分類號： ! 業： 密級：壘 Y9 3 3 5 6 7 單位代碼：! 毆8 學號：Q 3 Q 2 Q 2 鯉Q ! Q 5 白洋淀底泥現狀評價及在蘆葦生境 下演變機理研究 A s s e s s m e to nP o l I u t i o ns t a t u so fS e d i m e n ti nB a i y a n g d i a nL a k ea n d A n E I e m e n t a r yR e s e a r c ho ft h eT a n s f o r m a t i o nM e c h a n i s m o fu n d e r R e e d sB i o s p h e r e 學位申請人： 指導教師： 學科專業： 學位類別： 授予單位： 答辯日期： 楊卓 王殿武教授 李貴寶教授 土壤學 農學碩士 河北農業大學 二o o 六年六月十一日 摘要 底泥是湖泊水庫的重要組成部分，能夠反映湖泊水庫演化的歷史過程。水體底 泥污染已經成為世界范圍內的一個環境問題，因此調查和研究底泥中的污染物的含 量及其分布特征，受污染底泥的處理處置問題成為目前的研究熱點。本文采用原狀 土柱和人工濕地控制( 生態濾池) 試驗與野外布點調查取樣相結合的方法系統地研 究了白洋淀地區底泥現狀和污染程度及在蘆葦生境下所發生的一系列轉化和演變 情況，并對蘆葦對底泥的凈化及受污染底泥易地無害化處理的機理進行了探討。結 果表明：2 0 0 4 年6 月通過對白洋淀2 1 個點位采樣分析的結果表明，底泥中氮含 量為0 1 2 6 2 9 0 l g 瓜g 、磷含量為O 4 2 9 1 0 8 2 9 l 【g 、有機質含量為4 1 7 0 0 7 3 2 0 9 瓜g ， 具有一定的資源化利用價值。重金屬元素c u 、z n 、c d 、P b 呈現出不同程度的污染 現狀，污染危害順序為C d P b Z n C u 。對淀區底泥重金屬元素進行地累積指數和 潛在生態危害評價，底泥中C d 、P b 分別表現為極強、輕微中等的生態危害和極強、 中度的污染程度。該地區底泥重金屬綜合污染指數為3 5 8 3 ，已屬重度污染。多數 地區為2 種以上元素的復合污染。其污染現狀主要呈現出以下特點：上游污染重于 下游；O 1 0 c m 底泥層污染重于1 0 2 0 c m 底泥層；離排污口近則污染嚴重，村落密 集、人口稠密的淀區則水質壞、重金屬含量高；圍攔養魚甚密、養鴨養蟹多的地方 污染會加劇。在2 1 個采樣點中，府河入淀口處的安新大橋、南劉莊、原唐河污水 庫同口污染較為嚴重。白洋淀底泥中含量較高的氮、磷、有機質使其具有農業利用 的潛在價值，其利用的關鍵障礙性因子是重金屬元素的污染，尤其是鎘，其含量約 為土壤環境質量標準( G B l 5 6 1 8 1 9 9 5 ) 中二級標準( p H 7 5 ) 的1 1 2 倍，三級標 準( p H 6 5 ) 的7 O 倍。但未超過農用污泥中污染物控制標準( G B 4 2 8 4 8 4 ) 中的含 量。不同的土壤酸堿度、碳氮比和水分條件會給底泥中物質演變帶來不同的影響。 蘆葦根系和特定的土壤環境能在一定程度上使重金屬有效性降低，但這一現象在底 泥剛與根系發生作用的幾個月里并不明顯。蘆葦對底泥中重金屬元素的吸收和積累 及微生物活動是使底泥得到凈化的主要途徑。蘆葦體內的重金屬元素濃度可以達到 土壤中有效態重金屬濃度的幾十倍到上千倍。蘆葦各部分吸收能力地下部明顯大于 地上部，根系為各污染物大量聚集的部位。p H 值低( P D ) 、C N 中( c z ) 、水高( S G ) 處理有利于底泥的凈化。p H 值在7 0 7 5 、C N 在1 0 左右的土壤環境，較充足的灌 水量可以使蘆葦生長良好，獲得較高生物量，使底泥得到凈化。生態濾池實驗中， 隨著底泥用量的增加，蘆葦的長勢、生物量、株高等也增加。底泥用量大( 3 群池) 則動態變化明顯，在一年的時間里，盡管蘆葦生長帶走了一部分物質，但底泥內各 元素含量變化并不明顯，尤其是有效態重金屬，只是略微有所下降。 關鍵詞：底泥：凈化：蘆葦：重金屬：污染：評價；白洋淀 A s s e s s m e n to nP o U u t i o nS t a t u so fS e d i m e ti B a i y a n g d i 矗nL a k ea n dA n E I e m 蛆1 t a r yR e s e a r c ho f t h e1 r a n s f 0 珊a t i o nM e c h a n i s mo f u n d e r R e e d sB i o s p h e 代 A u t h o r ：Y A N GZ h u o S u p e r v b O r ： P r o f 、N GD i a n - W u M a j o r ： P r o f L I G u i - b a o S O i lS c i e n c e A b s t r a c t T h es e d i 工n e n ti s 廿1 ei m D o r t a n tc o n s t i t L l e n to f 也el a l r er e s e r v o i Lnc a nr e f l e c tt 1 1 e l l i s t o r