受污染底泥固化/穩(wěn)定化處理及營養(yǎng)物質(zhì)釋放特征研究

鄺臣坤，張?zhí)?2*

1. 華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；

2. 華南理工大學(xué)工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006

河道外源污染不斷流入，有機(jī)物和營養(yǎng)鹽等污染物在底泥中不斷積累。為了改善河道水質(zhì)問題、保證河道正常的泄洪能力，很多河道開展了大規(guī)模的疏浚和清淤工程。如果疏浚底泥處理處置不當(dāng)，污染物可能重新釋放到環(huán)境中，造成嚴(yán)重的二次污染。因此，尋找疏浚底泥處理處置的新途徑將十分迫切。

固化/穩(wěn)定化技術(shù)是處理污泥和疏浚底泥的最佳實(shí)用技術(shù)之一[1-2]，通過固化/穩(wěn)定化處理使淤泥具備一定的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度穩(wěn)定性，可有效降低其中污染物質(zhì)的活性，從而對(duì)污染物起到穩(wěn)定化作用。國內(nèi)外固化/穩(wěn)定化研究主要從材料選擇、固化強(qiáng)度特性、效果及機(jī)理、產(chǎn)物屬性及固化劑適用性等方面進(jìn)行綜合探討[3-11]。對(duì)于疏浚底泥固化/穩(wěn)定化產(chǎn)物的環(huán)境兼容性和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，往往取決于其工程屬性和污染物的釋放特性[12-13]。固化體的污染物釋放是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，其釋放特征及穩(wěn)定化效果隨固化材料及方法而有所不同[4-5,14-15]。底泥固化體是否會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染是固化/穩(wěn)定化技術(shù)應(yīng)用的核心問題。因此，研究固化體污染物的釋放特征，探明其與固化體二次污染的關(guān)系，并采取有效的控制方法，是底泥固化體資源化利用的關(guān)鍵。

碳、氮、磷是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成元素，同時(shí)也是很多生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)鍵因素。工程界和研究者目前主要通過毒性浸出情況來分析固化體用作土工材料或填埋處理的可行性，且研究主要集中在重金屬的毒性浸出，鮮有對(duì)底泥固化體中碳素和營養(yǎng)元素動(dòng)態(tài)釋放規(guī)律的探討。對(duì)于固化/穩(wěn)定化材料的選擇，目前仍然以水泥為主，其他材料為輔。粉煤灰是我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣，其處理和利用問題引起了國內(nèi)外的廣泛注意。本研究以廣州某典型污染河涌(車陂涌)的底泥為研究對(duì)象，采用粉煤灰、水泥、石灰、膨潤土等混合使用并形成不同配方，對(duì)底泥進(jìn)行固化/穩(wěn)定化試驗(yàn)并研究其效果，同時(shí)探討固化體中碳素和營養(yǎng)元素自然條件下的釋放特征，為粉煤灰和河涌疏浚底泥的資源化利用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 固化/穩(wěn)定化材料

河涌底泥取自廣州市典型重污染河涌車陂涌的上層0～15 cm，采集回來后自然靜置2 d后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前測(cè)定含水率為36.06%；石灰和水泥(石井牌425#普通硅酸鹽水泥)從當(dāng)?shù)氐乃鄰S購買；膨潤土購買自廣州化工城，為鈣基膨潤土；粉煤灰Z、粉煤灰 H分別為廣州珠江電廠和廣州恒運(yùn)電廠的脫硫粉煤灰，其細(xì)度分別滿足I級(jí)粉煤灰和II級(jí)粉煤灰的技術(shù)要求。材料的理化性質(zhì)見表1。

1.2 固化/穩(wěn)定化配方及試樣制備與養(yǎng)護(hù)過程

固化/穩(wěn)定化配方為材料的質(zhì)量比見表2。配方中編號(hào)Z1、Z2、Z3、Z4所用粉煤灰為粉煤灰Z，H1、H2、H3所用粉煤灰為粉煤灰H。對(duì)照組C為河涌底泥，不添加其他任何材料；處理組的底泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為60%。將底泥直接按比例與水泥、粉煤灰、石灰、高嶺土等混合，用砂漿攪拌機(jī)均勻并攪拌5 min，并根據(jù)《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)范GB/T50123—1999》的要求，將樣品分5～6層裝入模具，壓入體積為直徑7.5 cm，高15 cm的筒狀PVC試模中，每加入一層振動(dòng)3 min，以排除試樣中的氣泡，保證試樣不出現(xiàn)空洞和蜂窩等缺陷，直至裝滿。常溫下養(yǎng)護(hù)24 h，脫模，于室外自然養(yǎng)護(hù)14 d。

表1 底泥及材料理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of sediment and curing agents

