（环境工程专业论文）苏州河底泥就地稳定化帽封材料研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 底泥既是接受水体各种污染物的汇，又是污染河流水质的源。在一定条件 下，累积于底泥中的各种有机和无枫污染物通过与上覆水体间的物理、化学、 生物交换作用，可重新进入上覆水中，成为制约河流水质的二次污染源 疏浚作为现行的受污染底泥主要处理方式，表现出了成本高，易二次污染 等缺陷。本文借鉴了国外应用多年受污染底泥就地帽封稳定化处理的工程实例 和国外开发的应用于底泥就地帽封技术的专利材料a u q a b l o k t m ，研究能应 用于控制苏州河底泥污染物向上覆水体释放迁移的帽封材料及其帽封效应。 本文首先对苏州河底泥进行了物理化学特性的分析，底泥的含水率为 3 2 - 4 9 ，底泥粒径分布表明以泥沙为主，p h 值略微为偏碱性，底泥还原性不 强，有机物含量平均为3 5 左右，无机物含量平均为4 6 ，阳离子交换容量平 均在1 1 5 6 锄。瞰右，阴离子交换容量平均在6 3 4 c m o u k g x j 6 。苏州河受污染 底泥c o d c r 含量在2 2 ，9 0 0 m g k g 以上，而在有些断面处可达n 3 3 , 0 0 0 m e k g ，砷、 镉、镍、铅为主要的重金属污染物。 其次，对苏州河受污染底泥在不同实验条件下( 缺氧有氧，静置水力扰动， 不同p h 值的初始上覆水) ，底泥中的污染物质向上覆水体释放迁移进行了研究。 结果表明，在上覆水体初始p h 偏弱酸条件下，底泥中的污染物向上覆水体释 放迁移的趋势更为明显。实验还发现在1 6 天后底泥中污染物向上覆水体释放迁 移所造成的c o d e r 和n i t 3 - n 污染已经超过了v 类一般景观要求水域水质要求， 而底泥中重金属对上覆水的可释放量极微，上覆水体的水体中的重金属离子浓 度并未检出。 本文参考了a u q a b l o k t m 颗粒的原材料，选取了钙基膨润土和丙烯酸树 脂为帽封原材料，分别考察了钙基膨润土对于重金属和有机污染物的吸附去除 能力。在实验浓度范围内，钙基膨润土对c u 2 ，p b 2 + 和z n 2 + 最大吸附容量分别 达n t2 7 3 4 m g g ，4 7 3 6 m g g 和2 6 3 m g g ，p h 值升高，钙基膨润土对重金属离 子的吸附量增大。在较高浓度的重金属溶液中，钙基膨润土对重金属的吸附除 了离子交换外，还可能存在表面络合和表面沉积效应。钙基膨润土对c o d c r 的 饱和吸附量为1 9 6 3 m g g ，对n h 3 n 的吸附量大约在5 m g g 左右。丙烯酸树脂 v 上海大学硕士学位论文 对c u 2 + ，r b 2 + 和z a 2 + 的吸附量，在本实验的浓度范围内分别最高达到了 8 2 6 m g g ，8 9 3 m g g 和1 1 7 3 r n g g 由碎石块，钙基膨润土和丙烯酸树脂材料复合而成的帽封材料，帽封苏州 河受污染底泥对于控制底泥中的污染效果好于使用相同厚度的清洁沙粒作为帽 封层。2 0 c m 厚的帽封材料对苏州河受污染底泥进行帽封污染控制，减缓了底 泥污染对上覆水体d o 的消耗，实验1 6 天后，底泥中污染物向上覆水体释放的 影响，使得上覆水体c o d c 。稳定在2 5 m g l 左右，低于v 类水质标准的c o d o 4 0 m g l ，而n h 3 n 稳定在5 m g l 左右，也低于无帽封清洁沙粒帽封的上覆水 n h 3 - n ，说明帽封对减轻底泥污染释放迁移影响上覆水体水质是可行有效的。 关键词：苏州河，受污染底泥，就地稳定化，帽封材料，吸附 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a v a r i e t yo fi n o r g a n i ca n do r g a n i cp o l l u t a n t si nt h es e d i m e n t , u n d e rc e r t a i n c i r c u m s t a n c e , w i hr e l e a s et oa q u a t i ce n v i r o n m e n tt h r o u g hc h e m i c a l ，p h y s i c a la n d b i o l o g i c a le x c h a n g e ，w h i c hm a yb ct h em a j o rc o n t a m i n a t i o ns o u r c eo fo v e r l y i n g w a t e r a st h em a j o rt r e a t i n gm e t h o do fc o n t a m i n a t e ds e d i m e n t s , d r e d g i n ga n d e x c a v a t i o nh a v et h eo b v i o u sd i s a d v a n t a g e so fh i g he x p e n