海洋沉積物修復技術進展及發展方向初探

海洋沉積物是海洋底部堆積的不同性質和來源的生物或礦物的碎屑物質，面積約為3.5億km2，是地球上面積最大的覆蓋層，構成了地球空間覆蓋中最大的單一生態系統，在全球生物地球化學循環中佔有重要地位，與人類社會生活也息息相關。本研究針對新出現的海洋沉積物污染問題進行了初步研究，並對其進展和發展方向進行探索，以期為該問題的預防和解決提供借鑒。

一、我國海洋沉積物及污染概況

近年來我國城市化、工業化快速發展，排入海洋中的污染物日益增多，對海洋生態系統造成了巨大的威脅。據統計，2015年我國典型海洋生態系統86％處於亞健康和不健康狀態，近岸海域環境污染形勢嚴峻。更為嚴重的是，由於海洋沉積作用，污染物最終在海洋沉積物中富集，使其成為地球上藏污納垢的最終場所。如2011年6月，隸屬於康菲公司的蓬萊19-3油田發生的兩起重大溢油事故，不僅造成6200km2的海域海水污染，還致使1600km2沉積物污染，沉積物中石油類含量最大超標71倍，影響範圍涉及遼寧、河北、天津、山東等多個省市。

海洋沉積物一旦遭受污染，將直接導致其生態環境的惡化，威脅海底生物的生存。此外，由於沉積物與底層海水之間的交換作用，還存在對海洋產生二次污染的潛在危險。沉積物能夠累積各種有毒有害物質，由於其毒性以及在生物體內的累積作用，能夠引起嚴重生態問題。近年來由於珠江口海域沉積物中銅的含量升高，中華白海豚死亡數量逐年增加，2006～2015年有記錄的年均死亡數近14頭，整體生存狀況堪憂。

因此，在日益重視海洋生態環境問題的同時，不可忽視海洋沉積物所遭受或面臨的污染。根據《中國海洋環境狀況公報》，近年來我國管轄海域沉積物質量狀況總體良好。但不可忽視的是，由於陸源污染物的大量排海，各入海排污口及臨近海域的沉積物遭受到嚴重污染（如表1）。排污口沉積物質量不達標（排污口鄰近海域沉積物質量不能滿足所在海洋功能區沉積物質量要求）的約佔1/3，且主要污染物種類由2010年的3類增加到2015年的7類。

表12010～2015年入海排污口海洋沉積物監測數據

二、海洋沉積物污染修復方法

目前，沉積物修復技術尚在發展中，尤其是國內海洋沉積物污染治理尚無大規模、常態化工程案例。本研究總結歸納了淡水、海水沉積物及部分土壤修復的技術方法，並對其進行海洋適用性探討，以期為海洋沉積物修復提供借鑒和思路。

沉積物修復按修復地點可分為原位修復和異位修復，按修復機理可分為物理修復、化學修復、生物修復等。本研究主要從修復機理方面概述沉積物修復技術方法。

⒈ 物理修復

物理修復通常採用工程技術，直接或間接消除沉積物中的污染物，一般包括覆蓋修復、疏浚修復和底泥曝氣修復等。

⑴覆蓋修復

覆蓋修復的原理是利用覆蓋材料物理性地將污染的沉積物與上覆水體隔離，以阻止其再懸浮或遷移，減少沉積物中污染物的釋放通量。傳統意義上的覆蓋修復大多使用無污染的中性材料，如沙子、淤泥、粘土或碎石片等，並己經在河道、近海、河口區域開展過大規模工程化應用，如日本Kihama湖（細沙覆蓋）和Akanoi海灣（細沙覆蓋）、美國Eagle海灣（沙性沉積物）、Denny海灣（沙性沉積物）、塔科馬港（沙性沉積物）、Sheboygan河（含石塊的沙層）、Manistique河（塑料襯墊）、Stlawren河（沙、砂礫、礫石）、Hamilton海港（沙子）、挪威Eitrheim海灣（土工織物和篾筐）等在20世紀90年代都有採用覆蓋法治理沉積物污染的工程實例。

