y s o , t h ei n c t c a s # o f i r o n - b o u n dp h o s p h a t ea n de a l e i u m - b o o n dp h 唧h a l ea 坞c o n s i d e r e d t w op r i m a r yr e a l l o l l s e f f e c ta n da n a l y s e so nd i f f e r e n t 瓤i d i d gm e a n so fc a l c i u mp e r o x i d et oe o n l r o lp h o s p h o r u s r e l e a s ef r o m 靼d j m c n tw 船s t u d i e di n n o v a t i v e l y , b a s e do nl a b i m t o r y - s 咖l a l e dt e s t , t r e n do f p b o s - m p h o r u sc o n c 口l r a t i o ni no v e r l y i n gw a sm e a s u r la t t e rt w om e a n so fc a l c i u mp e r o x i d el z e a t m e n t , m i x i n ga n de a p p i g t r a n s f o r m a t i o na m o n gd i f f e r e n tp h o s p h o r u sf l l i 血o n si nt b es e d i m e n t sw a s s t u d i e dt oa n a l y z et h ed i s 血g u 诚l 酣e f f e c tt h er e s u l t ss h o wt h a tp h o s p h o r u sc o n e t r a t i o ni n o v e r l y i n g 幻rp r e s e n t sd i f f e r e n tt r e n da f t e rm i x i n ga n dc a p p i n go f c a l c i u mp e r o x i d e p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o no f t h ef o r m e rd e c r e a s e d 越f i r s ta n di n e r e a s e x ls u b s e q u e n t l y , w l a i l et h a to f t t a el a t t e r k e p td c e r c a s i g a n da v e r a g er e l e a s e v e l o c i t y o fp h o s p h o r u sw a s6 0 7 7m ( m 2 d ) a n d - 0 8 7 9 删( m 2 e 1 ) r e s p e c t i v e l y t h et r a n s f o r m a t i o no f p l a o s p h o r u sf l - l i t c t i o n si nt h es e d i m e i l t ss h o w s t h a t d i v c r d h a n g e o f i r o n - b o t m d p h o s p h a t ea 坤d e e m 耐t oc a u s e t h ee f f e c t u 埘c r d i f f e r e n ta d d i n g o p t i o n so f c a l c i u mp e r o x i d c t h r e ew a yo fs t a b i l i z a t i o n ( c a o 。