i c a lp m c e s so ft h el a k er e s e r v o 證T h ep o l l u t i o no ft h es e d i m e n to f 血ew a t e rb o d y a I r e a d yb e c 鋤ea ne n v i r o I l r n e n tp r o b l e mi na 1 1s c o p eO fm ew o r l d ，t h e r e f o r e 血e i n v e s t i g a t i o na n dm er e s e 鯽c hf b rt l l ec O n t e mo ft h ep o l l u t a n ta n d 血ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t e I i s t i ci nt h es e d i m e n t ，t h ep r o c e s s i n gh a n d l i n gq u e s t i o no ft l l ep o l l u t c d8 c d i m e n t a r et ob e c o m em ei r I l p o n 蛆tr e s e a r c ha tp r e s c n t T l l i sp a _ p e ru s e dm es o i lc o l u m na n dm e a r c i f i c i a lw e t l a I l dc o n t r o l ( e c o l o g yf i l t e rt a I d ( ) e x p e r i m e n t sa 1 1 dm eo p e n 謝I ds 詛t i o I l i n g i r l v e s t i g a t i o no nt a k e sa p p e a r a n c eu n i o n 也em e m o dt l l o r o u g h l ys y s t c m a t i c a l l yt os t I l d y t h ep r e s e n ts i t l l a t i o no f 也es e d 油e mi 1 1B a i y a n g d i a nL a k ea n dt 1 1 ep o l l u t i o nd e g r e ea n da s e r i e so fn a n s f o r n l a t i o na n dm ee v o l u t i o ns i t u a t i o nw h i c ho c c u r r e du n d e rt h er e e d b i o s p h e r e ，a 1 1 dm em e c h a I l i s m o ft h es e d i m e n t 伽r i f i c a t i o na n di sp o l l u t e dt 0t l l er e e dt o m o v ei m h a m l f I l l p r o c e s s i n gt oc a 7o nt h ed i s c u s s i o n T h em a i nr e s u l t sw e r es h o w na s f e l I o w ： ( 1 ) I n v e s t i g a t i o ni I l2 0 0 4a b o u tm es e d i m e n ti nB a i y a i l 鯛i a nL a k ew a sm a d e T h e r e 、v e r e2 lm O n i t O r m gs i t e s ，m o n i t o m 坦i t e m s 、e r eC u 、Z n 、C d 、P b 、T N 、T P 、1 o Ca n d p H C o 】訓t i n gd o m e s t i cJ 它1 e v a J l ts 伽d a r 也s e tu ps e d i m e n tp o H u t ee v 礎u 8 t i o nc r i 矧0 n T h er e s u I t ss h o w e dt l l a tt h es e d i I n e n tp o l l m i o n 矗D mt h eh e a 、，ym e t a l ( C d 鋤dp Mw a s q u i t co b v i o u s ，a n dm o s to ft l l e mw a sp o l l u t e d T h es e d i m e n ts a m p l e sw e r eh i g h l y p o l l u t e d b yC d ，p o I l 塒0 ne n d a l l g e r s 恤o r d e ra sC d P b Z n C u 1 1 1 es y n t h 甜ci n d e xo f s e d i m e n tp o l l u 廿o nw a s3 5 8 3 ，w h i c hw a sf i v eg r a d es 仃o n gp o