河湖清淤底泥資源化利用技術(shù)應(yīng)用與研究

◎ 張小婧 東莞市運(yùn)河治理中心

1.引言

清淤是指對河湖內(nèi)淤積的泥沙、雜物進(jìn)行疏浚清理，以恢復(fù)河湖的自凈能力和自然水位，減輕洪澇災(zāi)害的危害。傳統(tǒng)的河湖清淤底泥處置方式一般是填埋堆放和海洋傾倒，然而填埋堆放會占用土地資源、且可能導(dǎo)致二次污染和土壤污染，海洋傾倒成本高且底泥中的有害物質(zhì)可能會對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成威脅。因此，采用更科學(xué)和可持續(xù)的底泥處理方式在現(xiàn)代城市發(fā)展中至關(guān)重要。

本文基于河湖清淤底泥的組成成分，探討了近年河湖清淤底泥的應(yīng)用場景及其利用關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上研究了有關(guān)解決方案，旨在為河湖清淤底泥資源化的有效利用提供一定技術(shù)支撐。

2.河湖清淤底泥的組成成分

河湖清淤底泥的組成成分因地區(qū)和水體不同而異，一般來說，它們主要由有機(jī)物質(zhì)、礦物質(zhì)、水和其他物質(zhì)組成。

2.1 有機(jī)物質(zhì)

河湖清淤底泥中的有機(jī)物質(zhì)主要來自于植物和動物的殘骸、糞便等。這些有機(jī)物質(zhì)在水體中長時間存在，逐漸降解成更小的分子，變成可溶性的有機(jī)物和微生物。此外，底泥中還可能含有其他有機(jī)物質(zhì)，如酚類、松香、石油類化合物等。這些有機(jī)物質(zhì)是河湖底泥中重要的組成部分，它們對水體生態(tài)系統(tǒng)具有一定的影響，可以為細(xì)菌提供營養(yǎng)，也可以成為氧化的原料，從而消耗過剩的氧氣，也為底泥在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的資源化利用提供了可能。

2.2 礦物質(zhì)

底泥中的礦物質(zhì)主要包括泥土、石塊、沙子、泥炭等，它們通常來自周圍環(huán)境的沉積物或者是沉淀物，主要化學(xué)成分是二氧化硅、氧化鉀、氧化鈣、氧化鈉、氧化鎂、氧化鋁、三氧化二鐵等，這些成分與黏土、陶粒等建筑原材料化學(xué)成分相近，因此清淤底泥在建筑材料領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 水

河湖清淤底泥最重要的特征之一就是其中含有大量的水分，且底泥的水分含量通常受到當(dāng)?shù)貧夂?、降水、水體水位、污染程度等因素的影響，因此不同地區(qū)和不同時間的底泥水分含量會有所差異。一般來說，底泥的水分含量可以通過加熱樣品至110℃～105℃，然后計算干重和濕重之間的比例來進(jìn)行測定。底泥的水分含量對于底泥的處理和利用具有重要影響。較高的水分含量會增加底泥的重量和體積，對于儲存、運(yùn)輸和處理都帶來困難；同時也會影響底泥中有機(jī)物的穩(wěn)定性，促進(jìn)其生化反應(yīng)和腐敗。因此，在實(shí)踐中需要采用相應(yīng)的技術(shù)手段和方法對底泥進(jìn)行脫水處理，以減少底泥中的水分含量，提高底泥的可靠性和利用價值。

2.4 其他物質(zhì)

河湖中的底泥也可能含有各種其他物質(zhì)，如化學(xué)污染物、重金屬等。這些物質(zhì)通常是由附近的工廠、城市和農(nóng)業(yè)活動引起的。它們是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要威脅因素，可能會導(dǎo)致生物死亡和健康問題。因此，在進(jìn)行底泥清理時，需要采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和措施，以減輕可能存在的環(huán)境風(fēng)險。

3.河湖清淤底泥的資源化利用

3.1 農(nóng)業(yè)方面的利用

清淤底泥富含有機(jī)質(zhì)、氮磷等養(yǎng)分，可用作植物生長的肥料；含有大量的細(xì)顆粒物，可以改善土壤的物理性能，如pH值、容重和孔隙度等，從而促進(jìn)植物的生長。因此經(jīng)過處理后的河湖清淤底泥在農(nóng)業(yè)種植上有較大的應(yīng)用潛力，一般可將其作為土壤改良或有機(jī)肥料等多種方式來提高土壤的肥力和植物生長的效果。

如西湖清淤底泥的利用[1]，將西湖清淤底泥與化肥按照一定配比進(jìn)行混合，制成復(fù)合肥料用在蔬菜種植上，與傳統(tǒng)復(fù)合肥料相比，蔬菜的產(chǎn)量和土地利用效率有所提高。類似的應(yīng)用也出現(xiàn)在上海市桃浦河底泥的資源化利用中，將其與雞糞相混合、并經(jīng)過加工制成有機(jī)肥，可用于青菜種植上。丁文等人[2]將河湖清淤底泥作為有機(jī)肥料，用于水稻種植中，研究發(fā)現(xiàn)在施加常規(guī)肥料的基礎(chǔ)上，再添加清淤底泥制成的有機(jī)肥料，可使水稻產(chǎn)量和質(zhì)量都得到大幅度的提高。

