河道底泥處理及資源化利用研究進展*

林映津 曾小妹 謝貽冬 蘇文勛畢佛春

(1.華川技術有限公司，福建 福州 350008； 2、福建省湖庫流域生態修復工程研究中心，福建 福州 350008)

隨著社會經濟的快速發展和城鎮化建設步伐的加快，大量工業、農業廢水和生活污水等排入河流、湖泊、水庫、溝渠等水體，造成河、湖等水體環境出現嚴重污染。對此，我國先后出臺“水十條” 和 《重點流域水污染防治規劃》 等一系列政策，加大河流及湖泊的水生態環境整治。

作為水體中各類污染的“源”與“匯”的底泥，在一定條件下，會將沉積的N、P、重金屬及PAHs等污染物重新排放到水體中，對水生態環境構成嚴重危害，并威脅到人類日常的飲水安全等[1]。因此，對底泥的處理和處置是水生態環境整治中十分重要的一環，但目前人們在對底泥形成的內源污染方面的關注度還比較低，因此，本文從底泥的污染類型、危害及現有的修復技術和資源化利用研究等方面對泥底處理和利用進行了探討和分析，以期為實現底泥無害化和資源化利用提供參考，減少底泥對環境的污染和對人體的危害。

1 底泥污染的類型及危害

1.1 營養物質

經過大氣沉降、雨水沖刷、污水排放、滲漏等各種途徑進入水體的N、P等營養物質，雖然可被水生動植物吸收一部分，但是剩下的另一部分將沉積到底泥中，并可作為內源污染重新釋放到上覆水中，造成水體的富營養化[2]，使有害藻類大量繁殖，甚至發生水華事件，嚴重威脅河湖生態健康和人類健康。

1.2 重金屬

在人為因素和自然因素影響下，被排入水體中的As、Cu、Zn、Pb、Cd、Hg、 Cr等重金屬通過吸附解吸、絮凝聚沉、氧化還原等反應進入底泥中[9]，并與水相保持動態平衡。然而，當底棲生物或水環境參數等因素發生變化，底泥中的重金屬將被釋放出來，重新進入水體，造成二次污染[3]。而重金屬在水體中某些微生物的作用下，可轉化為毒性更強的金屬化合物，同時容易沿食物鏈轉移和富集，產生放大作用，從而產生生態風險并威脅人類健康。

1.3 有機污染物

有機污染物在底泥中通常以難降解的有機物形式存在，包括石油烴、多氯聯苯、多環芳烴及有機氯農藥等物質，它們對污染具有很大的釋放和遷移能力。有機物不僅能夠長期殘留于底泥層或釋放進入上覆水體，對水生生物產生毒害作用，而且對水體或底泥中的一些重金屬等有毒害污染物具有吸附和絡合作用，從而加劇污染物毒性和環境遷移行為[4]。此外，有機物的礦化需要消耗大量氧氣，而且這一過程將釋放出大量的氨氮、硫化氫、腐殖質、甲烷等物質，從而進一步加劇水質的惡化。

2 常見的污染底泥修復技術

目前，國內外常見的污染底泥修復技術主要可分為“原位修復”和“異位修復”兩大類。

2.1 原位修復技術

原位修復技術是指在不對污染底泥做移除的條件下，對其進行處理，從而降低底泥對水體的污染，具體可分為原位物理修復技術、原位化學修復技術及原位生物修復技術。

2.1.1 原位物理修復技術

常見的原位物理修復技術主要有底泥覆蓋技術和底泥表層曝氣技術。表層曝氣技術是利用各種曝氣裝置增加上覆水體中溶解氧的含量，提高底泥-水界面的氧化還原電位等理化環境，從而改變原有的氧化還原反應，減少污染物的釋放[5]。此外，水體溶解氧的提高能夠為好氧微生物的生長、繁殖提供有利條件，加速硝化等好氧生化反應，從而促進污染物的分解和有機物的礦化作用，減少厭氧產物的生成。

底泥覆蓋技術則是利用沸石、礫石、河沙、改性材料等物質，將底泥與上覆水體隔離開，從而阻止氮、磷等各種污染物向水體釋放。由于底泥覆蓋技術操作較為簡單，因此被各國廣泛應用于河道治理，但是該技術將增加底泥的厚度，減小河道或湖庫的水體容量，并且存在覆蓋層被破壞時，原有的污染會繼續向水體中釋放等問題。

