重金屬污染底泥環(huán)保清淤與穩(wěn)定化資源化處置技術(shù)

彭 瑜 賴佑賢 黃錦城

(1.珠江水利科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610；2.廣州市水電建設(shè)工程有限公司， 廣東 廣州 510600)

重金屬污染底泥環(huán)保清淤與穩(wěn)定化資源化處置技術(shù)

彭 瑜1賴佑賢2黃錦城2

(1.珠江水利科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610；2.廣州市水電建設(shè)工程有限公司， 廣東 廣州 510600)

本文以珠江三角洲感潮河道重金屬污染底泥為對象，研究了重金屬污染河道底泥環(huán)保清淤及穩(wěn)定化資源化處置方案。“絞吸挖泥+機(jī)械脫水+固結(jié)”工藝系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了重金屬污染底泥的減量化、穩(wěn)定化、資源化處置路線。對河涌底泥環(huán)保清淤，快速脫水減量化，對環(huán)境不會造成“二次污染”，并可以對底泥中的重金屬有效固化、穩(wěn)定化，使主要重金屬離子毒性浸出均勻，改性固結(jié)后可以作為建筑用土進(jìn)行資源化利用。

重金屬污染； 底泥固結(jié)； 穩(wěn)定化； 資源化

1 引 言

水體污染物易在底泥中累積和富集, 并且底泥中的營養(yǎng)鹽、重金屬和難降解有機(jī)物(POPs) 等污染物的質(zhì)量濃度，往往要比上覆水體中相應(yīng)污染物的質(zhì)量濃度高很多[1]。

對河道底泥中重金屬污染的研究已經(jīng)取得一些成果, 但是其中大部分都集中在天然河道底泥重金屬的釋放和利用植物或微生物修復(fù)重金屬的污染問題[1- 7], 而對受重金屬污染底泥的清淤以及清淤底泥的穩(wěn)定化、資源化處置的研究較少。

重污染底泥成為了河道的內(nèi)源污染。黑臭水體綜合治理中清淤工程是消除內(nèi)源污染，修復(fù)水體生態(tài)的重要環(huán)節(jié)。黑臭水體整治又是海綿城市建設(shè)的突破口[8]。

污染底泥量大，污染負(fù)荷重。怎樣快速有效地清除底泥，不對環(huán)境造成“二次污染”，以及如何在無害化、穩(wěn)定化基礎(chǔ)上資源化處置，是目前黑臭水體治理中普遍關(guān)注的問題。

2 河涌底泥污染調(diào)查

通過對珠三角200多條城市河涌，600多個采樣點的調(diào)查分析，污染物主要包括無機(jī)有毒物和有機(jī)有毒物。無機(jī)有毒物包括重金屬、砷、氰化物、氟化物等；有機(jī)有毒物包括苯酚、多環(huán)芬烴、PCB、有機(jī)氯農(nóng)藥、石油產(chǎn)品等。

本次主要是針對廣州市河涌重金屬污染底泥進(jìn)行研究，其重金屬污染物主要包括鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、砷(As)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)8種有毒有害元素，其對水生生物和人體健康有較大危害。河涌底泥重金屬含量雖然差異較大，但都超過了廣州市土壤背景值的重金屬含量值。河道底泥重金屬含量見表1。

表1 河道底泥重金屬含量 單位：mg/kg，以干重計

① 《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 4284—84)酸性土壤上(pH<6.5)最高容許含量。

通過對15個底泥樣品重金屬進(jìn)行實測分析，采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)二級標(biāo)準(zhǔn)評價，汞(Hg)、鋅(Zn)和鎳(Ni)平均含量超標(biāo)，其中汞平均值為二級標(biāo)準(zhǔn)的2倍。采用廣州市土壤背景值評價，所測的8種重金屬：鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、砷(As)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)均超過了廣州市土壤背景值。其中汞(Hg)、鋅(Zn)和鎳(Ni)高出背景值2～3倍。故對河道重金屬污泥底泥進(jìn)行環(huán)保清淤并穩(wěn)定重金屬是必要的。

底泥重金屬分為水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳水合氧化物態(tài)、有機(jī)質(zhì)硫化物結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)等6種形態(tài)，重金屬的穩(wěn)定化是必須要解決的問題。

3 底泥處理原則、固化機(jī)理及現(xiàn)階段研究情況

3.1 底泥處理的原則

底泥處理的四個原則為“減量化、無害化、穩(wěn)定化、資源化”。

減量化：指泥水分離，降低淤泥的含水率，及分沙減量化。

穩(wěn)定化：底泥中含有大量的有機(jī)物及重金屬元素，經(jīng)過處理將易腐敗的部分有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化；同時經(jīng)過處理后重金屬元素稀釋鈍化，由非穩(wěn)定態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)化。