l l u t i o n T h eb r i d g eo f A 1 1 ) 【i n ，S o u t h L i uv i l l a g e ，T o n 業o u ，L i a l l g z h u a l l 舀w 如自i 劃 1 a ii sm em o s ts e r i o u Si n p o l l u t i o n A s s e s s i n gt l l eg e o a c c 啪u l a t i o ni n d e x 舡l dt h ep o t e n t i a le c 0 1 0 9 i c a Ir i s k ，a I l d a n a l y z h 2t b ep o I I u t i o nc a u s e sa r l dt l l em a s s 舳c t i o no fh e a 、，ym e t a l si ns e d i m e n to f B a i y a I l g d i a nL a k c a 1 1 dm eh i s t o r i c a lm a t e r 主a I sh a v eb e e nc o m p 剮e dw i t ha n da n a l y z e d T h er e s u I t ss h o w e dt h a tt h ec o m e n t so fC d ，P bi sv e r yh i g hi ns e d i m e n to fB a i y a n g d i a I l L a k e I ti st 0s h o wm a te x t r e m e l ys 仃o n g e re c o l o g i c a lr i s kf o rC da n ds l i g h t m e d i 啪 e c 0 1 0 西c a lr i s kf o rP d T h ep 0 1 I u t i o nd e g r e ei ss 仃o n g e ro f C da n dI n c d i 啪o f P b A c c o r d t ot l l ec u n - c n ts i t l l a t i o no fB a i y a n g d i a nL a k e nl l a sp u tf o H 忸r dm e 洳i n i s 刪o n m e a s u r es u g g e s t i o n ( 2 ) H o wt od i s p o s et h ep 0 1 l u 剛s e d i I n e n tw h j c hc o m e si n t ob e i n gd l l r i n gt 1 1 e d r e d 西n g ，h a sb e e na l w a y sa w o d d - w i d ep r o b l e m 1 1 1 ea n a l y s i sr e s u h so fs e d i m e n tb y s 鋤p l e dJ u l l eo f2 0 0 4i nB a i y a I l g d i a l l1 a k es h o w c dt I I 砒t h ec o n t e n to fN ，Pa 1 1 do r g a m c m a t t e r si sr e l a 矗v e l yl l i l r hmm es e d i m e n t ，a n dm e r ea r et h ep o H u t e dt r e n d yo fd i f r e r e n t e m e n t so nt l l eh ea _ v ym e t a l so fC u ，Z n ，C da n dP b T h ee X p e r 曲e n to fs o i lc o l u m n w l t h o u td c s 叻y i n gs o i ls 仃u c t u r eo ni n n u e n c eo fd i 虢瑚te n v i r o n I n e n t a lf a c t o r st o c h a I l g eo f 。s e d l m e mh a sb e n d u c t c db yc o f l 加l l i n gp H ，c 肘鋤da d d e dw a t e ro ft 1 1 e c 0 1 u I l l l l T h er e s u h s 砌i c a t e st h a tm ec o n d i t i o no fl o w e rp H ( 7 3 ) ，m i d d l eC ，N ( 1 2 ：1 ) a n d 王l i g h e ra d d e dw a t e rV o I u m e ( 8 0 L ) i sb e e f i d a lt on l ed i s p o s a lo fs e d i m e n tb y p l a n t e dr e e d ( 3 ) F i l t e re c o l o 萄c a le x p e r i m e n t s 虹l o wm a td 砸n gt h ei n c f e a s ei