河道底泥資源化利用現(xiàn)狀及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展

王 莉

(上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707)

自國(guó)務(wù)院頒布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《重點(diǎn)流域水污染防治規(guī)劃》等以來(lái)，各地方政府及相關(guān)部門通過“納管截污、河道清淤、補(bǔ)水調(diào)水、生態(tài)修復(fù)、水體自凈”等治理措施進(jìn)行了水環(huán)境整治工作，并取得了較好成效。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2021年全國(guó)地表水質(zhì)量狀況報(bào)告顯示，Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)斷面比例為84.9%，Ⅳ類斷面比例為11.8%，Ⅴ類斷面比例為2.2%，劣Ⅴ類斷面比例為1.1%。但部分河道長(zhǎng)期在污水匯入下，重金屬、有機(jī)污染物及氮磷化合物等污染物會(huì)逐漸累積在河道底泥中，形成內(nèi)源污染。在河水長(zhǎng)時(shí)間的浸泡和流動(dòng)下，底泥中的污染物會(huì)重新釋放，嚴(yán)重威脅著上覆水體的水質(zhì)，對(duì)生態(tài)安全構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，河道底泥處理是改善河流水體環(huán)境的重要手段之一。

目前，國(guó)內(nèi)外按照底泥處理位置的不同將處理技術(shù)分為原位處理技術(shù)和異位處理技術(shù)。原位處理技術(shù)指底泥無(wú)須進(jìn)行轉(zhuǎn)移，通過物理、化學(xué)或生物的方法將底泥中的污染物進(jìn)行分解或固定[1]。常見的原位處理技術(shù)有底泥覆蓋、底泥表層曝氣、化學(xué)鈍化技術(shù)、微電解技術(shù)、水生植物修復(fù)技術(shù)及微生物修復(fù)技術(shù)等[2-5]。底泥原位處理技術(shù)處理較為簡(jiǎn)單，工程量較小，但因污染物仍然停留在河道底泥中，有再次釋放的風(fēng)險(xiǎn)，或投加的處理試劑會(huì)破壞水體環(huán)境生態(tài)平衡，易造成二次污染。因此，原位處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的局限性，難以徹底清除底泥污染。異位處理技術(shù)是將河道底泥挖出轉(zhuǎn)移至指定地點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理[6]。與原位處理技術(shù)相比，以異位處理技術(shù)對(duì)河道進(jìn)行清淤，能克服河道或水體環(huán)境的限制，有效避免二次污染的產(chǎn)生。盡管采用該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚底泥，對(duì)于一些污染嚴(yán)重的河道，其底泥處置難度大，一定程度上增加了處置成本，但綜合考慮河道水環(huán)境治理效果和河道自身的調(diào)蓄功能，異位處理技術(shù)能較快實(shí)現(xiàn)河道凈化和提高河道防汛能力，成為國(guó)內(nèi)河道治理中不可缺少的技術(shù)。河道底泥為固水混合物，主要由無(wú)機(jī)礦物、有機(jī)物和流動(dòng)相等組成，含水率為83%～95%，還可能含重金屬和有機(jī)污染物。若不經(jīng)合理處置直接暴露在環(huán)境中，將嚴(yán)重威脅周邊土壤及水資源環(huán)境安全。

隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)的提出和對(duì) “碳達(dá)峰、碳中和”的低碳綠色發(fā)展理念的倡導(dǎo)，對(duì)不斷增加的河道疏浚底泥進(jìn)行資源化處理，成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。根據(jù)底泥的物化性質(zhì)，采用合適的處理技術(shù)滿足相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)底泥資源化利用?；诖耍疚暮?jiǎn)要介紹了底泥處理現(xiàn)狀，系統(tǒng)綜述了資源化利用的各項(xiàng)技術(shù)，并優(yōu)選出適用于底泥再利用的重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，以期為河道底泥資源化利用提供參考依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外資源化利用現(xiàn)狀

