泥沙資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展*

汪欣林，馬 鑫，梅銳鋒，楊麗艷，李春全，孫志明

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

自然界中，泥沙主要是指在水流中運(yùn)動(dòng)或經(jīng)風(fēng)力、重力等作用沉積而產(chǎn)生的肉眼可見(jiàn)的固體顆粒集合體。泥沙主要有危害性和資源性兩大屬性，其危害性主要體現(xiàn)在：龐大體量的泥沙會(huì)以泥石流、洪水泛濫、污染的形式給生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)帶來(lái)危害，還會(huì)致使水庫(kù)淤積，從而影響河流的泄洪及通航、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及水利工程[1]；其資源性主要體現(xiàn)在：泥沙中含有營(yíng)養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)及石英、長(zhǎng)石、黏土等硅鋁酸鹽礦物，使其在建筑材料、土壤修復(fù)、環(huán)境保護(hù)等方面具備良好的應(yīng)用潛力[2-7]。目前，細(xì)顆粒泥沙的大量堆存不僅占用了寶貴的土地資源，而且還帶來(lái)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境和安全問(wèn)題。隨著國(guó)家環(huán)保政策愈發(fā)嚴(yán)格，如何實(shí)現(xiàn)泥沙的大規(guī)模資源化利用，已成為本研究領(lǐng)域的重點(diǎn)與難點(diǎn)。所謂的“資源化”，指的是通過(guò)一定的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)廢物的充分利用，這也是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要內(nèi)容。泥沙作為一種天然資源，在充分認(rèn)識(shí)其資源性的基礎(chǔ)上，發(fā)揮泥沙資源屬性并有效實(shí)現(xiàn)其最大化利用，已成為我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的基本要求。

近年來(lái)，泥沙資源化利用技術(shù)以及泥沙在陶瓷、板材、磚、備防石、固化土、混凝土等建筑材料以及在土壤修復(fù)、環(huán)境治理、采空區(qū)充填等方面的應(yīng)用研究取得了諸多進(jìn)展?；谀嗌迟Y源化利用的主要方向，本文系統(tǒng)總結(jié)了泥沙資源化利用技術(shù)研究進(jìn)展，并對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展前景與存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，以期為未來(lái)泥沙資源化利用新技術(shù)的開(kāi)發(fā)及深入研究提供參考。

1 泥沙在建筑材料中的應(yīng)用

1.1 泥沙制備陶瓷及微晶玻璃

陶瓷主要是指以黏土等無(wú)機(jī)非金屬礦物為原料經(jīng)混勻、成形、煅燒而成的各種制品。泥沙中的成分適宜用于制備陶瓷材料，并且可在不影響陶瓷產(chǎn)品各項(xiàng)主要指標(biāo)的同時(shí)有效降低生產(chǎn)成本。但是，泥沙中含有的Fe2O3、有機(jī)質(zhì)等會(huì)使陶瓷制品的顏色呈磚紅色并產(chǎn)生針孔、溶洞等缺陷，需要通過(guò)釉面裝飾、涂刷化妝土或配方調(diào)整等方式進(jìn)行改善。目前，利用泥沙制備陶瓷的類型主要集中在陶瓷磚[8]、發(fā)泡陶瓷材料[9-10]、建筑陶瓷[11]等。吳建鋒等[8]以黃河泥沙為主要原料，采用擠出成型法制備了黃河泥沙質(zhì)陶瓷清水磚，性能測(cè)試結(jié)果表明，黃河泥沙添加量為60%的配方H-2，經(jīng)1 100 ℃燒成樣品的吸水率為7.84%，抗壓強(qiáng)度為15.67 MPa，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求；徐曉虹等[10]利用黃河泥沙(摻量30%～70%)和赤泥(摻量10%～50%)成分的互補(bǔ)性制備了發(fā)泡陶瓷隔熱保溫板，通過(guò)調(diào)節(jié)陶瓷高溫熔體的黏度，形成大量不連通的獨(dú)立小氣泡(直徑0.1～3.0 mm)，具有輕質(zhì)高強(qiáng)(抗壓強(qiáng)度≥1.5 MPa)、防火阻燃、抗老化性好的優(yōu)點(diǎn)。泥沙在陶瓷制備領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀如表1所示。微晶玻璃是一種玻璃相分布均勻、由基礎(chǔ)玻璃晶化而成的微晶體材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、低膨脹、化學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型綠色裝飾材料[14]。王雙華等[15]以鄭州花園口黃河泥沙為主要原料，采用整體析晶法，經(jīng)1 200 ℃、2 h熔融后，得到均勻基礎(chǔ)玻璃，然后經(jīng)過(guò)1 050 ℃、0.5 h熱處理，最終得到具有良好力學(xué)性能的微晶玻璃，其內(nèi)部晶體和玻璃相互交錯(cuò)并結(jié)合緊密，沒(méi)有明顯的微裂紋等缺陷，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