s ea n dt h er e - s u s p e n s i o no f t h ec o n t a m i n a n t si sa l s oap r o b l e m i no r d e rt oe f f e c t i v e l yt r e a tt h ec o n t a m i n a t e d s e d i m e n ti ns u z h o uc r e e k , t h i ss t u d yi st os i m u l a t et h ep a t e n t e da u q a b l o k t ma n d p r o d u c eac a p p i n g m a t e r i a lf o ri n - s i r et l e a t m e n t , w i t hr e f e r r i n gm a n yf o r e i g nc o u n t r y p a t e n t s , d e m o n s t r a t i o n sa n dp m j e c t sw h i c ha r eu n d e r g o i n g f i r s t l yt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs u z h o uc r e e kc o n t a m i n a t e d s e d i m e n t sw e r ea n a y l a e d ，c 辱w a t e rc o n t e n t ，p h & e l l ，o r g a n i c i n o r g a n i cc o n t e n t , c & nc o n t e n t ，c e c ，c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d o ) a n dh e a v ym e t a l s r e s u l t s i n d i c a t et h a tc o d c to fs u z h o uc w c ks e d i m e n ti sc o n s i d e r a b l yh i g h e rt h a nn o r m a l t h ea v e r a g ec o d c to ft h es e d i m e n t sr e a c h e s2 2 ，9 0 0 m e k ga n dh i g h e s tr e a c h e s 3 3 ，0 0 0 m g k g w h e r e a st h eh e a v ym e t a lr e s u l t ss h o wt h a ta s ，c d , n i a n dp ba r et h e m a i nh e a v ym e t a lp o l l u t i o n si ns e d i m e n t s e c o n d l yt h i ss t u d yf o c u s e do nt h ec o n t a m i n a n tr e l e a s i n ga n dt r a n s p o r t a t i o n f r o mt h es e d i m e n t st o o v e r l y i n gw a t e ru n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ( a e r o b i c a n a e r o b i c ，s t a t i c c u r r e n t , o v e r l y i n gw a t e rw i t hv a r i o u sp h ) i tw a sf o u n d t h a tp h = 6a n dc u r r e n to v e r l y i n gw a t e rc a u s e dm o r ec o n t a m i n a n tr e l e a s i n ga n d t r a n s p o r t a t i o nf r o mt h es e d i m e n t st oo v e r l y i n gw a t e r r e s u l ta l s oi n d i c a t e dt h a ta f t e r 1 6d a y se x p e r i m e n tt h eq u a l i t yo fo v e r l y i n gw a t e r ( d o ，c o d oa n dn h 3 - n ) w a s a l r e a d ye x c e e dt h ec a t e g o r yv w a t e rs t a n d a r d t h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o n si nt h e o v e r l y i n gw a t e rw e r en