污染淤泥固化穩(wěn)定化處理及種植性能試驗(yàn)

史燕南，占 川，張超杰，吳文華，楊 煒

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020)

為了改善和提升水環(huán)境、水生態(tài)，增加調(diào)蓄庫(kù)容、提高行洪排澇能力和航運(yùn)能力，清淤疏浚成為河湖庫(kù)塘治理的常用方法之一。近年來(lái)，水利部加大河湖長(zhǎng)制建設(shè)，加強(qiáng)河湖黑臭水體治理，如太湖、滇池、巢湖、鄱陽(yáng)湖等重要湖泊，以及河道、水庫(kù)等，每年均有大量淤泥產(chǎn)生[1-2]，其中大部分疏浚淤泥用于農(nóng)田施肥、魚塘回填、廢棄礦坑復(fù)墾等。

疏浚淤泥普遍具有含水率高、固結(jié)難、體積大的特點(diǎn)。城鎮(zhèn)水底淤泥在很大程度上受到有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽、重金屬或難降解高分子有機(jī)物的污染，若未及時(shí)處理，大量污染淤泥直接堆放并用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，極易對(duì)土壤環(huán)境、水環(huán)境等造成污染[3]，甚至對(duì)食物鏈造成威脅[4]，因此，受到污染的淤泥處置備受水利、巖土、環(huán)境等多學(xué)科的研究者們關(guān)注。

固化穩(wěn)定化技術(shù)能改善淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)，并將游離態(tài)的有毒有害物質(zhì)穩(wěn)固于固化體中，減少污染物的溶出[5-6]。國(guó)內(nèi)外在固化材料篩選、有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化淤泥影響、力學(xué)性質(zhì)變化、水分轉(zhuǎn)化、氮磷和重金屬釋放等方面進(jìn)行了較多的研究[7-15]，但對(duì)污染疏浚淤泥固化穩(wěn)定化處理后進(jìn)行種植應(yīng)用的研究較少。疏浚淤泥中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可被植物利用[16-17]，但干化后的疏浚淤泥孔隙率低、易板結(jié)，影響植物根部吸水、呼吸和無(wú)機(jī)鹽的吸收等，不宜直接進(jìn)行種植。為了探討污染疏浚淤泥的種植利用可行性，本文對(duì)重金屬污染的淤泥進(jìn)行固化穩(wěn)定化配比試驗(yàn)，通過(guò)改變固化穩(wěn)定化試劑摻量調(diào)節(jié)土體pH、孔隙、重金屬溶出濃度等，解決重金屬溶出超標(biāo)、土壤板結(jié)不透氣等問題；通過(guò)羽衣甘藍(lán)等綠化植物種植試驗(yàn)研究植物生長(zhǎng)特性，探索重金屬固化穩(wěn)定化機(jī)理，并篩選出適宜羽衣甘藍(lán)等綠化植物的最佳種植配比方案，為污染淤泥進(jìn)行種植利用提供更多可能性。

1 試驗(yàn)材料的物理、化學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)淤泥來(lái)自浙江省某城市湖蕩淤泥。經(jīng)勘測(cè)，該湖蕩平均淤積厚度為42 cm，因此現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)，主要采集其岸邊約3～5 m處0～50 cm的淤泥。淤泥存在部分有分層情況，整體呈黑色，有強(qiáng)烈的腐臭味。采樣后立即將淤泥封裝于PVC桶，防止淤泥失水。

1.1 淤泥物理性質(zhì)

該湖蕩淤泥為高含水率的流泥，具流動(dòng)性，自身強(qiáng)度極低，滲透性??；湖蕩淤積層均為高壓縮性、低強(qiáng)度的超軟土，作為堆場(chǎng)直接填土其固結(jié)性能極差。淤泥的顆粒組成以粉粒、黏粒和膠粒等為主，其中粒徑小于等于0.005 mm的淤泥顆粒含量約為45%，中值粒徑d50=0.006 mm，具體性質(zhì)見表1和表2。

表1 淤泥顆粒組成

表2 淤泥物理性質(zhì)