在河道治理技術(shù)的更新、河道底泥資源化理論和實(shí)踐取得明顯進(jìn)展的背景下，國(guó)內(nèi)外的底泥資源化利用的途徑主要分為土地利用、建材利用、填方利用、能源化利用等。

1.1 土地利用

土地利用是指將底泥應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植、林地建造、園林綠化等方面，即利用河道底泥種植農(nóng)作物、花草樹木等[7]。河道底泥的土地利用應(yīng)根據(jù)不同底泥類型、底泥成分、施用環(huán)境的土壤本底值及其他條件等因素確定科學(xué)合理的使用方式，以降低底泥污染的風(fēng)險(xiǎn)。在嚴(yán)格把控底泥中污染物濃度的前提下，河道底泥中富含的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽可促進(jìn)植物生長(zhǎng)，也可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤的保水性和抗侵蝕性。因此，河道疏浚底泥的土地利用不僅可以緩解我國(guó)土壤資源緊缺的問題，還能實(shí)現(xiàn)河道底泥的資源化、減量化。應(yīng)當(dāng)注意的是，由于我國(guó)尚未出臺(tái)明確的河道底泥土地利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，河道底泥在土地利用方面主要參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)和《綠化種植土壤》(CJT 340—2016)、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置林地用泥質(zhì)》(CJ/T 362—2011)等相關(guān)規(guī)定[8-9]。對(duì)于污染程度較高的河道底泥，可通過改良劑進(jìn)行污染去除，但考慮到污染物的復(fù)雜性和安全性，這類底泥可用于廢棄礦山、廢棄垃圾填埋場(chǎng)等惡劣環(huán)境下的生態(tài)修復(fù)。

吳學(xué)榮等[10]開展了河道淤泥返田對(duì)種植水稻的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及稻米質(zhì)量影響等的研究工作，淤泥的使用能增加土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分，利于水稻生長(zhǎng)，土壤中重金屬的含量也受到淤泥添加的影響。錢建鋒[11]研究了河道疏浚底泥對(duì)農(nóng)用土壤及水稻生長(zhǎng)的影響，對(duì)比無(wú)污染底泥和污染底泥的試驗(yàn)結(jié)果，表明不同污染底泥比例與農(nóng)用土壤的營(yíng)養(yǎng)成分含量成正比，底泥比例與水稻中重金屬含量成反比。石穩(wěn)民等[12]研究了襄陽(yáng)護(hù)城河清淤底泥資源化處理工藝，將底泥和秸稈進(jìn)行強(qiáng)化攪拌，采用快速堆肥工藝制備綠化種植土。結(jié)果表明，制備的種植土可滿足園林綠化種植標(biāo)準(zhǔn)。徐會(huì)顯等[13]對(duì)荊江三口疏浚底泥進(jìn)行了特性分析，綜合考量了疏浚底泥中的總氮、總磷及有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分水平，表明底泥可應(yīng)用于園林、防護(hù)林等方面。楊勝香[14]在重金屬污染場(chǎng)地中加入30%的珠江底泥進(jìn)行研究，結(jié)果表明底泥能穩(wěn)定重金屬，起到抑制酸化作用，也有效改善了土壤理化性質(zhì)，提高了植物存活率。因此，在土地利用之前，應(yīng)根據(jù)底泥污染程度、養(yǎng)分含量等特性進(jìn)行科學(xué)分析，無(wú)污染的底泥可制作有機(jī)肥，存在污染的底泥應(yīng)用于園林綠化、生態(tài)修復(fù)工程等方面。

1.2 建材利用

河道底泥中含有大量的無(wú)機(jī)質(zhì)，主要以硅酸鹽為主，可替代黏土制備水泥、磚、陶瓷、陶粒等建筑材料。底泥建材化利用主要是指將底泥與礦物材料或其他添加劑混合，通過設(shè)置不同的工藝條件(加熱溫度、成型壓力等)，制作出達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的建筑用磚[15]。