o td e t e c t e d ，w h i c hi sp r o b a b l yd u et ot h el o wl e v e lo ft h e a c t i v a t e dh e a v ym e t a li nt h ec o n t a m i n a t e ds e d i m e n t s t h i ss t u d yr e f e r r e dt h er a wm a t e r i a lo fa u q a b l o k t ma n dc h o s ec a l c i u m b e n t o n i t ea n da c r y l i ca c i dr e s i na st h el a wm a t e r i a lo fc a p p i n gm a t e r i a l t h i ss t u d y 上海大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t e dt h ec a l c i u mb e n t o n i t ea n da c r y l i ca c i dr e s i na d s o p t i o nc a p a b i l i t yo f p o l l u t a n t si n c l u d i n gh e a v y m e t a la n do r g a n i c v a r i o u sc o n d i t i o n s , c 墨d i f f e r e n tp h ， m i x - h e a v ym e t a ls y s t e m , w e r ea p p l i e dt ot h ee x p e r i m e n t s i nt h ee x p e r i m e n t s , t h e b i g g e s ta d s o r p t i o nc a p a c i t yo fc a l c i u mb e n t o n i t ef o rc u 2 + , p b 2 a n dz n 2 + i s 2 7 3 4 m g g , 4 7 3 6 m g ga n d2 6 3 m g gr e s p e c t i v e l y t h i ss t u d ya l s ot r i e dt o 嘴s u r f a c e c o m p l e x a t i o n a n ds u r f a c e p r e c i p i t a t i o n , b e s i d e si o ne x c h a n g e ，t oe x p l a i nt h e a d s o r p t i o nm e c h a n i s mi nar e l a t i v e l yh i g h e rc o n c e n t r a t i o n t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t y o fc a l c i u mb c n t o n i t ef o rc o d e ri s1 9 6 3 m g ga n df o rn h 3 - ni sa b o u t5 m g g t h e b i g g e s ta d s o r p t i o nc a p a c i t yo fa c r y l i ca c i dr e s i nf o rc u 2 + , p b 2 + a n dz n 2 + i s8 2 6 m g g , 8 9 3 m g ga n d1 1 7 3 m g gi nt h ee x p e r i m e n t s f i n a l l y t h e c o m p a r e&c o n t r a s te x p e r i m e n t s w e r ec o n d u c t e db e t w e e n e m p l o y i n gc a p p i n gm a t e r i a l , w h i c hw e r ep r o d u c e db yt h i ss t u d y , a n du s i n gc l e a n s a n da sc a p p i n gm a t e r i a l r e s u l t ss h o w e dt h a tc a p p i n gm a t e r i a lw a sf a rm o r e e f f e c t i v et oc o n t r o lt h ep o l l u t i o nt oo v e r l y i n gw a t e rt h a nt h es a m et h i c kl a y e ro f d e a ns a n d a f t e r1 6d a y so fe x p e r i m e n t s , c o d c ra n dn h 3 一nc o n c e n t