河道清淤底泥資源化利用研究進(jìn)展

潘逸凡

摘? 要：對(duì)近年來(lái)河道清淤底泥成分分析及資源化利用的研究進(jìn)行了歸納分析、總結(jié)和展望。底泥成分分析研究證實(shí)城市河道的清淤底泥往往存在重金屬、有機(jī)物污染情況。目前資源化利用主要方向?yàn)橥寥阑?、建材化處理及路基填筑，在此?yīng)用基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)研究方向提出建議及展望。

關(guān)鍵詞：河道清淤;底泥;資源化利用

中圖分類(lèi)號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）26-0059-04

Abstract： Researches on the utilization of dredged sediment of rivers in recent years are stated， analyzed and summarized. Studies on the composition of sediment show that heavy metal and organic pollution have existed in the river sediment. At present， the main direction of resource utilization is soil utilization， building material treatment and roadbed filling. On the basis of this application， some suggestions and prospects for the future research direction are put forward.

Keywords： riverbed sludge dredging; sediment; resource utilization

引言

近年來(lái)，我國(guó)水環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，以城市黑臭水體治理為主的水污染防治工作在全國(guó)范圍內(nèi)全面實(shí)施。2019年，全國(guó)295個(gè)地級(jí)以上城市建成區(qū)共有黑臭水體2899個(gè)，通過(guò)黑臭水體整治專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)消除86.7%。河道疏浚工程作為主要治理方案，能夠有效降低河道內(nèi)的污染物負(fù)荷、改善水域生態(tài)系統(tǒng)，但在疏浚過(guò)程中產(chǎn)生大量清淤底泥。這部分清淤底泥如未得到妥善處置，不僅占用大量土地，還會(huì)因雨水淋洗造成土壤和水體的二次污染。河道清淤底泥的資源化利用途徑亟待拓展與突破。

為適應(yīng)水環(huán)境治理需求、解決河道淤泥處理問(wèn)題，本文對(duì)近年來(lái)河道清淤底泥成分分析研究進(jìn)行總結(jié)，并梳理了國(guó)內(nèi)外河道淤泥資源化利用技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為河道淤泥處置的技術(shù)需求和發(fā)展方向提供新思路。

1 河道清淤底泥成分分析研究現(xiàn)狀

河道疏浚過(guò)程中產(chǎn)生的清淤底泥是一種在靜水和緩慢的流水環(huán)境中沉積并含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒土，通常孔隙比大于1：5，具有粉粒含量高、粘粒含量低的特點(diǎn)[1]。河道淤泥顆粒細(xì)，粒度通常小于0.05mm，可塑性較強(qiáng)。

河道淤泥的化學(xué)成分與粘土類(lèi)似，主要化學(xué)成分為SiO2（約占70%）、Al2O3（約占20%）、Fe2O3（約占7%）、CaO和MgO[2]，但受區(qū)域影響，不同河道也存在差異。另一方面，受工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污染以及水生生物腐敗等影響，河道底泥往往存在重金屬、有機(jī)物污染。

重金屬超標(biāo)的清淤底泥通常來(lái)源于工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)。劉成等[3]對(duì)巢湖重污染匯流灣區(qū)沉積物中主要重金屬分析發(fā)現(xiàn)，Hg和Cd的污染程度較嚴(yán)重，并導(dǎo)致該灣區(qū)沉積物具備不同程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。一項(xiàng)南京黑臭河道底泥污染特征的研究表明，南京城區(qū)黑臭河道底泥重金屬Zn、Ni、Cr、Cu及Pb均有不同程度的污染負(fù)荷，同時(shí)總磷與有機(jī)物污染均較為嚴(yán)重[4]。Hazzeman Haris等[5]研究發(fā)現(xiàn)馬來(lái)西亞Langat River河道沉積物中鉛污染嚴(yán)重。對(duì)于此類(lèi)淤泥通常需要首先進(jìn)行鈍化處理，即降低重金屬的有效濃度和生物有效性。經(jīng)鈍化處理且重金屬浸出量在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的清淤底泥，方可用于土壤化、建材化等其他資源利用方式。

