河道清淤底泥資源化利用研究進展

潘逸凡

摘? 要：對近年來河道清淤底泥成分分析及資源化利用的研究進行了歸納分析、總結和展望。底泥成分分析研究證實城市河道的清淤底泥往往存在重金屬、有機物污染情況。目前資源化利用主要方向為土壤化利用、建材化處理及路基填筑，在此應用基礎上對未來研究方向提出建議及展望。

關鍵詞：河道清淤;底泥;資源化利用

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0059-04

Abstract： Researches on the utilization of dredged sediment of rivers in recent years are stated， analyzed and summarized. Studies on the composition of sediment show that heavy metal and organic pollution have existed in the river sediment. At present， the main direction of resource utilization is soil utilization， building material treatment and roadbed filling. On the basis of this application， some suggestions and prospects for the future research direction are put forward.

Keywords： riverbed sludge dredging; sediment; resource utilization

引言

近年來，我國水環境污染問題日益嚴重，以城市黑臭水體治理為主的水污染防治工作在全國范圍內全面實施。2019年，全國295個地級以上城市建成區共有黑臭水體2899個，通過黑臭水體整治專項行動消除86.7%。河道疏浚工程作為主要治理方案，能夠有效降低河道內的污染物負荷、改善水域生態系統，但在疏浚過程中產生大量清淤底泥。這部分清淤底泥如未得到妥善處置，不僅占用大量土地，還會因雨水淋洗造成土壤和水體的二次污染。河道清淤底泥的資源化利用途徑亟待拓展與突破。

為適應水環境治理需求、解決河道淤泥處理問題，本文對近年來河道清淤底泥成分分析研究進行總結，并梳理了國內外河道淤泥資源化利用技術的研究與應用現狀，以期為河道淤泥處置的技術需求和發展方向提供新思路。

1 河道清淤底泥成分分析研究現狀

河道疏浚過程中產生的清淤底泥是一種在靜水和緩慢的流水環境中沉積并含有機質的細粒土，通?？紫侗却笥?：5，具有粉粒含量高、粘粒含量低的特點[1]。河道淤泥顆粒細，粒度通常小于0.05mm，可塑性較強。

河道淤泥的化學成分與粘土類似，主要化學成分為SiO2（約占70%）、Al2O3（約占20%）、Fe2O3（約占7%）、CaO和MgO[2]，但受區域影響，不同河道也存在差異。另一方面，受工業廢水、農業面源污染以及水生生物腐敗等影響，河道底泥往往存在重金屬、有機物污染。

重金屬超標的清淤底泥通常來源于工業發達地區。劉成等[3]對巢湖重污染匯流灣區沉積物中主要重金屬分析發現，Hg和Cd的污染程度較嚴重，并導致該灣區沉積物具備不同程度的生態風險。一項南京黑臭河道底泥污染特征的研究表明，南京城區黑臭河道底泥重金屬Zn、Ni、Cr、Cu及Pb均有不同程度的污染負荷，同時總磷與有機物污染均較為嚴重[4]。Hazzeman Haris等[5]研究發現馬來西亞Langat River河道沉積物中鉛污染嚴重。對于此類淤泥通常需要首先進行鈍化處理，即降低重金屬的有效濃度和生物有效性。經鈍化處理且重金屬浸出量在安全標準范圍內的清淤底泥，方可用于土壤化、建材化等其他資源利用方式。

河道清淤底泥中常見的難降解有機污染物一般有石油烴、多環芳烴、多氯聯苯和有機氯農藥等[6]。石油烴通常來源于石油制品的不完全燃燒和城市含油廢水的排放;多環芳烴主要來源于化工生產和石油、木材等物質的不完全燃燒;多氯聯苯一般來源于工業潤滑油、添加劑的泄露及不當排放;有機氯農藥則由農業面源污染帶入。Rumney等[8]通過檢測英國幾處淤泥堆場2008年至2013年多環芳烴含量發現，淤泥堆放過程中多環芳烴逐漸向周邊環境擴散。在南京揚子江的底泥和水樣中檢測出15種多氯聯苯，且底泥中的多氯聯苯濃度高于水樣，低水期底泥中多氯聯苯的濃度高于高水期[7]。底泥中有機污染物的遷移和生物累積過程往往受污染物的吸附、脫附行為影響，部分有機污染物通過生物累積進入食物鏈，而在環境介質中的含量下降，導致其對環境的直觀影響以及生態危害被研究人員忽視[9]。

