坪山河河道淤泥資源化利用探索

聶懷軍 ，王 浩 ，牛存穩(wěn) ，江 東 ，賈仰文 ，李嵐峰 ，陳 松

（1.佛山水木金谷環(huán)境科技有限公司，528225，佛山；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；3.水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，210098， 南京； 4.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，100037，北京）

一、坪山河老河道淤泥資源化處置需求

坪山河位于深圳市東北部坪山區(qū)，干流全長(zhǎng)24.7 km，從西南至東北縱貫坪山區(qū)全境，在深圳市境內(nèi)流域面積為129.4 km2。 老河道位于坪山河干流中下游，西起墩子河河口，東至獅子嶺，河道全長(zhǎng)3.42 km。 由于城市化進(jìn)程加快， 河道兩岸盲目開(kāi)發(fā)，河岸的填土、堆土沒(méi)有采取任何水土保持措施，出現(xiàn)了水土流失現(xiàn)象，泥沙被沖入河道，使河水含沙量增加，導(dǎo)致坪山河流域河道淤積量相應(yīng)增加，河道黑臭嚴(yán)重，急需開(kāi)展清淤整治工作。

為探索河道淤泥資源化利用，遵循減量化、 無(wú)害化和資源化原則，在坪山河開(kāi)展了河道淤泥制免燒砌塊技術(shù)研究，工藝流程如圖1 所示。 淤泥免燒砌塊經(jīng)過(guò)質(zhì)量與環(huán)境安全評(píng)估后在坪山河濕地公園鋪裝應(yīng)用。

二、淤泥無(wú)害化處理方案

開(kāi)發(fā)淤泥中重金屬“鈍化穩(wěn)定—混凝土固封”處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)坪山河淤泥的安全資源化利用。 針對(duì)坪山河淤泥中砷離子和銅離子含量較高的情況，開(kāi)發(fā)“鈍化穩(wěn)定—混凝土固封”雙重鈍化—固封技術(shù)無(wú)害化處理淤泥，將可溶出的砷、銅離子轉(zhuǎn)化為不可溶出的穩(wěn)定態(tài)，確保免燒砌塊的環(huán)境安全性。

1.坪山河淤泥樣品取樣和檢測(cè)

在全河段范圍內(nèi)布置10 個(gè)采樣點(diǎn)，采集淤泥樣品10 份，進(jìn)行淤泥中重金屬浸出檢測(cè)和淤泥主要礦物成分分析。

采樣完成后對(duì)淤泥樣品進(jìn)行檢測(cè)， 檢測(cè)方法參照深圳市地方標(biāo)準(zhǔn)《河湖污泥處理廠產(chǎn)出物處置技術(shù)規(guī)范》（SZDB/Z 236—2017），檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。分析檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，所有淤泥樣品浸出液中重金屬濃度低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）中重金屬濃度限值，因此不屬于危險(xiǎn)廢物，可按照一般淤泥進(jìn)行處置。 但是需要注意的是部分淤泥樣品中砷離子和銅離子含量較高，需要對(duì)這兩種重金屬離子進(jìn)行鈍化穩(wěn)定處理。

2.淤泥無(wú)害化處理工藝

第一步選用生石灰、氯化鐵對(duì)淤泥進(jìn)行沉淀化穩(wěn)定處理。 通過(guò)生石灰調(diào)節(jié)泥漿pH 到10.5 左右， 利用水中O2將 AsO33-氧化成 AsO43-， 并且促使Cu2+在堿性環(huán)境下沉淀；再利用FeCl3電離出的 Fe3+離子， 與 AsO43-生成FeAsO4沉淀。 反應(yīng)方程式如下：第二步通過(guò)水泥固封重金屬離子。 在資源化環(huán)節(jié)，分散的淤泥顆粒被水泥包裹，水泥利用淤泥中的水分開(kāi)始水化反應(yīng)生成C-S-H 凝膠，CS-H 凝膠通過(guò)包裹、吸附、層間置換方式二次固封重金屬離子。

圖1 淤泥資源化利用工藝流程圖

表1 淤泥中重金屬離子檢測(cè)結(jié)果 （單位：mg/L）

3.淤泥免燒砌塊中重金屬浸出檢測(cè)

將經(jīng) “鈍化穩(wěn)定—混凝土固封”技術(shù)處理后制得的淤泥免燒砌塊，檢測(cè)其浸出液中污染含量， 結(jié)果見(jiàn)表2中免燒砌塊A 與免燒砌塊B 數(shù)據(jù)。更進(jìn)一步，為了驗(yàn)證淤泥免燒的長(zhǎng)期環(huán)境安全性，將同批次生產(chǎn)的淤泥免燒砌塊室外露天外置兩年后，再檢測(cè)淤泥免燒砌塊中重金屬離子浸出情況，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2 中免燒砌塊2C 與免燒砌塊 2D 數(shù)據(jù)。 對(duì)照表 1 和表 2 可以得出：經(jīng)“鈍化穩(wěn)定—混凝土固封”技術(shù)處理后，淤泥中砷、銅離子被很好地穩(wěn)定固封，淤泥免燒砌塊浸出液中重金屬離子指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ類(lèi)水限值要求。 而在露天放置兩年后，免燒砌塊浸出液中重金屬污染物濃度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，證明淤泥免燒砌塊長(zhǎng)期環(huán)境安全性可靠。