表3 自然干化后淤泥浸出液重金屬檢測(cè)結(jié)果 mg/L

1.2 淤泥污染特性

該湖蕩長(zhǎng)期受納周圍居民生活、企業(yè)生產(chǎn)排放的部分污水，淤泥中部分重金屬超出可直接農(nóng)業(yè)利用范圍，具體檢測(cè)結(jié)果：pH為6.85，有機(jī)物為85.4 g/kg,全氮0.341%,氨氮為104 mg/kg,總磷為1 060 mg/kg,銅為1 079 mg/kg,鋅為208 mg/kg,鉛為104 mg/kg,鎘為0.27 mg/kg，鎳為45 mg/kg，汞為0.389 mg/kg，砷為18.3 mg/kg，總鉻為73 mg/kg，六六六為0.098 mg/kg，滴滴涕未檢出(ND)，總大腸菌群為8.5×105MPN/kg，細(xì)菌總數(shù)為9.9×107個(gè)/kg。其銅含量為1 079 mg/kg，對(duì)照GB 15618—2018《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)》[18]，遠(yuǎn)高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值200 mg/kg(果園)、100 mg/kg(其他)。該淤泥對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、農(nóng)作物生長(zhǎng)或土壤生態(tài)環(huán)境可能存在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測(cè)，原則上應(yīng)當(dāng)采取安全利用措施。但是，穩(wěn)定在土壤中的重金屬對(duì)生物生長(zhǎng)影響并不大[19]，因此需要了解溶出的重金屬濃度。自然干化后淤泥浸出質(zhì)量濃度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。浸出液pH為6.9，銅、鉛、鎘離子質(zhì)量濃度符合地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 主要材料

粉煤灰：二級(jí)灰，粉末狀，呈灰白色，pH為8.6，密度為2.2 g/cm3。石灰：浙江省建德市蓮花化工有限公司的分析純CaO(≥98%)，白色或微帶黃色的不定形塊狀或粒狀粉末，在濕空氣中易吸收二氧化碳及水分，遇水生高熱，pH為12.7，分子量為56.08。

高嶺土：氧化硅含量為45%，pH為7.8，規(guī)格為600目。

碳酸鈉：杭州高晶精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的分析純Na2CO3，白色粉末，暴露于空氣中逐漸吸水成為一水合物，溶于水，不溶于乙醇，分子量為105.99。

硫酸鐵：上海山海工學(xué)團(tuán)實(shí)驗(yàn)二廠生產(chǎn)的分析純Fe2(SO4)3·xH2O，白色或黃色粉末，易潮解，溶于水和醇，水溶液呈酸性，分子量為399.87(以無(wú)水鹽計(jì))。

硫酸鎂：上海試四赫維化工有限公司生產(chǎn)的分析純MgSO4·7H2O(≥99%)，白色結(jié)晶或粉末，味苦咸而涼，25℃時(shí)50 g/L的溶液pH為5.0～8.0，分子量為246.47。

硅酸鈉：如皋市金陵試劑廠生產(chǎn)的分析純Na2SiO3·9H2O，別名：偏硅酸鈉，白色或灰白色塊狀物粉末，溶于水和堿溶液，由于水解，其水溶液呈強(qiáng)堿性，不溶于醇和酸，分子量為284.20。

纖維：規(guī)格為9 mm的聚乙烯醇(PVA)纖維。

2 污染淤泥的試驗(yàn)方法

2.1 固化穩(wěn)定化試驗(yàn)

表4 淤泥固化土重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)pH的調(diào)整確定5個(gè)固化穩(wěn)定化配比方案和原狀土方案，分別為GW0(原狀土)、GW1(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硅酸鈉+硫酸鐵)、GW2(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+碳酸鈉+硫酸鐵)、GW3(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硅酸鈉+碳酸鈉+硫酸鎂+硫酸鐵)、GW4(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硫酸鎂+硫酸鐵)、GW5(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維+硫酸鎂)，其中粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維的摻量為10%(摻量以干泥質(zhì)量百分比計(jì))，其余部分摻量為6%。

