三种药剂对黑臭底泥原位修复效果的研究

黑臭底泥治理是水环境治理的重要组成部分，如果底泥中污染物的释放不能得到有效控制，水环境治理也将难以取得良好效果。底泥治理可分为清淤疏浚和原位修复，其中清淤疏浚通常需要投入大量机械设备和人力物力，且清淤上岸的底泥需要较大的处理场地进行消纳，在实际应用中存在一定制约。底泥的原位修复有着广泛的应用需求。底泥原位修复技术主要分为两类：一是生物法，通过向水体或底泥中投加微生物制剂，促进底泥有机物的降解；二是化学法，常用的有向底泥中投加过氧化钙、过氧化氢等具有强氧化性质的药剂，氧化分解底泥中的有机物，并减缓氮、磷、COD向水体释放，或向底泥中投加固化剂及辅助剂，如石灰、火山灰、水泥、改性二氧化钛等，以降低氮、磷、重金属等污染物的溶解度、迁移性或毒性。

目前，化学法在底泥原位修复方面有较广的应用前景和较多的应用案例。已有较多关于水泥、石灰以及过氧化钙等药剂对底泥原位修复的研究，主要集中在对底泥和水体黑臭现象的改善、黑臭有机质的分解去除、氮磷物质的削减等方面。关于投加上述药剂对底泥向上覆水释放氮磷、底泥和上覆水pH值的综合变化，以及对沉水植物存活生长的综合影响，缺少相关的研究报道。本研究采用水泥、生石灰以及过氧化钙等3种常见的化学药剂对黑臭底泥进行固化稳定化处理，考察其对底泥污染释放的抑制作用以及对沉水植物生长的影响等，为该方法在水生态治理领域的工程适用性提供科学依据。

1材料与方法

1.1底泥采样

供试底泥采集于合肥市瑶海区二十埠河污染严重的黑臭区段，周边有较多排污口。采样工具为长柄铁锹，底泥样品以表层稀泥为主，采样深度为15cm。完成采样后，将底泥带回实验室，去除其中的大颗粒物、塑料垃圾、动植物残渣等杂物，然后用小铁铲反复搅拌混匀，置于4℃冰箱中保存待用。

1.2试验材料

水泥为硅酸盐水泥，标号为P·O42.5；生石灰粉末，规格为60目；过氧化钙粉末，规格为60目。

沉水植物选用长势良好的新鲜苦草，平均高度约为20cm。

1.3试验方法

(1）试验分组及设置。分为水泥组、生石灰组以及过氧化钙组，另外设置1个空白对照组。将底泥充分搅拌混匀，装入4个圆柱形透明容器中，每个容器中加入200g底泥，泥层厚度约2cm，然后分别向水泥组、石灰组以及过氧化钙组投加6g相应药剂（经提前测试确定用量，可确保底泥适度固结），搅拌均匀，静置3d，待底泥固结。对照组不添加药剂，其他处理同前述。

(2）完成3d静置后，向各试验组分别添加2L去离子水，加水过程通过玻璃棒引流，缓慢向各组加水，尽量避免加水过程对底泥的扰动，防止底泥泛起。之后静置14d，再从各组的上覆水中取水样，分别测定氨氮、总氮、总磷、pH值等指标，以探究各组的污染释放情况。

(3）完成4次水质指标测试后，用玻璃棒轻戳各组底泥，以了解底泥是否固结。然后用玻璃棒对上覆水进行搅拌，观察底泥是否上翻。

(4）选取长势良好、大小相近的新鲜苦草，在试验组底泥中分别栽种5株。之后静置14d，期间观察植物的生长成活情况。完成沉水植物试验后，倒出各组的上覆水，测定底泥的pH值。

2结果与讨论

2.1 不同修复药剂对底泥的污染释放影响

从底泥上覆水取样检测，考察不同修复药剂对底泥的污染释放影响，结果如表1所示。

从底泥上覆水取样检测的结果显示，各试验组均表现出一定的氨氮释放抑制效果，上覆水中氨氮浓度均低于空白对照组，各组底泥上覆水中氨氮浓度大小依次为生石灰组、水泥组、过氧化钙组，表明过氧化钙对底泥氨氮释放的抑制效果相对较好。底泥作为黑臭水体的主要内源污染，有向自然水体迁移、释放氮磷营养盐的趋势，因而对照组的底泥在未做处理的状态下，氨氮向上覆水大量释放，浓度最高。水泥和生石灰具有对底泥的固化稳定化作用，在固结状态下，氮、磷物质较难自由迁移，从而抑制了这两组底泥的氨氮释放。过氧化钙在底泥中可缓慢释放氧气，提高氧化还原电位，具有较强氧化性。本研究中过氧化钙组氨氮浓度最低，可能是因为底泥中的氨氮被氧化，转化为硝态氮。

由表1可以看出，与空白对照组相比，水泥组和生石灰组对总氮的释放有抑制效果，其中水泥组的总氮抑制效果大于生石灰组。过氧化钙组的总氮浓度高于空白对照组，表明向底泥中投加过氧化钙在一段时间内将促进总氮的释放，这可能是因为过氧化钙的强氧化性促进了底泥有机质的分解，以及氨氮向硝态氮的转化，从而增加了总氮的释放。

由表1还可知，与空白对照组相比，水泥组、生石灰组以及过氧化钙组均表现出良好的总磷释放抑制效果，其中过氧化钙组的总磷抑制效果最好。徐垚研究发现在底泥中投加过氧化钙能够加快有机磷的矿化速度，铁铝结合态磷和钙结合态磷也明显增加，使得内源磷持留能力增强。

2.2对上覆水pH值的影响

从底泥上覆水取样检测，考察不同修复药剂对底泥上覆水pH值的影响，结果如表2所示。空白对照组的上覆水呈中性偏弱酸，可能是因为底泥中的有机质酸有少量释放进入上覆水。3个修复剂处理组的上覆水均呈碱性，其中生石灰组和过氧化钙组的pH值均超过9，呈较强的碱性。陈奎章等研究发现投加生石灰作为底泥稳定剂会明显提高上覆水的pH值。过氧化钙能够分解为氧化钙和氧气，氧化钙与水反应可进一步生成氢氧化钙，从而释放碱性物质。较高的pH值环境不利于沉水植物的成活与生长。

2.3沉水植物的栽种成活情况及底泥pH值

采用不同修复药剂处理底泥后，沉水植物栽种成活情况如表3所示。

各试验组栽种的苦草，在测试开始第7天即已全部死亡，根部枯黄腐烂。通过检测底泥pH值，发现除对照组外，各试验组底泥均呈强碱性，该结果与王锋等研究结论一致。由于底泥碱度大幅升高，沉水植物无法生存，限制了3种药剂在黑臭底泥原位修复中的应用。

3结论

采用水泥、生石灰以及过氧化钙对底泥进行处理后可抑制氮、磷污染物的释放，改善底泥的黑臭现象，但造成的底泥强碱性环境让后续水生态工程无法实施，沉水植物群落无法构建。因此，建议在黑臭水体治理工程中谨慎采用水泥、生石灰以及过氧化钙进行底泥的原位修复。

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