河湖底泥的來源、性質(zhì)和處理處置技術(shù)
——與污水廠污泥的比較

段妮娜，王磊磊，朱 勇，楊 雪

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

0 引言

污泥是由水和污水處理過程所產(chǎn)生的固體沉淀物質(zhì)。由于各類污泥的性質(zhì)變化較大，分類是非常必要的，污泥處理和處置也是不盡相同的。根據(jù)其來源，可以劃分為：（1）市政污泥，也叫污水廠污泥，主要指污水處理廠的初沉污泥和剩余污泥混合物，這是數(shù)量最大的一類污泥。此外，自來水廠的污泥也來自市政設(shè)施，可以歸入這一類。（2）管網(wǎng)污泥，來自排水收集系統(tǒng)的污泥，通常指排水管道養(yǎng)護(hù)中疏通清撈上來的沉積物。（3）工業(yè)污泥，工業(yè)廢水處理站產(chǎn)生的污泥，一般無(wú)機(jī)污泥較多，含有生產(chǎn)廢水中的化學(xué)成分，屬于危廢類。（4）河湖底泥，江河、湖泊的淤泥，通常來自疏浚工程。

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，污水處理設(shè)施建設(shè)得到了高速發(fā)展，污水廠污泥產(chǎn)量逐年升高。2015年，污水廠污泥產(chǎn)量已高達(dá)4 300萬(wàn)t（以含水率80%計(jì)）。與此同時(shí)，我國(guó)河湖眾多，在許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集地區(qū)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人類活動(dòng)導(dǎo)致河湖受到不同程度的污染，大量污染物在底泥中富集造成底泥的嚴(yán)重污染。底泥疏浚是目前國(guó)內(nèi)外治理污染河湖的主要措施[1]，隨著近年來黑臭水體治理力度的加強(qiáng)，底泥疏浚技術(shù)的應(yīng)用也逐漸增多。底泥來自疏浚工程，產(chǎn)生集中，量大。疏浚底泥與污水廠污泥本質(zhì)上是水體或污水中污染物的富集體，若不能合理處理處置，節(jié)能減排目標(biāo)將大打折扣?！笆濉币詠恚勰嗵幚硖幹弥饾u受到重視，尤其是污水處理廠污泥，其產(chǎn)生過程、性質(zhì)和污染特點(diǎn)、主要處理處置方式和資源化技術(shù)已得到環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)科研技術(shù)人員的系統(tǒng)和深入認(rèn)知。相對(duì)而言，關(guān)于河湖底泥產(chǎn)生、性質(zhì)和處理處置措施的相關(guān)信息僅局限于從事河湖處理活動(dòng)的小眾科研技術(shù)人員，未形成廣泛認(rèn)知。而河湖底泥與污水廠污泥在產(chǎn)生、性質(zhì)和處理處置方式上雖然不同但有相似相通之處，本文將以污水廠污泥為對(duì)比，介紹河湖底泥的來源、性質(zhì)和處理處置技術(shù)，以期通過比較深化讀者對(duì)河湖底泥的認(rèn)識(shí)。文中關(guān)于河湖底泥的描述和數(shù)據(jù)主要來自城市污染河道或湖泊。

1 底泥的產(chǎn)生、組成和性質(zhì)

1.1 底泥的產(chǎn)生

河湖底泥是黏土、泥沙、有機(jī)質(zhì)和各種礦物的混合物，是無(wú)機(jī)固體和有機(jī)質(zhì)的混合物經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間物理、化學(xué)和生物作用，轉(zhuǎn)化并沉積于水體底部而形成的。其中，無(wú)機(jī)固體和有機(jī)質(zhì)來源于土壤侵蝕、動(dòng)植物機(jī)體分解、地表徑流、大氣沉降、污水廠出水和溢流的污水或廢水?！巴寥狼治g”和“動(dòng)植物機(jī)體分解”可以看做與人類活動(dòng)無(wú)關(guān)的因素，“地表徑流”和“大氣沉降”則體現(xiàn)了自然和人類活動(dòng)的共同作用，而“污水廠出水”和“溢流的污水或廢水”則完全屬于人類活動(dòng)導(dǎo)致的污染輸入。污水廠污泥是污水中原有的懸浮顆粒、生物處理產(chǎn)生的微生物菌膠團(tuán)，以及吸附的部分污染物組成的，是固體顆粒、病原體及溶解性污染物等經(jīng)過物理、化學(xué)和生物處理后形成的固體沉淀。其中，固體顆粒、病原體及溶解性污染物來源于生活污水和部分初期雨水?？梢?，底泥是自然和人類活動(dòng)共同作用產(chǎn)生的，底泥性質(zhì)與所在地理區(qū)域密切相關(guān)，底泥污染狀況與河道污染狀況密切相關(guān)，人類因素的影響越大，其污染程度也越大；而污水廠污泥則是采用排水系統(tǒng)和污水處理工藝人為收集和處理污水形成的產(chǎn)物，幾乎不受自然因素的影響。

