河道底泥處置與資源化利用的研究進展

李 彪 華紹廣 裴德健 李書欽

（1 中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司 安徽馬鞍山 243071 2 國家金屬礦山固體廢物處理與處置工程技術(shù)研究中心 安徽馬鞍山 243071）

引言

河流作為水的承載體，承擔(dān)著自然界的水循環(huán)，同時也伴隨著人類文明的發(fā)源。而隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，工業(yè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快，隨之而來的水污染也愈加明顯。大量的工業(yè)廢水和生活污水排入河流，其中夾帶的污染物和泥沙會沉積在河底形成底泥。隨著時間的推移，河床上沉積了Cr、Cd、Pb 等危害嚴重的金屬離子及富含N、P 的污染物，而這些污染物在水生環(huán)境改變時會再次進入上覆水，危害水體，成為水體的內(nèi)源污染，并且底泥中有機污染物被厭氧微生物分解使得河水變?yōu)楹诔羲w[1]。

河道底泥中的主要污染源有營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬以及有機物：底泥中N、P 等營養(yǎng)物質(zhì)部分被水生植物吸收利用，剩余部分則會進入上覆水使得水體富營養(yǎng)化，形成水華現(xiàn)象，威脅生態(tài)系統(tǒng)[2]；河道中常見的重金屬有Cd、Cr、Pb、Cu、Zn、As、Ni 和Hg 等，在自然和人類活動影響下，多種重金屬進入水體，經(jīng)過長期的累積，使得底泥中重金屬污染更為復(fù)雜，而底泥中的重金屬又會在某些情況下重新進入水中，形成二次污染，并會通過食物鏈進入生物體內(nèi)，損害生物健康，進而威脅生態(tài)的安全；底泥中難降解的有機污染物有石油烴、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、塑化劑等,這些有機污染物主要來源于化工生產(chǎn)、化石燃燒、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等[3]，對水生生物及周圍生態(tài)危害嚴重，并可通過物質(zhì)循環(huán)進而危害到整個生物圈。因此，河道底泥的處置與資源化利用迫在眉睫。本文對河道底泥處置與資源化利用進行了總結(jié)，如圖1所示，并對河道底泥的利用進行了展望。

圖1 河道底泥處置及資源化利用

1 河道底泥的處置技術(shù)

根據(jù)河道底泥處理位置的不同，河道底泥的處置方式分為原位處理技術(shù)和異位處理技術(shù)。原位處理技術(shù)是指在原位就地通過多種技術(shù)手段處理底泥，以減少其危害。異位處理技術(shù)是通過疏浚清淤，將底泥挖出來轉(zhuǎn)移到特定場所進行后續(xù)無害化處理[4]。

1.1 原位處理技術(shù)

1.1.1 底泥覆蓋技術(shù)

底泥覆蓋技術(shù)是利用沙礫、淤泥、沸石、礫石等物質(zhì)組成封蓋，將底泥與水體隔離，進而阻斷污染物向水體的遷移。通過底泥覆蓋技術(shù)，將含有污染物的底泥封存起來，避免了水體對底泥的擾動，同時也抑制了底泥中污染物的釋放。利用底泥覆蓋技術(shù)可有效阻斷底泥中的污染物，而且能有效抑制底泥中重金屬和有機污染物在水體中的遷移和擴散。此技術(shù)在污染嚴重且流量較小的水體中應(yīng)用較廣[5]。

在底泥原位處置技術(shù)中，底泥覆蓋技術(shù)阻斷了底泥污染物的釋放，但是在施工中會對水體造成一定擾動，影響水生環(huán)境，而且覆蓋層處于水流中，其時效性難以保證，一旦覆蓋層失效，底泥中的污染物則會繼續(xù)危害水體。

1.1.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)是利用添加劑能與底泥中污染物發(fā)生反應(yīng)，從而實現(xiàn)河流的凈化處理。原位化學(xué)鈍化技術(shù)是利用加入的鈍化劑，通過吸附、沉淀的作用，降低污染物濃度，從而實現(xiàn)水體修復(fù)，常用的化學(xué)試劑有硝酸鈣、氧化鈣、聚合氯化鋁、氯化鐵、硫酸鐵等[6]。雖然化學(xué)修復(fù)技術(shù)效果顯著，有較高的水體凈化效率，但在試劑選擇及添加量上要注意，不適宜的試劑或添加量都會對水生生物造成毒害，引起水生環(huán)境的動蕩，甚至對人體造成嚴重危害，因此化學(xué)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用受到地域的限制。