表2 底泥固化/穩(wěn)定化配方Table 2 Formulas of Solidification/Stabilization treatments %

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及分析方法

采用養(yǎng)護(hù)14 d的固化體，經(jīng)破碎后用蒸餾水浸泡在玻璃錐形瓶中(水固比為10∶1)，以模擬固化體中污染物的自然條件下（中性）的靜態(tài)釋放過程，研究固化體浸泡1、7、14和28 d后碳和營養(yǎng)鹽的靜態(tài)釋放情況。固化體樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)于配方編號(hào)，分別標(biāo)示“#”。測(cè)試指標(biāo)包括：硝氮、氨氮、磷酸鹽、總有機(jī)碳(TOC)、總無機(jī)碳(TIC)。

TOC、TIC的測(cè)定采用總有機(jī)碳分析儀(Liqui TOC)，營養(yǎng)指標(biāo)的測(cè)定參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》。原始數(shù)據(jù)的整理及作圖使用Excel 2010軟件完成，采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析；差異顯著性分析采用Duncan多重比較法檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 固化體的理化性質(zhì)

固化體樣品的理化性質(zhì)見表 3。對(duì)于固化體的性質(zhì)，首先要考慮pH不能過高，《有色金屬工業(yè)固體廢物污染控制標(biāo)準(zhǔn)(GB5085—85)》規(guī)定pH應(yīng)小于12.5。結(jié)果表明，只有Z2#的pH略高于12.5，其余固化體均低于此值；C#為干化河涌底泥，未加任何固化材料，其pH值接近中性。固化材料呈堿性，向底泥中添加后pH值迅速升高，固化體pH明顯高于底泥C#。從表1可知，添加粉煤灰Z的固化體pH均高于添加粉煤灰H的固化體；對(duì)比配方相同而添加粉煤灰種類不同的固化體，Z3#的 pH高于H1#，Z4#的 pH高于 H2#；這可能是由于粉煤灰種類的不同，粉煤灰Z更有助于形成高堿性。固化材料的有機(jī)質(zhì)、全磷、硝氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于底泥，因此固化體中有機(jī)質(zhì)、全磷、硝氮主要來源于底泥；而膨潤土和粉煤灰中的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，因而出現(xiàn)固化體氨氮普遍比底泥C#高的現(xiàn)象。

表3 底泥固化體理化性質(zhì)Table 3 physicochemical properties of solidification/stabilization products

表4 固化體釋放的TOC和TIC質(zhì)量濃度Table 4 TOC and TIC released from solidification/stabilization products

2.2 固化體中碳的釋放

浸泡液TOC和TIC的釋放情況見表4。未經(jīng)固化/穩(wěn)定化處理的底泥C#的TOC第1天的釋放量最高，表現(xiàn)為迅速釋放，浸泡液 TOC質(zhì)量濃度逐漸降低，說明釋放出來的TOC被礦化；其TIC的釋放量表現(xiàn)為穩(wěn)定增加的趨勢(shì)，可能是 TOC的礦化導(dǎo)致其浸泡液TIC質(zhì)量濃度的明顯增大。此外，底泥C#和固化體的TOC和TIC釋放總量（即總碳TC）變化不大。底泥固化/穩(wěn)定化處理后，固化體的TOC迅速釋放并保持相對(duì)穩(wěn)定；TIC釋放量較低，表明TOC未向TIC轉(zhuǎn)化。結(jié)果表明，河涌底泥經(jīng)固化/穩(wěn)定化處理后，TOC的釋放未受到抑制；未經(jīng)固化/穩(wěn)定化處理的底泥釋放的TOC被迅速礦化，而底泥固化處理產(chǎn)品釋放的TOC穩(wěn)定存在。

底泥C#釋放的TIC隨TOC的降低而升高，是由于底泥中含有大量的微生物，底泥中的有機(jī)碳或釋放出來的有機(jī)碳在微生物的新陳代謝作用下逐步分解礦化為無機(jī)物。此外，固化體釋放的TIC明顯低于底泥，表明固化體釋放的有機(jī)物不易被礦化，這可能是由于強(qiáng)堿性條件下抑制了微生物的分解作用[19]。固化體的碳釋放規(guī)律與底泥 C#明顯不同，其原因可能是多方面的。對(duì)于富含有機(jī)質(zhì)的底泥，即使摻雜高比例的固化材料，仍然難以抑制其有機(jī)碳的釋放[18]，本試驗(yàn)結(jié)果也符合此規(guī)律。有相關(guān)研究表明，有機(jī)質(zhì)附著于土顆粒表面，影響水化產(chǎn)物與土顆粒之間的膠結(jié)，使水化產(chǎn)物不能形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)狀骨架結(jié)構(gòu)[16]，因此有機(jī)物難以通過物理吸附作用而截留在固化體中；另一方面，水化產(chǎn)物對(duì)有機(jī)物化學(xué)穩(wěn)定作用較弱，有機(jī)物仍然容易釋放到介質(zhì)中[17]。有機(jī)物在淤泥中多以富里酸的離子態(tài)存在，這種酸離子會(huì)分解水泥水化產(chǎn)物[16]，因而固化體中的可溶性有機(jī)物能溶于間隙水中，從而釋放到介質(zhì)中。

