黑臭河道底泥處理方式探討

黃龍翔，時(shí) 燕，曾婷婷，朱金祥，張學(xué)釗，譚 允

(廣州市水之道生態(tài)環(huán)境修復(fù)有限公司，廣州市新之地環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司，廣東 廣州 510380)

近幾年，我國政府提出生態(tài)文明建設(shè)、出臺(tái)《水十條》和《環(huán)保法》等一系列的法律法規(guī)，各地政府都在加大力度整治河道水環(huán)境。由于受到外源污染長期持續(xù)的匯入，部分污染物累積在河道底泥中，所以黑臭河道底泥的處理處置成為一個(gè)重要的課題。

1 底泥污染的危害

外源污染物通過大氣降塵、點(diǎn)源污染、初雨面源污染和支流等外源污染形式匯入進(jìn)入水體[1]，沉積到底泥中并富集，導(dǎo)致底泥受到污染。在環(huán)境條件改變時(shí)，沉積在底泥中的污染物會(huì)重新釋放到水體中，對水體水質(zhì)構(gòu)成長期威脅，當(dāng)污染底泥從水體中清淤出來后，極易造成二次污染[2]。

1.1 底泥污染對水體的危害

城市、農(nóng)村生活廢水和工廠生產(chǎn)廢水的排放，污染物質(zhì)在河道中沉積下來，部分廢水富含重金屬和難溶有機(jī)物。環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，底泥中的營養(yǎng)鹽、有機(jī)物和重金屬等污染物的濃度極易高于上覆水體，污染底泥通過不斷向上覆水體釋放有機(jī)物和無機(jī)鹽，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

底泥耗氧是河道水體耗氧的重要組成部分，底泥耗氧加劇了河道耗氧速率，使得下層水體缺氧，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

底泥反硝化、甲烷化造成大量黑臭底泥上浮是河道水體黑臭的直接原因，直接影響感官效果[3]。

1.2 底泥疏浚對環(huán)境的危害

清淤過程中，底泥污染物質(zhì)會(huì)釋放到上覆水體中，造成二次污染。底泥脫水、外運(yùn)、填埋、利用、焚燒處理時(shí)，易重新污染水體、道路、土壤和環(huán)境。

因此，河道底泥疏浚必須嚴(yán)格把關(guān)處理處置的各個(gè)環(huán)節(jié)，避免產(chǎn)生二次污染[4]。

2 底泥的污染類型

2.1 重金屬

河道底泥中的重金屬通過吸附、絡(luò)合、沉淀等作用而沉積到底泥中，與水相保持動(dòng)態(tài)平衡。 一定條件下，重金屬極易再次進(jìn)入水體，成為二次污染源。

底泥中重金屬有多種形式存在，其釋放能力由強(qiáng)至弱分別是：陽離子可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、水合鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、硫化物及有機(jī)物結(jié)合態(tài)和礦物碎屑?xì)埩魬B(tài)等[5]。

2.2 營養(yǎng)物質(zhì)

營養(yǎng)物質(zhì)主要指氮和磷，經(jīng)大氣降塵、點(diǎn)源污染、初雨面源污染和支流等途徑進(jìn)入水體，大部分沉積到底泥中。當(dāng)外源污染源得到控制后，底泥造成的內(nèi)源污染向水體釋放N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，極造成藻類大量繁殖[6]。

2.3 難降解有機(jī)物污染

難降解有機(jī)物，包括油和油脂，PAH(多環(huán)芳烴)、PCBs(多氯聯(lián)苯)等由于疏水性強(qiáng)、難降解，在底泥中大量積累[1]。

3 底泥污染治理方法及原理介紹

3.1 原位修復(fù)技術(shù)

原位修復(fù)技術(shù)[7]是指利用物理、化學(xué)、生物等方法在不移除底泥的前提下減緩營養(yǎng)鹽的釋放量或溶解性、降低毒性、削減底泥體積的一種技術(shù)，可分為原位物理修復(fù)、原位化學(xué)修復(fù)和原位生物修復(fù)技術(shù)。

3.1.1 原位物理修復(fù)技術(shù)