三、淤泥免燒砌塊試驗(yàn)研究

1.淤泥免燒砌塊配方優(yōu)化

坪山河淤泥制砌塊試驗(yàn)前， 對(duì)坪山河脫水淤泥的礦物成分進(jìn)行檢測(cè)，分析方法參照 《土壤和沉積物無(wú)機(jī)元素的測(cè)定波長(zhǎng)色散X 射線熒光光譜法》（HJ780—2015）中規(guī)定的方法。淤泥成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3， 結(jié)果顯示：4 個(gè)脫水淤泥樣品中無(wú)機(jī)礦物占比基本在90%以上， 主要成分為 SiO2、Al2O3，有機(jī)質(zhì)含量在10%以?xún)?nèi)。 坪山河淤泥超過(guò)80%的成分為SiO2和Al2O3，其可以在水泥的堿性環(huán)境下被激發(fā)生成膠凝產(chǎn)物，通過(guò)膠結(jié)產(chǎn)生力學(xué)強(qiáng)度，因此可以用于免燒結(jié)制砌塊。

綜合考慮了淤泥成分分析結(jié)果、淤泥含水率和建材強(qiáng)度需求，設(shè)計(jì)了5 組坪山河淤泥制砌塊實(shí)驗(yàn)配方，具體配方見(jiàn)表4。 實(shí)驗(yàn)中用于測(cè)試的淤泥免燒砌塊規(guī)格為200 mm×100 mm×60 mm。 淤泥抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等采用國(guó)標(biāo)《混凝土路面磚》（GB/T28635—2012）中的規(guī)定檢驗(yàn)方法。

從淤泥免燒砌塊強(qiáng)度與淤泥摻量關(guān)系圖上可以發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)（0～350kg/m3）隨著脫水淤泥摻量增加，淤泥免燒砌塊強(qiáng)度不僅不會(huì)降低， 反而會(huì)有所增加。 當(dāng)淤泥的摻量在350～500 kg/m3時(shí)，隨著脫水淤泥摻量繼續(xù)增加，淤泥免燒砌塊強(qiáng)度緩慢降低。當(dāng)淤泥的摻量超過(guò)500 kg/m3時(shí)，隨著淤泥繼續(xù)增加，免燒砌塊強(qiáng)度急劇降低。因此， 綜合考慮到淤泥免燒砌塊的強(qiáng)度和淤泥資源化利用效率， 在后續(xù)的研究與生產(chǎn)中均選用配方2 （脫水淤泥摻量 500 kg/m3）。

2.淤泥免燒砌塊抗硫酸鹽侵蝕耐久性分析

通過(guò)混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)坪山河淤泥免燒砌塊的耐久性。 淤泥免燒砌塊抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）中規(guī)定的方法進(jìn)行。 淤泥免燒砌塊抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。淤泥免燒砌塊硫酸鹽侵蝕后與硫酸鹽侵蝕前抗壓強(qiáng)度比為90%，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，淤泥免燒磚抗硫酸鹽侵蝕耐久性合格。 淤泥免燒砌塊表現(xiàn)出的良好抗硫酸鹽耐久性，可能是因?yàn)橛倌嗟膿饺胩嵘嗣鉄鰤K的密實(shí)度，降低免燒砌塊內(nèi)部孔隙率，使得侵入免燒砌塊內(nèi)部硫酸鹽量減少。

3.淤泥免燒砌塊微觀結(jié)構(gòu)表征

使用掃描電鏡對(duì)養(yǎng)護(hù)28 天后免燒砌塊進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，可以看出，在放大1 000 倍的電鏡圖下， 淤泥免燒砌塊斷面結(jié)構(gòu)致密、完整。

四、淤泥免燒砌塊在坪山河整治中的應(yīng)用

在坪山河整治過(guò)程中，通過(guò)將淤泥無(wú)害化處理、脫水、微顆粒分散、免燒結(jié)制砌塊、 砌塊資源化利用連為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)淤泥的安全、低成本、 高效資源化利用， 全過(guò)程無(wú)廢氣、廢水、廢渣排放，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著。

1.淤泥免燒砌塊生產(chǎn)設(shè)備及工藝

淤泥制免燒砌塊工藝中，淤泥攪拌分散設(shè)備選用LIEBHER 行星式攪拌器，攪拌器容積1.0m3；淤泥免燒砌塊成型設(shè)備選用HESS 510 型成型主機(jī)，每一天兩班可以生產(chǎn)200 m3淤泥免燒砌塊， 即資源化處置80 m3脫水淤泥。