2 河道清淤底泥資源化利用研究現狀

2.1 土壤化利用

河道清淤底泥土壤化利用的優點在于投資較少，可處理的清淤底泥量大。有別于傳統的直接堆放處理，清淤底泥土壤化是指疏浚底泥經固化，并采用一定土壤化處理步驟后，各元素含量在標準控制范圍內，并可滿足植物生長要求的資源化利用方法。

河塘底泥通常與沿岸農田土壤各粒級組成非常相似[10]，其種子庫特征土壤種子庫同樣與具備保護植物物種多樣性的作用[11]。對于沒有污染、富營養化的河段，其清淤底泥可通過泥漿泵將底泥稀釋過濾后直接輸送至稻田土壤化利用[12]。王向輝等[13]對底泥營養成分分析結果顯示，美舍河底泥中的營養物質（有機質、有效磷、速效鉀和速效氮）均滿足農用標準，可做種植土壤利用，底泥浸液白菜種子發芽率與種植土壤相當。王正等[14]對三峽水庫消落帶（底泥）的研究發現，對氮磷吸收富集能力高的植物具有更強的光合吸收提取效率，其植被生態截污能力強，并建議消落帶截污植被恢復可選蒼耳、青蒿、籽粒莧、狗牙根等草本植物。

一項對重金屬-有機物復合污染河道疏浚底泥的研究結果顯示，污染底泥配比的增加會導致植物發芽率降低。但適應底泥中高濃度復合污染的植物，底泥施用能促進其生長并提高其葉綠素含量，另一方面，底泥中的污染物質會在植物體內發生不同程度的聚集[15]。因此，河道清淤底泥在土壤化利用時應經無毒無害化處理、確保重金屬及有機污染物濃度在標準控制范圍內，以避免對土壤、地下水的二次污染以及對作物的毒害影響。

2.2 建材化處理

河道清淤底泥化學成分及物理性能與黏土類似，能夠部分替代黏土制備建材產品。建材化處理是目前綜合利用率較高的處理方式，目前研究應用較為廣泛的幾種河道淤泥制備建筑材料是制磚、陶粒和水泥[16]。

2.2.1 河道淤泥制磚

河道清淤底泥顆粒細、可塑性高、結合力強，同時因富含有機質而具備一定熱值，可節約燃料，具備制磚原料的基本條件和先天優勢。另一方面，淤泥焙燒過程中有機質分解，形成孔隙，可能導致抗壓強度低及表面不平整等問題，適宜制備透氣性較好的輕質磚。

目前對淤泥制磚的研究方向主要有免燒磚和燒結多孔磚兩類，一般基于清淤底泥添加量與成品磚的物理性能相關性，研究淤泥制磚的最佳比例。孫志康[17]在對河道淤泥制備免燒磚試驗中發現，當生石灰摻量為18%時，基體達最佳物理性能5.8MPa，河道淤泥制備的免燒磚對初期雨水徑流污染物SS、COD具有一定的去除效果。胡名衛等[19]對浙江省寧波、臺州、金華、湖州四地采集的河道淤泥的試驗結果表明，淤泥顆粒大部分在50μm以下，發熱量均小于200kcal/kg，塑性指數均大于13，滿足制磚要求，并提出了原料配比建議值為河道淤泥<30%，頁巖、建筑渣土30%-50%，煤渣、煤矸石20%-30%。

2.2.2 河道淤泥制備陶粒

河道淤泥是由多種礦物組成的混合物，因混合體系成分差異無法具備固定熔點，高溫下一系列低共熔點、轉熔點導致底泥具備一個軟化溫度范圍，在此溫度范圍內，河道清淤底泥呈粘流狀態，此時內部產生的氣體無法逸出，在物料內部形成孔隙結構[18]。由于河道底泥制備陶粒的兩個必要條件是膨脹溫度下產生合適的表面張力及足夠的氣體，因此目前在該領域的應用研究主要集中于燒制配比和焙燒溫度。胡名衛等[19]的試驗結果表明，高強陶粒可完全由河道淤泥燒制，輕質陶粒可摻入50%-70%的淤泥燒制。曾夢杰[20]通過實驗確定河道淤泥制備陶粒最佳配比為河道淤泥：粉煤灰為18g：2g，添加1g可溶性淀粉作為造孔劑，研究表明焙燒溫度超過950℃后，溫度越高、焙燒時間越長，陶粒結構越穩定。

