利用河道底泥制備生態(tài)修復(fù)基料

王 瀾，李 佳，代群威，郭 軍，王 巖

（西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010）

污水不合理排放，使大量污染物進入水體，河道水體有機質(zhì)含量升高［1］。有機物分解消耗溶解氧，產(chǎn)生有害氣體和臭味，造成河道黑臭［2］。大量污染物質(zhì)沉積成河道底泥，難以安全處理。底泥攪動造成污染物再次進入水體，造成二次污染［3］。

河道底泥的治理問題十分嚴峻，河流清淤工程是河道底泥處理的主要措施［4］，清淤后底泥主要通過堆肥和焚燒進行處理［5］。堆肥法會造成土地資源浪費和污染物滲出等問題，焚燒易造成二惡英等有害氣體的產(chǎn)生［6］。底泥資源化利用是學(xué)者研究的重點，在土壤處理和建材生產(chǎn)等方面已取得一定的進展［7］。以污泥為原料還可制備活性炭［8］、陶粒［9］。

傳統(tǒng)護坡加固混凝土易老化，生態(tài)混凝土護坡能保證植物的生長，植物根系的的生長能增強護坡的穩(wěn)定性［10］。以河道底泥為原料，利用底泥中的有機質(zhì)、微量元素、豐富的微生物等制備生態(tài)修復(fù)基料，可為植物的生長提供充足的營養(yǎng)成分，同時河道底泥中的有機物可以降低土壤重金屬離子，減輕對生態(tài)系統(tǒng)的危害性［11-13］。利用河道底泥制備生態(tài)修復(fù)基料，可降低河道底泥處理成本，達到河道底泥資源化利用的目的。河道底泥能廣泛應(yīng)用于河道護坡、礦山山體修復(fù)等工程［14］，減小河道污染、山體滑坡、礦山開采生態(tài)破壞等對環(huán)境的危害。

生態(tài)混凝土護坡在防止水土流失同時，還能保持環(huán)境整體美觀［15］。本研究直接利用河道底泥為原料，通過適當配比制備生態(tài)修復(fù)基料，探討其制備工藝、抗折抗壓強度、孔隙率、吸水率、浸出液營養(yǎng)物和重金屬濃度。

1 材料和方法

1.1 原料

河道底泥取自四川省資陽市安岳縣岳陽河5條黑臭支流，水泥購于綿陽凡創(chuàng)水泥制品廠，稻草購于綿陽隆豪農(nóng)業(yè)，膠質(zhì)芽孢桿菌購于濰坊瑞辰生物科技有限公司。

采用HJ717—2014《土壤 全氮的測定凱氏法》，GB/T 9837—1988《土壤全磷測定法》，NY/T87—1988《土壤全鉀測定法》檢測河道底泥總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK），結(jié)果見表1。三級土壤土壤各指標參照第二次全國土壤普查結(jié)果。

表1 底泥樣本氮磷鉀含量 （單位：g/kg）

底泥樣本總氧含量均高于三級土壤，其中1、5號樣品總氮含量超過5 g/kg，4號樣品總磷含量超過0.8 g/kg，3、4、5號樣品總鉀含量超過15 g/kg。一方面，河道底泥中總氮、總磷含量較高，易造成水體二次污染。另一方面，表明河道底泥富含更高的營養(yǎng)物質(zhì)，可作為生態(tài)修復(fù)基料的原料。綜合氮磷鉀含量指標，選擇4號底泥為生態(tài)修復(fù)基料原料。

稻草富含有機纖維，可提高生態(tài)修復(fù)基料的力學(xué)性能，增加抗折抗壓強度［16］。膠質(zhì)芽孢桿菌能分解硅酸鹽類礦物［17］，具有解鉀、溶磷的特性，有一定程度的固氮能力［18］，同時其游離性的胞外聚合物可抵御重金屬毒性［19］。

1.2 儀器設(shè)備

所用設(shè)備儀器包括荷蘭帕納科公司的X’pert?Pro型X射線衍射分析儀、JJ-5型水泥膠砂攪拌機、DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、HBY-40A型水泥混凝土恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱、DZK-6000型電動抗折試驗機、ETM305F-2型微機控制電子壓力試驗機、SHY-2A型水浴恒溫振蕩器。

1.3 試驗方法

參考JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》制備混凝土，原料配比見表2。制備工藝流程為，將河道底泥、沙壤土攪拌均勻，加入提前進行自然發(fā)酵處理的稻草粉碎物后加入菌液攪拌1 min，加入水泥攪拌2 min，按比例加入自來水，攪拌均勻后澆筑到模具內(nèi)，制作成規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的混凝土塊，24 h后拆模，在恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d得到成品。原料配合比如表2所示。

表2 生態(tài)修復(fù)基料配料 （單位：%）

1.4 樣品分析

1）依照國家標準GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗》，用DZK-6000型電動抗折機、ETM305F-2型微機控制電子壓力試驗機測定生態(tài)修復(fù)基料的抗折抗壓強度。

2）計算生態(tài)修復(fù)基料真密度。將試樣研磨后過200目篩，制成粉末。將待測粉末浸入浸液中將其潤濕，抽真空除氣泡，求出粉末排出的液體，真密度計算式為

式中，m0，比重瓶的質(zhì)量（g）；ms，比重瓶+粉體）的質(zhì)量（g）；msl，（比重瓶+液體）的質(zhì)量（g）；ρ1，測定溫度下浸液密度（g/cm3）；ρ，粉體的真密度（g/cm3）。