河道清淤底泥中常見(jiàn)的難降解有機(jī)污染物一般有石油烴、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和有機(jī)氯農(nóng)藥等[6]。石油烴通常來(lái)源于石油制品的不完全燃燒和城市含油廢水的排放;多環(huán)芳烴主要來(lái)源于化工生產(chǎn)和石油、木材等物質(zhì)的不完全燃燒;多氯聯(lián)苯一般來(lái)源于工業(yè)潤(rùn)滑油、添加劑的泄露及不當(dāng)排放;有機(jī)氯農(nóng)藥則由農(nóng)業(yè)面源污染帶入。Rumney等[8]通過(guò)檢測(cè)英國(guó)幾處淤泥堆場(chǎng)2008年至2013年多環(huán)芳烴含量發(fā)現(xiàn)，淤泥堆放過(guò)程中多環(huán)芳烴逐漸向周邊環(huán)境擴(kuò)散。在南京揚(yáng)子江的底泥和水樣中檢測(cè)出15種多氯聯(lián)苯，且底泥中的多氯聯(lián)苯濃度高于水樣，低水期底泥中多氯聯(lián)苯的濃度高于高水期[7]。底泥中有機(jī)污染物的遷移和生物累積過(guò)程往往受污染物的吸附、脫附行為影響，部分有機(jī)污染物通過(guò)生物累積進(jìn)入食物鏈，而在環(huán)境介質(zhì)中的含量下降，導(dǎo)致其對(duì)環(huán)境的直觀影響以及生態(tài)危害被研究人員忽視[9]。

2 河道清淤底泥資源化利用研究現(xiàn)狀

2.1 土壤化利用

河道清淤底泥土壤化利用的優(yōu)點(diǎn)在于投資較少，可處理的清淤底泥量大。有別于傳統(tǒng)的直接堆放處理，清淤底泥土壤化是指疏浚底泥經(jīng)固化，并采用一定土壤化處理步驟后，各元素含量在標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)，并可滿足植物生長(zhǎng)要求的資源化利用方法。

河塘底泥通常與沿岸農(nóng)田土壤各粒級(jí)組成非常相似[10]，其種子庫(kù)特征土壤種子庫(kù)同樣與具備保護(hù)植物物種多樣性的作用[11]。對(duì)于沒(méi)有污染、富營(yíng)養(yǎng)化的河段，其清淤底泥可通過(guò)泥漿泵將底泥稀釋過(guò)濾后直接輸送至稻田土壤化利用[12]。王向輝等[13]對(duì)底泥營(yíng)養(yǎng)成分分析結(jié)果顯示，美舍河底泥中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀和速效氮）均滿足農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，可做種植土壤利用，底泥浸液白菜種子發(fā)芽率與種植土壤相當(dāng)。王正等[14]對(duì)三峽水庫(kù)消落帶（底泥）的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)氮磷吸收富集能力高的植物具有更強(qiáng)的光合吸收提取效率，其植被生態(tài)截污能力強(qiáng)，并建議消落帶截污植被恢復(fù)可選蒼耳、青蒿、籽粒莧、狗牙根等草本植物。

一項(xiàng)對(duì)重金屬-有機(jī)物復(fù)合污染河道疏浚底泥的研究結(jié)果顯示，污染底泥配比的增加會(huì)導(dǎo)致植物發(fā)芽率降低。但適應(yīng)底泥中高濃度復(fù)合污染的植物，底泥施用能促進(jìn)其生長(zhǎng)并提高其葉綠素含量，另一方面，底泥中的污染物質(zhì)會(huì)在植物體內(nèi)發(fā)生不同程度的聚集[15]。因此，河道清淤底泥在土壤化利用時(shí)應(yīng)經(jīng)無(wú)毒無(wú)害化處理、確保重金屬及有機(jī)污染物濃度在標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)，以避免對(duì)土壤、地下水的二次污染以及對(duì)作物的毒害影響。

2.2 建材化處理

河道清淤底泥化學(xué)成分及物理性能與黏土類(lèi)似，能夠部分替代黏土制備建材產(chǎn)品。建材化處理是目前綜合利用率較高的處理方式，目前研究應(yīng)用較為廣泛的幾種河道淤泥制備建筑材料是制磚、陶粒和水泥[16]。

