黑臭流域环境底泥修复之传统及改良底泥原位覆盖技术

查看全部 · 发表于 2021-4-7 07:39:35

在场地修复实践中，人们通常根据污染场地暴露成因及风险来制定相应的修复目标。底泥原位覆盖技术常用于实现以下一种或多种修复目标，如：

通过隔离沉积物从而减少底泥间隙水中污染物的迁移释放以及对水生生物的直接暴露
通过防止底栖生物和底栖鱼类与底层污染沉积物的接触来保护水生生物群落

01

设计要素

底泥原位覆盖技术中，覆盖层的修复效率通常取决于覆盖层的厚度。一般情况下，覆盖层越厚，对近表面的的孔隙水浓度以及穿过覆盖层的污染物通量的控制效果越好。

此外，覆盖层的施工也是一项重要的设计要素。覆盖层的施工方式主要取决于覆盖材料的物理性质，覆盖位置，水体的流动特性，以及水体深度。一般情况下，会在水体扰动最小的区域，采用移动驳船表层撒布的施工方式，让覆盖材料通过重力作用自然沉降将底泥掩蔽。在其他情况下，亦可以采用机械设备倾倒的方式，或是水力喷射表层覆盖法，即利用高压水冲松泥沙形成泥浆，冲洗入水，使其自行沉降覆盖。

对于活性炭这类沉降性能较差的材料而言，是需要进行预湿处理以去除材料内空气来帮助减少其水中浮力的。在施工过程中，如果采用此类沉降性能较差的材料，或是遇到水体流速较快不利于施工的情况，可以考虑使用水下扩散器，蛤形或其他抓斗将覆盖材料带入水下释放，帮助其更好的完成覆盖。另外，使用土工织物包裹AquaGate一类的复合材料或其他活性复合材料进行覆盖，亦可以增加施工的可操作性。

一般情况下，这种土工织物是通过机械设备或潜水员进行水下覆盖的。这类包裹着活性覆盖材料的土工织物，例如Reactive Core Mat材料，在通常情况下覆盖材料容量较小，厚度也较薄。但如工程需要，也可以通过使用更厚的石龙材料以增大土工织物的覆盖材料容量，例如：Marine Mattress材料便是使用了这一技术。另外，铰接式砌块或其他防护垫，均可用来放置或包裹覆盖材料。

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图一：应用AquaGate复合材料进行原位覆盖

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图二：应用Reactive Core Mat进行活性原位覆盖

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图三：应用Marine mattress进行覆盖层施工

现实中，许多情况会降低传统覆盖层的修复效果，以下列举了一些情况。其中，当覆盖材料中含有类似于沙子的惰性材料时，修复效果降低的尤为明显。

当污染物不易被吸附，具有较高的迁移率时
当地下水的上升流或是潮泵效应造成间隙水内污染物迁移率的增加时
当污染物中存在易迁移的非水相液体时
当水体中一定速度的气泡扩散造成大量污染物迁移时
当污染物中存在高浓度的有毒物质时

当上述情况存在时，传统底泥原位覆盖技术中是不可行的，此时，改良原位覆盖技术可以更好的保护水体并且更少的影响水体本身。改良原位覆盖技术使用会与覆盖层或污染物反应的特殊材料，以改善污染物性质。这种使用其他材料以降低覆盖层厚度或增强覆盖层保护效果的方式，也经常被称为“活性”原位覆盖技术。

活性原位覆盖技术已经相对成熟，通过吸附以控制污染物渗透性或阻碍污染物迁移的修复效果，也已被业内认可。许多材料都可以在活性原位修复技术中使用。以下罗列了一些相对重要的改良材料以及材料性质的相关信息。

活性炭：可以有效地吸附底泥中的有机物。由于活性炭材料的浮力接近于中性，在底泥污染区域上覆盖活性炭的操作比较困难。而使用Reactive Core Mat，AquaGate 和SediMite可有效实现薄层覆盖。其中AquaGate可应用于粉末活性炭的投放。

