海洋论坛▏海洋沉积物修复技术进展及发展方向初探

刘大海等溪流之海洋人生 2021-09-20

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海洋沉积物是海洋底部堆积的不同性质和来源的生物或矿物的碎屑物质，面积约为3.5 亿km²，是地球上面积最大的覆盖层，构成了地球空间覆盖中最大的单一生态系统，在全球生物地球化学循环中占有重要地位，与人类社会生活也息息相关。本研究针对新出现的海洋沉积物污染问题进行了初步研究，并对其进展和发展方向进行探索，以期为该问题的预防和解决提供借鉴。

一、我国海洋沉积物及污染概况

近年来我国城市化、工业化快速发展，排入海洋中的污染物日益增多，对海洋生态系统造成了巨大的威胁。据统计，2015年我国典型海洋生态系统86％处于亚健康和不健康状态，近岸海域环境污染形势严峻。更为严重的是，由于海洋沉积作用，污染物最终在海洋沉积物中富集，使其成为地球上藏污纳垢的最终场所。如2011年6月，隶属于康菲公司的蓬莱19-3油田发生的两起重大溢油事故，不仅造成6200km²的海域海水污染，还致使1600km²沉积物污染，沉积物中石油类含量最大超标71倍，影响范围涉及辽宁、河北、天津、山东等多个省市。

海洋沉积物一旦遭受污染，将直接导致其生态环境的恶化，威胁海底生物的生存。此外，由于沉积物与底层海水之间的交换作用，还存在对海洋产生二次污染的潜在危险。沉积物能够累积各种有毒有害物质，由于其毒性以及在生物体内的累积作用，能够引起严重生态问题。近年来由于珠江口海域沉积物中铜的含量升高，中华白海豚死亡数量逐年增加，2006～2015年有记录的年均死亡数近14头，整体生存状况堪忧。

因此，在日益重视海洋生态环境问题的同时，不可忽视海洋沉积物所遭受或面临的污染。根据《中国海洋环境状况公报》，近年来我国管辖海域沉积物质量状况总体良好。但不可忽视的是，由于陆源污染物的大量排海，各入海排污口及临近海域的沉积物遭受到严重污染（如表1）。排污口沉积物质量不达标（排污口邻近海域沉积物质量不能满足所在海洋功能区沉积物质量要求）的约占1/3，且主要污染物种类由2010年的3类增加到2015年的7类。

表1 2010～2015年入海排污口海洋沉积物监测数据

年份	入海排污口 /个	不达标排污口 /个	海洋沉积物主要污染物
2010	100	36	铜、石油类和镉
2011	86	30	石油类、铜和铬
2012	84	25	石油类、镉、汞和粪大肠菌群
2013	91	32	石油类、镉、铜、铅和粪大肠菌群
2014	94	31	石油类、铜、铬、汞、镉、硫化物和粪大肠菌群
2015	93	32	石油类、铜、铬、汞、镉、硫化物和粪大肠菌群

二、海洋沉积物污染修复方法

目前，沉积物修复技术尚在发展中，尤其是国内海洋沉积物污染治理尚无大规模、常态化工程案例。本研究总结归纳了淡水、海水沉积物及部分土壤修复的技术方法，并对其进行海洋适用性探讨，以期为海洋沉积物修复提供借鉴和思路。

沉积物修复按修复地点可分为原位修复和异位修复，按修复机理可分为物理修复、化学修复、生物修复等。本研究主要从修复机理方面概述沉积物修复技术方法。

⒈ 物理修复

物理修复通常采用工程技术，直接或间接消除沉积物中的污染物，一般包括覆盖修复、疏浚修复和底泥曝气修复等。

⑴覆盖修复

覆盖修复的原理是利用覆盖材料物理性地将污染的沉积物与上覆水体隔离，以阻止其再悬浮或迁移，减少沉积物中污染物的释放通量。传统意义上的覆盖修复大多使用无污染的中性材料，如沙子、淤泥、粘土或碎石片等，并己经在河道、近海、河口区域开展过大规模工程化应用，如日本Kihama湖（细沙覆盖）和Akanoi海湾（细沙覆盖）、美国Eagle海湾（沙性沉积物）、Denny海湾（沙性沉积物）、塔科马港（沙性沉积物）、Sheboygan 河（含石块的沙层）、Manistique河（塑料衬垫）、Stlawren河（沙、砂砾、砾石）、Hamilton海港（沙子）、挪威Eitrheim 海湾（土工织物和篾筐）等在20世纪90年代都有采用覆盖法治理沉积物污染的工程实例。