2.2.1 河道淤泥制磚

河道清淤底泥顆粒細(xì)、可塑性高、結(jié)合力強(qiáng)，同時(shí)因富含有機(jī)質(zhì)而具備一定熱值，可節(jié)約燃料，具備制磚原料的基本條件和先天優(yōu)勢(shì)。另一方面，淤泥焙燒過(guò)程中有機(jī)質(zhì)分解，形成孔隙，可能導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度低及表面不平整等問(wèn)題，適宜制備透氣性較好的輕質(zhì)磚。

目前對(duì)淤泥制磚的研究方向主要有免燒磚和燒結(jié)多孔磚兩類(lèi)，一般基于清淤底泥添加量與成品磚的物理性能相關(guān)性，研究淤泥制磚的最佳比例。孫志康[17]在對(duì)河道淤泥制備免燒磚試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生石灰摻量為18%時(shí)，基體達(dá)最佳物理性能5.8MPa，河道淤泥制備的免燒磚對(duì)初期雨水徑流污染物SS、COD具有一定的去除效果。胡名衛(wèi)等[19]對(duì)浙江省寧波、臺(tái)州、金華、湖州四地采集的河道淤泥的試驗(yàn)結(jié)果表明，淤泥顆粒大部分在50μm以下，發(fā)熱量均小于200kcal/kg，塑性指數(shù)均大于13，滿足制磚要求，并提出了原料配比建議值為河道淤泥<30%，頁(yè)巖、建筑渣土30%-50%，煤渣、煤矸石20%-30%。

2.2.2 河道淤泥制備陶粒

河道淤泥是由多種礦物組成的混合物，因混合體系成分差異無(wú)法具備固定熔點(diǎn)，高溫下一系列低共熔點(diǎn)、轉(zhuǎn)熔點(diǎn)導(dǎo)致底泥具備一個(gè)軟化溫度范圍，在此溫度范圍內(nèi)，河道清淤底泥呈粘流狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的氣體無(wú)法逸出，在物料內(nèi)部形成孔隙結(jié)構(gòu)[18]。由于河道底泥制備陶粒的兩個(gè)必要條件是膨脹溫度下產(chǎn)生合適的表面張力及足夠的氣體，因此目前在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中于燒制配比和焙燒溫度。胡名衛(wèi)等[19]的試驗(yàn)結(jié)果表明，高強(qiáng)陶?？赏耆珊拥烙倌酂?，輕質(zhì)陶?？蓳饺?0%-70%的淤泥燒制。曾夢(mèng)杰[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定河道淤泥制備陶粒最佳配比為河道淤泥：粉煤灰為18g：2g，添加1g可溶性淀粉作為造孔劑，研究表明焙燒溫度超過(guò)950℃后，溫度越高、焙燒時(shí)間越長(zhǎng)，陶粒結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

在利用河道底泥燒制陶粒時(shí)，焙燒溫度是影響陶粒性能的主要工藝條件。徐振華[21]通過(guò)研究確定利用底泥含量小于35%的配比制備陶粒時(shí)，適宜的燒結(jié)溫度為1100～1150℃，燒結(jié)時(shí)間10～15min，預(yù)熱溫度350℃，預(yù)熱時(shí)間20min。此外，由于不同河段底泥的理化性質(zhì)差異較大，不同原料適宜的燒制條件和輔料也不盡相同，因此，因地適宜地選用合適的工藝及輔料是制備高性能陶粒的必要條件。

2.2.3 河道淤泥制備水泥

鈣離子是水泥固化劑水化反應(yīng)的必需元素，而淤泥中大量的有機(jī)質(zhì)對(duì)鈣離子的吸附作用阻礙了該水化反應(yīng)，且河道淤泥的有機(jī)質(zhì)含量通常高于一般湖相、海相淤泥，因此通過(guò)直接摻量河道淤泥制備水泥的固化效果欠佳。隨著水泥摻量增加，水泥固化土變形破壞特征表現(xiàn)為由塑性向彈-塑性變形破壞過(guò)渡[1]。