無害化：需要經(jīng)過處理殺滅淤泥中的病原菌、寄生蟲卵及病毒，提高淤泥的衛(wèi)生指標(biāo)。

資源化：大量的淤泥化害為利，變廢為寶，實現(xiàn)淤泥的資源化利用。

3.2 底泥固化、穩(wěn)定化機(jī)理

重金屬固化穩(wěn)定化的機(jī)理：穩(wěn)定化技術(shù)是從改變重金屬污染物的有效性出發(fā)，調(diào)節(jié)和改變重金屬在底泥中的物理化學(xué)性質(zhì)，使其產(chǎn)生吸附、絡(luò)合、沉淀、離子交換和氧化還原等一系列反應(yīng)，降低其生物有效性和可遷移性。

固定穩(wěn)定化技術(shù)包括水泥固化、石灰火山灰固化、塑性材料包容固化、玻璃化技術(shù)、藥劑穩(wěn)定化。其原理是：固化劑與底泥充分混合，生成膠凝物質(zhì)，黏結(jié)土顆粒；降低土孔隙中的動電電位，促使黏土顆粒凝聚；提高固化土系統(tǒng)的比表面積，促進(jìn)水化反應(yīng)；使其轉(zhuǎn)化為新的晶體結(jié)構(gòu)。最終達(dá)到“固化”底泥的目的。

3.3 底泥固結(jié)劑的研發(fā)與應(yīng)用

國外研究開發(fā)的固化劑有美國的“路邦”、澳大利亞的TR12、南非的ISS(美國技術(shù))、德國的“利路力”。日本的固化劑種類多，包括水溶性高分子凝聚劑、水泥改性土、GBR等。本次研發(fā)了新型底泥專用固化劑。它是以工業(yè)廢渣為主要原料的一種環(huán)保型的高強(qiáng)耐水固結(jié)劑。其特點包括：高吸水性，快速硬化各種底泥和殘土；高固結(jié)性，能改良土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；有固化重金屬作用；體現(xiàn)了“以廢制廢”的理念。新型固結(jié)劑的主要成分有礦渣、電爐鋼渣、化學(xué)激發(fā)劑、高分子聚合材料等，是一種新型二元復(fù)合膠凝材料。

本次研發(fā)的固結(jié)改性劑以無機(jī)物為主，核心材料為高分子聚合劑，運(yùn)用分子聚合、重金屬吸附的原理。以大分子有機(jī)物與無機(jī)物，吸附，螯合金屬粒子重金屬粒子，并通過水化反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)改變淤泥的膠體結(jié)構(gòu)，使淤泥轉(zhuǎn)化為新的晶體結(jié)構(gòu)，并使螯合體在穩(wěn)定的晶格內(nèi)固定不動，達(dá)到淤泥礦化穩(wěn)定化的目的。

受污染底泥進(jìn)行固結(jié)處理后，可減少底泥污染物的釋放。將高含水率、低強(qiáng)度的廢棄底泥轉(zhuǎn)為可利用的資源。

4 環(huán)保清淤脫水固化工藝

4.1 環(huán)保清淤工藝

環(huán)保清淤在于清除重污染物和重金屬含量高的表層沉積物，包括懸浮和半懸浮在底泥水土界面富含污染物質(zhì)的“云團(tuán)”，屬生態(tài)工程。由于內(nèi)源底泥污染物濃度高，底泥量大，為防止“二次污泥”，借鑒國外的經(jīng)驗，開發(fā)了“絞吸挖泥+機(jī)械脫水、固結(jié)”工藝方式，不占用土地資源，處理效率高，綜合成本低，實現(xiàn)了重金屬污染底泥的資源化處置工程體系。

4.2 帶式脫水工藝特點

機(jī)械脫水是一種很成熟的方法，在發(fā)達(dá)國家已被大量使用。自主研發(fā)的植毛帶式底泥脫水機(jī)及河道淤泥脫水工藝流程適用于感潮黑臭河道的環(huán)保清淤。其植毛帶式底泥脫水機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)了小型化、高效率、高產(chǎn)量、低能耗，并在佛山的羅村涌、東莞石馬河、廣州石井河、海口美舍河的環(huán)保清淤工程中得到應(yīng)用。

河湖底泥清淤工藝流程包括河湖底泥疏挖、管道輸送、沙石垃圾分離、分揀、藥劑添加、底泥濃縮、底泥脫水、運(yùn)輸和場地運(yùn)至臨時堆土區(qū)，如下圖所示。

帶式機(jī)脫水固結(jié)一體化技術(shù)工藝流程圖

河道淤泥脫水固結(jié)工藝的主要特點是：?針對河湖岸邊復(fù)雜的地形條件，所有設(shè)備均可車載移動安裝，快速作業(yè)，設(shè)備占地少；?底泥抽送、砂水分離、垃圾分離、機(jī)械脫水實現(xiàn)流水作業(yè)；?脫水后泥餅含水率可達(dá)到50%～60%；?底泥脫水產(chǎn)生的排放水符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8976)的二級排放標(biāo)準(zhǔn)，避免二次污染。

