污染底泥环保疏浚工程的理念·应用条件·关键问题

污染底泥环保疏浚工程的理念 · 应用条件 · 关键问题

姜 霞 1 , 王书航 1 , 张晴波 2 , 王雯雯 1,3

1.中国环境科学研究院, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012 2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司, 上海 201208 3.北京师范大学水科学研究院, 北京 100875

摘要：  污染底泥是水体最主要的内源，存在污染物二次释放的风险，而环保疏浚可以有效地清除污染底泥、降低内源污染负荷及其释放风险，因此近年来该技术在水环境治理中得到广泛的应用. 环保疏浚的主要目的是有效清除河流、湖泊(水库)水体污染底泥中累积的污染物，并对浚后污泥进行安全处理处置，为污染河流、湖泊(水库)水质改善与生态修复发挥工程作用. 作为湖泊、河流水污染综合治理技术体系的重要组成部分，环保疏浚是生态环境工程技术之一，也是湖泊河流水污染治理的重要手段；但底泥疏浚同时也存在疏浚效果不理想、可能造成原位扰动与异地污染、改变水生态系统的结构与功能等生态风险. 研究显示，未来环保疏浚的主要发展方向应包括：①基于调查评估基础上的污染底泥分区、分类环保疏浚及处理处置研究；②污染底泥环保疏浚与区域生态修复一体化设计研究；③污染底泥环保疏浚-浚后干化-处理处置-资源化集成技术研究；④污染底泥环保疏浚、处理和资源化全过程监管评估技术研究.

关键词：  内源; 环保疏浚; 生态修复; 底泥处理处置; 资源化; 全过程评

近 年来，随着我国对河流、湖泊(水库)污染治理力度的加大，在外源污染得到逐渐控制或局部控制情况下，以底泥释放为代表的内源污染治理日显重要，并已成为目前我国湖泊富营养化治理与生态修复的重要内容 [1- 4] . 河流、湖泊(水库)污染底泥控制技术主要有原位处理技术和异地处理技术两类. 原位处理技术主要包括调水冲污、底泥覆盖、底泥化学固化等，现阶段原位处理技术仅有少量的试验探索或工程实践，尤其对于浅水型河流、湖泊(水库)而言，在工程成本和效果等各方面因素的约束下难以大规模的工程应用.

图1 环保疏浚工程关键环节 Fig.1 The key aspacts of environmental dredging

以底泥环保疏浚技术为代表的异地处理技术是我国最早研究的污染底泥处理技术之一，其可以快速、有效地去除水体内源污染，被广泛应用于水污染治理的工程实践. 通过底泥疏浚，可以清除湖泊、河流污染底泥，改善河流、湖泊(水库)底质环境，清除泥-水界面聚集的藻种，修复水生植物的基底条件，改善工程区水质并控制水华发生，有助于底栖生物的自我恢复和群落多样性的发展 [5- 7] . 然而，底泥环保疏浚耗资巨大，如滇池一期、二期工程共计投资4.275×10 8 元 [8] ；还存在由于疏浚方案制定不当或疏浚条件不成熟导致疏浚效果不显著，甚至出现严重生态问题的风险. 因此，国际上对河流、湖泊(水库)底泥环保疏浚工程，尤其在疏浚方案的制定方面 [9- 11] 多持慎重态度.

该研究通过总结国内底泥环保疏浚的研究成果，并结合笔者在底泥环保疏浚多年的理论研究与技术研发、可行性研究报告编制等的工作基础，探讨了环保疏浚的理念、条件、必要性、发展历程、存在的问题及今后工作的展望，以期为我国河流、湖泊(水库)底泥环保疏浚工作的进一步发展提供理论基础和技术支撑.

1   底泥环保疏浚的理念

1 . 1  环保疏浚定义

环保疏浚是采取人工、机械的措施适当去除水体中的污染底泥以降低底泥中污染物的释放通量和生态风险，并对疏浚后的污染底泥进行安全处理处置的技术，是河流、湖泊(水库)水污染治理的重要技术之一.