c a 0 2 , c a oa n dc a 0 2m i x i n g ) w a ss t u d i e di np a p e r s t u d y s h o w s ：d r e d g e ds e d i m ta f t e rs t a b i l i z a t i o n , p hi n c r e a s e da n dt o cc o n t e n td e c r e a s e da l l , b u t 也e e x t e n tw a 暑d i f f c r e l a tc a c ho 山既m e t a lf l a c t i o l l lo fz 扎n ia n dc dw 鹄c h a n g e d , f i x e d n e s sp a r t c o n t e n tr a i s e d b u tt h c 他i sn o ts p e c i a ld i f f e r e n to nc b a n g ei ：x i c l i t t h e 嘧s f ha n dl z a n s f o r m a t i o no fz n 、n i 、c ai ns c d i l l l ta n e fs t a b i l i z a t i o na f f e e t e db y s i m u l a t e da c i dr a i nw e i n v e s t i g a t e dt h r o u g hs o i le o l u m - c x p e m m tt h el c s u l l ss h o w e d 恤ti n e o n d i l i o no ft h es a ma c i dr a i n 缸e s i t y , b o t ht h eq u a m i t i t 镕o fl e a e l a c dl a e a , ym m li o ma n dt h e m i g r a t i n gl 僻- , t l aa l o n gt h es o i le o l u n mf o l l o w e dt h e q n ：7 - c d n i ；a n dt h ea b s o r p t i o n q u a n t i t yo fh e a v ym c 协l sb yb a e k g r o n ds o i lf o l l o w e dt h e 踺q n ：z n n i c d t h r e et e s t e d w a y s 疵e o m i d e r e d 柚a v a i l a b l et oc o n t r o l 也em e t a l 岫f e f i l 骣b , l l u s cm i g r a t i n gl e n g t h d e e r c a , 髓, d k e y w o r d s ：$ e d i m 衄t ：i n - s i t ub i o r e m e , d i a t i o n ；p l a o s p h o r mf r a c t i o n s ；r e 默n 玎c c ：m e t a lm i g r a t i n g i v 第一章绪论 1 1 污染底泥与水体之间的关系 1 1 1 水体的富营养化 天然水体中由于过量营养物质( 主要是指氮、磷等) 的排入，引起各种水生 生物、植物异常繁殖和生长，这种现象称作水体富营养化。这些过量营养物质主 要来自于农田施肥、农业废弃物、城市生活污水和某些工业废水。由于水体中营 养物质过多，水生生物( 主要是藻类) 大量繁殖、藻类的呼吸作用及死亡藻类的 分解作用消耗大量的氧，致使水体处于严重的缺氧状态，并分解出有毒物质，从 而给水质造成严重的不良后果。富营养化虽然是一个自然过程，但人类的活动( 如 大量生活污水直接排入水体，渔业活动投加过量饲料等) 会加速这一过程，这种 情况下的富营养化称为人为富营养化。富营养化发生后，先引起水底有机物消耗 速度超过其生长速度，处于腐化污染状态，并逐渐向上层扩展，在严重时可使一 部分水体区域完全变为腐化区。这样，由富营养化而引起有机物大量生长的结果， 倒过来又走向其反面，藻类、植物及水生物、鱼类趋于衰亡以至绝迹。这些现象 可能周期性地交替出现，破坏水的生态平衡并且加速湖泊等水域的衰亡过程。湖 泊的富营养化如不及早控制与治理，最终将导致沼泽化使湖泊消亡。 