而近年来新发展的利用活性炭或含活性炭的材料作为覆盖层，除了能够隔离污染物外，还能主动吸附污染物，更有效地防止污染物释放到水体中或被海底生物吸收。该技术将活性炭单独或与沙、土等材料混合，作为薄覆盖层覆盖在沉积物上方，修复对象基本集中在有机污染物上。2011年，挪威特隆赫姆港通过现场试验研究不同覆盖层对PAH污染沉积物的吸附效果，发现“活性炭+黏土”作为覆盖层对PAH的吸收量达60%。

采用覆盖法修复海洋沉积物污染，尽管操作简单，可以进行大规模应用，但由于该方法对底栖生物活动干扰很大，且由于污染物依然存在于海洋系统中，因此该方法非长久之计。

⑵疏浚修复

疏浚修复，或称挖泥修复，一般采用机械方法直接将污染源清除。国内海洋沉积物疏浚一般限于港池和航道疏浚，且主要目的是为了改善船舶通航条件，而河流、湖泊、水库等内陆水体底泥疏浚已有大规模的使用，如天津临港经济区为减轻渤海近岸污染，2015年投入2.19亿元启动大沽排污河综合整治工程，包括河道底泥的疏浚清淤和异地深化处理等流程，至2016年6月，大沽排污河综合整治工程完成90%。

疏浚修复费用高，但能够通过转移快速减少污染物的含量，多用于沉积物遭受严重污染的情况，由于对沉积物中的生物群落及其功能影响较大，一般需要联合其他修复技术才能达到修复目的。

⑶底泥曝气修复

底泥曝气与常规水体曝气技术相似，通过向沉积物中人工增氧，控制沉积物中含N、P、H2S等污染物的释放。底泥曝气不仅能提高沉积物或底层水体中溶解氧的含量，还能形成由水体底部到表层的水流，将营养盐从底部带到中上部水体。目前，底泥曝气技术仅在河流沉积物修复中有相关研究，如李大鹏等研究发现底泥曝气有利于去除河道底泥中的高锰酸盐指数，并使其在较长时间内保持较低水平，对总磷的去除效果最佳。刘波等通过试验研究发现，底泥曝气对消除河道中的含氮污染物的作用明显。

尽管底泥曝气在海洋沉积物修复中尚无应用实例，但考虑到某些海域沉积物营养盐、硫化物等污染严重，且海水、淡水曝气技术已广泛应用，因此通过底泥曝气改善海水水体及底层沉积物质量具有一定可行性。

⒉ 化学修复

化学修复是指向沉积物中加入化学试剂，使其与污染物发生氧化、还原、沉淀、聚合等反应，使污染物分离出来或降解转化成低毒甚至无毒的化学状态。

沉积物化学修复技术投放剂量难以控制，有的试剂还会造成水体和沉积物二次污染，因此一般只做应急措施，到目前为止在海洋沉积物修复中很少有应用。在土壤或河道污泥治理中，化学修复技术的应用相对成熟，包括淋洗法、底泥固化法、电动修复法、玻璃化法等。

⑴淋洗法

淋洗法可以分为原位淋洗和异位淋洗，其中原位淋洗一般是将淋洗剂掺入或注入沉积物中，促使污染物溶出，然后将含有污染物的溶液抽出，进行深度处理。该方法关键在于高效淋洗剂的使用，常用的主要有酸、碱、表面活性剂、植物油和EDTA 络合剂等。

目前，淋洗法主要应用于土壤和河流底泥等的修复，操作方便，效率高，可以处理重金属、石油类及持久性有机污染物等多类污染物。国外已发展到工程应用阶段，在我国尚无应用实例，基本处于研究阶段。据报道，在实验室条件下利用极强氧化性的羟基自由基与过硫酸盐作为氧化剂，对河流有机污染物和重金属进行异位淋洗，8h即可把河流除臭，并可将80%的有机污染物去除。