nc o n s u m p t i o n w l t t lt l l es e d l m e n t t l l er e e d sg r o 謝n gt r e n d ，b i o r l l a s s ，t l l eh e i g h to ft l l er c e dw e r ea l s o l n c r e a s e d G r e a tm u du s a g e ( 3 拌p 0 0 1 ) i so b v i o u sd y r l 姍i cc h a n g e si na y e a r ，d e s 口i t et l l e r e e d sg wa w a yap a no ft 1 1 em a t e r i a l ，b m d t l l i nm ee l e m e n t a lc o m e n to fs e d i m e mi s n o to b o u s c h a l l g e s ，e s p e c i a I J ye 娃e c t i v eh e a v ) rm e t a l sw a y s 徹J ys 2 i 曲t l yd e c l i I l e d K e y w o r d ：s e d i 1 e n t ；p 嘶f i c a 畦o n ；r e e d ；h e a v ym e 腳；a p 州s a lo f p o l l u t i o np r e s e n t s i m a t i o n ；B a i y a n 酣i a l ll a k e 獨創性聲明 本人聲明所里交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研 究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人 已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得冱些塞些盤堂或其他教育機構 的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已 在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名： 簽字日期：枷6 年6 月阻日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解基i 蔓壅些盤堂有關保留、使用學位論文的規定， 有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借 閱。本人授權塑些盛些盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進 行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論寒。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名：楊睪 導師簽名： 簽字日期： 年月日簽字日期：易彩年多月扣捆 學位論文作者畢業后去向： 工作單位： 通訊地址： 電話： 郵編： 辨 白洋淀底泥現狀評價及在蘆葦生境下演變機理研究 1 引言 我國湖泊眾多，湖泊是我國淡水資源的主要來源之一。大于l k m 2 的淡水湖泊的 總面積為2 7 7 2 7 k m 2 。湖泊及其流域歷來是人類活動最重要的場所，人口密度大，人 均水資源占有量低，經濟發展快，資源利用強度大，環境保護措施滯后。大量的營 養物質和重金屬元素隨著工農業和城市生活污水被排入江湖，改變了湖泊原有的生 源要素循環規律，導致生態系統退化。流域內水環境污染日益嚴重，河網水質、底 泥污染加劇，湖體富營養化發生發展，水環境總體上呈惡化趨勢，使得水質型缺水 矛盾不斷發生，已危及流域經濟可持續發展和人民生活的安定【l 】。 湖泊底泥是湖泊生態系統的重要組成部分，是湖泊營養物質循環的重要基礎， 也是水土界面物質( 物理的，化學的，生物的) 積極交替帶【l l 。湖泊底泥主要由無機 礦物、有機物、活性金屬氧化物組成，含水量高，一般在8 3 9 5 之間，這種天然 的顆粒物具有巨大的表面積，在水環境中發揮著重要的作用【2 】，它是水中各種污染物 的源和匯p 】，記錄著湖區環境變化的豐富信息【4 l ，能夠反映湖泊水庫演化的歷史過程。 在湖水一底泥體系中，底泥是各種污染物積累富集比較穩定的場所，底泥中污染物 的濃度可以間接反映湖水的污染程度，底泥的污染狀況是全面衡量水環境質量狀況 的重要指標【5 1 。 水體底泥污染已經成為世界范圍內的一個環境問題。全球多數工業城市都坐落 在河流兩岸、河口及其鄰近地區。城市和工業的發展帶來的生活污水、沒有得到有 效控制的工農業點源和面源污染，給他們賴以生存和發展的河流及伴生的湖泊、河 口及臨近海域帶來嚴重污染。城市生活污水和工農業生產廢水進入河流，帶來的焦 磷酸鹽、三聚磷酸鹽、有機磷農藥、重金屬等，經過一系列物理、化學和生物作用， 一部分沉積于河流兩岸的湖泊、河口及近海區，成為營養物和污染物的內負荷，在 一定條件下，部分營養元素和污染物又可以從沉積物中間向上層水體釋放，使水體 營養和污染負荷增加【6 l 。