疏浚底泥節能處理技術研究進展

宋迪　陶紅+董繼鋒

摘 要：總結了當今國內外疏浚底泥節能處理技術，重點介紹了底泥在生物處理、物化處理、環境保護方面的二次利用和能源回收等方面的研究進展，分析了各種底泥節能處理技術的優勢和目前存在的問題.由于免燒結處理技術可降低重金屬等污染物向環境釋放的風險，可減少對環境的危害，因而受到眾多研究者的關注，也是疏浚底泥節能處理研究的一個重點.對疏浚底泥的處理方式、方法及處理技術進行了展望，為底泥資源化的進一步研究提供參考.

關鍵詞：疏浚底泥； 免燒結； 節能處理技術

中圖分類號： X 705 文獻標志碼： A

污水排放、大氣沉降將很多污染物帶入到水體中，污染物通過物理化學和生物等作用富集于水體底泥，導致河道底泥污染嚴重.1998—1999年，我國實施的滇池草海污染底泥疏挖及處置工程（一期）是我國首例大型湖泊環保疏浚工程，清除底泥近400萬m3.隨后，在太湖、星云湖、巢湖、南湖（長春市）等地也開展了環保疏浚工程.2012年3月上海蘇州河底泥疏浚工程完工，平均每天疏浚外運的土方量約8 000 m3，疏浚底泥約100萬m3，全部運往位于南匯老港的底泥處置場[1].目前，在實際施工中，疏浚底泥處置方式依然是吹填和堆棄，造成了大量的土地被占用，還可能因為雨水的沖刷和酸雨的侵蝕產生二次污染.此外，這也使得底泥中的可用資源不能充分利用，造成資源浪費，違背了節能環保的宗旨.

目前，關于疏浚底泥處理和處置的研究較多，例如熱解、低溫解析、燒制陶粒和水泥、燒結多孔磚和保溫磚、電動修復、超臨界水氧化等.這些處置方式能有效地處理廢棄底泥，滿足資源化的要求.但是，其在資源化的同時，不僅消耗了更多的能源，而且可能使土壤中揮發性有機污染物發生遷移和轉變，進入大氣中引起二次污染，甚至產生二噁英等致癌物.因此，疏浚底泥的節能處置已成為環保領域重要的研究課題.

1 底泥的理化性質

1.1 物理特性

底泥中含有大量的巖石、砂礫和砂、硬質粘土、沉渣和軟質粘土等物質，組成范圍變化較大，可以由純礦物或者有機物組成.物理特性一般表現為粘粒含量高、含水率高、壓縮性強、強度低、滲透性能差、排水固結緩慢.其中，疏浚淤泥的粘粒呈薄片狀，比表面積大，表面往往帶有負電荷，會吸附帶極性的水分子和水合陽離子，以致在其表面形成一定厚度的吸附水層，而吸附水的黏度較大、能動性較小，較難脫出[2].

1.2 化學特性

疏浚底泥的化學特性是確定其無害化和資源化適宜性的決定因素，化學指標主要有營養元素、重金屬和難降解有機物.

（1） 底泥中沉積的氮、磷等有機質營養元素在外源污染得到基本控制時，仍可作為內源污染源釋放氮和磷，是造成水體富營養化的一個重要污染源.

（2） 重金屬（如銅、鉛和鉻等）主要來源于礦業、冶金、化工及化肥產業.在水環境中，通過吸附、水解和共沉淀等作用，小部分重金屬進入水體，其余大部分沉積在底泥里[3]，與水相保持一定的動態平衡，并且容易造成二次污染.

（3） 主要的有機污染物有多環芳烴（PAH）、多氯聯苯（PCBs）、硝基苯、農藥等，它們能夠通過水泥界面的遷移轉化作用重新進入水體，通過生物鏈進入人和動物體內并且富集，引起“三致”（致癌、致畸、致突變）效應.

2 節能處理技術

底泥處置過程一般分為三個步驟：減量化、無害化、資源化.減量化，即通過脫水、烘干、風干等手段降低污染底泥的量和處理成本.無害化處理是通過一定的技術去除底泥中的有毒有害物質，或使其中重金屬、難降解有機物等不能釋放，達到底泥的無害化與衛生化的標準，避免二次污染.資源化，是指將河道底泥直接作為原料進行利用或者對河道底泥處理后進行再生利用.目前，疏浚底泥節能處理技術主要集中在生物處理、物化處理、環保再利用和能源回收.