表1 泥沙在陶瓷制備領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

1.2 泥沙制備板材

泥沙制備板材是泥沙資源化的重要途徑之一，且泥沙類型適用范圍廣，如尾礦泥沙、黃河泥沙和淤泥等均可得到有效利用。

代霞[16]發(fā)明了一種利用金屬礦選礦所產(chǎn)生的尾礦制備隔墻板材的技術(shù)，該隔墻板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、隔熱隔音、防火性能好、使用壽命長(zhǎng)，且較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)更輕。該技術(shù)有效解決了此類尾礦處理的難題，同時(shí)降低了傳統(tǒng)板材的生產(chǎn)成本。

趙保華等[17]以黃河泥沙為主要原料(摻量40%～75%)，摻入碳酸鈣粉、白云石、透輝石、純堿等輔料生產(chǎn)微晶板材，結(jié)構(gòu)主晶相摻量為30%～90%(主要是微小β-硅灰石等)，板材吸水率<0.05%，耐酸率>98%，耐堿率>96%；該技術(shù)降低了金屬氧化物添加量，適宜連續(xù)生產(chǎn)，且生產(chǎn)效率高，節(jié)省能源，有效降低了板材的生產(chǎn)成本。趙保華等[18]還發(fā)明了一種同樣利用黃河泥沙為原料(摻量50%～78%)制備的微晶泡沫保溫板材，結(jié)構(gòu)主晶相摻量15%～50%(主要是β-硅灰石等)，這種板材輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保，適合應(yīng)用于新型裝配式建筑。

李曉生等[19]以淤泥(摻量30%)、爐灰渣(摻量40%)和廢玻璃(摻量30%)為原料，加入秸稈為造孔劑在1 150 ℃的燒結(jié)溫度下，制備出了一種多孔建筑板材。

1.3 泥沙制磚

相比底泥、淤泥等泥沙類型，河流泥沙因蘊(yùn)含大量的沙/砂質(zhì)資源，在建材領(lǐng)域常作為原料制磚或保溫隔熱材料，并已得到推廣應(yīng)用，具體應(yīng)用情況如表2所示。

表2 泥沙在建材領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

李珉安等[23]使用泥沙篩分設(shè)備將黃河泥沙除雜分級(jí)后分為3個(gè)等級(jí)：上層沙粒徑≥40～60目，用于商用混凝土或鑄造行業(yè)；中層沙粒徑在40～60目與80～120目之間，用于制作加氣混凝土磚或外墻保溫用材料；下層沙粒徑≤80～120目，用于制作加氣混凝土磚。該工藝充分利用泥沙中不同粒度的沙/砂質(zhì)資源，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，已成為泥沙資源化利用中最常見(jiàn)的手段，而且泥沙磚在建筑、道路等領(lǐng)域已展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。泥沙磚在達(dá)到國(guó)家對(duì)于墻體材料的強(qiáng)度要求的同時(shí)，還具有耐火、減重、抗震、抗剪切和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于“禁實(shí)”(禁止黏土類實(shí)心磚)政策的落地，傳統(tǒng)黏土磚在原料、應(yīng)用等方面受到諸多限制，這使得泥沙磚的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用更符合當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)于新型墻體材料的需求[24-25]。