环保疏浚工程是基于污染江河湖(库)海水质改善与生态修复为目的，通过物理方法有效减小污染底泥中营养盐、重金属、有毒有害有机物等污染物的赋存量，规避或降低污染底泥的生态风险，并对浚后底泥进行安全处理处置的工程(见图1).

1 . 2  环保疏浚的目的

环保疏浚的主要目的是有效清除河流、湖泊(水库)水体污染底泥中累积的各种污染物，并对浚后污泥进行安全处理处置，为污染河流、湖泊(水库)水质改善与生态修复发挥工程作用 [12] .

1 . 3  环保疏浚的定位

环保疏浚技术作为湖泊、河流水污染综合治理技术体系的重要组成部分，是生态环境工程技术之一，也是湖泊、河流水污染治理的重要手段之一 [12] . 环保疏浚方案的制订应以湖泊、河流水质和生态系统改善为目的，从流域高度出发，将“控制外源、生态修复与生境改善(包括环保疏浚)、流域管理”三者紧密结合，重视方案的二次污染防治与生态理念的设计，强调环保疏浚与湖滨带生态修复、沉水植物恢复以及生态堤岸建设等工程相结合.

1 . 4  环保疏浚的对象与应用条件

环保疏浚的对象为底泥中污染物含量较高且底泥厚度大于10 cm以上的水域，如污染河流入湖口、城市污水排放下游水体、矿山废渣排放区、人工水产养殖区、影响饮用水源的地区以及其他原因引起的河流、湖泊(水库)水体底泥污染区等. 污染底泥的一般特征为水体黑臭，底泥中氮、磷、重金属或有毒有害有机物等污染物含量较高，水-底泥界面处于缺氧或嫌氧状态，水生生物种类极少或以耐污种为主.

环保疏浚的应用必须满足一定的条件：①实施的基础和前提条件是湖泊和河流外源必须得到有效控制和治理，否则无法保证疏浚效果的持续，也就无法达到改善水质与水生态的疏浚目的. ②环保疏浚的重要原则之一是局部区域重点疏挖，即优先在水源地取水口、重点风景旅游区等对湖泊生态系统较大的区域或底泥污染重、释放量大的河段与湖区开展底泥环保疏浚. ③环保疏浚需与生态重建有机结合才能达到良好的效果 [12] .

2   环保疏浚的现实需求

2 . 1  污染底泥治理是水质改善的重要措施之一

长期的污染物排放导致河湖底泥中生源要素、重金属和有毒有害有机物等污染物质的含量不断升高，尤其是富营养化水体的藻类堆积区、有外源排入的局部湖湾和城市黑臭水体，底泥氮、磷的释放通量一般在100和10 mg/(m 2 ·d)左右 [13- 14] . 即使外源性污染负荷得以控制，巨大的底泥内源负荷仍将继续对水体水质构成威胁. 环保疏浚工程针对水体的底泥污染问题，通过专用疏挖设备直接并较精确地去除污染底泥层，使其中蓄积的氮、磷营养盐和重金属以及有毒有机物等大量污染物直接从水环境中被有效去除，使底泥内源污染负荷得到有效控制. 底泥环保疏浚已成为河流、湖泊(水库)水环境内源控制的重要措施之一，尤其在有毒有害物质污染突出、重度富营养化、生态系统严重退化的重污染水域 [15- 18] .

2 . 2  污染底泥对湖泊生态过程有重要影响

污染底泥一般具有低容重、高含水率、流塑态、高有机质含量等特征，在风浪、船舶等物理作用下易发生间歇式再悬浮，导致水体中氮、磷浓度升高和透明度显著降低 [19- 20] . 不断增加的营养盐导致水体中藻类大量繁殖、底栖生物大量死亡，加之较低的透明度使水生生物的种群数量、多样性等发生改变，破坏水体的生态平衡. 同时，由于流塑态污染底泥富含大量有机质，有利于形成厌氧和还原环境，可促进氨氮和无机磷释放及有害物质生成，加之有机和无机悬浮物高而引起水下光强的减弱将加速沉水植物的退化和消亡. 通过环保疏浚工程的实施，高含水率呈流塑态的、以悬浮态细颗粒为主的、高度厌氧的污染层底泥被精确去除，露出以较清洁的或具有较强吸附能力的底泥为主的正常泥层，形成底泥新生界面层 [15,21] . 新生底泥层中氮、磷营养盐和重金属以及有毒有机物含量比原有污染层要低得多，同时具有较高的氧化还原电位.