3.1.1.1 底泥表層曝氣技術(shù)

底泥表層曝氣是指通過水體底層(底泥表層)安裝曝氣管網(wǎng)等方式增加水體底層溶解氧，改善底泥的理化環(huán)境和好氧環(huán)境，以利于好氧微生物群落生長和繁殖，加速底泥有機(jī)污染物氧化分解和底泥礦化作用，促進(jìn)硝化反應(yīng)和好氧吸磷反應(yīng)，抑制底泥的厭氧分解，減少厭氧有害中間產(chǎn)物的生成。

底泥表層曝氣的選擇常根據(jù)如下條件：(1)水質(zhì)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；(2)水體的現(xiàn)狀條件：包括長寬深、水體流速及護(hù)岸形式、上下游水體影響等；(3)水體的功能要求；(4)污染特征：如多點(diǎn)式及單點(diǎn)式污染、旱季及雨季污染、長期及短時(shí)污染等。

不同條件選擇不同的曝氣形式，一般有固定式和移動(dòng)式。固定式主要有鼓風(fēng)曝氣、純氧曝氣和機(jī)械曝氣；移動(dòng)式有曝氣船等。可根據(jù)河道實(shí)際條件進(jìn)行選擇。

但底泥表層曝氣易引起底泥再懸浮從而引起營養(yǎng)物質(zhì)向上覆水體釋放，且曝氣管網(wǎng)的安裝及曝氣過程會(huì)耗費(fèi)一定的人力物力。

3.1.1.2 原位物理覆蓋技術(shù)

原位覆蓋技術(shù)是指在底泥表面平鋪覆蓋物形成覆蓋層，覆蓋層可采用干凈的礫石、河沙或其它有凈化功能且不易降解的填料，功能性填料品種選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀和目標(biāo)，多采用對氮和磷有吸附效果的、穩(wěn)定性高、材料易得、價(jià)格低廉、耐水沖等特點(diǎn)的材料，厚度可結(jié)合水體沖刷情況和底泥深度決定。

覆蓋層能夠有效避免底泥再懸浮，有效隔開底泥與上覆水體，封閉污染物，控制污染物的釋放，同時(shí)采用凈化性填料，對水體和底泥起到凈化效果。

3.1.2 原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)

原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)是通過采用化學(xué)制劑的方式原位治理底泥污染，見效快，但易對環(huán)境造成二次污染，甚至?xí)茐纳鷳B(tài)環(huán)境，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，應(yīng)做好評估。

3.1.2.1 原位化學(xué)氧化技術(shù)

原位化學(xué)氧化技術(shù)常用的氧化劑有硝酸鈣、氯化鐵、硝酸鐵等。

在底泥中加入硝酸鈣等后，NO3-轉(zhuǎn)化為N2，降解有機(jī)物，能將Fe2+氧化成Fe3+，抑制硫化氫的產(chǎn)生，增強(qiáng)底泥中脫氮微生物的活性，加強(qiáng)鐵氧化物對磷的吸附，從而減少了Fe-P的釋放。此法具有較好的持久性和高度的環(huán)境友好型，可以利用促進(jìn)土著微生物的生長來進(jìn)行有機(jī)污染物的去除，但相對成本較高，對施工設(shè)備要求也較高。

底泥中加入氯化鐵，利用三價(jià)鐵與底泥中的硫化氫反應(yīng)，形成更多的氫氧化鐵，吸附磷。

3.1.2.2 原位化學(xué)鈍化技術(shù)

底泥原位化學(xué)鈍化技術(shù)通過投加藥劑發(fā)生化學(xué)沉淀等作用，在底泥表面形成隔離層，有效控制底泥污染物釋放，常采用鋁鹽、鐵鹽和鈣鹽。

(1)鋁鹽：常用硫酸鋁、氯化鋁等。鋁鹽能和底泥中的磷形成穩(wěn)定的聚合物，起到控制磷的釋放；能水解產(chǎn)生氫氧化鋁沉淀，該物質(zhì)可吸附水中污染物，提高水體透明度，對于磷控制和透明度提高有較好的作用。