⑵底泥固定法

底泥固定法是指向底泥中投加化学固定剂，如氯化铁、硫酸铝、氯化钙等，产生絮凝沉淀作用，使污染物固定在底泥中。采用底泥固定法，沉积物依然保留在底泥中，很可能因底泥环境变化而进入水体，因此常需要联合采用疏浚法一起彻底清除污染物。该方法常用于修复景观水体底泥污染，但由于固定剂可能污染水体，使用风险较大。

⑶电动修复法

电动修复技术是通过在污染沉积物介质上施加直流电压形成电场，以驱使介质中带电荷的污染物向反向电极进行定向迁移，并通过对溶液收集和处理，减少沉积物中的污染物[22]。电动修复法最早由Acar提出，用来去除土壤中的污染物，可修复的污染物主要包括：重金属、放射性物质、毒性阴离子、重质非水相液体、氰化物、石油系碳氢化合物、爆炸性物质、混合有机离子化污染物、卤化碳氢化合物、非卤化有机污染物、多环芳香碳氢化合物等。

目前，电动修复技术在国外土壤修复实践中已有为数不多的工程案例。在国内尚无成功工程应用案例，近年来对我国电动修复土壤的研究已取得了阶段性突破[25]。在海洋沉积物的电动修复方面，国内暂没有相关研究，国外仅在实验室条件研究不同因素（如通电电压、电流、电极区域溶液、络合剂、通电时间等）对沉积物样品中重金属的修复效果。

⑷玻璃化法

玻璃化法一般用于疏浚底泥或土壤的有机污染物或重金属修复，对底泥或土壤进行高温处理（1600～2000 ℃），有机污染物或部分无机物挥发或热解去除，重金属及其他物质被固定化。玻璃化法最早于20世纪80年代在美国应用，90年代后，在美国、日本和欧洲等地区持久性有毒污染物（PTS）污染底泥修复中得到广泛应用。玻璃化法修复效果好，但极易对环境造成二次污染，因此需谨慎使用。

⒊ 生物修复

生物修复是指利用生物体的代谢活动将存在于沉积物中的污染物降解为CO₂和H₂O或其他无毒无害的物质，从而恢复沉积物正常的生态环境。生物修复按主体可分为微生物修复、植物修复、植物-微生物修复等。

⑴植物修复

植物修复指利用植物对污染物的忍耐性和超量累积特性，吸收、分解、转化或固定沉积物中的有害污染物的技术，以达到部分或完全修复的目的，一般通过以下3 种途径实现：一是直接吸收污染物，并将其转运到植物其他部位或分解成非毒性产物；二是通过根系分泌物（包括酶），与污染物发生生化反应降解污染物；三是通过植物与根际微生物联合作用降解污染物。植物修复适用于污染范围广、污染物浓度低的区域，用于修复的植物有藻类植物、草本植物、木本植物等。

目前，河道、湖泊等陆地水体沉积物植物修复的研究比较成熟，如利用黑麦草、高羊茅草、玉米作为修复植物修复河道底泥有机污染物，利用柳树和西洋接骨木修复疏浚底泥。海洋沉积物植物修复技术的研究与实践基本限于潮间带或湿地，研究发现生长在潮间带的红树植物对重金属、营养盐和有机污染物有较好的耐受性，能够通过根系吸收富集污染物，达到修复目的。

利用植物的耐受性和富集性修复沉积物污染，具有成本低、易操作、环境干扰小等优势，但也存在一定缺陷，如针对不同污染情况需要选用不同生物，只适用处理轻度污染的情况，修复速度较慢，累积植物的再处理技术复杂等。