1.1.3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)是指通過水生植物或微生物富集底泥中污染物，從而達到凈化水體的效果。生物修復(fù)技術(shù)包括微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)，微生物修復(fù)技術(shù)利用微生物菌或微生物電化學(xué)系統(tǒng)，來吸收降解污染物，凈化水體，添加的微生物有好氧型、厭氧型、兼性型等菌種。植物修復(fù)技術(shù)是利用水生植物吸收和富集某些化學(xué)元素，依靠植物直接吸收和降解底泥中污染物，同時植物與微生物的共生關(guān)系，對污染物的降解也十分有效[5]。例如蘆葦根系分泌物改善了根際周圍的環(huán)境，促進微生物對有色溶解性有機質(zhì)的吸收降解，降解后的低分子有色溶解性有機質(zhì)又可以被蘆葦吸收利用，從而實現(xiàn)了有色溶解性有機質(zhì)的凈化[7]。

生物修復(fù)技術(shù)去除污染物過程相對安全，不過所采用的水生植物和微生物對水生環(huán)境存在的入侵性需要預(yù)先確定，防止對當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)造成破壞，所以生物修復(fù)的應(yīng)用范圍也受到地域限制。

1.2 異位處理技術(shù)

異位處理技術(shù)主要是指疏浚技術(shù)及疏浚后底泥的處理技術(shù)。通過機械方式移除河流湖泊底泥，再對疏浚底泥進行處理，以減少底泥中污染物。

底泥異位處理中，早期的填埋處理應(yīng)用十分廣泛，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，我國衛(wèi)生填埋處理技術(shù)的應(yīng)用比國外廣泛，占31.03%，而在2005 年時歐盟各國只占17%。填埋處理技術(shù)對于底泥脫水技術(shù)和填埋場防滲層的要求較高[8]。填埋技術(shù)又分為直接填埋和處理后填埋，直接填埋后的河道底泥隨著時間逐漸地穩(wěn)定化，然而這段時間將達到幾十年，所以填埋場區(qū)域的污染是持續(xù)性的。處理后填埋會將疏浚的底泥通過化學(xué)或生物方法處理，達到填埋要求，而由于不同區(qū)域的河道底泥性質(zhì)不盡相同，即使同一河道，其上游和下游底泥中的污染物含量也是不同的，這就導(dǎo)致了填埋前的處理需要耗費大量的人力、物力，而且處理后底泥重金屬的固化穩(wěn)定性也難以保證，所以填埋方式處理河道底泥的環(huán)境風(fēng)險依然存在。

2 河道底泥的資源化利用

2.1 土壤增肥與修復(fù)

土壤增肥與修復(fù)主要將底泥應(yīng)用于農(nóng)林、園林綠化和金屬礦物廢棄土地等方面，不僅能夠合理利用其中豐富的N、P 等生物所需物質(zhì)，解決底泥處置問題，而且可以緩解我國土壤資源緊缺問題，實現(xiàn)疏浚底泥的減量化和資源化。

在滿足《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618-1995）和《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》（GB 4284-84）下，疏浚底泥可以用于土壤增肥與修復(fù)。楊星等[9]研發(fā)了一套底泥無害化處理技術(shù)，將脫水后的黑臭水體底泥與輔料和菌劑混合進行兼氧發(fā)酵，發(fā)酵后的腐熟料添加當(dāng)?shù)厍菪蠹S便堆肥產(chǎn)物，用來制作園林綠化的肥料，堆肥后的養(yǎng)分提升約30%，含水率降至22.12%。楊丹等[10]以貴陽市南明河底泥為原料，研究了不同添加量疏浚底泥對土地質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，河道底泥的摻入能改善土壤的持水性，提高土壤養(yǎng)分，但底泥和土壤混合比例達到1:1 時，全量Cd 含量超過了標準，有效態(tài)Cd 含量也很高，土壤微生物量減少。

在底泥土壤增肥與修復(fù)中，重金屬和有毒有機物的殘留限制了其應(yīng)用范圍，所以其在園林綠化中應(yīng)用較多，而且利用底泥去除重金屬的時效性需要進一步探究。雖然底泥的摻入能改善土壤質(zhì)量，但需要注意摻量，因此底泥用于土壤增肥應(yīng)根據(jù)不同地域底泥自身特性和土壤性質(zhì)選擇合理方式。

2.2 工程應(yīng)用

通過改良底泥含水量高、強度低的性質(zhì),使其適合于工程要求。固化處理后的疏浚底泥，可代替砂石和土料使用。與一般的土料相比,固化土具有不產(chǎn)生固結(jié)沉降、強度高、透水性小等優(yōu)點，除可以免去進行碾壓、地基處理外,有時還可達到普通土砂所達不到的工程效果[11]。處理后的底泥主要應(yīng)用在路面工程、堤防工程及市政綠化工程等。