1 1 2 底泥主要污染物 随着社会经济的迅速发展，工农业生产水平的不断提高，大量的工业废水， 生活污水及各种非点源污染进入到水体中，将大量的颗粒物，絮体和污染物带入 到水体( 金相灿，1 9 9 2 ，u s e p a ，1 9 9 4 ) ，这些颗粒物，絮体，污染物相互吸附， 络合，反应，并在适当的外部条件下沉积到水体底部，就形成了受污染底泥( 汤 鸿霄等，2 0 0 0 ) ，水体底泥污染也成为一个世界范围内的环境问题( b l o m 等， 1 9 9 8 ) 。各种污染物在底泥中不断累积富集，导致底泥受到严重污染，使底泥中 的重金属，难降解有机物( p o p s ) 等污染物的浓度往往要比上覆水体中相应污 染物的浓度高几个数量级( 阿伦等，1 9 9 9 ) 底泥中的污染成分较复杂，主要包括： 营养元素 主要包括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。 当水体污染源得到一定控制后，n ，p 则可能主要来自底泥的释放，这将加速富 营养化水体的富营养过程，这一点在我国的主要湖泊：如太湖( 范成新等，2 0 0 0 ) ， 滇池( 卢云涛，1 9 9 8 ) ，巢湖和西湖( 丁永良等，1 9 9 8 ) 等都表现的越来越严重。 n ，p 的释放机制并不相同，前者取决于氮化合物分解的程度，而后者与其化学 沉淀的形态有关( 范成新等，1 9 9 7 ) 重金属 重金属通过吸附、络合、沉淀等作用而沉积到底泥中，同时与间隙水及上覆 水体之间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。重金属再次进入水体的难易程度与底泥中重金属形态分布 密切相关，目前很多研究者( 邵立明等，2 0 0 3 ) 采用t e s s i e r 法把重金属分为五 种不同的形态：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残 渣态，其中可交换态的迁移性最强，毒性也最大。 难降解有机物 p a h s ，p c b s 等有机物由于其疏水性强，结构稳定难降解，在底泥中大量积 累。这些物质通过在沉积物一水界面之间的迁移转化作用进入水体，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迁移、转化 和暴露，通过生物富集作用，在生物体内达到较高的浓度，通过食物链还可能危 害到人类，从而对人类构成较大的潜在危险( 陈华林等，2 0 0 2 ) 。 1 1 3 底泥与水体富营养化之间的关系 湖泊底泥是湖泊生态系统的重要组成部分，是营养物质的重要蓄积库，也是 湖泊内源性营养盐的主要来源。不少湖泊调查资料表明：当入湖营养盐减少或完 全截污后沉积物营养盐的释放作用仍会使水质继续处于富营养化状态甚至出现 “水华”。 当底泥污染较严重时，底泥污染物释放对上覆水质的影响不明显，当水体污 染程度减轻、水质改善后，污染物浓度梯度加大，底泥中的营养盐释放就会增加， 造成污染。沉积物中营养盐的释放对水体的营养水平有着不可忽视的影响，其中， p 是造成湖泊水质富营养化的关键性的限制性因素之一( s o n d e r g a a r d 等，1 9 9 9 ； “等，1 9 9 9 ) 。 2 1 1 4 污染底泥综合整治技术模式 正是由于沉积物的重要环境影响，沉积物，尤其是受污染沉积物，已成为世 界性的一个环境热点问题。美国环保局( u se p ：a ) 针对五大湖流域水体底泥中 普遍存在着的重金属( h g ，p b ，c a ，a s 等) 和难降解有机物( p a h s 。p c b s 等) 的污染( 阿伦等，1 9 9 3 ) 开展了受污染底泥评估和综合整治项目a r c s ( a s s e s s m e n t a n dr e m e d i a t i o no f c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t sp r o g r a m ) ( u s e p a ，1 9 9 4 ) ，其他国家 如荷兰、日本、瑞典、德国以及中国等都为解决受污染底泥做了大量的研究工作 ( p e t e r ，1 9 9 8 ：g u l l b r i n g ，1 9 9 8 ：e v a n s ，1 9 9 7 ，2 0 0 1 ：s t e p h e n s 等，2 0 0 1 ) 底泥的污染归根结底是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，就能有效的降低污染底泥的环境影响。