2 . 3  底泥污染控制是水生态修复的重要基础

适宜的水深、光照和底质条件是水生植物生长和恢复的基本条件 [22- 26] ，拟疏浚区域由于底泥和水体的严重污染，生态系统处于极其不健康状态，面临着水生植被严重退化、覆盖度下降、生物多样性下降、食物链简单等问题；而整体或部分去除富含有机质且处于厌氧状态的底泥已成为湖泊生态恢复的先决条件. 环保疏浚最直接的环境效果是清除大量的污染底泥，在外污染得到控制的前提下，由于内源被去除，营养盐释放得到控制，有机污染降低，疏挖一段时间后水体透明度提高、浮游生物生长受到抑制，水质得到改善和富营养化程度降低 [27] . 这些特性较有利于水生植物的生长，也为底栖生物的生长提供良好的栖息环境，增加了水生生物栖息的安全性 [28] .

3   底泥疏浚可能存在的生态风险

3 . 1  疏浚效果不理想

河湖内源污染的主要贡献者是有机碎屑，它是有机体死亡后形成的颗粒有机物与微生物结合的整体. 由于风力作用，浅水河湖内的有机碎屑长期悬浮在水中，只有少量沉积于水体底部. 疏浚可转移湖底表面有机碎屑，但无法去除水体中悬浮的有机碎屑，故不能一次性完全消除内源污染. 如蠡湖底泥疏浚后水体氮磷含量显著降低，而透明度和悬浮物含量却没有显著改善 [29] . 同时，疏浚施工时，绞刀的切削和定位桩的移动，会造成底泥扰动，导致局部区域底泥中污染物的释放和扩散，其中底泥中氮、磷、重金属等污染物的释放速率较静止状态提高数倍，加速污染物向水体中释放，造成水体的二次污染 [30- 33] . 再者，由于底泥疏浚方式和疏浚深度确定不合理也可能导致底泥疏浚效果不明显. 此外，在风浪的作用下，疏浚后新生表层底泥可能会形成新的流塑态底泥层，加之残留底泥将使新生表层底泥在较短时间内如“接种式”地得到生物活化，进而呈释放状态 [34- 35] . 如南京玄武湖在疏浚后仅7个月水质又出现恶化的现象 [34] ；宁波的月湖疏浚后一段时间内水体中的氮、磷等营养物质浓度增加 [36] ；玉溪杞麓湖底泥疏浚后，总氮有较小幅度的下降，而总磷还有增加的趋势 [37] .

3 . 2  原位扰动与异地污染

疏浚后底泥和上覆水体的污染物得到有效控制，但疏浚过程中部分表层污染物在施工搅动扩散中会对周边水体产生不利影响，疏浚后的污泥、排泥场的尾水对存储地及受纳水体而言是外来污染，并且长距离输送中存在跑、冒、滴、漏及管道破裂事故等泄漏风险. 疏浚规模越大，输送距离越长，对沿程管道周边水体造成污染的风险越大.

3 . 3  改变水生态系统的结构与功能

环保疏浚能够有效地削减底泥中营养物、重金属和持久性有机物等污染物含量，但同时也改变了原有表层底泥的物理、化学及生物条件以及水下地形、水深，环境因子的改变可能会改变底泥-水界面原有的营养物、重金属和持久性有机物的循环模式. 研究发现，疏浚可使底泥中还原态硫被迅速氧化，导致底泥的pH骤然降低，重金属随即不断释放 [31,34] . 另一方面，疏浚深度确定不合理的环保疏浚工程也可能对水生植物和底栖生物产生危害，具体表现为种类、丰富度与生物量的减少，群落结构发生变化，多样性降低等方面. 如太湖胥口湾草型湖区的底泥疏浚破坏了原先良好的水生植物群落，造成湖区整体水质下降，主要生物群落的恢复相对缓慢 [38] . 英国瓦士湾高强度的疏浚明显改变了底栖生物的群落结构，导致生长迅速且生殖周期短的种类逐渐取得优势地位，而生长缓慢且生殖周期长的种类(如双壳类)则逐渐减少，进而可导致捕食底栖生物的鸟类种群优势度发生改变 [39] .