表5 固化體釋放的硝氮質(zhì)量濃度Table 5 Nitrate released from solidification/stabilization products

2.3 固化體中營養(yǎng)鹽的釋放

2.3.1 固化體硝氮釋放

結(jié)果顯示，底泥C#與固化體硝氮釋放的質(zhì)量濃度無明顯差異；總體而言，底泥固化/穩(wěn)定化處理對(duì)產(chǎn)物的硝氮釋放無明顯影響（表5）。硝化過程受底泥中氧體積分?jǐn)?shù)的限制，底泥C#浸泡后造成缺氧環(huán)境導(dǎo)致硝化作用缺失，而反硝化作用增強(qiáng)，硝氮的質(zhì)量濃度保持較低水平。然而，底泥固化/穩(wěn)定化處理后，固化體硝氮的釋放質(zhì)量濃度沒顯著降低反而總體稍高于C#，這可能是由于固化后改變了氮的存在形態(tài)使其更容易以硝氮的形式釋放出來；同時(shí)由于浸泡體系強(qiáng)堿性導(dǎo)致反硝化微生物活性降低，使得固化體中有一定量的硝氮存在[19]。

2.3.2 固化體氨氮釋放

試驗(yàn)期間未經(jīng)固化處理的底泥 C#釋放的氨氮質(zhì)量濃度從 24.03 mg·L-1增加到 81.24 mg·L-1，而固化體釋放的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于底泥C#(P<0.05)。數(shù)據(jù)顯示，底泥經(jīng)固化/穩(wěn)定化處理后氨氮釋放量明顯減少，固化體釋放氨氮的質(zhì)量濃度比C#減少67.4%以上。

以上結(jié)果與朱偉等[20]的研究結(jié)果不同，其研究認(rèn)為固化體 NH3-N的溶出量高于未經(jīng)處理的疏浚泥，這可能與固化材料的選擇有關(guān)。氮釋放主要取決于含氮化合物分解難易程度[21]。如前所述，底泥C#浸泡后TOC大量釋放，一方面由于底泥C#未經(jīng)過固化材料的改性，其微生物的活性未受影響，大量微生物可分解浸泡液和底泥中的有機(jī)質(zhì)，氨氮質(zhì)量濃度升高可歸因于有機(jī)質(zhì)分解作用的增強(qiáng)[19]；另一方面，微生物分解作用大量消耗氧氣導(dǎo)致浸泡體系缺氧甚至厭氧氛圍漸增，厭氧環(huán)境有利于反硝化與異化硝酸鹽還原成氨(DNRA)過程的進(jìn)行[22]，從而導(dǎo)致氨氮升高。固化體釋放的氨氮顯著低于底泥C#，是由于固化體及其浸泡介質(zhì)具強(qiáng)堿性，固化體釋放的TOC在強(qiáng)堿性條件下微生物分解速度較慢，氨氮質(zhì)量濃度相對(duì)較低；氨氮在強(qiáng)堿性條件下也易以氨氣的形式釋放到空氣中，從而存在于介質(zhì)中的氨氮質(zhì)量濃度較低。

此外，對(duì)比兩種粉煤灰與其他材料共同作用對(duì)氨氮的穩(wěn)定化效果可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)比配方相同而添加粉煤灰種類不同的固化體穩(wěn)定化效果，Z3#與 H1#對(duì)比不明顯，而 Z4#明顯強(qiáng)于 H2#；添加粉煤灰 Z的固化體氨氮的釋放質(zhì)量濃度普遍低于添加粉煤灰H的固化體(P<0.05)。結(jié)果表明：在水泥、膨潤土等材料的共同作用下，摻雜粉煤灰Z的處理對(duì)底泥氨氮的穩(wěn)定化效果優(yōu)于粉煤灰H。

圖1 固化體中氨氮的釋放規(guī)律Fig.1 Releasing regularities of ammonia nitrogen of solidification/stabilization products

圖2 固化體中磷酸鹽的釋放規(guī)律Fig.2 Releasing regularities of phosphate of solidification/stabilization products

2.3.3 固化體磷酸鹽釋放

結(jié)果表明：除 H1#外，固化體向水中釋放的磷酸鹽在試驗(yàn)期內(nèi)維持在較低水平，釋放量明顯低于底泥 C#(圖 2)，固化體中磷酸鹽的釋放量比未經(jīng)處理的底泥減少了 76.4%以上。H1#與 C#的磷酸鹽釋放特征相似，表現(xiàn)出持續(xù)釋放磷的能力。