因此，底泥污染的 控制可采用原位处理的方法阻止污染物在生态系统中的迁移，也可采用异位物理 消除的方法解决其对环境的影响。以下就从异位和原位两个方面来介绍底泥治理 技术。 1 2 底泥原位修复技术研究进展 1 2 1 底泥掩蔽技术 原位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。大量实验结果表明，掩蔽能有效防止底泥中 p c b s 、p a i l s 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 ( s o l t e r o 。1 9 9 4 ) 。掩蔽技术存在的最大的问题是工程量大，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，适合于深海底泥修复。 国外对污染严重的底泥，己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主要有华盛顿e a g l e 港、哈密尔顿海港和安大略湖等( 柳 惠青，2 0 0 0 ) 。 1 2 2 底泥封闭技术 底泥封闭是指通过投加化学试剂，固定水体和底泥中的营养盐( 主要是磷) ， 3 并在底泥表面形成覆盖层，阻止底泥向水体释放营养物。 工程中采用较多试剂包括铝盐、铁盐、飞灰和石灰石等，应用较多的是铝盐， 如a j 2 ( s 0 4 ) 3 和n a a l 0 2 ，因为铝盐与磷形成的络合物性质比较稳定，即使在 缺氧或厌氧条件下也不会重新释放出磷。w e l c h 和c o o k e 研究了美国2 1 个用铝 盐处理的湖泊后认为，在没有大型水生植物干扰时，多循环湖中进行铝盐处理， 有效期约为1 0 年，对于双循环湖约为1 5 年( w e l c h 等，1 9 9 9 ) 。 底泥封闭与底泥掩蔽技术一样，一次性投资较大，但无需运行和维护费用。 在美国，铝盐的处理成本约为0 1 2 - - 0 2 5 美；w _ d m 2 ( s t e p h e n s 等，2 0 0 1 ) 。 1 2 3 曝气复氧技术 河流、湖泊等水体的溶解氧主要来源于大气复氧和水生植物的光合作用，其 中大气复氧是水体溶解氧的主要来源之一。水体中的溶解氧主要消耗在有机物的 好氧生化降解、氨氮的硝化、底泥的耗氧、还原性物质的氧化、水生生物和植物 生长等化学、生化及生物合成等过程中。如果这些耗氧过程的总耗氧量大于复氧 量，水体的溶解氧将会逐渐下降，乃至消耗殆尽。当水体中的溶解氧耗尽之后， 水体处于无氧状态，有机物的分解就从好氧分解转为厌氧分解，水生态遭到严重 破坏。因此，溶解氧在水体自净过程中起着非常重要的作用，水体的自净能力直 接与复氧能力有关。 向处于厌氧( 或缺氧) 状态的水体进行曝气复氧可以补充水体中过量消耗的 溶解氧，增强水体的自净能力，改善水质。人工曝气按其是否破坏水体分层，可 分为破坏分层和深水曝气两类。后者只对底层水进行曝气，可以减少水体混合引 起的不利影响。 深水曝气可以增加底层水体的溶解氧，减少底泥污染负荷，同时有利于水生 生物的生存。美国m e d i c a l 湖在1 9 8 7 1 9 9 2 年进行深水曝气，发现底层水体中 n h 3 、t p 浓度下降，当曝气充足时，d o 浓度上升，但叶绿素a 含量没有明显变 化( s o l t e r o ，1 9 9 4 ) 。在深水曝气技术中，底层水与大气、曝气设备之间的热交 换，仍然会使底层温度上升( m a r i j k e ，1 9 9 8 ) 。在美国，深水曝气技术的成本约 为0 2 5 - - 0 7 4 美；元j m 2 ( s t e p h e n s 等，2 0 0 1 ) 。 深水曝气技术可以与其他技术组合使用。例如，b a l d e g g e r s e e 湖采用同一套 系统，在冬季供应压缩空气破坏湖泊分层，在夏季供应纯氧对底层水曝气，但不 破坏分层( 柳惠青，2 0 0 0 ) 。 