r a t i o n so ft h e o v e r l y i n gw a t e rw i t h2 0 c ml a y e ro fc a p p i n gm a t e r i a lo v e rt h es e d i m e n t sw e r e 2 5 m g la n d5 m g lr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n ts y s t e m i c a l l yv e r i f i e dt h a tt h ec a p p i n gm a t e r i a lc a ni s o l a t et h e c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t sa n dr e d u c et h ec o n s u m p t i o nr a t eo fd i s s o l v e do x y g e n o ) i no v e r l y i n gw a t e rw i t h i nt h ee x p e r i m e n t a ls c m e s i tw a sa l s on o t i c e dt h a tc o d o a n dn h 3 nc o n c e n t r a t i o n ao ft h eo v e r l y i n gw a t e rw i t hc a p p i n gm a t e r i a li s o l a t i n g c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t sw e r em u c hl o w e rt h a nt h o s eo fn oc a p p i n g u s i n gs a n da s c a p p i n gm a t e r i a l ，w h i c hm e a n s t h a tt h ee m p l o y m e n to fc a p p i n gm a t e r i a lf o ri s o l a t i n g a n ds t a b i l i z i n gc o n t a m i n a t e ds e d i m e n ti sc o n s i d e r a b l ye f f e c t i v e k e yw o r d s ：s u z h o uc r e e k , c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t , i n s i t ui s o l a t i o n s t a b i l i z a t i o n , c a p p i n gm a t e r i a l ，a d s o r p t i o n 。 砌 上海大学硕士学位论文 图形清单 图2 - 1 底泥中污染物的物理，化学和生物迁移过程 圈2 , - 2 蒙脱石的层状结构图 图2 - 3 丙烯酸树脂吸水机理 图2 - 4 苏州河底泥就地稳定化帽封材料研究技术路线 图5 - l 缺氧静置条件下底泥污染物释放对上层水体d o 的消耗 图5 2 缺氧静置条件下底泥污染物释放对上层水体中c o d c , 的影响 图5 - $ 缺氧静置条件下底泥污染物释放对上层水质n h 3 - n 的影响 图5 _ 4 有氧静置条件下底泥污染物释放对上层水质p h 的影响 图5 - 5 有氧静置条件下底泥污染物释放对上层水质中c o d o 的影响 图5 - 6 有氧静置条件下底泥污染物释放对上层水质中n h 3 - n 的影响 图5 - 7 有氧水力扰动条件下底泥污染物释放对上层水体p h 的影响 图5 - 8 有氧水力扰动条件下底泥污染物释放对上层水体c o d o 的影响 图5 - 9 有氧水力扰动条件下底泥污染物释放对上层水体n h 3 - n 的影响 图i l2 5 钙基膨润土对c u e + 的等温吸附曲线 图6 - 22 5 钙基膨润土对p b z + 的等温吸附曲线 圈6 - 32 5 c 钙基膨润土对z n z + 的等温吸附曲线 图_ 42 5 c 在不同p h 条件下钙基膨润土对c u “等温吸附曲线 图- 52 5 在不同p h 条件下钙基膨润土对p b “等温吸附曲线 圈“2 5 在不同p i t 条件下钙基膨润土对z 一等温吸附曲线 图6 - 72 5 cz n - p b 混合体系和单一z a 2 + t 豸基膨润土对z n “吸附曲线“ 图6 - 82 5 cz n - p b 混合体系和单一p b “钙基膨润土对p b “吸附曲线 圈6 - 92 5 cz n - c u 混合体系和单一o i “钙基膨润土对c h 2 + 吸附曲线一 图6 - 1 02 5 cz n - c u 混合体系和单一z n 2 + 钙基膨润土对z n “吸附曲线 图6 - 1 12 5 c 钙基膨润土对c u 2 + l t 勺吸附实验溶液中c a z + 浓度变化i t t t 线和线性回归“4 8 图6 - 1 22 5 c 钙基膨润土对p b “的吸附实验溶液中c a 2 + f 墩度变t l ：l t t t 线和线性回归”4 8 图- ”2 5 c 钙基膨润土对z n “的吸附实验溶液中c a 2 + 浓度变化曲线和线性回归镐 图6 - 1 42 5 c 钙基膨润土对低浓度p b 2 + 的吸附曲线和线性回归 x m 4 9 ：。 