2 0 世紀7 0 年代之前，底泥被簡單地看作水環境中污染物的 “匯”，但隨著水環境的點源污染初步得到有效控制后，受污染的底泥開始成為不 可忽視的水環境非點源污染之一【_ ”。污染物通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖 刷進入水體，最后沉積到底泥中并逐漸富集，使底泥受到嚴重的污染瞄J 。底泥污染的 加劇主要是人為因素造成的。經濟高速發展過程中，排放的大量難降解污染物相當 一部分積累在水體底泥中，對水生態系統構成長期威脅。在污染物控制達到一定程 度后，底泥則成為水體污染的主要來源。萊茵河流域、美國的太湖地區、荷蘭的阿 姆斯特丹港口、德國的漢堡港底泥污染均十分嚴重【9 】。美國E P A 在1 9 9 8 年的調查報告 中指出，美國已發生的2 1 0 0 起事件聲稱魚類消費中的問題，多次證實污染來自底泥 【l o 】。在我國也已發現并證實了水體底泥具有生物毒性，如樂安江在2 0 1 9 5 k m 段沉 積物均顯示出毒性【l l 】。此外，水體富營養化解決的關鍵也仍與底泥密切相關I l ”。因 此，污染底泥的治理已刻不容緩，勢在必行。 河北農業大學碩士學位論文 底泥中污染物主要為氮、磷、有機物、重金屬元素等。 1 營養元素：經各種途徑進入水體的氮、磷等營養元素，相當一部分沉積到底 泥中1 8 】。長期的外源輸入和水生生物殘渣的沉積，使河流、湖泊等水體的沉積物中富 集了大量的有機質、氮、磷等營養物質。這些營養物質一方面為水生生物提供了豐 富的食物來源，另一方面如果沉積物中營養物質含量過高，則可能會大量釋放到水 體中，使上覆水體處于富營養化狀態，引起水生生態系統的退化【1 3 】。營養元素是湖 泊富營養化過程的標志。磷是底泥重要的營養元素，是決定大多數湖泊水庫富營養 化狀態的關鍵元素，得到了廣泛深入的研究【1 4 ，l5 1 。據調查，滇池中的氮和磷營養元 素的8 0 9 0 分布在底泥，其次才是水體和浮游生物，滇池自外部輸入的磷有7 4 沉積于底泥；杭州西湖底泥每年磷的釋放量達到1 3 t ，在1 9 8 8 年7 月至1 9 8 9 年6 月間沉 積物釋放的磷為外源輸入磷負荷的4 1 5 姘1 6 l ，由于內源負荷磷的影響，西湖引水工程 的效果在停機1 0 天后即消失【l7 】；巢湖底泥磷的釋放量高達2 2 0 t 左右，是入湖磷負荷量 的2 l ；太湖底泥釋放的磷是外源性磷負荷的2 l 蜊。5 1 8 ，伸1 ；對瑞典的一個湖泊的研究 表明，夏季湖泊中9 9 的養分來自沉積物f 2 。更重要的是，當水體養分的外源得到 有效控制后，沉積物中養分的季節性再懸浮仍能使水體的富營養化持續數十年【2 l J 。 2 重金屬元素：重金屬成份反映了流域工業生產對湖泊環境的影響【4 】。重金屬 通過吸附、絡合、沉淀等作用而沉積到底泥中，同時與水保持一定的動態平衡。當 環境條件發生變化時，重金屬極易再次進入水體，成為二次污染源【引。通過各種途徑 進入水體的重金屬很容易被水體懸浮物或沉積物所吸附、絡合或拭沉淀，從而在水 體的沉積物中富集，致使沉積物中重金屬濃度相對于水中的濃度要高得多，從而對 水生生態系統構成長期威脅【2 2 】。重金屬具有極強的累積作用，并且在受納水體中， 重金屬污染物不易降解。通過各種途徑排入水體的重金屬等污染物絕大部分迅速地 由水相轉入固相，即迅速地轉移至沉積物和懸浮物中。懸浮物在廢水流搬運過程中， 當其負荷量超過搬運能力時，便逐步轉變為沉積物【2 3 】。大量研究還表明，在受重金 屬污染的水體中，水相中重金屬的質量分數往往甚微，而且隨機性很大，常隨排放 狀況與水利條件不同，其分布往往毫無規律。但底泥中的重金屬質量分數比水相中 高得多，常常得到積累，并表現出明顯的規律性。沉積物可以反映水系狀況【2 4 ，2 5 1 ， 是水環境中重金屬的指示劑1 2 6 】。對底泥中的重金屬的分布與含量水平的研究是很有 價值的。 3 難降解有機物：底泥對有機化合物吸附主要有2 種機理，即分配作用( p a r t i t i o n ) 和表面吸附作用( a d s o 印廿o n ) 。研究表明f 2 2 ，2 7 ，2 引，底泥對水中疏水有機物的富集主 要是分配作用所致，與底泥中有機物的結構和有機碳的含量有關【2 9 J o 3 l l 。迄今研究較 多的是底泥對非極性有機物的吸附作用及機理，也有一些對極性或可離子化的有機 污染物吸附性能及機理的研究【3 2 3 3 】。P A H 、P c B 。等有機物，由于疏水性強，難降解， 在底泥中大量積累，通過生物富集作用，有毒有機物可以在生物體內達到較高的水 平，從而產生較強的毒害作用，通過食物鏈危害到人類【8 】。 2 底泥作為“內源污染”的作用是不可低估的。底泥的污染歸根結底是對水體的 白洋淀底泥現狀評價及在蘆葦生境下演變機理研究 污染和對底棲生物的危害。如果能消除其對水體和底棲生物的作用，則能有效降低 污染底泥的環境影響。因而，底泥的污染控制既可采用固定的方法阻止污染物在生 態系統中的遷移，也可采用各種處理方法降低或消除污染物的毒性，以減小其危害。 據此，底泥的修復主要有以下幾種方法：原位固定；原位處理；異位固定； 異位處理。原位固定或處理是底泥不疏浚而直接采用固化或生物降解等手段來消 除底泥的污染行為；異位處理或固定則是底泥疏浚后再行處理，消除其對水體的危 害【8 】。