4 1 2 4 生物修复技术 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，它是传统生物处理方法的延伸，其新颖之处在于它的治理对象是较大 面积的污染( 林力等，1 9 9 7 ) 。 ( 1 ) 添加电子受体 属于化学增氧技术，即通过投加含氧量高的化合物，补充底层水体和底泥中 有机物分解所需的氧，减少h 2 s 、n i - 1 3 等厌氧代谢产物的生成。 目前应用较多的是硝酸盐，如c a ( n 0 3 ) 2 ，n a n 0 3 等，它们可以迅速氧化h 2 s ， 并能被有机物利用。r i p l 最先对瑞典l f l l e s j o n 湖的底泥使用c a ( n 0 3 ) 2 处理，结 果底泥释放磷的速度大大降低，并且效果至少持续了两年( s t e p h e n s 等，2 0 0 1 ) 。 此外，很多实验表明硝酸盐有助于加速多环芳烃( p a n s ) 的降解。 加入化学物质后，湖底发生化学变化，会对底栖生物产生较大影响。由于需 要投加化学品，公众可能难以接受在美国，此项技术的成本约为1 9 8 2 9 6 美y r _ j m 2 ( s t e p h e n s 等，2 0 0 1 ) 。 ( 2 ) 投加工程菌 原位生物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的分解p a n s 、 p c b s 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 9 8 ) 。 1 3 底泥异位处理技术研究进展 圈1 1 ：底泥异位处理技术框架 污染底泥异位处理技术由于其可操作性强，拥有丰富的工程实践经验，而成 为目前最广泛的受污染综合整治技术，其主要技术单元和流程( 图1 1 ) ( 洪祖喜 等，2 0 0 2 ) 5 1 3 1 环保琉竣技术 环保疏浚的目的主要通过底泥的疏挖去除底泥所含的污染物，清除污染水体 的内源，减少底泥污染物向水体的释放。它既要考虑疏浚工程实施中技术上的可 行性及经济上的合理性，更需满足环境保护的要求。环保疏浚工程的主要技术特 点及与一般疏浚的区别见表l ( 张锡辉，2 0 0 2 ) 目前，国内湖泊底泥疏浚技术存在以下问题( c h a p m a n 等，2 0 0 2 ) ： ( 1 ) 在疏浚精度控制、高浓度疏浚技术方面与国外先进水平差距较大，影响 了环保疏浚技术的应用和推广 ( 2 ) 环保疏浚方案研究不力，缺乏关键技术支持。 ( 3 ) 堆场设计、余水处理及疏浚底泥资源化没有引起足够的重视。 ( 4 ) 没有建立必要的生态风险评价指标体系与评价方法。 表1 1环保疏竣与普通疏竣之间的区别 1 3 2 琉竣污泥的资源化利用 如果把疏浚的底泥单纯堆放而不采取任何措旖，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。 2 0 世纪9 0 年代后，欧美等发达国家要求在疏浚前对污染底泥进行生态风险 评价( c h a p m a n 等，2 0 0 2 ) ，根据污染底泥的毒性和危害采取相应的处置措施 以避免对环境造成二次污染( a n o n ，2 0 0 2 ) 。目前，国际上对清除后的污染底泥 的处置技术主要有堆存封闭法、污染泥集装化、生物修复和资源化等，并鼓励在 可能的条件下使污泥处置与综合利用相结合。 疏浚底泥资源化和综合利用是目前国际上污泥处置技术研究的热点之一。如 6 美国麻省将从湖泊中疏挖出来的1 5 3x1 0 3 m 3 的底泥用作土壤调节剂( 柳惠青， 2 0 0 0 ) ，纽约和新泽西港的疏浚底泥被用作土壤和生产水泥的原材料( j o n e s 等， 2 0 0 1 ) ，德国b r e m e n 利用疏浚底泥制砖( h a m c r 等，2 0 0 2 ) 对比其他资源化利用技术，受污染底泥的土地利用，特别是用作城市绿化景 观用土具有市场需求量大、技术要求低、经济性强、避开食物链和环境安全等优 势，将成为受污染底泥消纳的出路。 1 3 3 疏浚底泥中重金属处理方法 从图1 。1 中可以看出，疏竣仅仅是整个底泥异位处理技术框架中的一个环节， 只占异位处理总成本的一小部分，而后续的污泥输送，预处理，去污染技术和污 泥的资源化利用则占了成本的绝大部分。在过去几十年里，大量疏竣工程的底泥 被填埋或深海弃置，然而在提倡可持续发展和循环经济的今天，疏竣污泥的资源 化利用则成为环保工作者面临的一个课题。