1.2 底泥的組成和性質(zhì)

在宏觀組成上，底泥和污泥均由水和固體部分構(gòu)成，而固體部分均可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩部分。疏浚底泥的含水率通常較高，80%~98%，脫水性能與底泥污染程度、有機(jī)質(zhì)含量等因素相關(guān)，通常優(yōu)于污水廠污泥，可通過文獻(xiàn)中關(guān)于底泥和污水廠污泥的比阻數(shù)據(jù)大致體現(xiàn)出來（見表1）；污水廠濃縮污泥含水率通常為97%~99%，脫水后含水率將至75%~80%左右（底泥和污水廠污泥采用不同方式脫水后的含水率見表2）。固體部分，底泥的有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)低于污泥，通常為3%~15%，通常含有腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪、多糖，難降解有機(jī)污染物、持久性有機(jī)污染物等；污水廠污泥的有機(jī)質(zhì)含量較高，通常為30%~60%，通常含有蛋白質(zhì)、脂肪、多糖，少量腐殖質(zhì),糖醛酸,核酸，難降解有機(jī)污染物、持久性有機(jī)污染物等。底泥中無(wú)機(jī)質(zhì)含量較高，主要組成物質(zhì)為土壤的原生礦物、粘土礦物、金屬氧化物、氫氧化物、硫酸鹽、碳酸鹽、硫化物、鹵化物等；污水廠污泥中無(wú)機(jī)物的主要組成物質(zhì)為泥沙、金屬化合物、粘土礦物等。

表1 文獻(xiàn)中部分底泥和污泥樣品的比阻值比較

表2 底泥和污水廠污泥脫水后的含水率 %

從元素組成上來看（見表3），C、H、O、N和S是構(gòu)成有機(jī)物的5種主要元素,污泥中這5種元素的含量決定了其有機(jī)質(zhì)含量和燃燒特性，對(duì)污泥處理處置方式的選擇有一定意義。底泥中有機(jī)元素C、H、O、N和S占干基的總比例遠(yuǎn)低于污水廠污泥，表3中底泥樣品的有機(jī)元素含量為13%，而污水廠污泥中這一比例為高于50%，這與底泥和污水廠污泥干基有機(jī)質(zhì)比例特征是一致的。在燃燒中,C和H提供了主要的燃燒熱,這兩種元素的含量與污泥熱值有密切聯(lián)系。表3中可以看出，該底泥樣品中C和H的含量均為表中污水廠污泥的五分之一。因此，從有機(jī)質(zhì)利用的角度來說，污水廠污泥相比底泥更具資源化能源化利用優(yōu)勢(shì)。

表3 底泥和污水廠污泥干基中元素質(zhì)量百分比 %

底泥雖然有機(jī)質(zhì)含量少，但其無(wú)機(jī)質(zhì)的礦物組成和性質(zhì)較接近黏土。底泥中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O和K2O均在粘土礦物化學(xué)組分之內(nèi)。其中SiO2與Al2O3含量之比約為4，與蒙脫石的礦物化學(xué)組成相似。與污水廠污泥相比，底泥具備替代粘土作為原料進(jìn)行資源化利用的潛在優(yōu)勢(shì)（見表4）。

從營(yíng)養(yǎng)元素含量來看，底泥的N、P含量遠(yuǎn)低于污水廠污泥，其富營(yíng)養(yǎng)程度與所在水體的富營(yíng)養(yǎng)污染密切相關(guān)，因此不同水體底泥中營(yíng)養(yǎng)元素含量差別較大；而污水廠污泥是一種高有機(jī)質(zhì)、高氮、高磷,而相對(duì)低鉀的物料，有機(jī)質(zhì)和主要養(yǎng)分含量通常達(dá)到一般土壤的10倍以上。底泥和污水廠污泥中營(yíng)養(yǎng)元素含量對(duì)比見表5。