⑵微生物修复

微生物修复指利用沉积物环境中的土著微生物或人工培养的功能微生物群，通过创造适宜的环境条件，促进其代谢功能，从而降解或消除污染物的修复技术。通过微生物来源将微生物修复分为3种途径：一是利用沉积物中土著微生物的代谢功能，二是活化土著微生物分解能力，三是实验室培养特定的微生物。微生物修复最早应用于海洋溢油处理，随后在土壤、沉积物有机污染物的修复中得到广泛应用，并扩展到无机污染物的修复。微生物主要通过两种途径修复有机污染物，一是通过分泌胞外酶降解污染物，二是将污染物吸收，通过胞内酶降解。微生物修复重金属污染的原理主要包括生物富集和生物转化。前者指微生物通过胞外络合、沉淀以及胞内积累等途径将重金属富集在体内，以减少沉积物中的重金属含量；后者指微生物通过生物氧化和还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解转化重金属。

微生物修复在海洋沉积物污染治理中的研究或应用，一般见于石油类污染物的修复。如陈小睿从入海口沉积物中分离出石油烃降解菌进行模拟修复实验，发现添加鼠李糖脂、无机营养盐、接种高效混合菌剂及同时添加无机营养盐和接种高效混合菌剂对沉积物中石油烃的降解率分别为62.66%、69.92%、64.79%和79.02%。王丽娜从近海筛选出长期受石油污染区域的高效石油烃降解菌株，从实验室到现场进行了完整的微生物修复实验。对比了不同环境条件下降解菌的降解效果，发现表面活性剂菌株Bbai^-1和营养盐实验池中的降解菌降解效果最佳。同时，在滩涂和海底现场试验中发现，利用沸石吸附微生物修复菌剂，再进行现场投放的方法具有良好的可操作性。

⑶植物-微生物联合修复

植物-微生物联合修复指植物与某些特定微生物协同作用，吸收和降解沉积物中的污染物，达到修复目的。植物根系能够为微生物生长提供碳源、氮源及生活场所，并通过根系分泌物提高微生物对污染物的降解活性。同时，微生物对污染物的降解，能够有效促进植物生长，从而相互作用促进污染物的降解和转化。

利用植物-微生物联合修复技术在土壤修复中的研究和应用较为广泛，在滩涂或潮间带有地区有翅碱蓬、红树等植物与微生物联合修复的研究，如高世珍等通过研究潮间带地区翅碱蓬和PCBs特异降解菌对多氯联苯污染沉积物的联合修复，发现种植翅碱蓬可能显著提高根系微生物数量，促进PCBs的降解。

⒋ 沉积物修复技术的海洋适用性

目前，我国海洋沉积物修复技术与国外尚有一定差距，与其它领域沉积物修复技术也有较大差距。在此情况下，综合考虑海洋特殊理化环境，借鉴其他领域的经验方法是未来海洋沉积物修复技术发展有效途径之一。

物理修复技术在修复工程量大、污染严重的海域具有显著优势。如在港池、航道、油气开采区等重污染海域进行疏浚修复，可以在短时间内移除污染物。此外，辅以含活性炭等新型材料的“覆盖+吸附”模式，配合疏浚工程，可进一步提高污染物的去除效果。由于对海底生物生活环境影响极大，覆盖和疏浚工程适用于沉积物遭受严重污染的海域。而底泥曝气修复在海水养殖区有较大的应用潜力，能够有效解决底泥中因营养物质过剩引起的海底缺氧问题。

化学修复是一种高效的修复方式，但化学试剂选用或使用不当，很容易引起水体二次污染，因此应谨慎应用。目前国内研究相对较少，今后高效、无污染的试剂研发将是化学修复技术的重要课题之一。

生物修复是一种生态环保型的修复方式，目前在海底区域尚无研究或应用实例，由于生物修复缓慢且生物对污染物的耐性有一定限值，因此该方法仅适用于轻微污染的情况。在未来，培育大型海底藻类植物、选育高效降解菌、研究转基因植物或微生物等将是生物修复技术发展的有效途径。

三、海洋沉积物修复技术发展方向展望

近岸海域是海洋事业发展的宝贵空间，作为海洋生态修复的重要组成部分，未来近岸海洋沉积物具有重大的修复需求，其修复技术和工程应用也面临考验。基于此，本研究从以下几方面对我国海洋沉积物修复的发展方向进行初探。