由于污泥一般含有大量有毒有害成 分，因此在资源化利用之前，需要对污泥进行生态风险评价，而对污染严重的污 泥则需要进行去污染处理，这也是当前国内外湖泊治理一个重要的研究课题。 底泥去污染稳定化技术的目的是通过减少、分离、固定污染底泥中的污染 物，或者减少其中污染物的毒性。根据其不同的功能可分为：( 1 ) 从底泥中分离 污染物的过程；( 2 ) 破化底泥中的污染物或者降低其毒性的过程：( 3 ) 从小粒径的 底泥中物理分离出较大粒径的颗粒以减少污染物的量：( 4 ) 用物理和化学的方法 固定底泥中的污染物使其在渗滤、挥发和侵蚀过程中不发生迁移。 重金属的毒性与重金属的种类、浓度、化学形态、价态等因素有关。重金属 元素及其化合物是不能或很难降解的化学物质，进入土壤后一般很难去除。它可 以通过植物吸收或通过渗滤作用渗入地下水中，进而危害人类的健康。因此必须 采用适当方法降低污泥中重金属的含量，这些方法包括生物沥滤、植物修复、化 学方法等。 1 3 3 1 化学法 要使疏浚底泥中的重金属由不可溶态的化合物向可溶态的离子转化，可以通 过提高污泥的氧化还原电位( e h ) 和降低酸度( p n 值) 的办法达到。化学法就 是先用硫酸、盐酸或硝酸将污泥的酸度降低，通过溶解作用，然后用e d t a 等络 合剂通过氯化作用、离子交换作用、酸化作用、螯合剂和表面活性剂的络合作用， 将其中的重金属分离出来，使难溶态的金属化合物形成可溶解的金属离子和金属 络合物。该方法的滤取率可达到9 6 7 最常用的化学试剂包括盐酸、硝酸和有机络合剂( 如e d t a ) 。 1 3 3 2 生物法 生物淋滤法技术最早产生于2 0 世纪5 0 年代的美国，开始利用生物淋滤浸出 铜矿。2 0 世纪6 0 年代加拿大利用生物淋滤浸出铀矿，以及2 0 世纪8 0 年代应用 在难处理的金矿细菌氧化预处理的工业。目前全世界通过该法开采的铜、铀、金 分别占总量1 5 一3 0 、1 0 一1 5 、2 ( l a k e 等，1 9 8 9 ) 。它的研究和应用正 扩展到环境污染治理等领域。例如，河流底泥的生物修复( u n i t e ds t a t e sp a t e n t 5 7 7 9 7 6 2 ) 、用于污水污泥或者其焚烧灰分中重金属去除( t y a g i 等，1 9 9 4 ) 、重 金属污染土壤；工业废弃物如粉煤灰中重金屑脱毒与钛、铝、钻等贵重金属的回 收( b r o m e b a c e r 等，1 9 9 7 ) ；煤和石油中硫的脱除等( m y c r s o n 等，1 9 8 4 ) 生物沥滤是指在曝气供氧和添加硫酸亚铁或硫粒的条件下利用自然界中一 些微生物的直接作用或其代谢产物的间接作用使与固相处于吸附、化合状态的不 溶性成分( 重金属离子硫及其它金属) 得以释放并转移到液相中的过程。这一作用 过程实际上包括了两个方面，即微生物代谢的直接作用和微生物代谢产物的间接 作用。微生物代谢的直接作用是指通过微生物活动将污泥中的硫化物氧化成硫酸 盐的过程。 微生物方法能有效地去除污泥中的重金属。除了少数重金属元素如p b 、c r 的去除率低于5 0 以外，其它元素如c u 、z n 、c d 、n i 等的去除率一般在5 0 以上，在一定条件下甚至达9 0 以上( t y a g i 等，1 9 9 3 ) 。国内外许多学者对生物 沥滤的各个过程进行了研究并对各种影响因素进行了实验。周立祥采用加富培养 基，培养氧化亚铁硫杆菌序批式试验，对厌氧消化污泥中重金属进行生物淋滤， 通过8 天时间，污泥中c u 和z n 的去除率分别达9 3 和8 5 。 1 3 3 3 植物修复 植物修复技术是以绿色植物忍耐和超量累积菜种或某几种重金属元素的理 论为基础，利用植物或植物及其共存微生物体系清除污染环境中的重金属。广义 的植物修复技术包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气、利用 植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染 物四个方面。狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土壤的重金属 ( s t e p h a n 等，2 0 0 2 ) 。