目前，泥沙制磚技術(shù)主要包括焙燒與免燒(蒸養(yǎng)或自然養(yǎng)護(hù))兩種工藝。泥沙在制磚領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀如表3所示。

表3 泥沙在制磚領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

由表3可知，燒結(jié)磚中泥沙摻量為70%～90%，高于免燒磚中20%～43%的泥沙摻量；泥沙磚的強(qiáng)度等級(jí)大多能達(dá)到MU10，能夠滿足承重墻體的要求，甚至部分燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度能達(dá)到20 MPa，可以取代傳統(tǒng)的黏土磚。此外，相比于黏土磚，泥沙磚在保證強(qiáng)度的前提下具有更輕的質(zhì)量和良好的保溫隔熱功能。以淤泥沙的多孔磚為例，其所砌墻體較黏土實(shí)心磚墻體質(zhì)量減少約13.2%；不僅減少了基礎(chǔ)荷載，更有利于抗震多孔磚砌體“銷鍵”的存在，大大提高了多孔磚砌體的抗剪強(qiáng)度，改善了墻體的抗震性能[24]；由于多孔磚存在一定的孔隙結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)較普通的實(shí)心磚大幅降低，可達(dá)到建筑節(jié)能的目的。但是，泥沙制磚技術(shù)仍面臨著產(chǎn)品廢品率高、能耗與生產(chǎn)成本較高、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，還需加強(qiáng)生產(chǎn)技術(shù)改造與培訓(xùn)、提高生產(chǎn)技術(shù)水平并進(jìn)一步降低應(yīng)用成本[25,32]。相比燒結(jié)工藝，以泥沙為主要原料通過(guò)免燒工藝制備的泥沙磚具有設(shè)備投資少、能耗低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，目前已成為泥沙制磚領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。陳穎等[33]以福州市晉安河淤泥為主要原料，研究了相關(guān)因素對(duì)淤泥固化免燒磚性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，所用河道淤泥的最佳含水率為20%～25%，當(dāng)水泥摻量為8%、土壤固化劑摻量為0.02%、在10 MPa壓力下成型時(shí)，淤泥固化免燒磚的強(qiáng)度等級(jí)可達(dá)MU10；劉繼狀等[30]采用石灰激發(fā)、增強(qiáng)相雙相復(fù)摻、加入少量防水劑的方法，在蒸養(yǎng)條件下制備出了同時(shí)滿足強(qiáng)度、耐水性能、抗凍性能要求的免燒磚，其中淤泥、石灰、粉煤灰、水泥、防水劑(外摻)的最佳質(zhì)量比為43∶32∶20∶5∶5。

1.4 泥沙制備人工備防石

以泥沙為主要原料制備人工備防石，可滿足防汛石材的強(qiáng)度要求，從而代替天然石材用于防汛搶險(xiǎn)，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了泥沙的資源化利用。王萍等[34]以天然淤泥為主要原料制備了人工備防石，實(shí)現(xiàn)了原材料免淘洗且制備工藝簡(jiǎn)單環(huán)保，產(chǎn)品在密度、強(qiáng)度(28 d抗壓強(qiáng)度7.3 MPa)和耐久性等方面的指標(biāo)均滿足抗洪搶險(xiǎn)的要求，具有單塊質(zhì)量大、適合機(jī)械化施工的特點(diǎn)，并能較好地解決根石走失難題。張金升等[35]研發(fā)出了核殼結(jié)構(gòu)黃河沙芯鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)備防石，其中的黃河泥沙、紅土、水、稻草梗的質(zhì)量比為3∶1∶0.5∶0.1，并加入了高強(qiáng)度鋼絲纖維網(wǎng)和防滲劑，產(chǎn)品制作工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少。宋萬(wàn)增等[36]研發(fā)出了利用黃河泥沙制造人工防汛石材的成套設(shè)備，確定了振動(dòng)時(shí)間30～45 s、物料含水率12%～14%為優(yōu)化振動(dòng)加壓成型條件。鄧雙等[37]以赤泥、黃河泥沙為主要原料生產(chǎn)了防汛石材，當(dāng)赤泥和黃河泥沙摻入質(zhì)量份均為400時(shí)，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后赤泥/黃河泥沙地聚物材料抗壓強(qiáng)度為49.4 MPa。綜上，將泥沙制成人工備防石并用于防汛搶險(xiǎn)，可實(shí)現(xiàn)泥沙的直接資源化利用，并且大大降低了天然石材開(kāi)采造成的環(huán)境損害，具有重要的環(huán)保意義和較好的工程應(yīng)用前景。