在普通混凝土免燒砌塊生產(chǎn)過(guò)程中，需要外加一定量水為水泥的水化反應(yīng)提供條件。 坪山河脫水淤泥含水率在30%～45%，在淤泥免燒砌塊生產(chǎn)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的直接利用脫水淤泥中剩余水作為水泥水化反應(yīng)的水分，利用水泥水化反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)奪取淤泥中的水分，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)工藝不外加任何水，有效降低淤泥混凝土磚的水灰比。 淤泥免燒砌塊生產(chǎn)工藝全自動(dòng)化，通過(guò)傳輸皮帶將自動(dòng)稱(chēng)量好的脫水淤泥與粗骨料輸送至攪拌器內(nèi)混合攪拌60 秒， 利用粗骨料之間摩擦碰撞分散脫水淤泥，再加入稱(chēng)量好的細(xì)骨料和水泥，混合攪拌45 秒，再經(jīng)成型設(shè)備高頻振動(dòng)壓制成型。

2.淤泥免燒砌塊生產(chǎn)及應(yīng)用情況

坪山河老河道總共8.4 萬(wàn) m3水下淤泥， 清淤脫水后得到約1.6 萬(wàn)m3脫水泥餅。 脫水淤泥處置方案采用0.2 萬(wàn)m3脫水淤泥制免燒砌塊和1.4萬(wàn)m3脫水淤泥原位制工程土兩種資源化方式， 資源化生產(chǎn)合計(jì)0.5 萬(wàn)m3免燒砌塊和1.4 萬(wàn)m3工程土，資源化生產(chǎn)的淤泥免燒砌塊和工程土全部用于坪山河濕地公園建設(shè)。

表2 免燒砌塊中重金屬離子檢測(cè)結(jié)果 （單位：mg/L）

表3 坪山河淤泥礦物組成分析 （單位：%）

表4 坪山河淤泥免燒砌塊配方 （單位：kg/m3）

表5 免燒砌塊15 次硫酸鹽侵蝕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

3.經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)對(duì)坪山河8.4 萬(wàn) m3清淤底泥全量資源化利用，無(wú)淤泥外運(yùn)，為工程節(jié)省了上千萬(wàn)元工程費(fèi)用。 深圳轄區(qū)內(nèi)淤泥外運(yùn)填埋處置， 含運(yùn)費(fèi)淤泥處置成本不低于 400 元/m3， 坪山河1.6 萬(wàn)m3脫水泥餅全部填埋需要花費(fèi)640 萬(wàn)元。 另外，將淤泥免燒砌塊和工程土產(chǎn)品回用于坪山河建設(shè)， 節(jié)省了近500 萬(wàn)元材料費(fèi)用， 因此淤泥資源化制免燒砌塊經(jīng)濟(jì)效益顯著。

五、總結(jié)和展望

本文通過(guò)對(duì)淤泥礦物組成分析和淤泥污染物浸出分析， 針對(duì)性開(kāi)展淤泥中砷、銅重金屬固封技術(shù)研究； 通過(guò)配方優(yōu)化和工藝改進(jìn)，優(yōu)選出淤泥免燒砌塊中最佳淤泥摻量；系統(tǒng)表征淤泥免燒砌塊微觀結(jié)構(gòu)，并深入分析淤泥免燒砌塊耐久性和環(huán)境安全性；開(kāi)展坪山河淤泥制免燒砌塊大規(guī)模工程應(yīng)用，將淤泥免燒砌塊回用到坪山河濕地公園建設(shè)。 本研究項(xiàng)目旨在通過(guò)淤泥制免燒砌塊基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用，為國(guó)內(nèi)外黑臭水體整治過(guò)程中淤泥的處置難題提供解決思路。 成果總結(jié)如下：

①開(kāi)發(fā)了淤泥“鈍化穩(wěn)定—混凝土固封”無(wú)害化處理技術(shù)，創(chuàng)新了淤泥免燒砌塊生產(chǎn)工藝。 本研究在生產(chǎn)應(yīng)用中，淤泥免燒砌塊中脫水淤泥的摻量達(dá)到22.7%， 免燒砌塊強(qiáng)度達(dá)到53MPa，同時(shí)環(huán)境安全性好，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

②通過(guò)電鏡觀察和抗硫酸鹽侵蝕實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了淤泥免燒砌塊具有優(yōu)良的強(qiáng)度和耐久性能。

③坪山區(qū)位于粵港澳大灣區(qū)核心地帶，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，土地資源寶貴，本項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)規(guī)模化淤泥制免燒砌塊工程案例， 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，具有良好的示范效果。

④淤泥制免燒砌塊資源化利用，既可以節(jié)省淤泥填埋用地，為發(fā)展留出空間，又可以減少建材行業(yè)對(duì)天然砂石的消耗，降低碳排放。