植物修复技术主要有以下几种类型： 植物萃取( p h y t o e x t m t i o n ) 。利用金属积累植物或超累积植物将土壤中的 金属萃取出来，富集到可收割部分。超积累植物是指对重金属元素的吸收量超过 一般植物1 0 0 倍以上的植物( b a k e r 等，1 9 8 9 ) ，也有人( c h a n c y 等，1 9 9 7 ) 认为 8 地上部对重金属的吸收应该是普通植物的1 0 5 0 0 倍以上。这也是比较看好的一 种类型。 植物固化技术( p h y t o s t a b i l i z a t i o n ) 是指利用植物降低重金属的活性，从而减 少重金属的生物有效性。如植物枝叶分解物、根系分泌物对重金属的固定作用， 腐殖质对重金属离子的螯合作用等过程( m a r c i a 等，1 9 9 9 ) 。 植物挥发( p h y t o v o l a t i l i z a t i o n ) 是指利用一些植物的生理活动来促使重金 属转变为可挥发的形态，继而从土壤和植物表面逸出。 植物促进( p h y t o s t i m u l a t i o n ) 是指植物本身不能吸收重金属，但植物的根 系分泌物如氨基酸、糖、酶等物质可促进根系周围土壤的微生物的活性和生化反 应，有利于重金属的释放和微生物的吸收( b l a y l o c k 等，1 9 9 7 ) 植物修复技术较其他物理的、化学的和生物的方法更受到社会的欢迎。该技 术成本低，对环境扰动少，清理土壤中重金属污染物的同时，可以同时清除污染 土壤周围的大气或水体载体中的污染物，有较高的美化环境价值，易为社会接受。 植物修复重金属污染物的过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被植 物修复过的干净土壤适合于多种农作物的生长。另外，植物能使地表长期稳定， 有利于生态环境改善和野生生物的繁衍，而且维持土壤固化的低成本。 1 3 3 3 1 植物对重金属的吸收作用 超累积植物对重金属有很强的吸收和积累能力，不仅表现在介质中金属浓度 很高时，而且在介质中金属浓度较低时，其地上部分的重金属浓度比普通植物高 1 0 0 倍以上( m e g r a t h 等，1 9 9 7 ；b r o w n 等，1 9 9 5 ) ，解释这种超积累现象的一种可 能机制是超积累植物能活化根际土壤中的重金属。如m c g r a t h 等( 1 9 9 7 ) 研究发 现，种植z n 超积累植物t h l a s p ic a e r u l c s c c n s 和非超积累植物t h l a s p io c h r o l e u c u m 后，根际和非根际土壤中可移动态z n ( 1 m o l l , n h 斜0 3 提取) 的含量显著下降， 且t c a c n d e s c e 璐比t o c h r o l c u c u m 降低得更多，但可移动部分减少的量只能解释 t c a e r u l e s c e n s 吸收的总z n 量的1 0 ；碰g h t 等( 1 9 9 4 ) 也发现，种植t c a c r u l e s c e n s 后，土壤溶液中z n 和c d 含量显著下降，且游离z n 和c d 离子所占的比例也下 降，但土壤溶液中减少的z n 和c d 的量也只能解释植物吸收总z n 量的l 。 w h i t i n g 等( 1 9 9 7 ) 发现，当盈超积累植物t c a c t l l l c s c c n s 和非超积累植物 t a r v e n 共同种植时， i a r v c n s e 地上部积累的z n 增加。这些研究结果都表明， 超积累植物能改变根际环境，提高重金属的溶解性。在植物根际，重金属通常有 一些特殊的化学行为，有植物根、根系分泌物、土壤微生物以及土壤所构成的根 际环境，其p h 、e h 、根系分泌物及微生物、酶活性、养分状况等，均与周围土 体不同。根际环境中的重金属含量、p h 值、e h 值、含水量、有机质和其它养分 元素等是影响根际土壤中重金属的有效化和根系对重金属吸收的主要因素 9 ( m m s c h n e r ，1 9 9 5 ) ，植物根系及根际微生物的作用能通过多种途径改变根际环 境，活化土壤固持的重金属。 