此外，底泥中含有豐富的礦物質(zhì)和微量元素等成分，可通過添加適量的底泥來改善土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，增加土壤通氣性和保水性，從而促進(jìn)植物根系發(fā)育和營養(yǎng)吸收。如劉純甫等人[3]利用脫水清淤底泥作為松嫩鹽堿地的土壤改良劑，可有效提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量、降低土壤堿化度；吉林省也在積極研究和探討利用吉林西部河湖清淤底泥，改良該地區(qū)“三化”土壤，增加土壤肥力，提高土地生產(chǎn)潛力。

3.2 園林方面的利用

對于不符合農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的河湖清淤底泥，可考慮園林種植的應(yīng)用。如花卉生長需要較高的營養(yǎng)和水分供應(yīng)，而底泥中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等元素，可以通過與種植基質(zhì)混合或者當(dāng)做肥料使用，來滿足花卉所需的營養(yǎng)和水分，促進(jìn)花卉的生長和開花。此外，底泥也常用在市政綠化工程中，改善土壤物理性質(zhì)，促進(jìn)植物生長和根系發(fā)育。如胡浩南等人[4]以河湖清淤底泥為主要原料、以一定比例的粉煤灰和中藥渣為添加劑，制備成的改良土壤基質(zhì)能顯著提高草皮的生長速度；類似的園林應(yīng)用也出現(xiàn)在京杭運(yùn)河(杭州段)清淤底泥、無錫太湖清淤底泥、南淝河清淤底泥等資源化利用中。

河湖清淤底泥在園林方面的應(yīng)用，能夠提高土壤質(zhì)量和促進(jìn)植物的生長，為城市綠化、景觀建設(shè)等提供有效途徑。但需要注意其質(zhì)量安全，避免污染或?qū)Νh(huán)境造成不良影響。

3.3 生態(tài)方面的利用

河湖清淤底泥在生態(tài)修復(fù)方面的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在水體凈化、濕地修復(fù)以及生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)等方面。

濕地生態(tài)系統(tǒng)能夠?qū)λ|(zhì)進(jìn)行有效凈化和保護(hù)，底泥中含有豐富的微生物和養(yǎng)分，可以作為濕地的建造材料和補(bǔ)給物質(zhì)，促進(jìn)濕地植物的生長和根系發(fā)育，達(dá)到濕地修復(fù)的目的；與此同時，底泥中的顆粒物和大量的有機(jī)物可吸附水體中的重金屬離子、農(nóng)藥等污染物，底可用于構(gòu)建生態(tài)堤壩和生態(tài)灘涂等生態(tài)工程，增加水體自凈能力、改善水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而保護(hù)和恢復(fù)水體生態(tài)環(huán)境，如利用西湖清淤底泥打造的杭州江洋畔生態(tài)公園就是典型的例子。此外，底泥中的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分可以提供樹木所需的營養(yǎng)，同時也能提高土壤肥力和改善土壤結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)植樹造林的效果，北京通州區(qū)小中河清淤底泥就正在積極探索這方面的應(yīng)用。

3.4 建筑方面的利用

3.4.1 填方材料

河湖清淤底泥可以被用作填方材料，主要是通過將其堆積填埋在適當(dāng)?shù)膱鏊?，以減少占用土地資源的空間，同時也能為建設(shè)工程提供較為經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的材料替代品。例如路基填方、挖填平衡等工程中的土方填筑，清淤底泥中含有一定的礦物質(zhì)成分和粘土質(zhì)，這些成分可用于制造填充土。此外，底泥中的顆粒大小適中，也可以作為護(hù)坡和防護(hù)墻中的填方材料，達(dá)到固定山體或者防止洪水等自然災(zāi)害發(fā)生的目的。

3.4.2 陶粒

陶粒是一種通過將黏土等材料混合制成陶泥，然后經(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)而制成的多孔的輕質(zhì)陶土顆粒，具有保水、透氣、排水等良好性能，在現(xiàn)代建筑材料中有較為廣泛的應(yīng)用。河湖清淤底泥的主要成分是黏土等礦物質(zhì)，與陶粒燒制原料成分相似；且底泥中的有機(jī)物質(zhì)在燒結(jié)時有助于形成陶粒多孔的結(jié)構(gòu)，因此經(jīng)過處理之后的底泥可以直接作為陶粒的原料，如圖1所示。

圖1 河湖清淤底泥用于陶粒制備的流程圖

夏立明等人[5]，以清淤的淤泥和藻泥為主要原料，進(jìn)行合理脫水共建材化生產(chǎn)建筑陶粒，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益；蔡爽等人［6］以東湖淤泥為主要成分，輔以粉煤灰、三氧化二鐵為添加劑，制備出的陶粒具有比重低、吸附率強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.4.3 環(huán)保磚