近年來，國內也有出現一些如原位洗脫技術、電動力學技術等較新的原位物理修復技術。原位洗脫技術是利用設備首先隔離被污染的水域，并擾動其底泥，然后將釋放入水體的污染物抽走處理，處理后的水再度釋放回原水體中，而被擾動翻洗的泥沙也將重新形成新的底泥覆蓋層。李國宏等[6]研究表明，該技術應用于河道底泥的修復具有顯著的水質改善效果。電動力學技術則是在污染底泥中施加電場，在電場的作用下，帶電荷的離子(如Mn2+等金屬離子)可以定向移動，從而聚集到電極附近，定期清理電極附近的底泥即可，該技術可有效降低底泥中重金屬的含量，尤其適用于重金屬污染的底泥處理，具有快速、高效、價低等特點。

2.1.2 原位化學修復技術

原位化學修復技術是向水體底部加入化學制劑，對底泥中的污染物進行轉化或者固定，從而降低其擴散遷移能力和毒性。根據投入化學物質的作用和性質，可將該技術分為氧化還原技術、化學鈍化技術和微電解技術。

化學鈍化技術常用的鈍化劑有鋁鹽、鈣鹽、鐵鹽，通過絮凝、吸附、沉淀等作用，將污染物禁固在底泥中，從而抑制氮、磷等污染物質的釋放，凈化水體。

微電解技術又稱鐵碳內電解技術，該技術利用Fe和C材料或其復合材料在水體中發生電化學反應，形成原電池，在微電場的作用下，新生態的Fe2+和H+可與多種底泥中的污染物質，特別是一些難降解的有機物發生氧化還原，使其產生斷鏈、脫色等反應，并能夠通過靜電吸附作用與污染物結合形成絮凝體，將其除去[8]。

雖然化學修復技術有較高的水體凈化效率，但在投加試劑及其用量上需慎重，不恰當的試劑或藥量都可能對水生態環境造成不利影響，導致水生動植物死亡，甚至威脅到人類健康，因此從保護水生態安全的角度，化學修復技術具有較大的應用局限性。

2.1.3 原位生物修復技術

原位生物修復技術是利用人工栽培的水生植物或向水體中投加一些微生物來降解水體和底泥中的污染物質，其主要原理是利用水生植物或微生物的生長代謝活動，吸收、降解并轉化氮、磷、重金屬、有機物等污染物質，改善水體的理化環境因子，抑制有害藻類及微生物的繁殖，并促進有益微生物的生長繁殖，從而進一步促進污染物的降解和轉化[9]。

水生植物修復技術通常以沉水植物和挺水植物的發達根系代謝降解或富集底泥中的污染物質，同時也為其他水生生物生長繁殖提供庇護場所，有利于水下良性環境的構建，加速水體或底泥污染物的降解轉化。

微生物修復技術則是向水體中投加具有高效降解污染物作用的一些微生物，對底泥中的污染物進行降解和轉化，從而改善水體或底泥的理化環境，達到凈化水體的目的。

2.2 異位修復技術

異位修復技術是指利用物理機械的方法，將底泥從河道或湖庫中移除，也叫底泥疏浚。底泥疏浚包括普通疏浚和環保疏浚，與原位修復技術相比，兩種底泥疏浚方法都能夠克服受河道或者湖庫環境限制的缺點，其中環保疏浚能夠綜合考慮水體面臨的生態環境問題，采用環保方式，避免或降低二次污染，因此在國內外被普遍采用。但由于在底泥疏浚過程中產生大量含水率高、成分復雜的底泥，將給生態環境帶來嚴重的二次污染，因此對其進行資源化利用十分有必要。目前，常見的資源化利用包括土地利用、材料化利用、填方筑基、能源化利用及分級資源化利用等。

2.2.1 土地利用

土地利用是指將底泥應用于農業田土、林地建造、園林綠化、濕地建設以及被嚴重擾動過的土地修復等方面，不僅能夠充分利用底泥中富含的氮、磷等營養鹽，降低底泥處理的費用，而且可以緩解我國土壤資源緊缺問題，實現疏浚土的資源化和減量化。

胡育峰[10]對官廳水庫的底泥作為植物培植土的可行性進行了研究，發現通過處理，原狀土壤的有機質含量提高，有效補充了植物生長所需的營養物質，培育的不同種類植物生長狀況良好。楊丹等[11]利用南明河水口寺河段河道疏浚底泥進行盆栽玉米試驗，發現以適當比例添加疏浚底泥，能顯著提高土壤養分含量,促進植物生長。

雖然底泥的土地利用具有較好的效益，但是薄錄吉等人[12]對蘇南村鎮河道底泥的農田利用研究發現，底泥種植的水稻株高、穗數、生物量和籽粒產量均低于普通土壤，并且該底泥種植的稻米重金屬復合目標風險系數值>1，表明食用該類稻米存在健康風險。因此，底泥的土地利用應根據不同底泥自帶污染成分的復雜性、施用地點的土壤本底值及其他自然條件等因素確定合理的方式，以避免不恰當的土地利用帶來適得其反的效果。

