河道底泥處理及資源化利用研究進(jìn)展*

林映津 曾小妹 謝貽冬 蘇文勛畢佛春

(1.華川技術(shù)有限公司，福建 福州 350008； 2、福建省湖庫(kù)流域生態(tài)修復(fù)工程研究中心，福建 福州 350008)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，大量工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢水和生活污水等排入河流、湖泊、水庫(kù)、溝渠等水體，造成河、湖等水體環(huán)境出現(xiàn)嚴(yán)重污染。對(duì)此，我國(guó)先后出臺(tái)“水十條” 和 《重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃》 等一系列政策，加大河流及湖泊的水生態(tài)環(huán)境整治。

作為水體中各類污染的“源”與“匯”的底泥，在一定條件下，會(huì)將沉積的N、P、重金屬及PAHs等污染物重新排放到水體中，對(duì)水生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重危害，并威脅到人類日常的飲水安全等[1]。因此，對(duì)底泥的處理和處置是水生態(tài)環(huán)境整治中十分重要的一環(huán)，但目前人們?cè)趯?duì)底泥形成的內(nèi)源污染方面的關(guān)注度還比較低，因此，本文從底泥的污染類型、危害及現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù)和資源化利用研究等方面對(duì)泥底處理和利用進(jìn)行了探討和分析，以期為實(shí)現(xiàn)底泥無(wú)害化和資源化利用提供參考，減少底泥對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害。

1 底泥污染的類型及危害

1.1 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

經(jīng)過(guò)大氣沉降、雨水沖刷、污水排放、滲漏等各種途徑進(jìn)入水體的N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，雖然可被水生動(dòng)植物吸收一部分，但是剩下的另一部分將沉積到底泥中，并可作為內(nèi)源污染重新釋放到上覆水中，造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化[2]，使有害藻類大量繁殖，甚至發(fā)生水華事件，嚴(yán)重威脅河湖生態(tài)健康和人類健康。

1.2 重金屬

在人為因素和自然因素影響下，被排入水體中的As、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、 Cr等重金屬通過(guò)吸附解吸、絮凝聚沉、氧化還原等反應(yīng)進(jìn)入底泥中[9]，并與水相保持動(dòng)態(tài)平衡。然而，當(dāng)?shù)讞锘蛩h(huán)境參數(shù)等因素發(fā)生變化，底泥中的重金屬將被釋放出來(lái)，重新進(jìn)入水體，造成二次污染[3]。而重金屬在水體中某些微生物的作用下，可轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的金屬化合物，同時(shí)容易沿食物鏈轉(zhuǎn)移和富集，產(chǎn)生放大作用，從而產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)并威脅人類健康。

1.3 有機(jī)污染物

有機(jī)污染物在底泥中通常以難降解的有機(jī)物形式存在，包括石油烴、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴及有機(jī)氯農(nóng)藥等物質(zhì)，它們對(duì)污染具有很大的釋放和遷移能力。有機(jī)物不僅能夠長(zhǎng)期殘留于底泥層或釋放進(jìn)入上覆水體，對(duì)水生生物產(chǎn)生毒害作用，而且對(duì)水體或底泥中的一些重金屬等有毒害污染物具有吸附和絡(luò)合作用，從而加劇污染物毒性和環(huán)境遷移行為[4]。此外，有機(jī)物的礦化需要消耗大量氧氣，而且這一過(guò)程將釋放出大量的氨氮、硫化氫、腐殖質(zhì)、甲烷等物質(zhì)，從而進(jìn)一步加劇水質(zhì)的惡化。

2 常見(jiàn)的污染底泥修復(fù)技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的污染底泥修復(fù)技術(shù)主要可分為“原位修復(fù)”和“異位修復(fù)”兩大類。

2.1 原位修復(fù)技術(shù)

原位修復(fù)技術(shù)是指在不對(duì)污染底泥做移除的條件下，對(duì)其進(jìn)行處理，從而降低底泥對(duì)水體的污染，具體可分為原位物理修復(fù)技術(shù)、原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)及原位生物修復(fù)技術(shù)。

2.1.1 原位物理修復(fù)技術(shù)