1 - 3 3 3 2 植物修复技术的局限性 植物修复技术是一种很有前途的新技术，不仅成本低，而且具有良好的综合 生态效益，特别适合在发展中国家采用。但是，由于这项技术起步时间不长，在 理论体系、修复机理和修复技术工艺上还有许多不成熟、不完善之处，因此在基 础理论研究和应用实践方面还有许多工作要做。目前国内外许多研究者正在从事 植物修复的理论研究和实际应用工作( 陈同斌等，2 0 0 2 ；杨肖娥等，2 0 0 2 ) 。 植物是活的生物体，需要有合适的生存条件，因此植物修复有其局限性： 要针对不同污染状况的土壤选用不同的生态型植物。重金属污染严重的土壤应选 用超积累植物；而污染较轻的土壤应栽种耐重金属植物。植物修复过程通常较 为缓慢，对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人 为条件有一定的要求。植物修复往往会受土壤毒物毒性的限制。一种植物往往 只吸收一种或几种重金属，对土壤中其他浓度较高的重金属则表现出某些中毒症 状，从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤方面的应用。用于清理重 金属污染土壤的超累积植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期长，因而 修复效率低，不利于机械化作业。用于清理重金属污染土壤的植物器官往往会 通过腐烂、落叶等途径使重金属污染物重返土壤。因此，必须在植物落叶前收割 并处理。 1 3 4 琉竣底泥重金属稳定化技术研究进展 对于重金属污染的疏浚底泥、污泥或者其焚烧灰分、土壤、工业废弃物等对 象，在重金属稳定化技术方面有着很大的相似之处，可以彼此借鉴。疏浚底泥的 重金属稳定化技术由于近年来才被重视，直接由底泥处理自身创新发展而来的重 金属稳定化技术较少，更多情况是它借用污泥处置或者土壤修复方面的经验和技 术发展。因此在此研究进展介绍中，也较多的借用污泥处理和土壤修复方面的技 术，但这些也已经逐渐应用到疏浚底泥重金属稳定化中。 1 3 4 1 重金属稳定化，固化的定义 u se p a 对稳定化固化解释如下： 稳定化( s t a b i l i z a t i o n ) 是指将有害污染物转变成低溶解性、低毒性及低移动 性的物质，以减少有害物潜力之技术。 固化( s o l i d i f i c a t i o n ) 是指添加固化剂于废弃物中，使其变为不可流动性或 1 0 形成固体的过程，而不管废弃物与固化剂间是否产生化学结合。 1 3 4 2 固似稳定化技术研究进展 ( 1 ) 水泥固化技术 将水泥用于固化开始于5 0 年代的处理核工业废物。该技术是将废物和水泥 和其它添加剂混合，形成具有一定强度的固化体，从而达到降低废物中危险成分 浸出的目的。普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、矾土水泥、沸石水泥等都可以 作为废物固化处理的基材，最常用的是普通硅酸盐水泥。为了提高固化效果，根 据废物的种类向混合物中加入适当的添加剂，水泥和溶解的硅酸盐以及水泥和粉 煤灰的混合都是有效的固定剂，这种技术已被广泛用于处理含各类重金属( 如铜、 铬、铜、铅、镍和锌等) 的危险废物，并已取得较成熟的经验。 b u f f e rl g ( b u t l e r 等，1 9 8 8 ) 采用硅酸盐水泥处理含总量为1 5 3 4 0 m g k g c a 的污泥。混合比例为o 4 5 ，溶出率为0 0 2 6 m g 1 。采用混合的水泥和硅酸盐相同 的比例时，溶出率为0 0 1 4 r a g 1 。m r z u m o t o 等( 1 9 7 7 ) 采用水泥、硫酸铝、和亚 硫酸钙处理总量为2 5 0 0 m g k g ( c r 6 + ) 灰渣，采用o 8 3 的比例，水浸提c r 的溶 出量为0 2 r a g 1 。 硅酸盐水泥和飞灰被用于废物的处理已经有几个世纪，它可以增加终产物的 化学抵抗性。在一些固化工程中，飞灰可以代替2 5 - 3 5 的硅酸盐的使用，因 此，可以减少工程投资。m c c o y a s s o c i a t e ( 1 9 8 4 ) 采用水泥和飞灰混合处理 混合废物。 水泥固化法已经很成功地被应用在处理金属含量很高的污泥