王東星等[22]利用MgO-粉煤灰固化材料，采用碳化-固化聯(lián)合技術(shù)處理武漢東湖疏浚淤泥，結(jié)果表明碳化技術(shù)可促使固化淤泥試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線壓密階段縮短、抗壓強(qiáng)度顯著增加，該試驗(yàn)在添加MgO-粉煤灰比例為7：3時(shí)獲得最佳抗壓強(qiáng)度。彭麗思等[23]對(duì)城市河道底泥固化的研究中，使用5%水泥、20%高爐礦渣和5%石灰作固化劑可使固化底泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和內(nèi)聚力的值分別達(dá)到3.3MPa和224kPa。

建材化處理能夠使清淤底泥獲得最大附加值，但考慮到產(chǎn)品密度、抗壓強(qiáng)度等特性要求，該處理技術(shù)對(duì)清淤底泥的消納量有限，更適宜于小范圍、短期性清淤工程的底泥處置。

2.3 路基填筑

對(duì)于處理量大、含水率高、處理周期短的河道底泥，用作路基填筑使用是最為便捷的有效途徑。目前，應(yīng)用于該途徑的主要處置方法是固化處理技術(shù)。

不同類(lèi)型的淤泥在進(jìn)行固化處理時(shí)，應(yīng)采取不同處置方法。曹雷[24]研究發(fā)現(xiàn)中低含水率的淤泥填筑路基可摻拌5%-8%的石灰，或25%-65%的建筑廢料;高含水率的淤泥可通過(guò)石灰和垃圾爐渣的共同作用增強(qiáng)承載力，以符合路基規(guī)范的施用要求。白繁義[25]提出依據(jù)粒徑、成分、力學(xué)性質(zhì)、污染物含量和浸出毒性將河道淤泥分為三類(lèi)，提出分類(lèi)應(yīng)用于路基填筑的觀點(diǎn)，同時(shí)試驗(yàn)證實(shí)將土基層替換為淤泥層不會(huì)對(duì)路面行車(chē)安全造成明顯影響。

另一方面，研究者也在利用河道清淤底泥的特性制備新的路基材料。Miraoui等[26]發(fā)現(xiàn)疏浚底泥和鋼渣混合制備路基材料具有良好的力學(xué)性能和耐久性。Pembe等[27]研究了疏浚底泥作為細(xì)集料在預(yù)拌混凝土中的用途，結(jié)果表明疏浚底泥能夠部分替代硅砂達(dá)到相似的集料性能，但在高比例替代的情況下，會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。

河道底泥在交通工程中作為路基填筑使用具有一定的工程實(shí)踐性，但仍需針對(duì)不同類(lèi)型淤泥固化處理后的力學(xué)性能、耐久性、浸出性能等進(jìn)行研究，為推廣應(yīng)用制定便于執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

河道清淤過(guò)程在水污染防治工作中起到不可或缺的作用，清淤底泥的去向也成為近年來(lái)水環(huán)境治理研究的重要方向。底泥成分分析研究證實(shí)城市河道的清淤底泥往往存在重金屬、有機(jī)物污染情況。因此只有經(jīng)無(wú)毒無(wú)害化處理、確保底泥重金屬及有機(jī)污染物濃度在標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)，才能以資源化利用的方式進(jìn)入后續(xù)工作。

目前資源化利用主要方向?yàn)橥寥阑?、建材化處理及路基填筑，諸多研究證實(shí)，清淤底泥可以一定比例替代土壤或黏土。根據(jù)利用方式的不同，可以通過(guò)摻拌石灰、煤矸石、粉煤灰等改良底泥的物理特性以適應(yīng)實(shí)際需求。

3.2 展望

清淤底泥在資源化利用過(guò)程中，尚缺其理化特性的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)文件，未來(lái)研究可針對(duì)這方面進(jìn)行系統(tǒng)歸納并劃分，以明確不同類(lèi)型底泥資源化的適用范疇。另一方面，清淤底泥的利用往往基于其理化特性，而底泥中富集的有機(jī)質(zhì)決定其具有豐富的微生物菌群，目前已有對(duì)污泥中蛋白質(zhì)資源化利用的研究[28]，但鮮有對(duì)清淤底泥微生物菌群的利用研究，該方向研究也可為底泥資源化利用提供新思路。

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