國(guó)外在底泥建材化利用方面的研究較早，如日本建造了多個(gè)底泥焚燒灰制磚廠，并投入資金對(duì)利用底泥的玻璃化、熔融化以及制造纖維板等技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)；美國(guó)也在利用底泥制造“生物磚”、水泥等建筑材料方面進(jìn)行了大量研究。近年來(lái)，我國(guó)也進(jìn)行了一系列研究，如福建寧德、浙江嘉興、廣東廣州等地將干化后的底泥用作磚廠或陶瓷廠的添加輔料；1998年，上海同濟(jì)大學(xué)與江蘇陶瓷研究所利用蘇州河道底泥進(jìn)行陶粒和多孔磚燒制試驗(yàn)，取得了一系列的研究成果。

支楠等[16]開展了水庫(kù)底泥制造陶粒試驗(yàn)，并建立了一條臺(tái)灣地區(qū)產(chǎn)量最大的陶粒生產(chǎn)線。Slimanou et al.[17]利用疏浚底泥為原料制備黏土磚，結(jié)果表明，底泥添加比例和煅燒溫度是決定燒結(jié)磚質(zhì)量的關(guān)鍵因素，當(dāng)?shù)啄啾壤秊?5%～20%(質(zhì)量比)時(shí)，燒結(jié)磚綜合性能較好。章泓立[18]研究了利用河道底泥高溫?zé)铺樟９に?，結(jié)果表明適當(dāng)調(diào)節(jié)底泥比例后可燒制出合格陶粒產(chǎn)品，其生產(chǎn)陶粒成本遠(yuǎn)低于黏土和頁(yè)巖陶粒。劉繼狀等[19]研究了利用河道淤泥、粉煤灰和石灰激發(fā)劑等制備免燒磚的相關(guān)性能，結(jié)果表明，在最優(yōu)比例下制備的淤泥免燒磚可滿足強(qiáng)度、耐水性能及抗凍性能相關(guān)要求。張寶成等[20]將河道底泥與生石灰、硅藻土等混合均勻，在10MPa壓力下壓制成型，制備底泥免燒磚。試驗(yàn)表明，水泥混合料為底泥質(zhì)量的30%時(shí)，制備的免燒磚抗壓強(qiáng)度最高，可應(yīng)用于實(shí)際建筑工程中。但從長(zhǎng)久安全角度來(lái)講，利用底泥所制備的建材是否會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)或外界環(huán)境變化而發(fā)生污染物再次釋放的問題，需要重點(diǎn)關(guān)注，并根據(jù)長(zhǎng)周期的環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行安全性評(píng)估。

1.3 填方利用

填方利用技術(shù)是將河道底泥經(jīng)脫水減量化或固化處理后，用于筑路、筑堤、低洼區(qū)回填等工程中。與土地利用技術(shù)相比，這種利用方式需根據(jù)使用需求，對(duì)底泥進(jìn)行不同的預(yù)處理。河道底泥處理后含水率降至50%以下，再經(jīng)過自然固結(jié)或添加固化劑等，將含水率降至30%，在施工過程也需進(jìn)行分期填筑、分層碾壓。