常見(jiàn)的原位物理修復(fù)技術(shù)主要有底泥覆蓋技術(shù)和底泥表層曝氣技術(shù)。表層曝氣技術(shù)是利用各種曝氣裝置增加上覆水體中溶解氧的含量，提高底泥-水界面的氧化還原電位等理化環(huán)境，從而改變?cè)械难趸€原反應(yīng)，減少污染物的釋放[5]。此外，水體溶解氧的提高能夠?yàn)楹醚跷⑸锏纳L(zhǎng)、繁殖提供有利條件，加速硝化等好氧生化反應(yīng)，從而促進(jìn)污染物的分解和有機(jī)物的礦化作用，減少厭氧產(chǎn)物的生成。

底泥覆蓋技術(shù)則是利用沸石、礫石、河沙、改性材料等物質(zhì)，將底泥與上覆水體隔離開(kāi)，從而阻止氮、磷等各種污染物向水體釋放。由于底泥覆蓋技術(shù)操作較為簡(jiǎn)單，因此被各國(guó)廣泛應(yīng)用于河道治理，但是該技術(shù)將增加底泥的厚度，減小河道或湖庫(kù)的水體容量，并且存在覆蓋層被破壞時(shí)，原有的污染會(huì)繼續(xù)向水體中釋放等問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也有出現(xiàn)一些如原位洗脫技術(shù)、電動(dòng)力學(xué)技術(shù)等較新的原位物理修復(fù)技術(shù)。原位洗脫技術(shù)是利用設(shè)備首先隔離被污染的水域，并擾動(dòng)其底泥，然后將釋放入水體的污染物抽走處理，處理后的水再度釋放回原水體中，而被擾動(dòng)翻洗的泥沙也將重新形成新的底泥覆蓋層。李國(guó)宏等[6]研究表明，該技術(shù)應(yīng)用于河道底泥的修復(fù)具有顯著的水質(zhì)改善效果。電動(dòng)力學(xué)技術(shù)則是在污染底泥中施加電場(chǎng)，在電場(chǎng)的作用下，帶電荷的離子(如Mn2+等金屬離子)可以定向移動(dòng)，從而聚集到電極附近，定期清理電極附近的底泥即可，該技術(shù)可有效降低底泥中重金屬的含量，尤其適用于重金屬污染的底泥處理，具有快速、高效、價(jià)低等特點(diǎn)。

2.1.2 原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)

原位化學(xué)修復(fù)技術(shù)是向水體底部加入化學(xué)制劑，對(duì)底泥中的污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化或者固定，從而降低其擴(kuò)散遷移能力和毒性。根據(jù)投入化學(xué)物質(zhì)的作用和性質(zhì)，可將該技術(shù)分為氧化還原技術(shù)、化學(xué)鈍化技術(shù)和微電解技術(shù)。

化學(xué)鈍化技術(shù)常用的鈍化劑有鋁鹽、鈣鹽、鐵鹽，通過(guò)絮凝、吸附、沉淀等作用，將污染物禁固在底泥中，從而抑制氮、磷等污染物質(zhì)的釋放，凈化水體。

微電解技術(shù)又稱鐵碳內(nèi)電解技術(shù)，該技術(shù)利用Fe和C材料或其復(fù)合材料在水體中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成原電池，在微電場(chǎng)的作用下，新生態(tài)的Fe2+和H+可與多種底泥中的污染物質(zhì)，特別是一些難降解的有機(jī)物發(fā)生氧化還原，使其產(chǎn)生斷鏈、脫色等反應(yīng)，并能夠通過(guò)靜電吸附作用與污染物結(jié)合形成絮凝體，將其除去[8]。

雖然化學(xué)修復(fù)技術(shù)有較高的水體凈化效率，但在投加試劑及其用量上需慎重，不恰當(dāng)?shù)脑噭┗蛩幜慷伎赡軐?duì)水生態(tài)環(huán)境造成不利影響，導(dǎo)致水生動(dòng)植物死亡，甚至威脅到人類健康，因此從保護(hù)水生態(tài)安全的角度，化學(xué)修復(fù)技術(shù)具有較大的應(yīng)用局限性。

2.1.3 原位生物修復(fù)技術(shù)

原位生物修復(fù)技術(shù)是利用人工栽培的水生植物或向水體中投加一些微生物來(lái)降解水體和底泥中的污染物質(zhì)，其主要原理是利用水生植物或微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)，吸收、降解并轉(zhuǎn)化氮、磷、重金屬、有機(jī)物等污染物質(zhì)，改善水體的理化環(huán)境因子，抑制有害藻類及微生物的繁殖，并促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)繁殖，從而進(jìn)一步促進(jìn)污染物的降解和轉(zhuǎn)化[9]。