從方法上講，污染底泥的修復主要有物理修復、化學修復和生物一生態修復三 大類技術方法，這些方法又都可以相結合應用，也可以應用到工程技術修復中。物 理修復是借助工程技術措施，消除底泥污染行為的一種方法，主要有疏浚、引水、 填沙掩蔽等措施：化學修復是借助化學反應來消除底泥對上覆水體的影響；生物修 復是利用生物體，主要是微生物來降解環境污染物，消除或降低其毒性的過程。底 泥作為“內源污染”的作用較大，各國科學家開展了底泥的原位處理和易地處理技 術 3 4 州】。原位處理，如底泥氧化和覆蓋掩蔽底泥層技術不能從根本上解決內源性的 污染，原位生物修復的技術目前效果還很不理想【4 l 】，并且并非所有的污染底泥都可 以進行原位處理。易地處理技術的底泥疏浚是消除內源性污染最常用的方法，尤其 對于淺水湖泊或者水庫，但成本和底泥的處置是一個需要考慮的問題。底泥疏浚、 環保疏浚、引水和掩蔽等物理修復方法和向水體中投加化學試劑的化學修復方法對 生態環境的破壞大，難以達到底泥修復的標準。隨著生物技術和生物科學的不斷發 展，生物一生態修復已經成為目前研究的熱點，得到了各國的廣泛重視。它利用培 育的植物或培養接種的微生物的生命活動，對底泥中的污染物進行轉移、轉化及降 解，從而達到底泥修復的目的。此方法包括原位修復和異位修復兩種，異位修復技 術與底泥疏浚同時使用，融合了二者的優點，利用生物一生態修復技術先使污染底 泥達到無害化，然后再對其進行資源化利用，可使疏浚底泥變廢為寶，有著很好的 應用前景。隨著生物技術的發展，轉基因手段的成熟，基因工程菌的大規模應用， 利用微生物來修復污染底泥已大有希望。在今后較長的一段時間，微生物修復將與 疏浚相結合，利用人工反應器來處理疏浚底泥，還可以發展高等植物修復，利用高 等植物對重金屬和其他污染物的超積累能力，通過基因手段，培育出生物量大、生 長快、耐惡劣環境的品種，將使高等植物修復取得較好的效果，同時，高等植物可 作為微生物元位修復的載體，一些高效降解菌制劑，包括輸氧荊或替代電子受體和 營養物，可以附著在沉水植物上，對水體和底泥起凈化作用。研究和開發疏浚后的 底泥處理和利用技術是徹底解決內源性污染的根本途徑，在理論和實踐中均具有十 分重要的意義。 近年來，有關底泥污染控制與處理處置研究論文的發表增長很快。研究的主要 方向有底泥的污染化學性質和組成、底泥掩蔽覆蓋技術、原位化學和生物處理技術、 底泥疏浚技術和疏浚底泥的處理處置技術、受污染底泥的管理等3 4 j 5 J 2 5 1 。底泥的 處理處置技術主要有顆粒分離、化學提取、生物降解、固化填埋和直接農用等方法。 顆粒分離與化學提取方法成本太高，難以推廣；生物降解小面積試驗有一定的效果， 河北農業大學碩士學位論文 大面積試驗還很不理想；固化填埋法破壞土地資源幾乎是永久性的，土地處理和作 為植物營養的利用是底泥處置中環境最友好的方法，但這種方法在實施前必須對底 泥進行穩定化處理。底泥疏浚作為污染景觀水體治理和恢復中的一種徹底治理手段， 正越來越多地為景觀水體治理工程所選用。上海蘇州河治理中需疏浚底泥數十萬立 方米，太湖綜合治理及滇池治理中均需疏浚底泥數百萬立方米，運河( 杭州段) 的 綜合治理也有意進行大規模的底泥疏浚。景觀水體底泥疏浚的投資一般都在數億元 以上，有近一半的投資用于疏浚底泥的處置，因而疏浚底泥的處置已成為決定景觀 水體具體疏浚規模和項目投資的主要因素。林地投放、城市綠地施用、農田投放等 土地利用是污水污泥等城市固廢處置常用的、較經濟的方法1 4 6 ，4 ”。景觀水體疏浚底 泥的數量大，排放集中，與污水污泥、工業廢渣等城市固廢相比，城市水體疏浚底 泥的污染物成分簡單、含量低、理化性質與土壤接近，更利于土地利用的實施。在 土地上合理的使用城市固廢可以增加土地肥力，改良土壤耕作性能，節約大量處置 費用 4 9 J ，是一種符合可持續發展原則的資源回收利用途徑，但若施用不當則可能 破壞土壤結構、引起作物減產、污染物含量超標及地下水污染等不良后果【5 0 ，5 ”。因 而對疏浚底泥土地利用可行性及其生態環境影響還需進行詳細的調查研究。 總的來看，國際上對底泥的研究主要集中在如何防止二次污染的問題上，如底 泥中磷的釋放，重金屬和有機物污染等方面，并在加大投入研究生物修復污染底泥 的力度，對底泥脫水和穩定化方面的研究機理相對較少。丹麥有用蘆葦床技術進行 污泥脫水的實驗，但其機理仍很不清楚【52 ，5 3 】。我國科研人員對底泥的研究多集中在 底泥氮磷釋放與沉積特征、底泥重金屬形態與污染物轉化等方面【l 9 ，3 6 3 8 ，珀 4 0 】，比世界 相對滯后。近年來開展了一些疏浚底泥的農業利用、底泥加工復混肥的研究以及少 量有關綜合利用( 生產建筑材料、填地造景、環城公路、湖濱綠化帶、生產磚瓦和 制造陶粒) 的研究1 4 0 5 4 ，5 5 1 。關于污染底泥修復技術與疏浚底泥資源化利用研究等工作 也已逐漸展開。林地投放、城市綠地施用、農田投放等方面已經試驗成功。在疏浚 底泥的土地利用研究中，重金屬和有機有毒物質的污染受到了很大的關注，而對疏 浚底泥土地投放中磷的環境危害研究較少，盡管磷在土壤中具有較低的遷移性壚”， 然而近年來許多研究發現，在一定條件下，土地投放的污泥中磷在土層中的下移深 度可達數十厘米甚至數米【5 7 ，5 8 ，5 9 】，其環境影響不容忽視，疏浚底泥一般都含有較高的 活性磷【加】，不恰當的土地投放勢必會造成土壤磷污染【6 1 】。