在利用河道底泥燒制陶粒時，焙燒溫度是影響陶粒性能的主要工藝條件。徐振華[21]通過研究確定利用底泥含量小于35%的配比制備陶粒時，適宜的燒結溫度為1100～1150℃，燒結時間10～15min，預熱溫度350℃，預熱時間20min。此外，由于不同河段底泥的理化性質差異較大，不同原料適宜的燒制條件和輔料也不盡相同，因此，因地適宜地選用合適的工藝及輔料是制備高性能陶粒的必要條件。

2.2.3 河道淤泥制備水泥

鈣離子是水泥固化劑水化反應的必需元素，而淤泥中大量的有機質對鈣離子的吸附作用阻礙了該水化反應，且河道淤泥的有機質含量通常高于一般湖相、海相淤泥，因此通過直接摻量河道淤泥制備水泥的固化效果欠佳。隨著水泥摻量增加，水泥固化土變形破壞特征表現為由塑性向彈-塑性變形破壞過渡[1]。

王東星等[22]利用MgO-粉煤灰固化材料，采用碳化-固化聯合技術處理武漢東湖疏浚淤泥，結果表明碳化技術可促使固化淤泥試樣應力-應變曲線壓密階段縮短、抗壓強度顯著增加，該試驗在添加MgO-粉煤灰比例為7：3時獲得最佳抗壓強度。彭麗思等[23]對城市河道底泥固化的研究中，使用5%水泥、20%高爐礦渣和5%石灰作固化劑可使固化底泥的無側限抗壓強度和內聚力的值分別達到3.3MPa和224kPa。

建材化處理能夠使清淤底泥獲得最大附加值，但考慮到產品密度、抗壓強度等特性要求，該處理技術對清淤底泥的消納量有限，更適宜于小范圍、短期性清淤工程的底泥處置。

2.3 路基填筑

對于處理量大、含水率高、處理周期短的河道底泥，用作路基填筑使用是最為便捷的有效途徑。目前，應用于該途徑的主要處置方法是固化處理技術。

不同類型的淤泥在進行固化處理時，應采取不同處置方法。曹雷[24]研究發現中低含水率的淤泥填筑路基可摻拌5%-8%的石灰，或25%-65%的建筑廢料;高含水率的淤泥可通過石灰和垃圾爐渣的共同作用增強承載力，以符合路基規范的施用要求。白繁義[25]提出依據粒徑、成分、力學性質、污染物含量和浸出毒性將河道淤泥分為三類，提出分類應用于路基填筑的觀點，同時試驗證實將土基層替換為淤泥層不會對路面行車安全造成明顯影響。

另一方面，研究者也在利用河道清淤底泥的特性制備新的路基材料。Miraoui等[26]發現疏浚底泥和鋼渣混合制備路基材料具有良好的力學性能和耐久性。Pembe等[27]研究了疏浚底泥作為細集料在預拌混凝土中的用途，結果表明疏浚底泥能夠部分替代硅砂達到相似的集料性能，但在高比例替代的情況下，會降低混凝土的抗壓強度。

河道底泥在交通工程中作為路基填筑使用具有一定的工程實踐性，但仍需針對不同類型淤泥固化處理后的力學性能、耐久性、浸出性能等進行研究，為推廣應用制定便于執行的標準規范。

3 總結與展望

3.1 總結

河道清淤過程在水污染防治工作中起到不可或缺的作用，清淤底泥的去向也成為近年來水環境治理研究的重要方向。底泥成分分析研究證實城市河道的清淤底泥往往存在重金屬、有機物污染情況。因此只有經無毒無害化處理、確保底泥重金屬及有機污染物濃度在標準控制范圍內，才能以資源化利用的方式進入后續工作。

目前資源化利用主要方向為土壤化利用、建材化處理及路基填筑，諸多研究證實，清淤底泥可以一定比例替代土壤或黏土。根據利用方式的不同，可以通過摻拌石灰、煤矸石、粉煤灰等改良底泥的物理特性以適應實際需求。

3.2 展望

清淤底泥在資源化利用過程中，尚缺其理化特性的規范標準文件，未來研究可針對這方面進行系統歸納并劃分，以明確不同類型底泥資源化的適用范疇。另一方面，清淤底泥的利用往往基于其理化特性，而底泥中富集的有機質決定其具有豐富的微生物菌群，目前已有對污泥中蛋白質資源化利用的研究[28]，但鮮有對清淤底泥微生物菌群的利用研究，該方向研究也可為底泥資源化利用提供新思路。

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