坫 挎 n 驼 驺 努 弘 弘 鲳 剪 铊 铊 铊 “ 钳 必 惦 舒 拍 拍 上海大学硕士学位论文 圈6 - 1 52 5 钙基膨润土对较高浓度n 一的吸附曲线和l o r c n t z i a n 模型回归 圈6 - 1 62 5 钙基膨润土对z n 2 的吸附曲线和l o n i 西n 模型回归 圈6 - 1 72 5 钙基膨润土对c u 2 的吸附曲线和l o r c n t z i 粗模型回归 图6 - 1 82 5 钙基膨润土对的c o d a 吸附去除曲线和线性回归 图6 - 1 92 5 c 钙基膨润土对的n h 3 - l s l 吸附去除曲线 图6 - 2 02 5 c 丙烯酸树脂对c u 2 的等温吸附曲线 图6 - 2 12 5 c 丙烯酸树脂对f b 2 的等温吸附曲线 图6 - 2 22 5 丙烯酸树脂对z 一的等温吸附曲线5 6 图6 - 2 32 5 在不同p h 条件下丙烯酸树脂对z d “的等温吸附曲线 图6 - 2 4 2 5 在不同p h 条件下丙烯酸树脂对p t 一的等温吸附曲线 图i 笛2 5 在不同p h 条件下丙烯酸树脂对q p 的等温吸附曲线 图7 - 1 帽封材料复合颗粒示意图 图7 0 z 帽封材料颗粒水合冒示 5 7 5 7 5 7 6 1 图7 - 3 帽封形成效果”6 1 图7 - 4 缺氧条件帽封对比实验底泥对上覆水体中d o 的消耗 图7 0 s 缺氧条件帽封对比实验底泥对上覆水体中c o d o 的影响 图7 - 6 缺氧条件帽封对比实验底泥对上覆水体中n f l 3 - n 的影响 图7 7 有氧条件不同厚度的帽封材料帽封底泥对上覆水体c o d o 的影响 图7 - 8 有氧条件不同厚度的帽封材料帽封底泥对上覆水体n h ，- n 的影响 v 6 2 6 4 6 5 6 6 6 7 n ” 舄 鲇 鲐 上海大学硕士学位论文 表格清单 表l - l1 阶2 0 0 5 年苏州河典型断面污染物平均含量( m g j h ) 3 裹2 - 1 苏州河底泥不同层位o d d b 的含量( m 酣国 表2 - 2 底泥帽封就地处理技术应用实例 表4 1 苏州河底泥物理特性 6 1 3 2 5 2 6 表4 - 2 苏州河不同断面底泥c o d o 含量变化范围及平均n d m 】跳g ) 表4 - 3 底泥重金属含量( m g k 痧”2 7 表4 4 底泥质量指导方针 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：二阻日期上中7 曰 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘煎导师签名：隘盘日期：丝皇聋! 璺1 7 日 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 苏州河自然环境概况 苏州河，又称吴淞江，源出太湖，历史上是太湖捧水入海的主要通道，后 日渐缩窄和淤积成为黄浦江的一条支流。苏州河自太湖瓜泾口向东流经江苏省 吴江、昆山两市，至本市青浦县赵屯镇进入上海市境内，于黄浦公园处汇入黄 浦江，是一条感潮河流，全长1 2 5 k i n ，上海市境内河长约5 3 1 k m ，市区段约 2 3 8 k m ，平均宽约7 0 m ! “。 苏州河穿越上海市区中心，是中等强度感潮河流，属浅海不正规半日潮。 苏州河潮流界在青浦赵屯附近，沿途地势平坦，河道比降较小，从黄渡到河口 的河底比降只有万分之零点八五。河道婉蜒曲折，从赵屯至外白渡桥共有1 6 个 “v ”字形弯道，其中市区段就占了9 个。尤其是从凯旋路至恒丰路桥河段形 成一个大凸湾，弯道曲率半径较小，是苏州河曲折迂回最严重的河段。该段直 线距离仅4 , 6 8 0 m ，实际河道长度却达9 , 3 0 0 m ，弯曲系数达1 9 9 。由于河道比降 小、弯道多，致使水流不畅，流速缓慢，最大流速仅0 5 8 m s ，由北新泾排入苏 州河的污水约需五六天时间才能最终泄入黄浦江【2 】。 苏州河上游太湖瓜泾口多年平均流量为1 9 m 3 s ，但流经上海境内的黄渡多 年平均流量只有6 m 3 s ，减少了6 8 4 ，在合流污水一期工程实施后，外白渡桥 净下泄流量为l o m 3 s 。黄渡以下，由于工业废水、生活污水和支流水量的大量 汇入，特别是上世纪9 0 年代以后，苏州河市区段每天排入约7 0 万吨的工业废 水和4 6 7 万吨的生活污水( 合流量1 3 5 9m 3 s ，约占苏州河水量的6 2 ) ，使河 1 2 1 ( 浙江路桥) 多年平均流量增至2 2 m 3 s ，比黄渡增加7 2 7 3 , 4 1 。夏季上游农 田用水量高峰期，来水减少，若遇大潮讯，污水上溯加剧。