日本、新加坡等利用固化后的航洋底泥作為填方材料來(lái)擴(kuò)充土地，其應(yīng)用案例有日本名古屋的人工島——第三島和日本中部國(guó)際機(jī)場(chǎng)，均使用了底泥作為填方材料[21]。紐約、新澤西港在底泥中加入石灰石和灰分，然后回填至露天礦場(chǎng)內(nèi)，既可消除礦場(chǎng)內(nèi)酸性浸出液，又能解決底泥的處置問題。秦峰等[22]通過將蘇州河底泥用作填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋防水材料，研究河道底泥與處理工藝，使其滿足填埋場(chǎng)防滲、土力學(xué)安全性能指標(biāo)等相關(guān)要求，避免二次污染。Wang et al.[23]開展了疏浚底泥制備填方材料研究試驗(yàn)，試驗(yàn)表明泥沙占比過高會(huì)導(dǎo)致填方材料的抗壓強(qiáng)度下降，當(dāng)?shù)啄鄵搅繛?5%、固化劑摻量為10%時(shí)，制備的填方材料達(dá)到堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。武博然等[24]利用某市河道底泥進(jìn)行固化處理后，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)209.56kPa，液限小于50%，塑性指數(shù)為15.67，金屬浸出濃度低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅱ類水體相關(guān)限值，符合路基回填用土的性能要求。與一般土料相比，固化后的底泥具有強(qiáng)度高、透水性小、不產(chǎn)生固結(jié)沉降等特點(diǎn)，但用作填方材料時(shí)應(yīng)對(duì)底泥進(jìn)行脫水、調(diào)理劑改良等預(yù)處理工作，一定程度上增加了處理成本。

1.4 能源化利用

能源化利用技術(shù)是在隔絕空氣的條件下對(duì)底泥進(jìn)行熱處理，加熱至一定溫度時(shí)底泥中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱裂解和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物為生物熱解油、熱解氣和熱解半焦[25]。同時(shí)，有研究表明底泥熱處理能對(duì)重金屬起到固化作用[26]。溫度在324℃和327℃時(shí)，可將鎘、鉛轉(zhuǎn)化為氣體，有效地降低底泥中固態(tài)產(chǎn)物中的重金屬含量[27]。李鋼等[25]對(duì)湖泊底泥開展了熱解試驗(yàn)，結(jié)果表明對(duì)底泥摻雜過渡金屬氧化物后再進(jìn)行熱處理，可提高可燃?xì)怏w產(chǎn)率，底泥熱解后固相產(chǎn)物熱解半焦的產(chǎn)率為40%～45%，熱解處理后的底泥減容效果好。目前采用能源化利用技術(shù)的多為市政污水廠污泥，對(duì)于河道底泥能源化研究不多。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析

由于底泥中含有重金屬，對(duì)周邊環(huán)境有著潛在的威脅，一定程度上限制了底泥資源化利用[28-29]。為了保證底泥資源化利用的安全性，對(duì)底泥中重金屬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是十分必要的。

目前，國(guó)內(nèi)外用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法有地累積指數(shù)法、富集系數(shù)法、多因子污染評(píng)價(jià)法、次生相與原生相分布比值法、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法以及污染負(fù)荷指數(shù)法等[30-32]。但不同的評(píng)價(jià)方法存在不同的缺陷，如富集系數(shù)法和多因子污染評(píng)價(jià)法，可在一定程度上消除空間異質(zhì)性，但所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用范圍有限，參考值的選定對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大[32]；污染負(fù)荷指數(shù)法可反映不同重金屬空間變化的趨勢(shì)和污染程度，但難以反映生物對(duì)不同重金屬的敏感程度[33]。針對(duì)不同類型的重金屬留存環(huán)境，采用不同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，才能得出較為科學(xué)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。廣泛應(yīng)用于底泥重金屬風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法有地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[34-35]。這兩種評(píng)價(jià)方法充分考慮了自然成巖作用下對(duì)背景值的影響，能較為全面地反映重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染特征[35]，因此本文對(duì)以上兩種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析研究。

2.1 地累積指數(shù)法

地累積指數(shù)法(Index of geoaccumulation，Igeo)利用重金屬含量與該重金屬化學(xué)背景值評(píng)價(jià)重金屬污染程度，能直觀地反映重金屬的富集程度[36]。計(jì)算公式為

式中：Ci為底泥中重金屬i的含量，mg /kg；Bi為底泥中重金屬i的背景值，mg /kg。

該方法不僅可反映河道底泥中重金屬的分布情況，也可反映人為活動(dòng)對(duì)河道底泥所造成的環(huán)境質(zhì)量影響。根據(jù)計(jì)算得到的Igeo值，可將重金屬污染程度劃分為不同等級(jí)[37]，見表1。