2.1 生物處理技術

疏浚底泥中含有大量有機質以及植物所需的營養成分，具有腐殖質膠體，能使土壤形成團粒結構，保持養分作用，適合堆肥和制作復合肥料，施用于農田、林地、草場、魚塘、育苗基質、花卉等方面具有良好的效果.生物修復是指將受污染的疏浚底泥培育植物或培養、接種微生物，利用其新陳代謝活動吸收和降解其中有毒有害物質，使其含量降低甚至達到完全無害化的目標.目前，微生物和植物修復技術作為一種高效的生物強化技術已經廣泛應用于疏浚底泥處理的科學研究中.Chiavola等[4]利用序批式好氧生物泥漿反應系統處理受PAH污染底泥，處理效率達80%以上，出水上清液中PAH小于檢測限.隆曉等[5]綜合考慮溫度、含水率、pH、有機質各方面因素，通過污泥、底泥混合堆肥中試，獲得了合理的工藝參數，不僅有效地處理了疏浚底泥，而且達到了堆肥衛生學指標和堆肥腐熟的要求，有效地去除了有機污染物.生物處理成本低、效果好，綜合利用底泥中所含的營養物質，不僅完成了底泥的無害化處理，而且實現了底泥的資源化利用，使其重新進入自然界的能量循環和物質循環.

然而，在大面積或大量處理底泥時，微生物和植物很難重現實驗室中達到的理想效果.由于疏浚底泥所含有機污染物水溶性不高，并且微生物只有在水環境中才能對有機物進行降解.因此，疏浚底泥用生物處理時，有機污染物降解速度較慢，往往導致工程期和維護期較長，施工見效慢，不能滿足大規模的河道清淤及底泥處理的要求，可行性較差.此外，較為先進的生物淋濾法處理疏浚底泥還處于基礎研究階段，如何合理控制底泥處理條件、菌種的保存和培育以及重金屬的回收還有待于進一步研究.

2.2 物化處理技術

2.2.1 淋洗和萃取技術

底泥物化處理技術經過多年的發展逐漸趨向成熟和完善.底泥淋洗和萃取技術已經在美國、日本和德國等國家得到應用，將能夠促進有毒有害物溶出的溶劑滲入或注入到受污染底泥中，然后將溶有污染物的溶液從底泥中提取出來進行深度處理.但是，由于處理成本較高，難以推廣.

隨著淋洗技術和生物處理技術的發展，使得兩者的結合成為可能，可以降低處理成本，并已通過初步的實驗證明.張錚等[6]通過實驗證明：底泥、硫粉和 FeSO4·7H2O 共同用于生物淋洗能有效去除底泥中鎘，可顯著改善疏浚底泥的脫水性和沉降性.當硫粉質量濃度為5 g·L-1，FeSO4·7H2O質量濃度為15 g·L-1，接種量為20%時，淋濾達到最佳效果，底泥中鎘去除率達到85%以上.

2.2.2 免燒結固化技術

通過一定的物理、化學（固化）方法預處理的疏浚底泥，可用于路基、防火、隔音等建筑材料中，利用疏浚底泥替代黏土既可緩解建材制造業與農業爭土的矛盾，又可以資源化利用疏浚底泥.相比其他資源化利用方式，建筑行業綜合利用疏浚底泥會減慢其在陸地上的積累，可最大程度地降低重金屬等污染物向環境釋放的風險，減少對環境的危害.根據目前國內淤泥固化處理成熟經驗，疏浚底泥固化大多按照“投料—拌和—壓實—養護—完成工程填筑”這一基本工藝路線.