因地表坡度缓和， 以及1 年中的大部分时间缺水，苏州河的排泄容量受下游水位的控制，旱季 ( 1 2 3 月) 较低的海平面，导致上游来水注入黄浦江比雨季还多。 上海大学硕士学位论文 1 2 苏州河水质污染历史与近况 1 2 苏州河水质污染历史 苏州河的水质原本清澈见底，是水产品种繁多、渔业兴盛之地，松江鲈鱼 曾久享盛名。1 9 1 1 年兴建于苏州河恒丰路桥附近的上海第一座水厂即以清洁的 苏州河水为水源。从1 9 2 0 年起，随着上海城市规模的迅速扩大，苏州河两岸工 厂林立，人口剧增，大量的工业废水和生活污水不经处理直接捧入苏州河，导 致河流水质不断恶化。每逢夏季高温时期，苏州河市区段出现季节性的水体黑 臭现象，某些重金属含量超过饮用水标准几十倍。1 9 2 8 年，闸北水厂被迫迁移 至军工路现址，改以黄浦江为水源。闸北水厂的搬迁可视为苏州河水质恶化， 导致影响饮用的一个标志。 1 9 4 9 年春，苏州河中山西路的监测资料表明，b o d s 达1 7 m g l ，n h 3 - n 达 4 5 7 m g l ，均已超过国家地面水v 类标准。1 9 4 9 年后，由于在苏州河畔及其支 流上兴建北新泾、彭浦、桃浦、安亭等工业区，一些重污染行业如化工、印染、 棉纺、造纸，制革、食品、制药等纷纷兴起，同时市区苏州河两岸居民也猛增 至3 0 0 万，使苏州河水质污染日趋严重，污染范围逐年上溯：1 9 5 6 年污染带影 响到北新泾，1 9 6 4 年扩展至华漕，1 9 7 8 年己直达青浦的白鹤、赵屯 4 1 。此后， 苏州河在上海境内全部遭受污染，市区段水质远劣于国家地面水v 类标准，终 年黑臭，成了一条名副其实的臭水浜。 1 2 2 苏州河水质污染现状 从2 0 0 5 年2 月的监测数据看，苏州河治理工程成效和还是较为显著的i 习 由表1 - 1 中可见，白鹤、黄渡、华漕、北新泾、武宁路桥和浙江路桥断面的主 要水质指标中，除n i - 1 3 - n 全面超标外，c o d c r 、b o b 5 、d o 基本达到国家地表 水类水标准。苏州河的水质污染与1 9 9 6 年至2 0 0 4 年同期相比，各断面c o d o 有所上升，但仍保持类水；与1 9 9 6 年至2 0 0 4 年同期相比，下游断面b o d s 明显下降；n h 3 n 上游断面上升，下游断面基本持平；与1 9 9 6 年至2 0 0 4 年同 期相比，上游断面d o 基本持平，下游断面d o 明显上升。 2 上海大学硕士学位论文 表l - i1 9 9 6 2 0 0 5 年苏州河典型断面污染物平均含量( m | 皿) 睁棚 断面codob o d 5 断面n i - 1 3 - n d o v 类标准2 2 1 3 苏州河底泥污染现状 苏州河的综合整治以来，一期二期工程取得了举世瞩目的显著成效，基本 消除了黑臭现象，主要水质指标达到国家地表水v 类景观用水标准，在水体污 染的外源越来越多地得到控制后，受污染底泥逐渐成为水体不可忽视的重要内 源污染i 侧。 作为排入苏州河中的各类污染物主要归宿场所之一，苏州河底泥中积累了 大量的有机污染物和重金属污染物，通过与上覆水体的物理，化学和生物交换 3 上海大学硕士学位论文 作用，苏州河底泥中的污染物会在一定条件下大量释放，成为影响和制约上覆 水质的主要二次污染在河水一底泥体系中，底泥是各种有机污染物积累富集 转化的场所，底泥含污染物的程度可以间接反映河水的污染程度，因此，底泥 的污染状况是全面衡量水质的重要因素。河流底泥对上覆水水质的影响，主要 表现为消耗水体溶解氧，释放各类污染物以增加其在水体的浓度，从而导致水 质下降，甚至恶化1 9 堋。为了巩固前期所取得的成效同时防止河水二次污染，解 决苏州河底泥对上覆水体二次污染，底泥再悬浮对苏州河水质的污染问题，则 更显重要。 4 上海大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 苏州河底泥污染及受污染底泥对上覆水体污染 2 1 1 苏州河底泥重金属污染 上海市苏州河每天排入7 0 万吨的工业废水和4 6 7 万吨的生活污水，致使 底泥中积聚了大量的耗氧性有机物、重金属( 铅，锌，铜，铬，镉，镍) 以及 持久性有机污染物( p c b s 。p a i l s ) 【8 1 据1 9 9 6 年末的实地采样，苏州河市区段受到污染的黑色底泥平均厚度约在 1 5 m 左右，其主要的污染为有机和重金属污染。根据苏州河底泥不同泥层的划分， 研究表明，浮泥层和黑泥层都遭受了不同程度的污染l 习。其中，铜在浮泥层和黑 泥层中的含量分别变化于3 5 1 5 2m g k g 和2 4 - 9 5 1m g k g ：铅在黑泥层中的含量变 化于1 3 3 7 9 0m g k g ；锌在浮泥层和黑泥层中的含量分别变化于1 5 6 - 9 4 8m g k g f f 0 4 0 - 3 0 0 3m g k g ：镍在黑泥层中的含量变化于2 0 - 1 5 3m g k g ：铬在黑泥层中的含量 变化于3 2 0 5m g k g ；镉在浮泥层和黑泥层中的含量分别变化于0 1 1 - 1 3 9m g k g 和0 1 3 - 4 5 5m g k g ；从重金属类别来看，铅、锌、铜、镉的超标极为突出，而镍 和铬的超标程度较小。