采用5 mm×5 mm×5 mm試模，每種配比配制置3個(gè)平行試樣，共配制18個(gè)試樣。以固化體毒性浸出液銅、鉛、鎘等離子濃度減少率、滲透系數(shù)、中值粒徑等為考察指標(biāo)，探索重金屬污染淤泥處理60 d后的固化穩(wěn)定化機(jī)理。

2.2 種植試驗(yàn)

由于在冬天和初春開展試驗(yàn)，氣候比較干冷，試驗(yàn)周期較短，因此選擇耐寒、生長(zhǎng)周期短的羽衣甘藍(lán)幼苗作為植生性能研究對(duì)象。每個(gè)配比種植2盆，共種植12盆，每盆1株羽衣甘藍(lán)。為了保證陽(yáng)光充足，晝夜溫度保持穩(wěn)定，選用在2 m×2 m的透明花棚中進(jìn)行，在花棚內(nèi)設(shè)置溫度計(jì)，可隨時(shí)觀察棚內(nèi)溫度，并適時(shí)通風(fēng)。

種植試驗(yàn)主要研究植物的株高、根長(zhǎng)、莖葉重量、生長(zhǎng)速率、莖葉重金屬含量和種植60 d后固化土中重金屬離子浸出濃度變化等，從而篩選出適宜羽衣甘藍(lán)生長(zhǎng)的固化穩(wěn)定化配比方案，探討重金屬污染淤泥用于種植的可行性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 固化穩(wěn)定化試驗(yàn)

3.1.1淤泥固化土滲透性

土壤中存在一定的空氣和連通的輸水通道是植物根部生長(zhǎng)呼吸的前提條件。Taylor[21]提出土滲透系數(shù)和孔隙比存在半對(duì)數(shù)關(guān)系，并在軟土工程中得到較多的應(yīng)用。本文采用變水頭滲透試驗(yàn)，在20℃室溫中進(jìn)行，測(cè)試不同摻量固化穩(wěn)定化淤泥的滲透系數(shù),結(jié)果如圖1所示。

從圖1中知，滲透性從大到小排序?yàn)镚W5、GW3、GW4、GW2、GW1、GW0，其對(duì)應(yīng)的中值粒徑分別為0.067 mm、0.051 mm、0.044 mm、0.035 mm、0.038 mm和0.006 mm，基本可以說(shuō)明粗顆粒含量越多，滲透性越好；GW5的滲透系數(shù)為10-4cm/s數(shù)量級(jí)，GW1～GW4的滲透系數(shù)均為10-5cm/s數(shù)量級(jí)，相比GW0原狀樣來(lái)說(shuō)滲透系數(shù)提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，主要由于土體里加入纖維，隨著土體里水的排出，一條條纖維形成一條條的滲水通道，導(dǎo)致淤泥固化土的滲透性增大。

3.1.2淤泥固化土浸出毒性

重金屬毒性浸出試驗(yàn)浸提液為醋酸溶液(pH值為4.93±0.05)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)模擬固化體在酸性條件下或進(jìn)入填埋場(chǎng)后重金屬的浸出過(guò)程，了解各種淤泥固化土污染物的穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，固化土的毒性浸出穩(wěn)定效果較好，浸出液為Ⅰ～Ⅲ類水(《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[20]，下同)，而原狀土浸出液為劣Ⅴ類水，固化土中重金屬穩(wěn)定性有不同程度提高。

統(tǒng)計(jì)各類固化土相較于原狀土的重金屬浸出質(zhì)量濃度減少率如圖2所示。由圖2可知，8項(xiàng)重金屬的浸出濃度均有不同程度的降低，可能由于疏浚淤泥在固化穩(wěn)定化處理前，各項(xiàng)重金屬都存在一定濃度的可溶可交換態(tài)，在摻入了石灰、粉煤灰、硅酸鈉、碳酸鈉等堿性材料，提高土體pH值，降低污染淤泥中的微生物和有機(jī)物含量，在微生物的分解代謝作用下，淤泥中的化學(xué)條件不斷發(fā)生變化，從而穩(wěn)定了重金屬的形態(tài)[22]。超標(biāo)重金屬銅、鉛、鎘浸出減少效果最佳，銅、鉛的浸出減少率超過(guò)95%，鎘的浸出減少率超過(guò)85%，說(shuō)明固化劑碳酸鈉、硅酸鈉、硫酸鐵、硫酸鎂的組合可以有效穩(wěn)定游離態(tài)的銅、鉛、鎘等離子。GW3和GW4固化土浸出減少效果稍差，可能由于GW3和GW4組合中，pH分別為6.2和5.4，在酸性條件下，H+會(huì)破壞化產(chǎn)物和阻礙金屬化合物的沉降，或與OH-發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致氫氧化鈣濃度降低，進(jìn)而促進(jìn)水化產(chǎn)物的溶解，加速重金屬的浸出[15]。