而近年來新發展的利用活性炭或含活性炭的材料作為覆蓋層，除了能夠隔離污染物外，還能主動吸附污染物，更有效地防止污染物釋放到水體中或被海底生物吸收。該技術將活性炭單獨或與沙、土等材料混合，作為薄覆蓋層覆蓋在沉積物上方，修復對象基本集中在有機污染物上。2011年，挪威特隆赫姆港通過現場試驗研究不同覆蓋層對PAH污染沉積物的吸附效果，發現「活性炭+黏土」作為覆蓋層對PAH的吸收量達60%。

採用覆蓋法修復海洋沉積物污染，儘管操作簡單，可以進行大規模應用，但由於該方法對底棲生物活動干擾很大，且由於污染物依然存在於海洋系統中，因此該方法非長久之計。

⑵疏浚修復

疏浚修復，或稱挖泥修復，一般採用機械方法直接將污染源清除。國內海洋沉積物疏浚一般限於港池和航道疏浚，且主要目的是為了改善船舶通航條件，而河流、湖泊、水庫等內陸水體底泥疏浚已有大規模的使用，如天津臨港經濟區為減輕渤海近岸污染，2015年投入2.19億元啟動大沽排污河綜合整治工程，包括河道底泥的疏浚清淤和異地深化處理等流程，至2016年6月，大沽排污河綜合整治工程完成90%。

疏浚修復費用高，但能夠通過轉移快速減少污染物的含量，多用於沉積物遭受嚴重污染的情況，由於對沉積物中的生物群落及其功能影響較大，一般需要聯合其他修復技術才能達到修複目的。

⑶底泥曝氣修復

底泥曝氣與常規水體曝氣技術相似，通過向沉積物中人工增氧，控制沉積物中含N、P、H2S等污染物的釋放。底泥曝氣不僅能提高沉積物或底層水體中溶解氧的含量，還能形成由水體底部到表層的水流，將營養鹽從底部帶到中上部水體。目前，底泥曝氣技術僅在河流沉積物修復中有相關研究，如李大鵬等研究發現底泥曝氣有利於去除河道底泥中的高錳酸鹽指數，並使其在較長時間內保持較低水平，對總磷的去除效果最佳。劉波等通過試驗研究發現，底泥曝氣對消除河道中的含氮污染物的作用明顯。

儘管底泥曝氣在海洋沉積物修復中尚無應用實例，但考慮到某些海域沉積物營養鹽、硫化物等污染嚴重，且海水、淡水曝氣技術已廣泛應用，因此通過底泥曝氣改善海水水體及底層沉積物質量具有一定可行性。

⒉ 化學修復

化學修復是指向沉積物中加入化學試劑，使其與污染物發生氧化、還原、沉澱、聚合等反應，使污染物分離出來或降解轉化成低毒甚至無毒的化學狀態。

沉積物化學修復技術投放劑量難以控制，有的試劑還會造成水體和沉積物二次污染，因此一般只做應急措施，到目前為止在海洋沉積物修復中很少有應用。在土壤或河道污泥治理中，化學修復技術的應用相對成熟，包括淋洗法、底泥固化法、電動修復法、玻璃化法等。

⑴淋洗法

淋洗法可以分為原位淋洗和異位淋洗，其中原位淋洗一般是將淋洗劑摻入或注入沉積物中，促使污染物溶出，然後將含有污染物的溶液抽出，進行深度處理。該方法關鍵在於高效淋洗劑的使用，常用的主要有酸、鹼、表面活性劑、植物油和EDTA絡合劑等。

目前，淋洗法主要應用於土壤和河流底泥等的修復，操作方便，效率高，可以處理重金屬、石油類及持久性有機污染物等多類污染物。國外已發展到工程應用階段，在我國尚無應用實例，基本處於研究階段。據報道，在實驗室條件下利用極強氧化性的羥基自由基與過硫酸鹽作為氧化劑，對河流有機污染物和重金屬進行異位淋洗，8h即可把河流除臭，並可將80%的有機污染物去除。