3）參考HJ/T 300-2007《固體廢物 浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》測定生態(tài)修復(fù)基料重金屬含量。將生態(tài)修復(fù)基料研磨后過9.5 mm孔徑篩，稱取25 g樣品放入錐形瓶中，按液固比20∶1（L/kg）加入浸提劑，保鮮膜封口后放置于水浴恒溫振蕩器中，設(shè)置溫度為25℃，振蕩頻率為120次/min，振蕩24 h后取浸出液，過0.6孔徑濾膜。待測液體經(jīng)消解后，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測定浸出液中重金屬含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)修復(fù)基料抗折抗壓強度

養(yǎng)護28 d的生態(tài)修復(fù)基料通過電動抗折機和電子壓力試驗機測定其抗折抗壓強度，結(jié)果見圖1、圖2。

隨著河道底泥含量增加，抗折強度和抗壓強度降低，這是由于河道底泥自身強度較低。隨著底泥和沙壤土的添加，拌合物易離析，與水泥黏結(jié)強度下降，抗折抗壓強度降低。生態(tài)修復(fù)基料中摻加有機纖維，能夠提高水泥膠界面黏結(jié)性能［20］，增加稻草粉碎物含量可在一定程度上提高抗壓強度。

2.2 生態(tài)修復(fù)基料孔隙率與吸水率

養(yǎng)護28 d的生態(tài)修復(fù)基料通過測定其真密度和表觀/堆積密度測定其孔隙率，結(jié)果見表3。

表3 生態(tài)修復(fù)基料密度與孔隙率

生態(tài)修復(fù)基料各配比孔隙度都高于10%。孔隙結(jié)構(gòu)會使得生態(tài)修復(fù)基料在區(qū)域水循環(huán)中有較好的滲透水、儲水、凈化水的作用，有利于保存水分及氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，有助于植物生長。生態(tài)修復(fù)基料形成過程中底泥縮水體積減小，可自然形成多孔結(jié)構(gòu)。添加的底泥比例增多，有機纖維含量減少，生態(tài)基料的孔隙率增加。

將各生態(tài)修復(fù)基料試樣稱重后放入水中靜置15 d，測定其吸水率，結(jié)果見圖3。

所有生態(tài)修復(fù)基料配比吸水率都高于10%。底泥添加比例越高，生態(tài)修復(fù)基料吸水率越高。生態(tài)修復(fù)基料具有較高孔隙率，這些孔隙具有良好的儲水作用。當降雨量較大時，生態(tài)修復(fù)基料可吸收足夠的水分，在天氣干旱時，這些存于生態(tài)修復(fù)基料中的水分會緩慢釋放出來，供植物吸收利用。同時，這些孔隙可為營養(yǎng)物質(zhì)提供附著點，保證植物的正常生長。

2.3 最佳配比選擇

綜合考慮生態(tài)修復(fù)基料試樣的抗壓強度、抗折強度、孔隙率等性能，在試驗范圍內(nèi)確定試樣2配合比最佳。即，水泥5%、河道底泥14%、沙壤土73%、稻草粉碎物2%、水4%、菌液2%。此時生態(tài)修復(fù)基料具有一定強度，孔隙率和吸水性能較好。此配比抗折強度為0.65 MPa，抗壓強度為1.185 MPa，孔隙率為17.46%，吸水率為13%。

2.4 生態(tài)修復(fù)基料浸出物測定

在浸出條件為醋酸（pH 2.64）下對試樣2樣品進行TN、TP、TK和重金屬濃度測定，結(jié)果見表4、表5。

表4 生態(tài)修復(fù)基料浸出液TN、TP、TK濃度（單位：g/kg）

醋酸浸出條件下生態(tài)修復(fù)基料的TN濃度分別為1.239 g/kg，TP濃度為0.473 g/kg，TK濃度為9.179 g/kg，可知生態(tài)修復(fù)基料具有的營養(yǎng)物質(zhì)能滿足部分植物的正常生長，可添加肥料增加生態(tài)修復(fù)基料中的營養(yǎng)物質(zhì)。

表5 生態(tài)修復(fù)基料浸出液重金屬濃度 （單位：mg/L）

生態(tài)修復(fù)基料的Cd在醋酸條件下難以浸出，As、Cu、Zn浸出值滿足國家標準GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中地表水Ⅱ類標準，Cr、Pb浸出值滿足地表水Ⅴ類標準。說明制備的混凝土生態(tài)修復(fù)基料對河道底泥中重金屬固化效果較好。

2.5 生態(tài)修復(fù)基料主要化學(xué)成分測定

通過X射線熒光光譜儀（XRF）對生態(tài)修復(fù)基料及主要原料的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表6。生態(tài)修復(fù)基料和沙壤土化學(xué)成分相似，都含有大量的Si、Al、Ca、Fe，且大部分化學(xué)成分的含量也相差不大。

表6 材料主要化學(xué)成分 （單位：%）

3 結(jié)論

1）河道底泥成分與三級土壤相似，可作為混凝土制品原料使用。增加底泥比例、減少有機纖維比例，生態(tài)修復(fù)基料抗折抗壓強度降低，孔隙度和吸水率升高。

2）生態(tài)修復(fù)基料具有一定強度，可用于護坡，孔隙率和吸水性能較好，可為營養(yǎng)物質(zhì)和水分提供附著點。

3）試驗范圍內(nèi)選擇最佳配比為水泥5%、河道底泥14%、沙壤土73%、稻草粉碎物2%、水4%、菌液2%。

4）在醋酸浸取條件下，最佳配比混凝土生態(tài)修復(fù)基料浸出液滿足國家標準GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅴ類水體標準。

5）生態(tài)修復(fù)基料和沙壤土化學(xué)成分相似，大部分化學(xué)成分的含量也相當。