1.5 泥沙制備膠凝材料

1.5.1 三合土、生土材料

所謂的“三合土”是指由石灰、黏土和砂組成的一種應(yīng)用廣泛的建筑用膠凝材料，其具有密實(shí)堅(jiān)固、不易透水、取材容易、耐久安全等優(yōu)點(diǎn)。古代常用于地基、炮臺(tái)等設(shè)施的建設(shè)，如今三合土也廣泛用于公路工程、建筑地基處理等領(lǐng)域。泥沙主要含有沙/砂質(zhì)與黏土成分，輔以石灰及其他組分，即可滿足制備三合土的原料要求，是泥沙資源化的有效途徑。張秉堅(jiān)[38]在黃河泥沙摻量達(dá)57.30%時(shí)，通過(guò)添加5份預(yù)糊化糯米粉和1份減水劑，成功制備了一種灌注用糯米三合土，且與傳統(tǒng)工藝相比，其28 d抗壓強(qiáng)度得到了顯著提高，并大大降低了生產(chǎn)成本。彭紅濤等[39]在細(xì)砂體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，通過(guò)在每33 m3土料中摻入1 L派酶(生物酶液體制劑，無(wú)毒，微甜)的方式，使得產(chǎn)品28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到9～10 MPa，其機(jī)理是：派酶的摻入有效增加了土體中的細(xì)小孔隙，從而增大了土體顆粒間的凝聚力和相互作用力。

泥沙制備三合土的研究現(xiàn)狀如表4所示。由表4可知，三合土中的泥沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%～57.3%，且其大多是通過(guò)在河沙中添加石灰和黏土混合制成。在三合土的制備工藝研究中，不同產(chǎn)品的28 d抗壓強(qiáng)度有較大差別，其關(guān)鍵在于固化劑的選擇與復(fù)配、減水劑和偏高嶺土等活性物質(zhì)的引入[38-41]。針對(duì)三合土抗壓強(qiáng)度偏低的問(wèn)題，可對(duì)泥沙進(jìn)行活性激發(fā)(如采用NaHSO4、CaCl2、水玻璃等[42-43]活性激發(fā)劑)以提高產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度與軟化系數(shù)。生土材料是指未經(jīng)焙燒而直接對(duì)原生土進(jìn)行簡(jiǎn)單加工并直接使用的建筑材料，在我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)村建筑中普遍存在。目前普通生土材料在力學(xué)性能、耐久性等方面存在諸多弊端，難以大規(guī)模應(yīng)用。劉俊霞等[44]采用傳統(tǒng)的振搗成型自然養(yǎng)護(hù)工藝，活化泥沙、無(wú)機(jī)膠凝材料、砂的質(zhì)量比為65∶25∶10，再摻入1.8%(占材料總質(zhì)量)的聚丙烯酸鈣和0.8%的(占材料總體積)黃麻纖維，制備出了抗壓強(qiáng)度達(dá)13.9 MPa、軟化系數(shù)為0.88的生土材料；該生土材料通過(guò)無(wú)機(jī)水化產(chǎn)物、有機(jī)聚合物和植物纖維的協(xié)同固化作用，形成了連續(xù)、半連續(xù)和互相搭接的3套網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。上述研究表明，將黃河泥沙固化并應(yīng)用于生土材料具有可行性，是泥沙資源化利用的一種有效途徑。