現在，國內外關于物化處理疏浚底泥技術的研究更加注重節能減排和環境保護等因素，逐漸偏向于免燒固結技術的研究和創新.免燒固結技術是物化處理的最常用方式，既滿足了環保的要求，又符合節能的指標.通過添加一種或多種固化劑于底泥中，利用水化反應、離子交換反應和碳酸反應形成水化產物使底泥顆粒間形成新物質，從而使底泥顆粒粘結在一起，使底泥中有害物轉化成低溶、微毒及難遷移的物質，以期達到有毒有害污染物穩定的目標[7].直接用硅酸鹽水泥、粉煤灰、石灰石等作為固化劑，再額外加入添加劑制成底泥-水泥固化塊.通過控制水灰比、含水率、養護等條件，能夠制得可滿足不同要求的膠砂建材，最大程度地減少污染物釋放至環境中的可能性，同時提高廢物的物理力學性質.Yan等[8]利用城市固體廢物底泥和疏浚底泥為原料制造控制性低強度材料（CLSM），使得廢物利用率高達80%，并且經過毒性特征瀝濾方法（TCLP）實驗后，浸出液中的重金屬質量濃度遠遠低于美國環保局的監管標準.李育偉等[9]以水泥、廢石膏、粉煤灰作為固化劑處理毒性湖泊底泥，固化處理后Cd、Pb、Zn 的固化率均能滿足重金屬浸出毒性要求，可用作填料.Jauberthie等[10]將法國蘭斯河疏浚底泥與生石灰、硅酸鹽水泥混合固化，制得的石灰水泥疏浚底泥混合料已經達到P4級路基標準要求和2型碎石路基層標準要求，顯示出明顯的經濟和生態效益.Miraoui等[11]將疏浚底泥和鋼渣混合固化制得的路基材料，能達到了很好的穩定性.

這種方法工藝相對簡單，其關鍵是選擇合適的固化劑和添加劑.免燒固結技術具有生產設備少、工藝簡單、生產和維護成本低、能耗少、固化效果好等優點.但是，底泥中含有較多有機物，未經過深入處理，長時間填埋或存放后會產生甲烷等易燃易爆氣體，存在一定的安全隱患.

2.2.3 螯合穩定化技術

常規的免燒結固化/穩定化技術也存在不少問題，如：處理后底泥增容比增大；毒性強的底泥需要的固化劑用量較大，成本高；處理后底泥的穩定性還有待檢驗等.近年來，國外學者多次提出采用重金屬螯合劑對重金屬污染嚴重的底泥進行無害化處理.重金屬螯合劑在常溫下能與土壤中銅、鉻、鎳、鋅、鎘、錳等金屬離子迅速反應，生成不溶于水的高分子螯合物.螯合穩定化技術處理疏浚底泥后其增容比遠遠低于其他方法.采用螯合劑處理后的底泥穩定化后體積幾乎不增加，減少了后續處置量，降低了處理成本.謝華明等[12]采用水泥、粉煤灰及有機硫穩定劑——氨基二硫代甲酸鹽（DTC鹽）固化/穩定化處理重金屬污染的底泥，固化后的底泥滿足填埋場入場要求.但是，螯合后底泥流動性依然較大，螯合態重金屬還極有可能遷移、擴散，螯合劑的穩定性和毒性還值得更深入的研究，從而避免產生二次污染.

2.3 環保利用

疏浚底泥用于環境保護的技術是近年來新發展起來的，該技術不僅實現了疏浚底泥的資源化利用，而且其制備的產品可用于去除有機物、重金屬及回收等方面，具有良好的環保效益.疏浚底泥含有大量的腐殖質，對金屬離子有吸附交換和絡合作用，尤其是對銅和鉛具有較好的吸附效果[13]，并且其吸附能力與底泥表面積有關，表面積越大，吸附能力越強.以受污染的河道疏浚底泥為主要原料，利用物理、化學以及生物技術使有害污染物穩定化，研制污水處理材料、吸附材料是近年來研究的新方向，該技術不僅實現了疏浚底泥的資源化利用，而且其制備的產品應用于污染物處理、環境修復，一般不會造成二次污染，對環境影響小，具有很好的應用前景.Hong等[14]探索了一種利用鉻污染底泥處理重金屬廢水的新方法，在最佳條件下總鉻的去除率達到95.8%.底泥中其他重金屬（鎘、銅、鉛、鎳等）浸出質量濃度介于0.003 5～0.055 0 mg·L-1之間，可達到污水綜合排放標準.此研究使得重金屬污染底泥處理含有相同重金屬廢水成為一個可行的方法，并且對于重金屬富集和回收具有重要意義.