水生植物修復(fù)技術(shù)通常以沉水植物和挺水植物的發(fā)達(dá)根系代謝降解或富集底泥中的污染物質(zhì)，同時(shí)也為其他水生生物生長(zhǎng)繁殖提供庇護(hù)場(chǎng)所，有利于水下良性環(huán)境的構(gòu)建，加速水體或底泥污染物的降解轉(zhuǎn)化。

微生物修復(fù)技術(shù)則是向水體中投加具有高效降解污染物作用的一些微生物，對(duì)底泥中的污染物進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化，從而改善水體或底泥的理化環(huán)境，達(dá)到凈化水體的目的。

2.2 異位修復(fù)技術(shù)

異位修復(fù)技術(shù)是指利用物理機(jī)械的方法，將底泥從河道或湖庫(kù)中移除，也叫底泥疏浚。底泥疏浚包括普通疏浚和環(huán)保疏浚，與原位修復(fù)技術(shù)相比，兩種底泥疏浚方法都能夠克服受河道或者湖庫(kù)環(huán)境限制的缺點(diǎn)，其中環(huán)保疏浚能夠綜合考慮水體面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，采用環(huán)保方式，避免或降低二次污染，因此在國(guó)內(nèi)外被普遍采用。但由于在底泥疏浚過(guò)程中產(chǎn)生大量含水率高、成分復(fù)雜的底泥，將給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的二次污染，因此對(duì)其進(jìn)行資源化利用十分有必要。目前，常見(jiàn)的資源化利用包括土地利用、材料化利用、填方筑基、能源化利用及分級(jí)資源化利用等。

2.2.1 土地利用

土地利用是指將底泥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)田土、林地建造、園林綠化、濕地建設(shè)以及被嚴(yán)重?cái)_動(dòng)過(guò)的土地修復(fù)等方面，不僅能夠充分利用底泥中富含的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽，降低底泥處理的費(fèi)用，而且可以緩解我國(guó)土壤資源緊缺問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)疏浚土的資源化和減量化。

胡育峰[10]對(duì)官?gòu)d水庫(kù)的底泥作為植物培植土的可行性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)處理，原狀土壤的有機(jī)質(zhì)含量提高，有效補(bǔ)充了植物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，培育的不同種類植物生長(zhǎng)狀況良好。楊丹等[11]利用南明河水口寺河段河道疏浚底泥進(jìn)行盆栽玉米試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以適當(dāng)比例添加疏浚底泥，能顯著提高土壤養(yǎng)分含量,促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

雖然底泥的土地利用具有較好的效益，但是薄錄吉等人[12]對(duì)蘇南村鎮(zhèn)河道底泥的農(nóng)田利用研究發(fā)現(xiàn)，底泥種植的水稻株高、穗數(shù)、生物量和籽粒產(chǎn)量均低于普通土壤，并且該底泥種植的稻米重金屬?gòu)?fù)合目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)值>1，表明食用該類稻米存在健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，底泥的土地利用應(yīng)根據(jù)不同底泥自帶污染成分的復(fù)雜性、施用地點(diǎn)的土壤本底值及其他自然條件等因素確定合理的方式，以避免不恰當(dāng)?shù)耐恋乩脦?lái)適得其反的效果。

2.2.2 材料化利用

底泥中含有與黏土相似的一些礦物成分，可替代黏土制造水泥、磚、陶瓷、固化玻璃等建筑材料，此外，利用底泥制作活性炭等吸附性材料也是近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，底泥的材料化利用是一種變廢為寶的資源化處理方法，并解決了底泥的二次污染問(wèn)題，是一條可持續(xù)發(fā)展的新路。

2.2.2.1 制造水泥

由于底泥的灰分化學(xué)性質(zhì)與黏土十分相似，因此可利用其灰分化成分代替黏土作為生產(chǎn)水泥的原料。水泥窯的高溫能將污泥燃燒，并通過(guò)一系列物化反應(yīng)，使重金屬等污染物固化在水泥熟料的晶格中，實(shí)現(xiàn)底泥的安全處理和資源化利用。 楊磊等[13]利用蘇州河底泥進(jìn)行水泥熟料生產(chǎn)研究，該底泥所含的有機(jī)污染物和重金屬污染物在水泥生產(chǎn)和使用中均不產(chǎn)生二次污染，并且符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.2.2.2 制磚