表4 泥沙在三合土領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

1.5.2 固化土、混凝土

所謂的“固化土”指的是土壤固化劑與各類土壤發(fā)生化學(xué)或生物作用，改變土的結(jié)構(gòu)、親水性等，從而使土壤具有一定的承載能力、抗?jié)B能力和耐久性[45]。泥沙制備固化土，一般是將各類固化劑單摻或混摻入泥沙中，將其固化成具有一定強(qiáng)度的固化土產(chǎn)品，其強(qiáng)度往往低于混凝土，常用于對(duì)強(qiáng)度要求不高的工程領(lǐng)域。泥沙在固化土方面的研究現(xiàn)狀如表5所示。由表5可知，常用固化劑有傳統(tǒng)固化劑(如石灰、水泥、礦渣等)和新型固化劑(如聚丙烯纖維、A-5型土體固化劑、HAS高強(qiáng)耐水土壤固化劑H400等)；固化劑的摻量一般在2%～40%，其隨固化劑類型不同而有所差異，但固化后土壤強(qiáng)度差別較大。未來(lái)應(yīng)對(duì)固化劑用量、種類、品種復(fù)配等進(jìn)行深入研究，從而實(shí)現(xiàn)泥沙在固化土方面的大規(guī)模利用。

表5 泥沙在固化土領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

以泥沙為原料制備混凝土，可有效增強(qiáng)產(chǎn)品的密實(shí)性，并減少對(duì)天然資源的依賴。泥沙在混凝土領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀如表6所示。由表6可知，泥沙在混凝土中的摻量在22%～86%，多用于塑性混凝土、加氣混凝土等，產(chǎn)品28 d抗壓強(qiáng)度在5.6～53.0 MPa，應(yīng)用領(lǐng)域包括建筑、建材、防滲、生態(tài)建設(shè)等。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，未來(lái)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，在保證產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上尋求最佳原料配比，并盡量提高泥沙用量，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的最大化。

表6 泥沙在混凝土領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

2 泥沙在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 泥沙在土壤修復(fù)中的應(yīng)用

以泥沙為原料直接或經(jīng)過(guò)處理后加入土壤中，可有效改善土壤的理化性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)含量、植物必需營(yíng)養(yǎng)元素含量、陽(yáng)離子交換量、土壤孔隙度、土壤含水率等)，實(shí)現(xiàn)土壤(如鹽堿土、礦山廢棄地土壤等)的改良與生態(tài)修復(fù)。近年來(lái)，泥沙在土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展如表7所示。由表7可知，在土壤修復(fù)中可以利用的泥沙類型有底泥、淤泥、黃河泥沙等，泥沙摻量可達(dá)25.0%～99.8%，常用配料包括氧化鈣、生物炭、蛭石等。以黃河泥沙為代表的河道泥沙在改造鹽堿地[22,54-56]方面已有了廣泛應(yīng)用，而淤泥和底泥則因富含有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素主要應(yīng)用于土壤修復(fù)。劉科等[57]將河道淤泥初步篩分除雜后，添加0.1%(占淤泥質(zhì)量)的高活性氧化鈣，攪拌均勻后靜置30 h，并添加0.1%(占淤泥質(zhì)量)的有機(jī)肥發(fā)酵劑，混合均勻后發(fā)酵5 d，溫度為65 ℃左右時(shí)進(jìn)行翻堆、降溫，最終制得了滿足CJ/T 340-2016《綠化種植土壤》要求的有機(jī)肥。和苗苗等[58]以河道底泥、菇渣、中藥渣等為原料堆肥生產(chǎn)三類土壤改良劑，結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的同時(shí)，酸性土壤改良劑使土壤pH由5.58提高到7.04；重金屬污染土壤改良劑使土壤中重金屬Cd的有效態(tài)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)從77%降至59%，重金屬Pb的有效態(tài)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%降至22%；板結(jié)土壤改良劑使土壤孔隙度從47%提高到52%，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從15.27 g/kg提高到21.79 g/kg。

表7 泥沙在土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

2.2 泥沙在環(huán)境治理中的應(yīng)用

直接利用泥沙或利用泥沙為原料制備環(huán)保材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水體、沙漠、危廢等的治理。泥沙在環(huán)境治理領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀如表8所示。由表8可知，泥沙摻量為14.63%～100%，主要配料隨應(yīng)用目的而有所差異。李品等[61]通過(guò)淤泥層內(nèi)部和表層的電位差得到400 mV以上的電壓，串聯(lián)得到使LED發(fā)光的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)淤泥原位利用的同時(shí)可有效改善河道水質(zhì)。夏建新等[62]利用天然泥沙的吸附作用去除水體中重金屬，并分析了相關(guān)影響因素對(duì)去除率(K)的作用規(guī)律，結(jié)果顯示：污染物初始濃度、泥沙顆粒粒徑、離子強(qiáng)度越大，K越低；pH越大、泥沙含量越高(存在最佳泥沙含量)，K越高；K隨溫度的升高呈線性增大。