疏浚底泥與其他環保功能材料協同處理污染水體具有更好的效果，也使得污染物被吸附后不再容易脫附進入水體.例如，張燕等[15]將爐渣、爐渣+30%底泥、排水溝渠底泥對水中氮磷的去除效果進行了比較分析，其中：底泥對污染吸附效果最好，爐渣+30%底泥、排水溝渠底泥對氨磷的去除效果均比爐渣要好.可見，疏浚底泥是一種含腐殖質的天然吸附劑，對污水治理具有較好效果.李大鵬等[16]在底泥中加入FeCl3后，對上覆水中磷的吸附能力提高，底泥達到磷飽和時間延長.當FeCl3質量分數占2%時，對水體磷吸附量、平衡濃度、飽和度分別為原泥的27.3%、85.7%、60.7%.李佳等[17]采用鑭改性沸石對太湖底泥進行改良，改良后的太湖底泥對磷酸鹽的吸附能力明顯提高，并且其吸附能力隨鑭改性沸石添加量的增加而增加，其對磷酸鹽的吸附屬于自發和吸熱過程.被改良底泥中鑭改性沸石所吸附的磷以NaOHP和HClP 等較穩定的形態存在.

疏浚底泥制得泡沫陶瓷也是環保利用研究的一個新方向.具有高度多孔結構的泡沫陶瓷，用于隔音及隔熱，防水、水蒸氣，防火等方面具有較好的效果.Liao等[18]利用再生水水庫泥沙和Na2CO3混合制得泡沫玻璃.根據工程需要，控制Na2CO3的投加量和煅燒溫度，利用干壓法處理疏浚底泥制得的泡沫玻璃可用于建筑行業.但是，關于底泥免燒結制作技術和工藝的相關研究仍然較少.

2.4 能源化回收

底泥中含有大量的有機質，為其能源化利用提供了必要的物質基礎，利用疏浚底泥回收能源是未來底泥資源化的發展趨勢之一.制氫技術是一項能源回收領域的前沿技術，是未來底泥資源化發展的方向之一[19-20].王奕雪等[21]采用間歇式超臨界水反應裝置，以滇池疏浚底泥和褐煤為原料氣化制氫，褐煤和底泥在超臨界水共氣化過程中碳氣化率和產氫率存在明顯協同效應，既可達到處置底泥的目的，又可產生氣體能源H2 和CH4.張輝等[22]采用成型干化工藝制備污泥煤復合燃料，污泥在混合成型燃料中可起到黏結劑、固硫劑等作用，同時可利用污泥的熱值，實現污泥的資源化利用.

早在2004年，美國國家可再生能源實驗室（NREL）就曾在報告中特別指出，微生物油脂發酵可能是生物柴油產業和生物經濟的一個重要科學研究方向[23].直到目前，國內外已經出現了利用廢棄油脂、植物秸稈、淀粉、各類有機水解液等獲得生物柴油的研究，鮮有關于底泥作為底物用于微生物油脂發酵的工藝及方法.利用微生物實現底泥轉化油脂很有可能成為節能處理技術發展的一個新的方向.

3 展 望

隨著環境保護和節能減排的理念深入人心，對于疏浚底泥合理化利用程度的要求也越來越高.國內有關節能環保的利用和實踐依然較少，仍處于初級階段.疏浚底泥節能處理技術的革新和發展更應因地制宜，融會貫通.將多種技術相結合，取長補短的方式是未來底泥技術革新的一個重要趨勢.疏浚底泥處理前期，可根據各流域或地域底泥受污染程度不同劃分為三個地區：重污染區、中污染區和輕污染區.不同地區，節能處理技術應用和發展的趨勢也不同.

嚴重污染區和中度污染地區應嚴格監控，配套的環境風險評價和環境影響評價需及時跟進.河道疏浚后，堆放的底泥應及時進行脫水處理、固化和穩定化處理.首先，免燒結固化技術和螯合穩定化技術相結合的研究成為一個熱點.與此同時，添加適當比例的硅酸鹽水泥能夠提高一定的力學強度，降低了底泥的水溶性，改變了底泥固化塊受壓容易破碎的缺點.由于有機污染物在水環境中容易析出，底泥處理后期可結合生物處理技術將有機污染物去除.最終，還可針對底泥固化塊的植生性進行深入研究，培育或培養具有重金屬富集作用生物，對底泥中尚未完全穩定的重金屬污染物進行吸收，降低環境風險，及時收割植被或微生物也給重金屬回收和再提煉提供了可能.此外，重金屬含量低且富含有機質的底泥可考慮直接用于能源回收的研究.

受輕微污染的底泥可以考慮生物處理和農業利用，通過生物的新陳代謝作用分化和降解有機污染物和固定重金屬；或者利用底泥的良好吸附性將其制造成水處理材料，經過吸附處理后的底泥可參考重污染區底泥的處置方式.

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