磷灰石：一种可用于吸附土壤和底泥中的金属的天然矿物，可以通过动物骨头和骨类化石（如鱼骨）制成。磷灰石由不同形态的磷酸钙和多种常见的阴离子组成，如氟离子，氯离子，氢氧根，有时也包括碳酸根。这类矿物通过离子交换（矿物中的钙离子和底泥中的金属离子）或形成铅磷灰石沉淀（羟基磷灰石解离并沉淀底泥中的铅离子）来捕获底泥中的金属离子。

亲有机粘土：通过在粘土（如膨润土）表面掺杂阳离子表面活性剂制成。在覆盖层中使用这类粘土能形成一层疏水的，可吸附非极性有机物的吸附层。这种吸附层对非水相液体的控制非常有效。

低渗透性黏土：能有效地将地下水上升流导流至底泥污染区域之外，但在水下安装相对困难。膨润土防水毯，例如Bentonite CL, 是一种将膨润土包裹在防护垫中的技术。这种防护垫可用作低渗透性覆盖层，并且已经在一些底泥修复项目中得到了应用。目前市面上已经有能够直接将粘土放置在水体中的产品。AquaBlok是其中一种有效的底泥覆盖材料。这种材料是由聚合体中心（砂砾）与膨润土和矿物聚合物外壳，构成的覆盖材料。与底泥污染区域极少混合，渗透率约为10-9 cm/sec。

覆盖层设计所需资料

设计所需资料可参考关键场地特性资料页中的表格总结

02

评估过程

底泥原位覆盖的长期有效性评估必须考虑的因素包括地下水渗流，覆盖层侵蚀，边坡崩塌与深层生物扰动等。需要注意的是，覆盖的有效性是根据该区域的平均污染物水平进行评估的。

一般来说，覆盖层的短期效果并不显著。在安装覆盖层时经由覆盖材料产生的再悬浮底泥和浊度相对有限，并且可经由适当的覆盖层放置技术控制。

覆盖层安装迅速容易，因此可立即形成干净的底泥表面。快速的成型过程是该技术的显著优势，因为比起自然衰减或疏浚，底泥原位覆盖通常可以在更短的时间内达到减少风险的目的。然而，长期的成功取决于覆盖层是否能够持续控制污染物的迁移扩散。除了一些土质松软，易悬浮的底泥，可能需要薄层浇筑之外，覆盖层施工几乎不受场地条件影响。

底泥原位覆盖技术的一个显着优点是其成本效益。相较于底泥异位处理而言，原位覆盖技术不需要考虑底泥处理与废物处理的费用。

03

监测

为了使覆盖层实现其预期目标，必须满足以下准则：

覆盖层必须正确放置，并由施工监测进行评估
覆盖层必须保持在正确的位置以便持续达到修复目标，并评估长期覆盖层的完整性（修复后监测）
覆盖层必须通过化学和风险监测来实现长期绩效目标（修复后有效性监测）

目标	方法
目标	化学	物理	生物
施工阶段
确定是否满足修复技术或建设的既定的性能指标	使用浊度与总悬浮固体估算底泥再悬浮的可能性	评估覆盖物合适的厚度与组成 (例如有机碳)	调查底栖动物
修复后监测
确定修复是否成功降低关注污染物在底泥的移动性（因而进一步降低近表层的关注污染物浓度）至修复决策文件决定的可接受水平（修复动作目标,RAO），同时并确定覆盖层的厚度、组成与修复效果是否可接受。	普通化学; 地球化学; 关注污染物浓度分析	水深测量;8 Y' f: t* ~3 L" {* W, c 高解析声学调查; 极化, 探测,浅地层剖面分析, 取心	调查底栖动物
确定污染物通量与近表层污染物浓度是否低到足以保护表层底泥、底栖生物与上覆水。鱼类组织中的污染物水平需满足（或预计在建立的时程内满足）修复动作目标以保护人类的健康以及食用鱼类维生的鸟类和哺乳类。	普通化学、地球化学 0 x$ K* D. ?; q1 b( y2 M. O" K& `- y 关注污染物浓度分析	水深测量;8 J6 ~& y3 ~7 L8 m: P' u7 d 极化, 探测,浅地层剖面分析, 取心	调查底栖动物