陳英旭等人通過原狀土柱 淋洗試驗研究了疏浚底泥土地投放中磷在土層中的下移規律，為疏浚底泥的合理處 置提供理論依據【6 2 】。陳樺林等從疏浚掩蔽等物理技術和生物修復技術方面研究底泥 修復。朱光偉等人將景觀水體疏浚底泥園林利用和農業利用，對其土地利用的可行 性及其生態影響進行了研究，實驗表明底泥用量在4 5 0 t h m 2 以下未造成地下水污染， 土地利用為一種經濟可行的方法【4 0 ，6 3 1 。直接利用疏浚底泥比城市污泥具有更大的安 全性，只要物種選取合適，用量恰當，是一種很好的肥源和復墾用土L 6 4 J 。關于沉積 底泥一上覆水界面中各種污染物遷移轉化、吸附解吸等化學行為的研究較深入和廣 泛。在這方面，重金屬、氮、磷、各種有機物、有機質的行為特點研究都取得了一 定的進展。汪家權等在實驗室條件下，模擬了D 0 控制、p H 值調節、溫度調節、水動 白洋淀底泥現狀評價及在蘆葦生境F 演變機理研冗 力條件等進行了底泥釋磷試驗【6 5 l 。底泥中重金屬化學形態的研究也很多。昆明理工 大學對洮江表層底泥中A s 等重金屬化學形態和遷移轉化規律進行了深入的研究 斷6 7 ，醯1 ，提出沿河海污染源必須控制好氧物質及酸性廢水的排放。南四湖、太湖、巢 湖、長春南湖及各大水庫等地都有相應的底泥研究工作進行，特別是華東師范大學 對蘇州河底泥進行了全面的調查研究工作，并著有蘇州河底泥污染與整治一書坤劌。 水系沉積物質量對上覆水環境安全具有關鍵意義。對污染的水體，如果只做水 體的質量狀況分析，雨忽略沉積物的質量，就不能全面正確評價水環境的污染程度。 因此，對河流水系沉積物質量狀況全面、系統的調查，是全國水資源綜合規劃的重 要部分，將為水資源保護、開發、利用的合理規劃提供科學、及時和全面的數據和 理論依據。自7 0 年代中期以來，隨著全球對環境問題的日益重視和污染控制研究的 不斷深入，世界各國對水系沉積物的質量狀況、沉積物污染環境行為、水體沉積物 質量標準體系等方面開展了大量研究，取得了不少研究成果。美國以及西歐許多國 家先后開展了大范圍的水系沉積物質量狀況調查，并根據不同的研究目的和實際情 況初步制定了不同的水系沉積物質量評價標準。美國N R c ( N a t i o n a l R e s e a r c h c o u n c i l ) 將污染沉積物看作是“全國性的普遍存在的”重要水環境問題，并開展了 大量相關研究。美國環保局( u S E P A ) 于1 9 9 7 年做出了第一個全國范圍的地質調查 報告，調查報告表明，沉積物污染的問題涉及到美國7 0 以上的流域水系，估計大 約l O 億立方米的表層沉積物受到明顯污染。報告還指出，盡管目前美國沉積物污染 的生態風險總體在較低的水平，但是污染沉積物包括了廣闊的空間地域，因此將是 美國今后重要的環境問題。世界其它國家也對水系沉積物中污染物的遷移轉化、沉 積物質量標準等方面開展了大量的研究。近年來，加拿大、澳大利亞、新西蘭、荷 蘭、挪威以及中國香港等國家和地區也先后提出了多種海水和淡水沉積物重金屬的 質量標準。我國環境學界也對沉積物污染開展了相關研究工作，對不同尺度流域范 圍水系底質進行調查。如中科院長春應用生態研究所1 9 9 8 年對長江流域水體環境背 景值進行了調查。陳瑞生、陳靜生、金相燦、章生等分別對湘江、長江、黃河等水 系沉積物的底質污染或背景值開展了研究。自1 9 7 2 年以來，我國曾有計劃地對一些 水體、河口和海域的化學污染情況進行調查，以重金屬污染物為主要調查項目，但 由于采樣點布設、采樣方法、分析技術等方面缺乏必要的可比性，無法形成對我國 水系沉積物底質狀況的統一認識，目前我國還沒有統一的全國主要水系沉積物質量 狀況的研究報告，我國目前仍沒有制定河流水系沉積物質量狀況的相關評價標準體 系，自7 0 年代中期以來，世界各國對水系沉積物質量標準的制定開展了大量研究， 美國、加拿大、澳大利亞、新西蘭、荷蘭、挪威以及中國香港等國家和地區提出了 多種海水和淡水沉積物重金屬的質量標準。目前國際上對水系沉積物質量狀況的研 究方法主要有如下幾種： 背景值法：是目前水環境沉積物質量研究中經常采用的基本方法。以根據統 計分析計算出的水系金屬元素“背景值”為基準，通過樣品實測值與背景值的比較 劃分沉積物的質量等級。 5 河北農業大學碩士學位論文 污染物標定的生物毒理學分析法：通過在潔凈沉積物中加入一定濃度污染物 ( 如單個或多個金屬元素) ，根據生物暴露實驗的結果，建立直接的沉積物污染物 “劑量一效應”關系。 平衡分配法：是在歐美廣泛采用的沉積物質量研究方法，該法根據污染物在 沉積物固相和液相的分配關系( 分配系數) 來建立沉積物中污染物含量水平與水體 中污染物濃度的關系。 表觀效應閾值法：是基于沉積物中某種特定污染物含量與底棲生物毒理效應 的實測數據，判斷該污染物的毒理效應闋值濃度。 篩選水平濃度法( S L C A ) ：該法建立在生物毒理效應基礎之上，通過篩選底 棲生物污染耐受性的最高污染物濃度獲得。 效應范圍法( E R A ) ：此法是建立在大量化學和生物影響數據的基礎上，是 目前國際上廣為接受沉積物質量標準評價方法。 地累積指數法：該法從環境地球化學的角度出發，以世界頁巖中元素的地球 化學背景值為基礎，提出判斷沉積物污染程度的“地累積指數”( I g e o ) 標準，根據 “指數”大小將沉積物質量狀況分布為從“未污染”到“嚴重污染”的七級( 0 _ 6 級) 。 