⒈ 修复技术从研究走向工程应用

目前，我国沿海地区经济社会发展高度依赖海洋，海洋环境对我国海洋强国建设和经济可持续发展的重要性不言而喻，未来海洋开发和利用必须对海洋生态系统实施有效保护和积极修复。海洋沉积物修复研究在国内外已开展多年，目前能达到实际应用的成熟技术很少。2015年，国家海洋局提出实施“蓝色海湾”综合治理工程，利用污染防治、生态修复等多种手段改善16个污染严重的重点海湾和50个沿海城市毗邻重点小海湾的生态环境质量。作为海洋生态的重要组成部分，海洋沉积物修复也将会是海湾治理的重要工作之一，因此未来海洋沉积物修复的首要任务是加强沉积物污染机理、修复技术的研究，比如海底污染物的迁移、扩散和沉积规律以及污染物消除机理等，着力推进修复技术在工程实践中的应用，保证修复技术安全、有效，并降低修复费用。

⒉ 修复工程实现大型化和规模化

由于海水流动性强，污染物在海水中扩散范围广，使海水及底部沉积物污染面积扩大。尤其是近岸的海湾、河流入海口及人类活动密集的地区，海洋沉积物污染通常比较严重且分布较为广泛。据“我国近海海洋综合调查与评价”专项调查成果，我国仅海湾面积就达27760.58km²，其污染修复挑战巨大。因此，海洋沉积物还面临着修复面积广、修复工作量大的难题，这要求修复工程一定要实现大型化和规模化，提高修复效率，缩短修复时间。

⒊ 推动联合修复技术的应用

海洋沉积物污染修复技术实践表明，常规的单一修复技术很难从根本上有效解决沉积物污染问题，一般来说物理修复方法见效快但投入费用高，化学修复方法效果显著但容易造成二次污染，生物修复方法成本低、无污染，但见效慢。因此，在物理、化学及生物等各个方向进行深入研究的同时，还应有效利用各类修复方法的优势，扬长避短，提高修复效率和效果。同时，由于沉积物中通常多种污染物并存，采用联合修复技术还能够达到同时有效消除多种污染物的目的。

联合修复技术将应用物理、化学和生物修复技术，应解决二个关键问题，一是要研究有效化学试剂或高效降解菌，二是要保证污染物能够充分参与反应。除此之外，多种技术的高效聚合方式也是应解决的重要问题之一。

⒋ 严格控制二次污染

大量研究和实践表明，传统的物理、化学修复方法常会造成沉积物或海水水体的二次污染，如采用淋洗法或底泥固定法，化学淋洗剂、固定剂等可能会直接污染海水环境；采用覆盖法，沉积物再悬浮导致污染物扩散到水体中会造成环境再次污染；采用疏浚修复，疏浚沉积物的再处理不当，也容易造成二次污染等。因此，未来海洋沉积物修复技术的研究和应用要标本兼治，既达到沉积物修复目的，又不影响其他生态系统的环境质量。

四、结语

海洋沉积物污染往往来自海水污染，同时又反作用于海水环境，且一旦遭受严重污染，将逐渐导致海洋环境服务功能和可持续利用功能衰退。由于海底生态系统自我修复能力较差，再加上近年来陆源污染物排海及海上船舶航行、油气开采等溢油问题突出，致使海洋沉积物质量面临形势日益严峻。因此，现阶段加快发展高效、无污染的修复技术具有重要的生态、社会和经济意义。

我国修复技术较发达国家尚有一定差距，在未来应着力推进修复技术实现“实用化、大型化、规模化”，以缓解近岸海域承受的环境压力。此外，在探讨加快发展修复技术的同时，更应从源头对排海污染物进行预防和治理，以减轻沉积物修复的难度与压力。

【作者简介】文/刘大海李彦平李铁刚刘芳明，均来自国家海洋局第一海洋研究所；第一作者刘大海，男，1983年出生，助理研究员，博士，主要从事海洋环境保护支撑技术研究方面研究；本文为基金项目，海洋公益性行业科研专项经费项目（201505001，201405025）；本文来自《环境科学与技术》（2017年第S1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。