圖2 各固化土不同污染物的浸出減少率

3.2 種植試驗(yàn)

3.2.1植生特性

羽衣甘藍(lán)的平均株高、莖葉重量、根長(zhǎng)、生長(zhǎng)情況等如表5所示。觀察羽衣甘藍(lán)生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，通過(guò)植株生長(zhǎng)速率曲線進(jìn)行線性擬合，得到不同固化穩(wěn)定化試劑作用下的生長(zhǎng)趨勢(shì)擬合系數(shù)如圖3所示，羽衣甘藍(lán)生長(zhǎng)情況如圖4所示。

表5 羽衣甘藍(lán)植生性能觀測(cè)結(jié)果

圖3 不同配比下的羽衣甘藍(lán)生長(zhǎng)趨勢(shì)擬合系數(shù)

圖4 不同配比下的羽衣甘藍(lán)生長(zhǎng)情況

總體上，5個(gè)配比所種植的羽衣甘藍(lán)，其平均株高、莖葉重量相比原狀土長(zhǎng)勢(shì)更好。其中，GW2、GW3和GW4羽衣甘藍(lán)的葉片顏色呈現(xiàn)鮮艷的紫色，生長(zhǎng)趨勢(shì)擬合系數(shù)分別為0.007 1、0.006 7和0.009 1，其余配比顏色較暗，尤其GW0顏色略微泛白。主要由于GW0滲透系數(shù)極小，僅普通鋤松不能解決土壤根部呼吸問題，其土壤板結(jié)影響根部吸收水分和無(wú)機(jī)鹽類，導(dǎo)致其植株特別矮小。此外，適量的銅可保障植物維持正常的光合作用和呼吸作用，但過(guò)量會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生生物脅迫和非生物脅迫，如引起光合作用的改變、呼吸作用的異常等，從而影響植物的正常生長(zhǎng)[19]，GW0的銅、鉛、鉻溶出超標(biāo)，影響了羽衣甘藍(lán)的光合作用和呼吸作用。

3.2.2植物莖葉重金屬含量

由于淤泥在固化穩(wěn)定化處理前銅、鉛、鎘溶出超標(biāo)，因此，本文探討這3種重金屬的莖葉吸收情況，檢測(cè)結(jié)果見表6。5組固化穩(wěn)定化配比種植的羽衣甘藍(lán)莖葉中的銅為1.5～4.9 mg/kg，相比GW0都有一定程度的減少，羽衣甘藍(lán)莖葉中未檢出鎘、鉛，進(jìn)一步說(shuō)明處理后土體中游離態(tài)的重金屬含量減少，重金屬穩(wěn)定性提高，進(jìn)入植物體內(nèi)的重金屬減少；GW2配比種植的羽衣甘藍(lán)長(zhǎng)勢(shì)良好，其莖葉中的重金屬含量最少，說(shuō)明該配比對(duì)銅的固化穩(wěn)定化效果較好，適宜作為羽衣甘藍(lán)等綠化植物的種植土。

表6 不同試樣土種植的羽衣甘藍(lán)莖葉中的重金屬 mg/kg

3.2.3種植后盆土中總氮、總磷和超標(biāo)重金屬的浸出結(jié)果

5種固化土浸出液中的總磷和總氮質(zhì)量濃度如圖5所示。從圖5可以看出，5種固化土浸出液中總磷、總氮的質(zhì)量濃度較GW0有所降低，說(shuō)明固化對(duì)總磷、總氮的穩(wěn)定也有一定的作用；GW2、GW3和GW4組浸出液中總磷、總氮質(zhì)量濃度最小，而這3組羽衣甘藍(lán)長(zhǎng)勢(shì)較好，可能由于這3組植株對(duì)N、P的吸收較多。