涉及到具體的組成物質(zhì)，腐殖質(zhì)是比較能反映底泥或污泥有機(jī)質(zhì)的物理-化學(xué)-生物轉(zhuǎn)化過程的物質(zhì)，故以腐殖質(zhì)特征為例進(jìn)行比較說明。有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度與腐殖化時(shí)間和微生物活動(dòng)密切相關(guān)，相同區(qū)域的底泥和污水廠污泥，底泥和污水廠污泥，污染物來源較一致，有部分同源有機(jī)質(zhì)，故兩者的腐殖化過程具有一定相似性；在腐殖化過程中，由于污水廠處理污水的工藝和時(shí)間與河湖水自然凈化過程存在差異，從而引起腐殖化時(shí)間和有機(jī)質(zhì)在腐殖化過程中對(duì)氧的獲得難度的差異。因此，底泥和污泥在腐殖質(zhì)的官能團(tuán)特征方面會(huì)有一定的對(duì)比規(guī)律。例如，波蘭學(xué)者Polak對(duì)同一地區(qū)某河湖底泥與污水廠污泥的腐殖酸進(jìn)行了提取，并比較了其光譜和物化特性[22]。紅外光譜結(jié)果顯示，主吸收位置相似，主要分布在頻率為3 400 cm-1（氫氧鍵O-H），3 000~3 100 cm-1（不飽和芳環(huán)C-H伸縮振動(dòng)），2 900 cm-1（脂肪鏈C-H伸縮振動(dòng)），1 625 cm-1（COO-對(duì)稱伸縮振動(dòng)），1 540 cm-1（C=N，酰胺Ⅱ帶伸縮振動(dòng)），1 030 cm-1（芳香族醚或or the硅氧Si-O鍵伸縮振動(dòng)），500 cm-1（Si-O-Si彎曲振動(dòng)），但官能團(tuán)吸收強(qiáng)度不同（見圖1）。說明兩者含有的主官能團(tuán)是基本相同，但整體含量和某些種類有差異。在頻率1 250 cm-1（酰胺基或醚）、1 440 cm-1（CH3,酚類的OH,COO-或鄰二取代的芳香環(huán)）和1 720 cm-1（羧酸的C=O），污水廠污泥的吸收峰明顯較高，而底泥則峰值較低或沒有吸收峰，表明底泥腐殖化過程中氧的參與較少。

表4 底泥和污水廠污泥干基礦物組成對(duì)比 %

表5 底泥和污水廠污泥營(yíng)養(yǎng)元素的含量 g/kg/%

圖1 同一地區(qū)底泥和污水廠污泥的腐殖酸紅外光譜

底泥中的污染物也體現(xiàn)了類似的特點(diǎn)，即與污水廠污泥種類相似，含量較低。以重金屬和持久性有機(jī)污染物為例，底泥的重金屬污染狀況與流域的人口、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、礦業(yè)等情況密切相關(guān)，樣品間差異較大[23]。整體上，重金屬含量低于污水廠污泥，土地利用的風(fēng)險(xiǎn)較小。污泥中的重金屬占干基0.5%～2.0%，某些達(dá)到4.0%。Zn，Cd，Hg，Cu，Ni超標(biāo)較嚴(yán)重[15,24]。對(duì)于持久性有機(jī)污染物如多環(huán)芳烴（PAH），多氯聯(lián)苯（PCB），溴系阻燃劑，內(nèi)分泌干擾素等，持久性有機(jī)污染物主要來源于化工生產(chǎn)中氯化過程排放的廢水和廢氣、殺蟲劑等農(nóng)藥的農(nóng)業(yè)污染、有機(jī)氯垃圾的焚燒,含PCB的垃圾等不恰當(dāng)?shù)奶幚硖幹谩?duì)比污水廠污泥中和河湖底泥中的持久性有機(jī)污染物含量，發(fā)現(xiàn)污水廠污泥中的PAH、酚類內(nèi)分泌干擾素含量均比底泥高一個(gè)數(shù)量級(jí)[25,26,27]。底泥中持久性有機(jī)污染物主要來自污水/污泥處理系統(tǒng)的出水，其余多來自面源污染。

2 底泥的處理、處置與資源化

底泥與污水廠污泥屬于同一類固體廢物，其處理處置的原則同為減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化和資源化。其處理處置技術(shù)廣義上均包括原位處理和異位處理兩大類。