表8 泥沙在環(huán)境治理領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

3 泥沙在其他方面的應(yīng)用

3.1 充填采空區(qū)

煤炭是中國(guó)的主要能源，其開(kāi)采方式多為井工開(kāi)采，常造成采煤區(qū)沉陷，導(dǎo)致大量土地被損毀。目前在塌陷土地復(fù)墾中，煤矸石、粉煤灰等工業(yè)廢棄物是主要的塌陷充填物，但因采空區(qū)巨大，因而往往還需要其他填充物來(lái)彌補(bǔ)充填物料的不足。泥沙充填采煤塌陷區(qū)，不僅解決了充填物來(lái)源的問(wèn)題，而且還可有效改善土壤肥力。潘莊灌區(qū)利用引黃泥沙對(duì)邱集煤礦采煤塌陷地進(jìn)行了淤改復(fù)墾，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)利用黃河淤沙治理采煤塌陷區(qū)的實(shí)踐項(xiàng)目[66]。項(xiàng)目建成后，土地生產(chǎn)力和產(chǎn)出率得到了有效提高，糧食產(chǎn)量增加860 t，產(chǎn)值增加1 624萬(wàn)元，人均純收入增加420元，吸收安置剩余勞動(dòng)力460人。劉廣柱[67]指出黃河泥沙恢復(fù)煤田沉陷區(qū)的方式包括機(jī)淤(管道水力輸送)方式、公路運(yùn)輸方式、皮帶機(jī)輸送方式、引黃自流輸送和機(jī)淤聯(lián)合方式，且以聯(lián)合方式對(duì)巨野煤田沉陷區(qū)進(jìn)行了治理，結(jié)果表明，該方式運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便、過(guò)程污染小、干擾小、損耗少。胡振琪等[68]提出了引入黃河底層沉淀泥沙對(duì)采煤塌陷區(qū)進(jìn)行充填，并利用動(dòng)態(tài)沉陷來(lái)預(yù)計(jì)開(kāi)采工作面地表下沉的速度和范圍，提前對(duì)可能出現(xiàn)塌陷的采煤沉陷地進(jìn)行動(dòng)態(tài)復(fù)墾，實(shí)現(xiàn)高潛水位平原礦區(qū)的煤炭開(kāi)采與土地保護(hù)。

3.2 制備陶粒

陶粒是一種在高溫?zé)Y(jié)或免燒條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生膨脹制得的具有多孔結(jié)構(gòu)、粒徑5～25 mm的顆粒材料。陶粒具有良好的物化特性(孔隙率高、輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫吸附等)，可用于建材、耐火保溫材料、化工、水處理、石油等領(lǐng)域[69-70]。傳統(tǒng)的陶粒制備原料主要是黏土、頁(yè)巖等礦產(chǎn)資源，目前的發(fā)展趨勢(shì)是原料逐漸轉(zhuǎn)向具有相似成分的粉煤灰、污泥、河道泥沙、廢石與尾礦等資源。目前國(guó)內(nèi)此類陶粒在建材和污水處理等方面均已有應(yīng)用。在建材方面，淤泥陶?；炷了目讟前遢^普通混凝土樓板具有減重和降低成本的優(yōu)勢(shì)，其200 mm的淤泥陶粒外墻較混凝土墻體強(qiáng)度增加1倍，成本下降10%；在水處理方面，周顏等[71]以疏浚底泥制備了免燒陶粒，在凈水試驗(yàn)中，22 d穩(wěn)定后對(duì)COD、NH3-N、SS和TP的去除率分別達(dá)到了55%、65%、78%和50%，而經(jīng)過(guò)磁改性后去除率能分別穩(wěn)定在65%、69%、79%和51%。