底泥中富含有機(jī)物，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后可以分解并產(chǎn)生微孔，因此是制作環(huán)保磚的良好材料。清淤底泥制磚相比其他資源化方式具有很大的優(yōu)勢，經(jīng)燒結(jié)后的磚制品物化性質(zhì)穩(wěn)定，不易對環(huán)境造成二次污染。常用的制磚技術(shù)包括燒結(jié)磚和免燒磚。燒結(jié)磚的生產(chǎn)過程需要將底泥與適當(dāng)?shù)酿ね梁推渌牧习匆欢ū壤旌虾筮M(jìn)行模壓成型，并在高溫窯中進(jìn)行燒結(jié)，如圖2所示。在高溫下，有機(jī)物質(zhì)會被分解，形成微孔，從而提高磚塊的透氣性、容重和導(dǎo)熱系數(shù)等性能。如朱哲等人[7]利用東湖清淤底泥為主要原料、一定比例的粉煤灰和氧化鐵為添加劑，可制備具有吸水率低、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)良特性的燒結(jié)磚。免燒磚則是采用無燒制工藝，在底泥等原材料中添加適量的水泥、石灰以及其它摻合料，通過擠出、切割、蒸汽養(yǎng)護(hù)等工藝制成的一種新型墻體材料。該類磚塊在制造過程中不需要采用高溫?zé)Y(jié)，因此能夠節(jié)省大量的能源和減少碳排放。如陳卓睿等人[8]以福州白馬河清淤底泥為主要原料、一定比例的水泥、硫酸鈉、粉煤灰為添加劑，制備出了強(qiáng)度可控的免燒結(jié)磚。

圖2 河湖清淤底泥用于燒結(jié)磚的制備流程圖

3.4.4 水泥

河湖清淤底泥中的主要成分是粘土、有機(jī)質(zhì)等，其化學(xué)組成與天然黏土類似；水泥制備的主要原料是石灰石、粘土、熟石膏等，因此底泥可以作為原材料，用來部分代替水泥生產(chǎn)原料中的黏土。將底泥置于水泥窯高溫環(huán)境中，底泥會隨著燃燒發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，從而使底泥中的重金屬等有害污染物與水泥熟料晶格結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對底泥的安全處理和資源化利用。這種處理方式不僅能減少大量廢棄物的排放，還能為企業(yè)節(jié)省原材料成本，在經(jīng)濟(jì)效益和社會效益方面都有顯著成效，如用蘇州河清淤底泥就曾被用于水泥熟料生產(chǎn)研究[9]。但在此類資源化利用中，應(yīng)嚴(yán)格把控底泥中氯離子等成分，避免生產(chǎn)的水泥對鋼結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的腐蝕。

4.底泥資源化利用技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

河湖清淤底泥的資源化利用雖然有廣闊的應(yīng)用前景，但也存在底泥質(zhì)量不均、成分復(fù)雜、處理工藝復(fù)雜等技術(shù)難點(diǎn)。不同地區(qū)、不同水域清淤出來的底泥質(zhì)量有所差異，其中含有的污染物種類和含量也不同，底泥質(zhì)量不均也是其重要特征之一。同時，底泥中含有大量的有機(jī)物、無機(jī)物和微生物等成分，對于不同領(lǐng)域的利用需求也存在差異。如有機(jī)物含量較高的底泥不適合應(yīng)用與建筑材料；而重金屬含量超過農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的底泥，適合采用固化技術(shù)用于建筑材料，這種成分的復(fù)雜性也一定程度上制約了底泥的大規(guī)模資源化利用。此外，不同的底泥利用方式需要進(jìn)行不同的處理和加工，例如有機(jī)肥料、制磚、生態(tài)修復(fù)等，這對底泥的處理工藝和應(yīng)用技術(shù)提出了較高的要求。

為解決這些技術(shù)難點(diǎn)，可考慮加強(qiáng)底泥質(zhì)量監(jiān)測與管理、底泥處理技術(shù)創(chuàng)新等方面的措施。通過底泥質(zhì)量監(jiān)測與管理，建立一套較為完善的底泥質(zhì)量檢測體系，對不同來源和類型的底泥進(jìn)行分類管理，以確保其安全可靠的應(yīng)用。通過底泥處理技術(shù)創(chuàng)新，針對不同底泥利用領(lǐng)域的需求，開發(fā)新的處理技術(shù)和工藝路線，提高底泥的資源化利用價值。此外，底泥的處理和利用需要多部門的協(xié)作與合作，各方應(yīng)加強(qiáng)溝通和交流，充分利用各自的資源和優(yōu)勢，共同推進(jìn)底泥的資源化利用；制定和完善相關(guān)的政策法規(guī)，明確底泥資源化利用的標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量要求和管理措施，從而保障底泥的安全利用。

5.結(jié)語

河湖清淤底泥是一種重要的資源，其資源化利用可以降低環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，同時也需要進(jìn)一步加強(qiáng)河湖清淤底泥資源化利用的研究與開發(fā)，推廣先進(jìn)的技術(shù)模式和管理方法，以實(shí)現(xiàn)底泥的最大化資源利用和減少環(huán)境污染的共贏局面。