4   我国环保疏浚的发展历程

我国底泥环保疏浚的发展大致可以分为3个阶段：

a) 引进、学习和尝试阶段. “八五”“九五”期间环保疏浚的理念被引入我国，是环保疏浚技术发展的起步阶段. 在此期间，中国环境科学研究院提出了环保疏浚的一些基本要求，如合理确定疏浚深度、疏浚过程防扩散等，并在“九五”期末引进了我国第一艘IHC环保绞吸船. “八五”期间，中国环境科学研究院在滇池开展了以去除氮、磷为主的污染底泥环保疏浚技术研究与10×10 4  m 3 的工程示范. 1998—1999年实施的滇池草海污染底泥疏挖及处置工程(Ⅰ期)，疏浚工程量为432.69×10 4  m 3 ，是我国首例大型水域生态疏浚工程，取得了宝贵的经验、数据和示范效应. 2000年巢湖实施了底泥环保疏浚及处置Ⅰ期工程，完成疏浚工程量301.99×10 4  m 3 ，吹填洼地90.41×10 4  m 2 ，疏浚后水质明显改善.

b) 环保疏浚体系初步形成阶段. “十五”期间“863”太湖子课题提出了生态疏浚的概念和指标，初步构建了底泥疏浚范围、深度、精确疏浚等一系列技术体系，并在五里湖实施了以底泥环保疏浚为主的综合整治工程. 环保疏浚工程总面积5.7 km 2 ，平均疏浚深度为0.5 m，共疏浚污染底泥248×10 4  m 3 ，并将底泥疏浚与陆域污染源控制、生态恢复和重建相结合. 在工程完成后的10 a间，五里湖的水质从劣Ⅴ类提高到Ⅳ类水平，局部地区可以满足Ⅲ类水质水平 [40] . 与此同时，疏浚装备和自动监控系统技术有了较大的发展，使得平面定位精度达到±1 m，而垂直定位精度可达到±(15～20) cm，通过改造环保绞刀疏挖精度比普通绞刀的精度也有所提高.

c) 环保疏浚成套技术研发和应用阶段. 在“十五”期间各地区环保疏浚的经验和教训之上，“十一五”和“十二五”期间逐步形成了以勘测鉴别、疏浚输送、脱水干化、处理处置以及资源化有机结合的成套技术体系. “十一五”水专项“高氮磷和有毒有害有机物底泥环保疏浚成套技术”在底泥的勘测鉴别、疏浚范围和深度的确定、高浓度疏浚输送、疏浚干化一体化等方面均有所突破. 该阶段，我国最大规模的底泥环保疏浚工程在太湖逐步开展，疏浚区域主要集中在底泥污染比较严重的东太湖、竺山湾及西沿岸区北段、梅梁湾、月亮湾、贡湖水源地等区域，截至“十二五”末，疏浚总面积达到100 km 2 左右,疏浚工程量接近3×10 7  m 3 . 2012年水质较好湖泊保护专项启动，底泥环保疏浚作为环境综合整治工程的重要组成部分，在局部湖(库)湾底泥重污染区大量开展 [12] . 2015年4月16日，国务院印发的《水污染防治行动计划》明确提出，采取控源截污、垃圾清理、清淤疏浚、生态修复等措施，加大黑臭水体治理力度，尔后底泥环保疏浚工程作为重污染水体内源控制的重要工程措施在我国河湖治理中大范围铺开.