底泥中磷的釋放不僅與底泥和浸泡液中磷含量有關(guān)，還受其他因素影響，如溫度、pH值、擾動(dòng)、溶解氧等。在本試驗(yàn)中，C#與 H1#的磷酸鹽釋放量較高，可能是由于堿性不高(表3)，微生物活性均沒有受到強(qiáng)烈抑制，微生物大量消耗氧氣而形成厭氧環(huán)境，厭氧條件促進(jìn)了磷的釋放；此外，也可能是C#與H1#在處理時(shí)未加水泥，固化強(qiáng)度弱，固化體溶解進(jìn)一步促進(jìn)了磷酸鹽的釋放。其他固化體釋放的磷酸鹽均維持在較低水平，可能是由于底泥中磷的釋放與底泥磷的化學(xué)沉淀形態(tài)有關(guān)[21]，投加了固化材料后，大部分磷酸根與鈣離子、鐵離子形成的磷酸鈣鹽和磷酸鐵沉淀較為穩(wěn)定[23]。

此外，對(duì)比配方相同而添加粉煤灰種類不同的固化體穩(wěn)定化效果，Z4#與 H2#對(duì)比效果差異不明顯，但 Z3#對(duì)磷酸鹽的穩(wěn)定化效果明顯優(yōu)于 H1#。總體而言，添加粉煤灰Z的固化體磷酸鹽的釋放量普遍低于添加粉煤灰H的固化體。結(jié)果表明：在其他材料共同作用下，摻雜粉煤灰Z的處理對(duì)磷酸鹽的穩(wěn)定化效果優(yōu)于粉煤灰H。

綜上所述，經(jīng)固化處理的疏浚底泥氮磷污染物的釋放總體上低于原疏浚底泥污染物的釋放(圖 1和圖2)，表明固化/穩(wěn)定化處理能夠有效減緩疏浚泥中污染物的釋放。本研究結(jié)果與朱偉等人的研究結(jié)果相吻合，其結(jié)果表明，固化后疏浚泥污染物的溶出量大大低于原泥污染物的溶出量，所以固化處理措施可以減少疏浚泥中污染物對(duì)周圍環(huán)境的二次污染。

由圖1和圖2可以看出，添加粉煤灰Z的固化/穩(wěn)定化產(chǎn)品Z1#、Z2#、Z3#和Z4#對(duì)氮磷的穩(wěn)定化效果總體上均優(yōu)于添加粉煤灰H的產(chǎn)品H1#、H2#和 H3#。對(duì) Z1#、Z2#、Z3#和 Z4#之間進(jìn)行比較，4種處理的穩(wěn)定化效果差異不顯著，并表現(xiàn)出相似的污染物釋放規(guī)律。此外，結(jié)果表明，當(dāng)?shù)啄噘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%，添加不同比例的粉煤灰并摻雜一定比例的石灰、水泥和膨潤土等材料，固化產(chǎn)品都取得了明顯的營養(yǎng)物質(zhì)穩(wěn)定化效果。因此，在應(yīng)用固化/穩(wěn)定化方法對(duì)疏浚底泥進(jìn)行處理時(shí)，考慮摻雜一定比例的粉煤灰，一方面可以實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”，促進(jìn)粉煤灰的資源化利用；另一方面又可減少水泥、石灰或膨潤土的用量，有效降低處理成本。

3 結(jié)論

（1）固化/穩(wěn)定化處理基本不會(huì)減少底泥中碳的釋放，但會(huì)改變其釋放特征。未經(jīng)固化處理的底泥釋放的TOC被迅速礦化，轉(zhuǎn)化為TIC，而底泥固化處理產(chǎn)品釋放的TOC穩(wěn)定存在。

（2）底泥固化/穩(wěn)定化處理對(duì)產(chǎn)物的硝態(tài)氮釋放無明顯影響，底泥與固化體硝態(tài)氮釋放的質(zhì)量濃度無明顯差異。固化/穩(wěn)定化處理能有效促進(jìn)氮磷的穩(wěn)定。固化體氨氮和磷酸鹽的釋放量明顯低于未經(jīng)處理的底泥，其中氨氮的釋放減少率達(dá)到67.4%以上，磷酸鹽(H1除外)為76.4%以上。

（3）粉煤灰的性質(zhì)對(duì)氨氮和磷酸鹽的固化/穩(wěn)定化效果有顯著影響。在水泥、石灰、膨潤土等材料共同作用下，取自珠江電廠的粉煤灰Z固化/穩(wěn)定化效果優(yōu)于取自恒運(yùn)電廠的粉煤灰H。

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