表1 地累積指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法

表2 不同重金屬的參比值和毒性響應(yīng)指數(shù)[32,38-39]

表3 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)與危害程度分級(jí)

3 展望及建議

進(jìn)一步開展底泥清淤及處置工作，是建設(shè)生態(tài)美麗幸福河湖過程中不可或缺的一環(huán)。研究表明，底泥與土壤性質(zhì)相近，可經(jīng)過脫水預(yù)處理或去污染處理后實(shí)現(xiàn)底泥資源化利用，這將是未來(lái)發(fā)展低碳社會(huì)的重要舉措之一。關(guān)于底泥資源化再利用提出如下建議：

a.分析底泥特征及淤積趨勢(shì)。充分了解底泥的基本性質(zhì)，并依據(jù)其特性確定資源化利用方式，能有效降低其利用過程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，也能節(jié)省底泥處理費(fèi)用。在資源化處理之前，一方面需分析底泥中重金屬含量、空間分布特征及其他形態(tài)特征，通過一種或多種技術(shù)手段對(duì)重金屬污染物進(jìn)行溯源研究，研究城市發(fā)展與水環(huán)境質(zhì)量之間的響應(yīng)機(jī)制，從源頭或污染過程中避免污染底泥淤積，提高水體整治效率；另一方面，通過技術(shù)勘測(cè)手段，摸清河道底泥淤積厚度，初步估算底泥淤積量，為底泥疏浚工程量的控制提供參考依據(jù)，減少工程費(fèi)用。

b.研究底泥預(yù)處理技術(shù)。底泥含水量高、污染物多樣等特點(diǎn)給底泥資源化利用帶來(lái)了挑戰(zhàn)，若處理不徹底，易在資源化再利用中造成二次污染，預(yù)處理是開展底泥資源化利用的重要前提。底泥預(yù)處理主要包括脫水減量化和去污染無(wú)害化兩個(gè)階段。深入研究底泥預(yù)處理技術(shù)，利用機(jī)械脫水、化學(xué)調(diào)理及生物瀝浸等一種或多種技術(shù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)底泥減量化。同時(shí)，研發(fā)高效且環(huán)保的調(diào)理劑或處理技術(shù)去除底泥中污染物，降低底泥應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。充分考慮工程應(yīng)用的處理成本，探索同步實(shí)現(xiàn)底泥減量化和無(wú)害化的處理技術(shù)，為污泥資源化利用做好鋪墊，減少后續(xù)處理工藝的成本和底泥處理量。

c.制定資源化再利用標(biāo)準(zhǔn)。在底泥處理方面尚未頒布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，僅可參考污水處理廠污泥處置標(biāo)準(zhǔn)。但底泥成分及特性不同于市政污泥，在應(yīng)用過程中面臨著許多挑戰(zhàn)。底泥資源化技術(shù)在土地利用、填方利用、建材利用等方面均能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但前提是，底泥在資源化產(chǎn)品的長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)中各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，以保證其安全性和穩(wěn)定性。遵循分類施策的原則，針對(duì)不同的應(yīng)用類型規(guī)范底泥資源化產(chǎn)品工藝標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)建立底泥資源化產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系，從底泥的初始性質(zhì)分析、資源化利用處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及使用過程中周期性跟蹤體系等方面，實(shí)現(xiàn)底泥資源化利用產(chǎn)業(yè)全鏈條、多維度的監(jiān)管，打消市場(chǎng)對(duì)底泥再利用產(chǎn)品的顧慮。同時(shí)，建議相關(guān)主管單位或部門加強(qiáng)對(duì)底泥資源化產(chǎn)品的引導(dǎo)和推廣，確保底泥資源化處置產(chǎn)品能得到有效利用。