圖5 各固化穩(wěn)定化土浸出液中總磷和總氮質(zhì)量濃度

種植羽衣甘藍(lán)后，盆土浸出液中重金屬銅、鉛和鎘的質(zhì)量濃度見表7，重金屬鉛均未檢出；相比種植前，GW0銅的浸出減少率接近100%，鎘的浸出減少率超過(guò)85%；經(jīng)過(guò)固化穩(wěn)定化處理后，浸出濃度值較小，可能由于誤差導(dǎo)致有幾項(xiàng)濃度相比種植前有些許增加。該試驗(yàn)也進(jìn)一步說(shuō)明了經(jīng)過(guò)處理后的淤泥固化穩(wěn)定化效果較好。

表7 種植羽衣甘藍(lán)后盆土浸出液中的重金屬 mg/L

從表6和表7還可以看出，羽衣甘藍(lán)莖葉中的銅、鉛、鎘含量和種植后盆土中的銅、鉛、鎘浸出質(zhì)量濃度均較低，尤其是種植后GW0盆土中的銅、鉛、鎘浸出質(zhì)量濃度相對(duì)種植前降低更為明顯，可能由于GW0土壤在未種植前重金屬銅、鉛、鎘的浸出質(zhì)量濃度相對(duì)較高，而羽衣甘藍(lán)對(duì)重金屬有很強(qiáng)的富集能力[23]，同時(shí)重金屬濃度未超過(guò)破壞根系細(xì)胞壁的范圍，使得羽衣甘藍(lán)根部在重金屬的作用下產(chǎn)生保護(hù)性反應(yīng)，增加了根系對(duì)銅、鉛、鎘等重金屬的結(jié)合能力[24]，未轉(zhuǎn)運(yùn)至上部莖葉。

4 結(jié)論與建議

a. 疏浚淤泥在摻入固化穩(wěn)定化劑和纖維后，土體滲透性大大增加，滲透系數(shù)從10-7cm/s提高到10-5cm/s和10-4cm/s，滲透系數(shù)提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，更適宜植物生長(zhǎng)。

b. 摻入石灰、粉煤灰、高嶺土、硅酸鈉、碳酸鈉、硫酸鐵和硫酸鎂等多種材料，調(diào)節(jié)pH，改變土體物理化學(xué)性能，對(duì)銅、鋅、鎳、鉛、鎘、總鉻、汞、砷8項(xiàng)重金屬均有固化穩(wěn)定化作用，浸出量、浸出率均有明顯降低且達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，其中，超標(biāo)重金屬銅、鉛的浸出減少率超過(guò)95%，重金屬鎘的浸出減少率超過(guò)85%；GW1、GW2、GW5堿性較強(qiáng)，對(duì)重金屬的固化穩(wěn)定化效果更佳。

c. GW0的銅、鉛、鎘溶出超標(biāo)，對(duì)羽衣甘藍(lán)生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致GW0盆土種植的植株矮小、泛白；經(jīng)過(guò)固化穩(wěn)定化處理的淤泥更適宜羽衣甘藍(lán)生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速率更快，植株生長(zhǎng)更有活力，尤其是GW2、GW3和GW4配比；其中，GW2中進(jìn)入植株體內(nèi)的重金屬最少，植株對(duì)N、P的吸收量也較多。

綜合考慮固化穩(wěn)定化效果和植生性能影響，GW2更適宜羽衣甘藍(lán)等植物生長(zhǎng)，因此建議以10%(粉煤灰+石灰+高嶺土+纖維)+6%(碳酸鈉+硫酸鐵)為綠化植物種植應(yīng)用的固化穩(wěn)定化試劑優(yōu)選方案，為后期污染淤泥的固化穩(wěn)定化、資源化利用提供參考。但是，羽衣甘藍(lán)根系、莖葉中的銅、鉛、鎘以何種形態(tài)存在，以及重金屬在根系與莖葉內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)系如何，尚需進(jìn)一步研究。