⑵底泥固定法

底泥固定法是指向底泥中投加化學固定劑，如氯化鐵、硫酸鋁、氯化鈣等，產生絮凝沉澱作用，使污染物固定在底泥中。採用底泥固定法，沉積物依然保留在底泥中，很可能因底泥環境變化而進入水體，因此常需要聯合採用疏浚法一起徹底清除污染物。該方法常用於修復景觀水體底泥污染，但由於固定劑可能污染水體，使用風險較大。

⑶電動修復法

電動修復技術是通過在污染沉積物介質上施加直流電壓形成電場，以驅使介質中帶電荷的污染物向反向電極進行定向遷移，並通過對溶液收集和處理，減少沉積物中的污染物[22]。電動修復法最早由Acar提出，用來去除土壤中的污染物，可修復的污染物主要包括：重金屬、放射性物質、毒性陰離子、重質非水相液體、氰化物、石油系碳氫化合物、爆炸性物質、混合有機離子化污染物、鹵化碳氫化合物、非鹵化有機污染物、多環芳香碳氫化合物等。

目前，電動修復技術在國外土壤修復實踐中已有為數不多的工程案例。在國內尚無成功工程應用案例，近年來對我國電動修復土壤的研究已取得了階段性突破[25]。在海洋沉積物的電動修復方面，國內暫沒有相關研究，國外僅在實驗室條件研究不同因素（如通電電壓、電流、電極區域溶液、絡合劑、通電時間等）對沉積物樣品中重金屬的修復效果。

⑷玻璃化法

玻璃化法一般用於疏浚底泥或土壤的有機污染物或重金屬修復，對底泥或土壤進行高溫處理（1600～2000℃），有機污染物或部分無機物揮發或熱解去除，重金屬及其他物質被固定化。玻璃化法最早於20世紀80年代在美國應用，90年代後，在美國、日本和歐洲等地區持久性有毒污染物（PTS）污染底泥修復中得到廣泛應用。玻璃化法修復效果好，但極易對環境造成二次污染，因此需謹慎使用。

⒊ 生物修復

生物修復是指利用生物體的代謝活動將存在於沉積物中的污染物降解為CO2和H2O或其他無毒無害的物質，從而恢復沉積物正常的生態環境。生物修復按主體可分為微生物修復、植物修復、植物-微生物修復等。

⑴植物修復

植物修復指利用植物對污染物的忍耐性和超量累積特性，吸收、分解、轉化或固定沉積物中的有害污染物的技術，以達到部分或完全修復的目的，一般通過以下3種途徑實現：一是直接吸收污染物，並將其轉運到植物其他部位或分解成非毒性產物；二是通過根系分泌物（包括酶），與污染物發生生化反應降解污染物；三是通過植物與根際微生物聯合作用降解污染物。植物修復適用於污染範圍廣、污染物濃度低的區域，用於修復的植物有藻類植物、草本植物、木本植物等。

目前，河道、湖泊等陸地水體沉積物植物修復的研究比較成熟，如利用黑麥草、高羊茅草、玉米作為修復植物修復河道底泥有機污染物，利用柳樹和西洋接骨木修復疏浚底泥。海洋沉積物植物修復技術的研究與實踐基本限於潮間帶或濕地，研究發現生長在潮間帶的紅樹植物對重金屬、營養鹽和有機污染物有較好的耐受性，能夠通過根系吸收富集污染物，達到修複目的。

利用植物的耐受性和富集性修復沉積物污染，具有成本低、易操作、環境干擾小等優勢，但也存在一定缺陷，如針對不同污染情況需要選用不同生物，只適用處理輕度污染的情況，修復速度較慢，累積植物的再處理技術複雜等。

⑵微生物修復

微生物修復指利用沉積物環境中的土著微生物或人工培養的功能微生物群，通過創造適宜的環境條件，促進其代謝功能，從而降解或消除污染物的修復技術。通過微生物來源將微生物修復分為3種途徑：一是利用沉積物中土著微生物的代謝功能，二是活化土著微生物分解能力，三是實驗室培養特定的微生物。微生物修復最早應用于海洋溢油處理，隨後在土壤、沉積物有機污染物的修復中得到廣泛應用，並擴展到無機污染物的修復。微生物主要通過兩種途徑修復有機污染物，一是通過分泌胞外酶降解污染物，二是將污染物吸收，通過胞內酶降解。微生物修復重金屬污染的原理主要包括生物富集和生物轉化。前者指微生物通過胞外絡合、沉澱以及胞內積累等途徑將重金屬富集在體內，以減少沉積物中的重金屬含量；後者指微生物通過生物氧化和還原、甲基化與去甲基化以及重金屬的溶解和有機絡合配位降解轉化重金屬。