5   目前存在的主要问题

5 . 1  认知缺陷导致环保疏浚效果无法保障

a) 环保疏浚工程与其他河湖生态治理工程隔离. 环保疏浚技术与流域陆源污染源控制技术和生态修复技术共同组成湖泊河流水污染综合治理技术体系，单纯的底泥环保疏浚工程短期内对内源污染有较好的控制作用，但长期效果可能减弱. 若外源未得到有效控制或未进行外源污染治理，点源与面源污染物仍源源不断地进入水体，即便进行了环保疏浚，新生界面层表面很快会被污染层覆盖形成新的污染层，加上外源输入使水体中污染物浓度维持较高水平，环保疏浚难以发挥应有的水质改善、生境改善与促进水生态修复的效果. 若环保疏浚后未进行生态修复，水体未建立强大的自净能力，随着时间的推移，上覆水体中悬浮颗粒物的沉降加上新生表层的污染残留物，导致水环境改善不能长期维持，水体的理化指标将再次恶化.

b) 将环保疏浚等同于工程疏浚. 用工程疏浚来代替环保疏浚导致疏浚效果不明显. 如宁波的月湖疏浚，其本质是一项水利清淤工程，没有满足环保疏浚的相关要求，导致疏浚后水质不仅没有改善反而有恶化的趋势. 环保疏浚属于生态环境保护工程，是在充分考虑环境效益的基础上进行高精度的疏浚，疏浚的对象主要为高氮磷、有毒有害有机物的底泥，具有工程量小、污染物含量高、疏挖深度和边界要求特殊、防止疏浚全过程中产生二次污染等特点. 一般的工程疏浚指用水力或机械的方法，挖掘水下的土石方并进行输移处理的工程，其主要以水利为目标，如加深、加宽和清理现有航道和港口，疏通河道、渠道，水库清淤等.

5 . 2  技术瓶颈限制环保疏浚的推广应用

对底泥污染等级划分、疏浚深度确定、疏浚范围确定与疏浚的协同布局等疏浚方案的关键问题的研究还不够深入，特别是对疏浚效果后评估、生态修复监测研究较少，科研相对滞后；同时，疏浚后污染底泥的处理处置和资源化作为环保疏浚的重要组分部分，还仅仅停留在实验室和小范围的示范性阶段，真正可以大规模应用到实践的技术还比较缺乏，亟须加强疏浚污泥资源化利用创新技术研发.

5 . 3  产业链不完善制约环保疏浚规模化发展

近年来，随着国家对环保产业投入的逐步加大，加之《水污染防治行动计划》中关于消除黑臭河流的相关部署，国内底泥疏浚工程有大规模开展的趋势，在疏浚装备、勘测、疏浚技术和底泥的资源化方面成果显著，也带动了疏浚产业的发展. 然而，目前研发的一些底泥处理处置技术，如制造建筑材料技术、制陶粒等土工材料技术和填地造景等技术，在市场推广方面还存在一些瓶颈，普遍存在成本较高、底泥消耗量有限、与其他固有资源相比没有市场竞争力等缺点，难以进行推广应用，亟需形成适合流域特点的底泥环保疏浚和资源化产业链.

5 . 4  监管缺失导致环保疏浚可能存在的生态风险不能被有效识别

目前国内尚未建立完善的疏浚、处理、资源化全过程评估体系. 对疏浚工程的可行性研究、疏挖过程的二次污染、实施后对生态环境的影响、底泥处理和利用方案、疏浚后的生态恢复等一系列涉及环保疏浚效果的问题缺乏必要的监管技术手段和明确的制度规定，因此不能有效监督、评估环保疏浚工程的全过程实施状况，也不可能定量分析疏浚工程对生态环境的影响程度.

6   研究展望

6 . 1  污染底泥环保疏浚及处理处置分类、分区研究

在污染底泥调查评估的基础上，针对污染底泥的种类和危害程度、污染治理和水质改善不同阶段的目标，进行分区、分类环保疏浚. 根据底泥化学分析结果，将底泥环保疏浚范围划分为营养盐污染疏浚区、重金属污染疏浚区、有毒有害有机物污染疏浚区和复合污染疏浚区. 针对仅含营养盐污染底泥，环保疏浚时可以采用绞吸挖泥船清淤或其他经济可行的底泥疏浚技术. 疏浚后的底泥经过脱水干化处理后，可用于农田、菜地、果园基肥，或用于道路、土建基土等资源化途径. 疏浚后的底泥堆场可结合周边的整体景观规划，建设成景观绿地或湿地.