5 底泥資源化處理處置

底泥雖然存量大，污泥重，但基本還屬于一般固廢，資源化處置是其必由之路。

歸納國內(nèi)外底泥資源化處置方式主要有工程利用、農(nóng)用化利用以及建材化利用。

資源化處置路線要適合處置量大、生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)合理的要求。根據(jù)此思路，廣州市在峨眉沙島作為工程填筑用土處置了200多萬m3河道清淤的污泥底泥。也系統(tǒng)性地總結(jié)出了一套底泥作為工程用土資源化處理處置的參數(shù)。通過指標(biāo)設(shè)定參數(shù)選擇調(diào)配固結(jié)改性劑。

6 底泥處理處置效果評價

評價底泥的處理效果，是底泥資源化處置的基礎(chǔ)。評價指標(biāo)主要是無害化指標(biāo)、重金屬穩(wěn)定化指標(biāo)、工程強(qiáng)度指標(biāo)、pH值等。下面對廣州市河道清淤的重污染底泥的處理效果進(jìn)行評價。

6.1 河涌底泥處置工程指標(biāo)

廣州市河道底泥的資源化方式是作為工程填土進(jìn)行利用。要根據(jù)處置標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到地基填土要求，公路土要求指標(biāo)見表2。含水率、pH值、承載比(CBR)檢測方法宜采用《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)或等效的國家規(guī)定的其他規(guī)程和方法中的相關(guān)規(guī)定。

表2 廣州市河涌底泥處置標(biāo)準(zhǔn)

6.2 固化后底泥的無害化指標(biāo)

底泥固化時產(chǎn)生的氨氣對底泥中的病菌、寄生蟲卵、病毒等有一定的殺滅效果，同時底泥的泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變和無機(jī)質(zhì)的包覆也會導(dǎo)致病菌、寄生蟲卵、病毒等失活。主要采用《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 7959—2012)進(jìn)行評價，評價結(jié)果見表3。

表3 固化污泥毒理實驗

注 標(biāo)準(zhǔn)參照《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 7959—2012)。

6.3 底泥固結(jié)穩(wěn)定重金屬

通過對廣州市河涌底泥進(jìn)行取樣，固化劑固化處理后，按《固體廢物浸出毒性浸出方法》(HJ/T 299—2007)進(jìn)行檢測，其結(jié)果見表4。

國內(nèi)尚無有針對性的固化穩(wěn)定化土壤修復(fù)的評價標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)普遍采用《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978)、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)及《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848)，替代《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》(GB5085.3)。固結(jié)后底泥7種代表性重金屬離子毒性浸出均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅲ類水體規(guī)定的各重金屬允許濃度，滿足國家環(huán)境控制標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。

表4 河涌底泥固化體毒性浸出試驗結(jié)果

7 結(jié) 論

黑臭水體整治是海綿城市建設(shè)的突破口，清淤工程消除河道內(nèi)源污染，是治理黑臭水體的重要環(huán)節(jié)。

河道底泥存量大、污泥重，處理不當(dāng)會造成“二次污染”。本文從污染底泥的減量化、無害化、穩(wěn)定化、資源化出發(fā)，總結(jié)了一套環(huán)保清淤的工程方案和評價標(biāo)準(zhǔn)。使固結(jié)改性后的重污染底泥作為工程填土進(jìn)行了資源化處置，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、高效、生態(tài)環(huán)保的要求。

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Environmental dredging of heavy metal contaminated sediment and stabilized recycling treatment technology

PENG Yu1, LAI Youxian2, HUANG Jincheng2

(1.PearlRiverWaterConservancyScienceResearchInstitute,Guangzhou510610,China; 2.GuangzhouHydropowerConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510600,China)

In the paper, heavy metal contaminated sediment in tidal rivers of the Pearl River Delta is regarded as an object for studying plans for environmental dredging of heavy metal polluted rivers and stabilized recycling treatment. The process system of “cutter-suction dredging + mechanical dehydration + consolidation” is applied for realizing reduction, stabilization and recycling disposal routes for heavy metal contaminated sediments. “Secondary pollution” cannot be produced on environment through environmental dredging on river sediment, rapid dehydration and reduction. Heavy metals in the sediments are consolidated and stabilized effectively. Ion toxicity of main heavy metals can be leached. The sediments can be regarded as construction soil for recycling purpose after modification and consolidation.

heavy metal pollution; sediment consolidation; stabilization; recycling

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.02.008

TV212.5

A

2096-0131(2017)02- 0025- 04