从垂直分布来看，在项部浮泥层和底部自然沉积层中含量 较低，而在中部黑色质泥层含量显著偏高蚴。底泥重金属污染是一类很难消除的 累积性污染物，不能被微生物所降解，并可通过食物链逐级传递富集，某些重金 属在生物作用下甚至可转化为毒性更强的金属有机化合物，对人体和其他生物 的潜在威胁极大嗍。重金属如铅、汞、镉、钴等以各种化学状态或化学形态存在 的重金属，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，造成危害。重金属 即使浓度很小，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝的体表吸附，产生食物链浓 缩，从而造成公害1 1 4 1 。 2 1 2 苏州河底泥有机物污染 另一方面，多年污染物的排放致使污染物质与自然沉积的泥沙一起淤积在河 床上，形成很厚的污染层。以持久性有机污染物( p o p s ) 、多环芳烃( p a i l s ) 、有 上海大学硕士学位论文 机氯代物( p c b s ) 等为例，容易被水中悬浮颗粒和沉积物所吸附。底泥中该类有 机污染物的含量远大于其在水中的含量，底泥污染层中c 0 d c f 最高可达3 3 ，0 0 0 1 3 0 ，0 0 0 i i l g k g 嘲 表2 - 1 苏州河底泥不同层位c o d o 的含量( m g 竭 对于苏州河本身的底泥受污染情况国内已经在9 0 年代有了一定的研究。研 究采取钻孔采取苏州河底泥的方法，根据钻孔高分辨剖面的分析，发现不同类 型河段底泥主要污染物( 有机物和重金属) 的垂直变化具有典型的峰值分布特 征，底部灰黄色泥层为河流自然沉积层，污染物含量低，中部为黑色粉砂质泥 层污染物含量高，顶部为灰黑色淤泥层，污染物含量有所降低，污染物主要以 有机污染为主。 根据以前的分析结果，从苏州河底泥中共鉴别出三大类1 9 种优先有机污染 物，其中大部分都是多环芳烃族化合物： ( 1 ) 多环芳烃：菲、葸、芘、荧蒽、苯并【a 】蒽、屈、苊、萘、芴、苯并【k 】 荧蒽、苯并【a 】芘、苯并【g h i j e 。 ( 2 ) 酯：双( 2 乙己基) 酯。 ( 3 ) 氯苯：1 ，2 - 二氯苯、1 ，孓二氯苯、1 , 4 - - - 氯苯、l 3 ，5 三氯苯、1 ，2 ，3 三氯 苯、1 , 2 , 4 - - - 氯苯【1 2 1 。 根据国外研究表明受污染底泥中美国e p a 列出的1 2 7 种优先有机污染物p a h s 和p c b s 等都有检出1 1 5 - 埘。这类对人类和生物健康影响较大的微量有机污染物， 由于在环境中难以降解，有致癌、致畸和致突变作用而受到人们的广泛关注。 2 1 3 受污染底泥对上覆水体的污染 苏州河底泥中积累了大量的有机污染物和重金属污染物，通过与上覆水体 的物理，化学和生物交换作用，苏州底泥中的污染物会在一定条件下大量释放， 成为影响和制约上覆水质的主要二次污染。 6 上海大学硕士学位论文 图2 - 1 底泥中污染物的物理、化学和生物迁移过程1 1 9 1 如图2 1 所示，在一定的物理、化学和生物作用下，累计于底泥中的重金 属污染物又会重新释放，进入上覆水体，使河流水质降低【1 9 1 。 李剑超等采用富含污染物的天然河湖底泥，通过恒温静态培养等手段，在 不同的水力条件，瞬间悬浮、连续悬浮和静止状态下，研究了污染物的释放， 并对实验结果进行了分析。确定了底泥冲刷悬浮影响水质的主要途径，即在底 泥问隙水污染物浓度接近平衡时，其与上层大水体的混合作用是影响水质的主 要作用，其次是下部底泥的静态释放，而悬浮颗粒的污染物扩散释放作用则较 小，这为底泥冲刷悬浮影响下的水质模型的建立提供了理论依据 2 0 l 。 张丽萍等采用模拟试验方式和新型微生物数量测定方法，研究了沼泽化湖 泊底泥和受污染河流底泥在不同扰动状态下，底泥耗氧速率、氮和磷污染物释 放动力学过程【2 l l 。 应太林等对苏州河底质再悬浮对上层水体的影响作了一些研究，结果表明 苏州河底质再悬浮对上层水体的影响是十分大的，水体d o 下降，c o d c r ，n h 3 - n 等水质指标相应下降，水质明显变差陶。 贺宝根等根据底泥中污染物累积和释放过程和底泥对河流二次污染的机 理，运用适用的模式和苏州河的实测资料，可得到二次污染b o d 5 和c o d c , 的 年释放量，以及增加上覆河水的c o d c r 浓度1 2 3 。 在1 9 8 5 年的报告中美国军方水陆实验室已使用了水槽模型观察底泥对上 7 上海大学硕士学位论文 覆水体的污染，和帽封底泥进行对比实科2 q 美国e p a 针对底泥中污染物向上覆水体释放过程进行了实验，并试图开发 污染物质向上覆水体释放迁移交换的微量夹带模型。利用微量夹带模拟的方法 测量底泥再悬浮引起的变化，微量底泥污染物在不产生大范围污染时也能检测 到对三个河口的底泥，利用微量夹带模拟的方法( p e s ) 测量再悬浮的底泥， 在再现和超操作时间( 1 2 小时) 的情况下来评价可变性。这些底泥物理和化学 特性上的变化和重金属污染物的浓度变化是同步的实验中，大量的金属仍吸 附于底泥中，只有三种( c d ，b l i ，m n ) 释放到水体后能够检测出来。