底泥中含有大量有機(jī)物，在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)分解并產(chǎn)生微孔，從而降低體積密度，提高透氣性能，是制作環(huán)保磚的良好材料。目前，底泥制磚技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已得到了較好的應(yīng)用，該技術(shù)融入了傳統(tǒng)的制磚技術(shù)，主要以底泥為主要原料， 從底泥干燥工藝、 混合料配合比等方面入手，生產(chǎn)新型環(huán)保磚。相關(guān)的試驗(yàn)研究表明，這種磚不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害，并具有較高的實(shí)用性。陳麗等人[14]利用溫瑞塘河的底泥進(jìn)行制磚實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該底泥在資源化制磚后毒性大大降低，制備的底泥磚在使用中對(duì)環(huán)境危害小，基本無(wú)毒，并且對(duì)水質(zhì)具有凈化作用，具有良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.3 填方筑基

在一定條件下，利用石膏、水泥等固化材料對(duì)底泥進(jìn)行處理，可將其固化，并且形成的固化體具有固化強(qiáng)度好、低透水性、不輕易產(chǎn)生沉降等優(yōu)點(diǎn)。此外，還可利用輕量化及固化技術(shù)開(kāi)發(fā)可再生土木工程材料，不僅可以解決環(huán)境污染問(wèn)題，而且可以解決工程施工中土石等資源匱乏的問(wèn)題，兼具良好的生態(tài)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。經(jīng)過(guò)固化改良后的底泥可用于堤防筑造及其加固工程、填土工程及道路路基等填方工程。武博然等[15]利用嘉興市某20 km河道底泥進(jìn)行固化改性和資源化利用，發(fā)現(xiàn)經(jīng)固化處理后的底泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)209.56 kPa，液限<50%，塑性指數(shù)為15.67，金屬浸出濃度< GB3838-2002中Ⅱ類水體相關(guān)限值，符合路基回填用土的性能要求。朱偉等[16]利用深圳鹽田港中港區(qū)10號(hào)納泥塘的疏浚底泥進(jìn)行固化，并用于填海工程，不僅降低了底泥造成的環(huán)境污染，而且大大節(jié)省了填海所需的土石資源，具有巨大的生態(tài)環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

2.2.4 分級(jí)資源化利用

近年來(lái)，也有出現(xiàn)了一些分級(jí)資源化利用的方法，該方法以有機(jī)物或重金屬含量為主要指標(biāo)，先將疏浚的底泥進(jìn)行多級(jí)篩分處理，然后再將分級(jí)處理后的底泥進(jìn)一步資源化利用，從而實(shí)現(xiàn)底泥治理的減量化和資源化目標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了一些分級(jí)資源化的相關(guān)研究，萬(wàn)金柱等[17]利用美國(guó)Triflo公司的DSS2000R一體式底泥脫水干化機(jī)對(duì)廣州峨眉沙島的淤泥進(jìn)行處理，使污泥含水率降低至60%，并從中分離出不同大小的顆粒用于材料化利用和填方筑基，不僅降低了固化泥塊二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，而且也降低了處理費(fèi)用。此外，美國(guó)達(dá)納森公司也研發(fā)出了一套IMS清淤泥漿脫水裝置，馬濤等[18]也提出了類似的污泥一體化綜合處理裝置及工藝，可實(shí)現(xiàn)疏浚底泥中砂礫等物質(zhì)的回收及脫水底泥的資源化利用。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，河道及湖庫(kù)治理技術(shù)快速推進(jìn)，河湖底泥的處理處置技術(shù)也隨之不斷發(fā)展，其中，底泥環(huán)保疏浚及其資源化利用得到了較大發(fā)展，特別是底泥的建材化利用和填方筑基不僅能夠帶來(lái)生態(tài)環(huán)境效益，而且還具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，而近年來(lái)新興的分級(jí)資源化利用技術(shù)則在對(duì)底泥先進(jìn)行分級(jí)處理后進(jìn)一步利用，不僅可以避免傳統(tǒng)底泥處理產(chǎn)生的高能耗、二次污染風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題，而且還可以大大降低處理費(fèi)用，具有較好的應(yīng)用前景。但底泥的資源化利用仍然有較多的技術(shù)難題需攻克，其資源化利用的具體方法也須根據(jù)底泥污染程度及類別等實(shí)際情況科學(xué)分析與選擇，以達(dá)到較好的處理效果。