(2)鐵鹽：常用FeCl3和 Fe2(SO4)3，鐵鹽水解可生成帶正電荷的Fe(OH)3，一方面可吸附不穩(wěn)定擴(kuò)散狀態(tài)的膠體和磷、另一方面能與磷反應(yīng)生成磷酸鐵，主要是以FeOOH-PO4絡(luò)合物的形態(tài)除磷。

(3)鈣鹽：常用熟石灰、CaCl2、CaO等。

鐵鹽和鈣鹽均可以提高水體透明度、凈化水質(zhì)、鈍化底泥，且對水生動(dòng)植物無毒害作用。但都會(huì)受到氧化還原電位、溶解氧和pH值的影響，實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合搭配其他措施，包括人工曝氣等[8]。

3.1.3 原位生物修復(fù)技術(shù)

對有機(jī)污染底泥的處理，最理想的辦法是采用生物修復(fù)技術(shù)，直接吸收和降解污染物。

3.1.3.1 沉水植物修復(fù)法

沉水植物扎根于底泥中，植物生長可吸收底泥污染物并抑制營養(yǎng)鹽釋放；植物光合作用可增加底泥溶氧，促進(jìn)有機(jī)污染物的好氧分解；植物根系為微生物的生長提高良好的附著場所。所以沉水植物能夠較好的增強(qiáng)底泥的自凈能力。

3.1.3.2 微生物修復(fù)法

微生物修復(fù)是利用微生物的生長代謝作用降解轉(zhuǎn)化底泥污染物，包括土著微生物修復(fù)和人工微生物修復(fù)，即依靠底泥本底的微生物群落和人工投加具有高效降解作用的微生物群落，改善底泥的理化環(huán)境，提高底泥污染物的降解速率。

3.1.3.3 微電解技術(shù)

微電解技術(shù)是利用微電解材料產(chǎn)生的電位差對水體(或底泥)進(jìn)行處理以凈化水體(和底泥)的技術(shù)。微電解材料可分為酸性材料和堿性材料[9]，酸性材料為鐵碳微電解材料，陽極和陰極材料分別采用鐵粉和碳粉；堿性材料的陽極材料為鋅粉，陰極材料為二氧化錳。

微電解技術(shù)處理污染物的機(jī)理有電極反應(yīng)、絮凝作用、吸附作用等，能破壞有色物質(zhì)的發(fā)色基團(tuán)或助色基團(tuán)，達(dá)到降解脫色的作用；可產(chǎn)生較強(qiáng)膠體絮凝劑，吸附水體和底泥中的小顆粒物質(zhì)、金屬粒子及有機(jī)大分子；可使厭氧黑臭底泥轉(zhuǎn)化為兼氧底泥，消減硫化物、氨氮和有機(jī)物，消除臭味，提高水體自凈能力[10]。

3.2 異位修復(fù)技術(shù)

3.2.1 底泥疏浚技術(shù)

底泥疏浚技術(shù)是指利用物理機(jī)械的方法從河湖移出受污染的底泥并轉(zhuǎn)移的技術(shù)，包括一般疏浚和環(huán)保疏浚。一般疏浚的主要是為了移除受污染的底泥、增加水體庫容和深度，易忽視疏浚過程中和后期造成的環(huán)境污染問題；環(huán)保疏浚會(huì)綜合考慮改善水體生態(tài)環(huán)境，清除內(nèi)源污染物，避免或降低二次污染，采用更加的環(huán)保方式，嚴(yán)格把控和降低疏浚過程中和后期造成的環(huán)境影響[7]。

相對于原位處理技術(shù)，底泥疏浚技術(shù)相對成熟，能快速徹底的移除污染底泥及難降解污染物，底泥疏浚技術(shù)大的趨勢是環(huán)保疏浚。

3.2.2 底泥疏浚后處理技術(shù)

底泥疏浚后處理的方式需結(jié)合底泥污染程度而定，底泥疏浚后處理技術(shù)是指對疏浚底泥進(jìn)行干化、固化穩(wěn)定化、資源化處理等過程，若不妥當(dāng)處理，易造成二次污染。