2.2.2 材料化利用

底泥中含有與黏土相似的一些礦物成分，可替代黏土制造水泥、磚、陶瓷、固化玻璃等建筑材料，此外，利用底泥制作活性炭等吸附性材料也是近年發展起來的一項新技術，底泥的材料化利用是一種變廢為寶的資源化處理方法，并解決了底泥的二次污染問題，是一條可持續發展的新路。

2.2.2.1 制造水泥

由于底泥的灰分化學性質與黏土十分相似，因此可利用其灰分化成分代替黏土作為生產水泥的原料。水泥窯的高溫能將污泥燃燒，并通過一系列物化反應，使重金屬等污染物固化在水泥熟料的晶格中，實現底泥的安全處理和資源化利用。 楊磊等[13]利用蘇州河底泥進行水泥熟料生產研究，該底泥所含的有機污染物和重金屬污染物在水泥生產和使用中均不產生二次污染，并且符合相關標準規定。

2.2.2.2 制磚

底泥中含有大量有機物，在燒結過程中會分解并產生微孔，從而降低體積密度，提高透氣性能，是制作環保磚的良好材料。目前，底泥制磚技術在國內外已得到了較好的應用，該技術融入了傳統的制磚技術，主要以底泥為主要原料， 從底泥干燥工藝、 混合料配合比等方面入手，生產新型環保磚。相關的試驗研究表明，這種磚不會對環境產生危害，并具有較高的實用性。陳麗等人[14]利用溫瑞塘河的底泥進行制磚實驗研究，發現該底泥在資源化制磚后毒性大大降低，制備的底泥磚在使用中對環境危害小，基本無毒，并且對水質具有凈化作用，具有良好的生態效益和經濟效益。

2.2.3 填方筑基

在一定條件下，利用石膏、水泥等固化材料對底泥進行處理，可將其固化，并且形成的固化體具有固化強度好、低透水性、不輕易產生沉降等優點。此外，還可利用輕量化及固化技術開發可再生土木工程材料，不僅可以解決環境污染問題，而且可以解決工程施工中土石等資源匱乏的問題，兼具良好的生態環境效益、經濟效益、社會效益。經過固化改良后的底泥可用于堤防筑造及其加固工程、填土工程及道路路基等填方工程。武博然等[15]利用嘉興市某20 km河道底泥進行固化改性和資源化利用，發現經固化處理后的底泥無側限抗壓強度可達209.56 kPa，液限<50%，塑性指數為15.67，金屬浸出濃度< GB3838-2002中Ⅱ類水體相關限值，符合路基回填用土的性能要求。朱偉等[16]利用深圳鹽田港中港區10號納泥塘的疏浚底泥進行固化，并用于填海工程，不僅降低了底泥造成的環境污染，而且大大節省了填海所需的土石資源，具有巨大的生態環境效益及經濟、社會效益。

2.2.4 分級資源化利用

近年來，也有出現了一些分級資源化利用的方法，該方法以有機物或重金屬含量為主要指標，先將疏浚的底泥進行多級篩分處理，然后再將分級處理后的底泥進一步資源化利用，從而實現底泥治理的減量化和資源化目標。目前，國內外均開展了一些分級資源化的相關研究，萬金柱等[17]利用美國Triflo公司的DSS2000R一體式底泥脫水干化機對廣州峨眉沙島的淤泥進行處理，使污泥含水率降低至60%，并從中分離出不同大小的顆粒用于材料化利用和填方筑基，不僅降低了固化泥塊二次污染的風險，而且也降低了處理費用。此外，美國達納森公司也研發出了一套IMS清淤泥漿脫水裝置，馬濤等[18]也提出了類似的污泥一體化綜合處理裝置及工藝，可實現疏浚底泥中砂礫等物質的回收及脫水底泥的資源化利用。

3 結束語

隨著人們對生態環境保護的日益重視，河道及湖庫治理技術快速推進，河湖底泥的處理處置技術也隨之不斷發展，其中，底泥環保疏浚及其資源化利用得到了較大發展，特別是底泥的建材化利用和填方筑基不僅能夠帶來生態環境效益，而且還具有較好的經濟效益、社會效益，而近年來新興的分級資源化利用技術則在對底泥先進行分級處理后進一步利用，不僅可以避免傳統底泥處理產生的高能耗、二次污染風險大等問題，而且還可以大大降低處理費用，具有較好的應用前景。但底泥的資源化利用仍然有較多的技術難題需攻克，其資源化利用的具體方法也須根據底泥污染程度及類別等實際情況科學分析與選擇，以達到較好的處理效果。