微生物修復在海洋沉積物污染治理中的研究或應用，一般見於石油類污染物的修復。如陳小睿從入海口沉積物中分離出石油烴降解菌進行模擬修復實驗，發現添加鼠李糖脂、無機營養鹽、接種高效混合菌劑及同時添加無機營養鹽和接種高效混合菌劑對沉積物中石油烴的降解率分別為62.66%、69.92%、64.79%和79.02%。王麗娜從近海篩選出長期受石油污染區域的高效石油烴降解菌株，從實驗室到現場進行了完整的微生物修復實驗。對比了不同環境條件下降解菌的降解效果，發現表面活性劑菌株Bbai-1和營養鹽實驗池中的降解菌降解效果最佳。同時，在灘涂和海底現場試驗中發現，利用沸石吸附微生物修復菌劑，再進行現場投放的方法具有良好的可操作性。

⑶植物-微生物聯合修復

植物-微生物聯合修復指植物與某些特定微生物協同作用，吸收和降解沉積物中的污染物，達到修複目的。植物根系能夠為微生物生長提供碳源、氮源及生活場所，並通過根系分泌物提高微生物對污染物的降解活性。同時，微生物對污染物的降解，能夠有效促進植物生長，從而相互作用促進污染物的降解和轉化。

利用植物-微生物聯合修復技術在土壤修復中的研究和應用較為廣泛，在灘涂或潮間帶有地區有翅鹼蓬、紅樹等植物與微生物聯合修復的研究，如高世珍等通過研究潮間帶地區翅鹼蓬和PCBs特異降解菌對多氯聯苯污染沉積物的聯合修復，發現種植翅鹼蓬可能顯著提高根系微生物數量，促進PCBs的降解。

⒋ 沉積物修復技術的海洋適用性

目前，我國海洋沉積物修復技術與國外尚有一定差距，與其它領域沉積物修復技術也有較大差距。在此情況下，綜合考慮海洋特殊理化環境，借鑒其他領域的經驗方法是未來海洋沉積物修復技術發展有效途徑之一。

物理修復技術在修復工程量大、污染嚴重的海域具有顯著優勢。如在港池、航道、油氣開採區等重污染海域進行疏浚修復，可以在短時間內移除污染物。此外，輔以含活性炭等新型材料的「覆蓋+吸附」模式，配合疏浚工程，可進一步提高污染物的去除效果。由於對海底生物生活環境影響極大，覆蓋和疏浚工程適用於沉積物遭受嚴重污染的海域。而底泥曝氣修復在海水養殖區有較大的應用潛力，能夠有效解決底泥中因營養物質過剩引起的海底缺氧問題。

化學修復是一種高效的修復方式，但化學試劑選用或使用不當，很容易引起水體二次污染，因此應謹慎應用。目前國內研究相對較少，今後高效、無污染的試劑研發將是化學修復技術的重要課題之一。

生物修復是一種生態環保型的修復方式，目前在海底區域尚無研究或應用實例，由於生物修復緩慢且生物對污染物的耐性有一定限值，因此該方法僅適用於輕微污染的情況。在未來，培育大型海底藻類植物、選育高效降解菌、研究轉基因植物或微生物等將是生物修復技術發展的有效途徑。

三、海洋沉積物修復技術發展方向展望

近岸海域是海洋事業發展的寶貴空間，作為海洋生態修復的重要組成部分，未來近岸海洋沉積物具有重大的修復需求，其修復技術和工程應用也面臨考驗。基於此，本研究從以下幾方面對我國海洋沉積物修復的發展方向進行初探。