3.2.2.1 確定底泥污染程度

(1)底泥中的全氮和全磷指標(biāo)參考EPA評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12],見表1。

表1 EPA 大湖港口底泥分類指引表 mg/kg

(2)但EPA制定的底泥分類標(biāo)準(zhǔn)忽略了有機(jī)質(zhì)指標(biāo)，隋桂榮[13]采用采用有機(jī)污染指數(shù)法對太湖底泥有機(jī)質(zhì)污染進(jìn)行，見表2。

①OI=OC(%)*ON(%)

②ON=TN(%)*0.95

③OM(%)=OC(%)/1.724

(OI為有機(jī)污染指數(shù)；OC為有機(jī)碳；ON為有機(jī)氮；OM為有機(jī)質(zhì)。)

表2 太湖底泥有機(jī)指數(shù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

(3)重金屬評價(jià)指標(biāo)參考《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》等兩項(xiàng)國家環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2.2 底泥干化

清淤后的泥體含水率常大于90%，不滿足外運(yùn)和后續(xù)利用的要求。常用的底泥干化脫水技術(shù)有自然干化脫水、機(jī)械干化脫水和藥劑干化脫水。自然法依靠自然風(fēng)吹日曬的蒸發(fā)作用，對堆場和天氣要求高；機(jī)械法常采用過濾設(shè)備和離心旋流設(shè)備；藥劑法可采用PAC等藥劑。根據(jù)具體情況選擇。

3.2.2.3 底泥固化穩(wěn)定化[14]

固化穩(wěn)定化是將底泥與固化穩(wěn)定劑混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使污染成分轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的不溶性化合物或被包裹起來固定在固化體中，提高處理后底泥的硬度和穩(wěn)定性。

(1)水泥固化穩(wěn)定化:水泥固化穩(wěn)定化常常以硅酸鹽水泥為主，輔加一定比例的石灰、粉煤灰等，對重金屬有較好的固化穩(wěn)定化效果，具體比例和投加量應(yīng)根據(jù)小試和中試結(jié)果確定。水泥中主要成分是硅酸鹽，呈堿性，氫氧根離子或硅酸鹽能夠與底泥的重金屬發(fā)生化學(xué)沉淀反應(yīng)；水化硅酸鈣粒子能夠吸附重金屬；重金屬也可與鈣離子發(fā)生離子交換進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)。

(2)磷酸鹽固化穩(wěn)定化:在一定pH值環(huán)境下，磷酸鹽可與重金屬發(fā)生化學(xué)沉淀反應(yīng)；磷酸鹽具備吸附性能可以吸附重金屬。

3.2.2.4 底泥資源化[1，15]

(1)直接作為土壤利用:經(jīng)過固化穩(wěn)定化的底泥，降低含水率和重金屬含量，提高泥體強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剪切力，經(jīng)檢測達(dá)到前述標(biāo)準(zhǔn)后，可作為土壤利用，如農(nóng)用地土壤或建設(shè)用地土壤。底泥中含有大量植物生長所必需的營養(yǎng)成分和微量元素可作為農(nóng)用地土壤；達(dá)標(biāo)后的底泥也可用做建設(shè)濕地，并種植濕地植物作為野生動(dòng)物的棲息地。

(2)底泥堆肥利用[16]:可將底泥與有機(jī)肥、無機(jī)肥料等混合制成復(fù)合肥料。

(3)底泥制作建筑材料:利用底泥制造磚、水泥、陶瓷等建材是一種變廢為寶的處理方法，在高溫條件下，底泥中的無機(jī)硅酸鹽礦物會(huì)熔融，可將重金屬等污染物包裹固定在建筑材料的玻璃基質(zhì)內(nèi)。

4 結(jié)語

目前，隨著黑臭河道治理的快速推進(jìn)，底泥的處理處置越來越受到重視，具體的處理處置的方式需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際現(xiàn)狀酌情選擇。

底泥的資源化利用、變廢為寶，符合未來趨勢，仍有大量的技術(shù)難題需要攻克。