泥沙制備陶粒技術(shù)的研究現(xiàn)狀如表9所示。由表9可知，在泥沙中摻加粉煤灰、膨潤(rùn)土和黏土等配料，并采用合適的設(shè)備、流程以及燒結(jié)制度，可制備出性能優(yōu)異、適用于不同領(lǐng)域的陶粒。但是，污泥、底泥等常含有病原菌、重金屬和難降解有機(jī)物等有害成分[72-73]，將其作為陶粒的原料時(shí)需妥善處理，如以底泥作原料時(shí)可對(duì)其中的污染物進(jìn)行清除和固化，從而減少環(huán)境污染。

表9 泥沙在制備陶粒領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

4 結(jié)論與展望

隨著社會(huì)可持續(xù)發(fā)展理念與環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，泥沙的資源屬性日益得到人們的重視。近年來(lái)，泥沙的資源化、減量化及無(wú)害化處置已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。泥沙資源化不僅符合泥沙治理開(kāi)發(fā)的重大需求，也是國(guó)家實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與踐行循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的必然選擇。目前，泥沙資源化應(yīng)用研究主要集中在建材與環(huán)保領(lǐng)域，取得了一定的研究進(jìn)展，但其大規(guī)模應(yīng)用依然面臨諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)：

a.泥沙作為一種廉價(jià)原料，其在陶瓷領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用不僅有利于保護(hù)優(yōu)質(zhì)陶瓷原料，還可以降低生產(chǎn)成本，具有較大的應(yīng)用潛力與發(fā)展前景，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究泥沙制備陶瓷新工藝、新技術(shù)及泥沙陶瓷的應(yīng)用，并進(jìn)一步提高泥沙利用率。

b.泥沙制磚是泥沙資源化利用的重要途徑，在建筑、道路等領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)黏土磚，采用免燒技術(shù)制備的泥沙磚往往自重更輕，具有良好的保溫隔熱性能與抗震性能，更符合市場(chǎng)對(duì)于新型墻體材料的發(fā)展需求。目前傳統(tǒng)高溫?zé)频哪嗌炒u面臨著能耗及成本較高、廢品率高等問(wèn)題，仍需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)低成本、高性能的泥沙免燒磚制備工藝。

c.泥沙制備的膠凝材料可廣泛應(yīng)用于建筑、防滲、公路工程、生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域，市場(chǎng)潛力巨大。但如何提高泥沙在混凝土中的用量、降低生產(chǎn)成本是本領(lǐng)域的研究難題。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步從原料配比出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)際需求，在保證產(chǎn)品性能和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上尋求最佳配比，盡可能提高泥沙資源利用率。

d.利用泥沙可實(shí)現(xiàn)對(duì)水體及土壤污染的修復(fù)治理，具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前大規(guī)模利用仍存在諸多挑戰(zhàn)。未來(lái)應(yīng)針對(duì)不同類型泥沙的理化特性，結(jié)合水體或土壤中的污染類型，開(kāi)發(fā)具有針對(duì)性、效果穩(wěn)定的水污染治理或土壤修復(fù)材料，并進(jìn)一步降低產(chǎn)品應(yīng)用成本。

e.泥沙陶粒具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于建材與環(huán)保領(lǐng)域。但目前泥沙制備陶粒技術(shù)仍存在能耗與生產(chǎn)成本較高的問(wèn)題，限制了其規(guī)?；茫磥?lái)應(yīng)進(jìn)一步研究新型助熔原料、燒結(jié)制度、造粒與煅燒裝備等，從而制備出性能優(yōu)異且價(jià)格低廉的泥沙陶粒產(chǎn)品。

f.目前泥沙資源化利用技術(shù)多集中在傳統(tǒng)建材領(lǐng)域，缺乏創(chuàng)新性應(yīng)用技術(shù)，針對(duì)泥沙資源量大、綜合利用率低的問(wèn)題，未來(lái)仍需開(kāi)發(fā)大規(guī)模、高效率、高效益利用泥沙資源的新途徑，拓寬泥沙產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，不斷提高泥沙產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。