潛在生態風險指數法：該法根據沉積物中污染物( 主要是幾種重金屬元素和 P c B ) 的含量，計算單個污染物污染參數( c l f ) 和生態風險指數( 目) ，進而通過 C d 和I u 的值分析沉積物中總污染物的污染程度和潛在生態風險。 目前國內外對內陸水域沉積物環境的營養組分污染尚缺乏統一的評價方法和標 準，對沉積物營養物質狀況評價，許多研究者通常是根據各自的研究目的進行個案 處理 7 0 1 。 將疏浚后的底泥置于蘆葦等濕地生態系統中進行處理處置，研究其凈化機理及 效果，使污染底泥達到無害化是近年來研究的熟點闖題。濕地可通俗的理解為一個 內部過程長期為水所控制的生態系統【7 1 ，7 2 1 。從生態學的角度來看，濕地是陸地與水 生系統之間的過渡地帶，其地表為淺水所覆蓋或者其水位在地表附近變化p x ”J 。濕 地不僅是人類重要的生存環境，也是眾多野生動物、植物的重要生存環境之一，生 物多樣性極為豐富，并且由于其在水分和化學循環中所表現出來的功能及其處于水 路交錯帶可對流經其的水流及其攜帶的營養物質起到過濾凈化作用，作為自然和人 類廢棄物的接收器的環境凈化功能，而被譽為“自然之腎”【7 5 ，”，7 L l 。濕地作為農田 與水體之間的一個過渡帶，能夠通過土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用 降低進入地表水中的氮、磷化合物的含量。根據P e t e l j o h n 和c o 玎e l L 7 塒( 1 9 8 4 ) 的研究 結果，農田與水體閱5 0 m 寬的沿岸植被緩沖帶能減少進入地表水8 9 的氮和8 0 的 磷。巴西的皮拉西卡巴的E n g e n h o 濕地對磷、硝酸鹽和氨的去除率分別達到9 3 ，7 8 和5 0 【7 9 】。C h e s c h e i r 【8 0 】等通過模型研究表明濕地可以凈化7 9 的總氮、8 2 的硝 酸鹽氮、8 1 的總磷。從生態學的觀點來看，輸入到濕地中的氮、磷營養物質可被 植物吸收，促進如蘆葦、蒲草、燈心草等水生維管植物的生長和發育，為保護生物 的多樣性、改善流域生態景觀起到積極的作用。因此，從經濟學和生態學的角度， 自洋淀底泥現狀評價及在蘆葦生境F 演變機理研究 濕地生態系統已是世界上很多國家認可的控制水環境污染的有效工具。人工濕地是 由人工基質( 碎石、砂粒等) 和生長在其上的水生植物組成，無水和底泥在濕地土 壤的表層或表面下流動，靠砂石、土壤的吸附、植物吸收、微生物轉化等一系列過 程降解水中的營養物質，是一種有別于自然濕地的獨特的土壤一植物一微生物系統。 國外自2 0 世紀7 0 年代以來，已做了大量有關自然濕地和人工濕地對氮、磷營養物質 去除能力的研究，分析了吸附、下滲、植物吸收、生物轉化( 礦化、硝化、反硝化) 等多種因素對氮、磷在濕地生態系統中遷移的影響，確定了濕地在河流、湖泊水質 的恢復與管理中所發揮的作用剮。我國先后在深圳、北京、天津等地建立了人工濕 地處理系統，并開始了對濕地生態系統中營養物質轉化機制的研究【8 “。濕地是一獨 特的土壤一植物一微生物系統。土壤中的有機質、氮、磷等營養成分將發生復雜的 物理、化學和生物的轉化作用。自然和人工濕地中的土壤和砂石通過吸附、截留、 過慮、離子交換、絡合反應等凈化去除氮、磷、有機物、重金屬等成分。水生植物 在濕地去除污染物過程中起著十分重要的作用。植物不僅可以通過其呈網絡樣的根 系直接吸收農田排水中的N H 4 + 、N 0 3 、P 0 4 3 。更重要的是，水生植物可通過其生命 活動改變根系周圍的微環境，從而影響污染物的轉化過程和去除的速度 8 3 J 。營養物 質在濕地土壤中的降解和轉化主要靠微生物來完成。濕地土壤中發育著大量的好氧、 厭氧及兼性的微生物，由于水生植物的生長，其根系的分泌物及好氧環境為好氧細 菌的生長創造了條件，將有機物分解為N 0 3 、P 0 4 孓、s 0 4 2 。等離子，被植物吸收；根 區以外的還原狀態區域，發育著大量的厭氧微生物，如硝酸鹽還原細菌和發酵細菌， 將有機物分解為C 0 2 N H 3 、H 2 S 、H 3 P 、C 出等氣體，揮發進入大氣【8 3 l 。濕地植物對重 金屬元素具有一定的累積作用，重金屬元素的形態也會隨植物根系分泌的有機酸、 氧化還原狀況的不同而有所改變。濕地植物能源源不斷的從濕地系統中吸收各種元 素。 蘆葦是一種禾本科的多年生高大挺水草本植物，具有很廣的適應性和很強的抗 逆性，生長季節長、生長快、產量高，并且S e i d e l 【8 4 】等發現蘆葦是一種良好的凈水植 物，具有一定的分解凈化能力，能去除污水中大量的有機無機物。蘆葦具有發達的 根狀莖根系，在濕地土壤中縱橫交錯，形成了龐大的網絡樣結構，為微生物提供大 面積的生物膜附著物，并且蘆葦體內具有中空的通氣組織，根部生長著大量很細的 根毛，葉片吸收的氧氣可以通過莖和根狀莖的通氣組織到達根毛，并從根毛分泌出 來，形成一個厚度小于l r r 皿充滿氧氣的圍繞著根毛的液體薄膜，在蘆葦根區形成特 殊的生態條件，這種根際可以供養大量的需氧微生物種群，且使其生物活性增加， 能加速有機質的分解【8 5 ，8 ”。蘆葦的地上生物量很大，在自洋淀蘆葦濕地，蘆葦地上