2.1 原位處理

河湖底泥的原位處理主要包括重金屬原位鈍化、底泥原位覆蓋、生物修復(fù)和深層曝氣等技術(shù)，多用于污染較輕的水體。其中，關(guān)于原位鈍化的應(yīng)用性報(bào)道較少。原位覆蓋、生物修復(fù)和深層曝氣均有廣泛應(yīng)用。原位覆蓋技術(shù)多采用細(xì)砂、粘土、細(xì)砂、粉煤灰、鈣質(zhì)膨潤(rùn)土等進(jìn)行底泥與水體的物理阻隔。1984年華盛頓西雅圖Duwamish航道覆蓋沙子；1999巢湖市環(huán)城河河道疏浚后覆蓋細(xì)沙。深層曝氣技術(shù)的應(yīng)用案例有英國(guó)泰晤士河，德國(guó)柏林河，北京清河，上海綏寧河，福州白馬支河等。污水廠污泥的原位處理多為原位減量技術(shù)，利用污泥隱性增長(zhǎng)、內(nèi)源代謝、解偶聯(lián)代謝和生物捕食等原理，從源頭上減少污水處理過程中污泥的產(chǎn)量。隨著近年來污水和污泥處理處置以“資源化”為指導(dǎo)逐漸成為趨勢(shì)，污水處理過程中污染物充分富集和回收成為研究熱點(diǎn)，“原位減量”技術(shù)工程化應(yīng)用較少。

2.2 異位處理

當(dāng)前，我國(guó)污水和污泥處理的主流模式還是集中式末端處理模式，即污泥產(chǎn)生后收集起來再進(jìn)行減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化或資源化處理處置。河湖底泥和污水廠污泥的處理處置路線見圖2。

圖2 河湖底泥和污水廠污泥的處理處置路線

環(huán)保疏浚則是經(jīng)濟(jì)有效又比較徹底的治理方式，也是河湖底泥污染治理的主流方式，我國(guó)南方地區(qū)的滇池、洱海、太湖、玄武湖、西湖，以及北方地區(qū)的官?gòu)d水庫(kù)、大沽河等，均開展了環(huán)保疏浚工程。疏浚過程中必然產(chǎn)生大量的疏浚底泥，并且底泥含水率高，給后續(xù)處理處置帶來諸多不便，因此，疏浚底泥常見處理路線的首要環(huán)節(jié)是進(jìn)行脫水，將含水率降低至75%以下，實(shí)現(xiàn)體積減量。然后視后續(xù)處理處置工藝的選擇進(jìn)行一定程度的干化處理。對(duì)于污染較嚴(yán)重、重金屬超標(biāo)的底泥，通常進(jìn)行重金屬固化穩(wěn)定化處理，或焚燒后進(jìn)行相應(yīng)處置。對(duì)于污染較輕的底泥，視其污染特性和泥質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行資源化處理或綜合利用。由于底泥無(wú)機(jī)質(zhì)比例較高、有機(jī)質(zhì)比例較低，底泥的處理著重考慮無(wú)害化和無(wú)機(jī)質(zhì)的資源化。

相比之下，污水廠污泥的有機(jī)質(zhì)比例較高，因此，污水廠污泥的處理處置在考慮無(wú)害化的前提下，著重考慮其穩(wěn)定化和有機(jī)質(zhì)的回收利用。如圖2所示，底泥和污水廠污泥的減量化和無(wú)害化處理方式相同，主要區(qū)別在于資源化處理處置方式，體現(xiàn)了“因質(zhì)處理”。

從泥質(zhì)特性和主流處置方式上來說，底泥性質(zhì)與土壤較相似，污水廠污泥穩(wěn)定后的組成（如腐殖質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素等）和性質(zhì)也具備土地利用潛力。因此，無(wú)論是河湖底泥還是污水廠污泥，土地利用都將是其重要處置方式。

3 展望與結(jié)語(yǔ)

隨著近年來環(huán)保要求和排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，底泥和污水廠污泥的處理處置越來越受重視。在當(dāng)前資源能源緊缺、環(huán)境容量有限的大背景下，不論是河湖底泥還是污水廠污泥，以“資源化”為導(dǎo)向，無(wú)害化、穩(wěn)定化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)能源的最大化回收利用將是其處理處置的必由之路。河湖底泥與污水廠污泥同屬于城市污泥，其來源、組成、性質(zhì)和處理處置方式具有一定相似性和相關(guān)性。污水廠污泥中物質(zhì)和能源的回收已得到廣泛關(guān)注，開展了較系統(tǒng)的研究和實(shí)踐。相對(duì)而言，河湖底泥的資源化處理處置尚未打開局面。針對(duì)底泥的組成和性質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)其綜合利用技術(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究和推廣，使底泥處理時(shí)有依據(jù)、有方法、可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)污染底泥安全處理處置的必要條件。