悬浮过程 中底泥的特性对水体性质的变化有很大影响闭。 2 2 目前底泥污染处理的主要方式 受污染底泥修复技术经历了不同的发展阶段。异地处理即开挖疏浚是一种 常见的处置方式，许多疏浚方法被成功用于底泥的处理，但是这项技术费用昂 贵，且疏浚过程中底泥的再悬浮导致水体的二次污染极为严重，大量污染物重 新释放入上覆水体1 2 6 - 2 9 1 。就地处理技术因不需开挖疏浚而且对于水体的二次污 染较小的优势而开始迅速发展。 从广义上讲，自然修复，生物修复和就地稳定化都属于就地处理技术。当 底泥水体环境受污染程度比较低时，自然修复是一种很适宜的处理手段。如果 自然修复不可行，就地稳定化或许是一种降低生物有效性的很好选择。生物修 复可以是疏浚后再进行处理，也可以就地处理，主要针对有机污染物，诸如多 氯联苯( p c b s ) 、多环芳烃( p a i l s ) 、有机氯代烃等 3 0 3 1 1 。而就地稳定化的目的 就是将底泥污染物与水体环境进行物理化学作用的隔离，并对底泥中的污染物 进行就地稳定化处理，包括物化作用的固化和生物化学作用的分解和氧化等一 系列作用。 2 2 1 疏浚 当底泥中污染物的浓度高出本底值2 3 倍【3 2 l ，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。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 8 上海大学硕士学位论文 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 s i sv l a d i m i r 等人采用轻质疏浚材料，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1 3 3 矧 对疏浚污泥进行处理，常用的方法有固化填埋和农用嘲，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、生物方法进行处理俐。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。 2 2 2 自然修复 底泥中有机物可被底泥中的微生物慢慢降解。在河流的外污染源全部切断 之后，可以采用可监控自然修复( m n r ，m o n i t o r e dn a t u r er e c o v e r y ) 的方法对河流 底泥中的有机物进行处理【1 9 1 。但m n r 法对底泥进行治理的时间较长、效果较 慢，根据实地测量研究，经过2 0 年的时间底泥中的有机物含量会降低7 5 1 明。 主要是因为微生物对有机物的降解需要适宜的环境条件，如温度、p h 值，营养 成分及电子受体等。自然水体中，底泥处于厌氧环境、缺乏电子受体，因而限 制了有机物的生物降解。 有机物自身的生物可利用率( 例如污染物由固相向水相的释放速率等) 是影 响其降解速率的一个重要因素。由于绝大多数有机物憎水、亲脂的性质使这些 物质的生物降解变得困难。通常可以通过共溶剂或表面活性剂的添加，可以减 少或消除这方面的限制。 环境中其它化学因素对有机污染物的降解也有较大的影响。有机污染物在 实际的环境系统中多以混合物的形式存在的，复杂的多底物混合状态势必会影 响微生物的生理生态以及微生物对混合组分中单个底物的利用动力学，进而会 影响降解效率。混合的污染物可能导致抑制、共代谢以及增大等效应。 2 2 3 生物修复 生物修复是利用生物体，主要是微生物降解环境污染物，消除或降低其毒 9 上海大学硕士学位论文 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。既可在原位进行生物修复，也可对疏浚污泥进行生物处理l 删 对有机污染的底泥，最理想的办法是不疏浚，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 a i l 、p c b s 及联苯等，运用生物降解都有较多的报道1 3 9 - 4 目前面临的问 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。 2 2 4 就地稳定化 就地稳定化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 就地稳定化技术可处理含有耗氧有机物、重金属等污染物质的底泥，是处 理河流底泥的一种经济、有效的方法。相比别的修复技术，就地稳定化花费低， 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，就地稳定化技术能有效防止底泥中p a l l 、p c b 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。 就地稳定化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。就地稳定更适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就地稳定材料，既达到了就地稳定的