针对重金属及有毒有害有机污染底泥，应采用先进的低扰动、高固含率的底泥疏浚技术进行疏浚，在运输过程中应采取严格的防泄漏措施，以避免重金属及有毒有害有机污染细颗粒物的扩散和底泥中污染物的解吸，对于含有易挥发性污染物的底泥应采取必要的防护措施，防止其中的挥发性物质向大气环境中逸出，从而减小底泥疏浚过程中的污染物释放风险及生态毒理风险. 重金属及有毒有害有机污染底泥的堆场应建在远离人类活动、不易发生地质灾害、远离水体的区域，同时要避免选址在地下水丰富的区域，以免对周围环境产生危害. 由于重金属及有毒有害有机污染底泥危害性较大，疏浚后的底泥不得用于农作物种植，而疏浚后的堆场应采取必要的土壤修复措施，从而快速地对堆场进行恢复.

6 . 2  污染底泥环保疏浚与区域生态修复一体化设计研究

环保疏浚方案的制订应注重生态理念的设计，强调环保疏浚与沉水植物恢复工程、湖滨带生态修复工程、生态堤岸建设工程等工程项目相衔接，主要体现在两个方面：①疏浚布局与水生态系统恢复相结合. 在确定疏浚范围和深度时，综合考虑水生植物生长的水深、光照、基底要求与立地条件，为沉水植物群落重建与水体生物多样性恢复创造适宜的生境. ②疏浚后底泥的处置与生态建设相结合. 底泥环保疏浚工程作为河湖生态环境综合治理工程的有机组成部分，在方案设计时应尽量结合河湖及其流域规划开展相关生态环境保护工程，将疏浚后重金属和有毒有害有机物含量较低的底泥用于滨水岸带生态修复、缓冲区的生态林、绿地建设，尽量做到取之流域、还之流域. 与生态恢复相结合的环保疏浚，既能清除河湖污染物，同时又为生态恢复创造条件，通过二者的紧密配合，实现区域水环境的改善.

6 . 3  污染底泥环保疏浚-浚后干化-处理处置与资源化的产业化研究

基于减量化、稳定化、无害化、资源化和产业化等原则，集成研发勘测鉴别、疏浚输送、脱水干化、处理处置和资源化有机结合的底泥环保疏浚成套技术. 根据流域特点和其他生态治理工程的规划进行技术筛选和集成，统筹规划、合理划分治理区片，综合考虑输送管路和处理场，进行工厂化处理和产业化运作.

6 . 4  污染底泥环保疏浚、处理和资源化全过程监管评估研究

针对底泥环保疏浚、处理处置和资源化利用过程中可能引起的生态风险，建立有毒有害与高氮磷污染底泥的多目标、多介质环境风险评估指标体系，指导底泥勘测鉴别、环保疏浚、底泥处理处置和资源化，规范工程监管措施，规范环保疏浚事前、事后评估评价体系. 主要包括疏浚工程设计阶段的“底泥质量评估指标体系构建”、施工阶段的“疏浚工程悬浮释放风险评估指标体系构建”、疏浚后的“疏浚工程效果评估指标体系构建”和底泥处理处置的“底泥处理处置、资源化利用风险评估指标体系构建”.

综上，底泥环保疏浚主要围绕设计阶段的精确疏浚、施工阶段的防止污染物扩散、疏浚后的效果评估以及浚后底泥的处理处置等环节开展工程措施，具有水质改善见效快、内源清除彻底、能够迅速增加河湖水体环境容量等优点，并且能为水生态系统的恢复创造条件. “十三五”期间应在分区、分类环保疏浚及处理处置、环保疏浚与区域生态修复一体化设计、环保疏浚-浚后干化-处理处置-资源化集成以及全过程监管评估等方面开展深入研究及推广应用.