Yoobanpot 等[12]研究表明，添加10%粉煤灰和7.5%水泥能夠有效穩(wěn)定化底泥，作為路面材料表現(xiàn)出最佳性能，而且經(jīng)濟性相比于常規(guī)泥土材料提高了1.5倍。然而也有研究[13]指出粉煤灰的添加量增加到15%時，底泥依然表現(xiàn)出最佳性能。河道底泥除了應(yīng)用在道路工程中，還可以用于制備生態(tài)護岸等筑堤工程。田旭等[14]在上海崇明區(qū)向化鎮(zhèn)利用ISER 技術(shù)建造了生態(tài)護岸，該護岸以當(dāng)?shù)睾拥赖氖杩５啄酁樵希尤脒m量添加劑，建造了約1.6km 的護岸，使用1 年后，效果如圖2 所示。河岸植被覆蓋度提高，邊坡的水土保持能力提升，而且水質(zhì)改善明顯，水體透明度上升75%，總氮和總氨含量下降12%左右，重金屬含量符合V 類以上水質(zhì)標準，通過崇明區(qū)示范工程驗收，實現(xiàn)了疏浚底泥無害化和資源化利用，同時避免了環(huán)境污染。顧向陽等[15]在上海崇明區(qū)港沿鎮(zhèn)60m 河道，基于固化和穩(wěn)定化的底泥，建造了生態(tài)護岸，在90d 內(nèi)護岸的平均抗剪切強度為310.9kPa，浸出毒性符合《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3-2007）的III 類水標準，河水pH 穩(wěn)定在弱堿性，周圍生態(tài)逐漸恢復(fù)，效果如圖3 所示。

圖2 崇明區(qū)向化鎮(zhèn)生態(tài)護岸施工前后對比圖[16]

圖3 崇明區(qū)港沿鎮(zhèn)生態(tài)護岸施工前后對比圖[15]

處理后的疏浚底泥作為路基材料或修建生態(tài)護岸具有良好的應(yīng)用前景，但需要對疏浚底泥進行脫水、穩(wěn)定化等預(yù)處理工作，所以處理成本會增加，而且其中的重金屬或有機污染物穩(wěn)定性能否長久有效還需要深入研究，此外底泥中無機鹽含量也需要監(jiān)測，以避免周圍土地的鹽漬化。

2.3 建材化利用

河道底泥在建筑材料生產(chǎn)中可以代替天然粘土材料生產(chǎn)瓷磚、陶粒等[16][17][18]，在此過程中，有機污染物會分解掉，其揮發(fā)有利于形成多孔建筑材料，而底泥中的碳質(zhì)會強化還原效果，降低燒結(jié)溫度，同時底泥所含的重金屬會被固化穩(wěn)定。章泓立[19]以河道底泥和城鎮(zhèn)污泥為原料在高溫下進行小試，在1175℃下，原料配比以河道底泥：粘土：廢棄泥漿：污水污泥為47:17:16:20燒制的陶粒，各項性能指標最好；同時中試實驗在1200℃下，以河道底泥：印染污泥：桑田地腐殖土為40:47:13 的配比燒制的陶粒筒壓強度達到1.3MPa，且企業(yè)的制備成本節(jié)省近50%。Xu Y 等[20]評估了使用城市河道底泥作為生產(chǎn)高絕緣磚主要原材料的可行性，實驗結(jié)果表明，以底泥燒制的磚形成了高孔結(jié)構(gòu)，所以其導(dǎo)熱系數(shù)要比粘土磚下降約40%，并且在1050℃下燒制的添加50%城市河道底泥的磚塊表現(xiàn)出更優(yōu)良的特性，符合GB 5101-2003 對普通磚塊的要求，且不會產(chǎn)生二次污染。

結(jié)語

目前已對河道底泥進行了大量的研究工作，對于底泥的特性也研究得十分清楚。河道底泥含水率高，并混有有機污染物及重金屬離子，針對這些特點，學(xué)者們也提出了相應(yīng)的解決措施，如加入絮凝劑提高其脫水能力、煅燒去除有機物等。

底泥異位處理中最常用填埋和焚燒兩種原始方法，雖然這兩種處理方式操作簡單，投入資金相對少，但對環(huán)境的二次污染十分嚴重，例如填埋后底泥中所含污染物的滲出，焚燒則會產(chǎn)生二噁英等有害氣體，這違背了環(huán)保要求，并且造成了資源的浪費。相比來說，對于底泥的建材化利用是行之有效的方式，通過燒結(jié)去除了有機物，并且穩(wěn)定固化了重金屬，在有效利用底泥的同時還節(jié)約了磚、陶瓷材料、水泥等建筑材料的制造成本。由于底泥成分復(fù)雜，并且存在地域差異，所以河道底泥的利用要針對所處地區(qū)的底泥特性，結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展特色來選擇合理的利用方式，保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的同時促進地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。