⒈ 修復技術從研究走向工程應用

目前，我國沿海地區經濟社會發展高度依賴海洋，海洋環境對我國海洋強國建設和經濟可持續發展的重要性不言而喻，未來海洋開發和利用必須對海洋生態系統實施有效保護和積極修復。海洋沉積物修復研究在國內外已開展多年，目前能達到實際應用的成熟技術很少。2015年，國家海洋局提出實施「藍色海灣」綜合治理工程，利用污染防治、生態修復等多種手段改善16個污染嚴重的重點海灣和50個沿海城市毗鄰重點小海灣的生態環境質量。作為海洋生態的重要組成部分，海洋沉積物修復也將會是海灣治理的重要工作之一，因此未來海洋沉積物修復的首要任務是加強沉積物污染機理、修復技術的研究，比如海底污染物的遷移、擴散和沉積規律以及污染物消除機理等，著力推進修復技術在工程實踐中的應用，保證修復技術安全、有效，並降低修復費用。

⒉ 修復工程實現大型化和規模化

由於海水流動性強，污染物在海水中擴散範圍廣，使海水及底部沉積物污染面積擴大。尤其是近岸的海灣、河流入海口及人類活動密集的地區，海洋沉積物污染通常比較嚴重且分布較為廣泛。據「我國近海海洋綜合調查與評價」專項調查成果，我國僅海灣面積就達27760.58km2，其污染修復挑戰巨大。因此，海洋沉積物還面臨著修復面積廣、修復工作量大的難題，這要求修復工程一定要實現大型化和規模化，提高修復效率，縮短修復時間。

⒊ 推動聯合修復技術的應用

海洋沉積物污染修復技術實踐表明，常規的單一修復技術很難從根本上有效解決沉積物污染問題，一般來說物理修復方法見效快但投入費用高，化學修復方法效果顯著但容易造成二次污染，生物修復方法成本低、無污染，但見效慢。因此，在物理、化學及生物等各個方向進行深入研究的同時，還應有效利用各類修復方法的優勢，揚長避短，提高修復效率和效果。同時，由於沉積物中通常多種污染物並存，採用聯合修復技術還能夠達到同時有效消除多種污染物的目的。

聯合修復技術將應用物理、化學和生物修復技術，應解決二個關鍵問題，一是要研究有效化學試劑或高效降解菌，二是要保證污染物能夠充分參與反應。除此之外，多種技術的高效聚合方式也是應解決的重要問題之一。

⒋ 嚴格控制二次污染

大量研究和實踐表明，傳統的物理、化學修復方法常會造成沉積物或海水水體的二次污染，如採用淋洗法或底泥固定法，化學淋洗劑、固定劑等可能會直接污染海水環境；採用覆蓋法，沉積物再懸浮導致污染物擴散到水體中會造成環境再次污染；採用疏浚修復，疏浚沉積物的再處理不當，也容易造成二次污染等。因此，未來海洋沉積物修復技術的研究和應用要標本兼治，既達到沉積物修複目的，又不影響其他生態系統的環境質量。

四、結語

海洋沉積物污染往往來自海水污染，同時又反作用于海水環境，且一旦遭受嚴重污染，將逐漸導致海洋環境服務功能和可持續利用功能衰退。由於海底生態系統自我修復能力較差，再加上近年來陸源污染物排海及海上船舶航行、油氣開採等溢油問題突出，致使海洋沉積物質量面臨形勢日益嚴峻。因此，現階段加快發展高效、無污染的修復技術具有重要的生態、社會和經濟意義。

我國修復技術較發達國家尚有一定差距，在未來應著力推進修復技術實現「實用化、大型化、規模化」，以緩解近岸海域承受的環境壓力。此外，在探討加快發展修復技術的同時，更應從源頭對排海污染物進行預防和治理，以減輕沉積物修復的難度與壓力。

【作者簡介】文/劉大海 李彥平 李鐵剛 劉芳明，均來自國家海洋局第一海洋研究所；第一作者劉大海，男，1983年出生，助理研究員，博士，主要從事海洋環境保護支撐技術研究方面研究；本文為基金項目，海洋公益性行業科研專項經費項目（201505001，201405025）；本文來自《環境科學與技術》（2017年第S1期），參考文獻略，用於學習與交流，版權歸作者與出版社共同擁有。

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