生態綜合整治中內河底泥的再生技術路徑

曾海波

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都 610066)

河湖庫底泥的減量化、無害化、資源化以及高效化再生處治事關全球生態環境。然而，目前世界范圍特別是發展中國家生態環保形勢依然嚴峻。城市以及工業的發展使得內河流域受耗氧有機物、氮磷等營養元素污染日趨嚴重，甚至部分流域存在重金屬污染，并且成為氮磷等營養物質和有機質的蓄積庫，水體自然生態平衡遭到破壞。現有河道底泥治理措施包含疏浚、化學修復、生物修復技術等。然而，疏浚工程作為主要治理方案，雖然可以改善河流水質，但清淤后的疏浚底泥大多采用堆放、吹填等常規處置方法，進而導致不少生態破壞或環境污染問題。為解決疏浚底泥帶來的環境問題，實現底泥高效的資源化處理，論文系統歸納了近年來學者或相關從業者對疏浚底泥再生利用路徑中就地處理、土地利用、建材制備和路基填筑四大方面的研究與應用現狀，以期為城市內河流域生態綜合整治中內河底泥的再生利用提供技術支持。

1 就地處理

“ISER河道疏浚底泥制備生態護岸技術(In-Situ River Ecological Remediation,ISER)”是將底泥疏浚后直接以生態護坡、護岸的形式進行處理，作為一種底泥原位生態修復技術，其在河道、岸線治理工程中，具有成本低、處理速度快、對環境友好等特點[1]。王天馳[2]在伊通河長春市區段設立的疏浚底泥就地處理系統工作原理如圖1所示。該系統運行5個月后檢測表明，系統對底泥中氮、磷等元素處理能力較好，河柳生長狀況良好，相較填埋方式，每處理1 m3底泥約節省27.5%成本。上海崇明區ISER型示范工程[1]采用固結劑、秸稈粉、樹脂粉處理后的疏浚底泥滿足生態護岸材料目標強度、密度、孔隙率等參數。該工程施工前和竣工一年后的監測數據顯示，河道沿岸生態和水質狀況恢復良好。

2 土地利用

土地利用是將疏浚底泥應用于土壤中，具體包括農業、園林及土地修復等場景。底泥中不僅氮、磷含量豐富，且富有腐殖質，在供肥保肥的同時，可以改良土壤特性，是具有極大潛力的底泥處置方式。但是，近年來我國部分河湖底泥重金屬污染問題受到關注，因此底泥的土地利用需考慮到重金屬種類及含量對土壤、動植物、食物鏈污染的潛在可能性，必要時進行重金屬處治。

2.1 農業應用

薄錄吉[3]和楊丹[4,5]分析了不同比例的底泥添加對水稻、玉米和油菜生長效應的影響。結果表明，底泥能明顯提高土壤中的有效養分，但疏浚底泥的過量摻入反而影響了農作物生長，故需要嚴格控制底泥用量或對底泥進行去重金屬處理后用于農田。朱本岳[6]則將底泥以25%的質量比摻入化肥中制備復混肥用于農田，種植的蔬菜總量與采用進口復合肥的蔬菜產量差異不大，但成本可降低19%。其中，不同肥料處理的蔬菜產量見表1。

表1 不同肥料處理的蔬菜產量

2.2 園林利用

底泥的施用促進了黑麥草和紫花苜蓿[7]的發芽率，有利于廣玉蘭樹[8]的生長，提高了園林的觀賞價值。同時，植物對底泥中的重金屬有一定的富集作用[9]，故一般不會造成園林土壤的重金屬污染，不同植物及植物部位對底泥重金屬吸收能力見圖2。同時，園林綠化植物不會進入食物鏈，因此也不易帶來食物鏈污染的危害。

2.3 土地修復

河湖底泥可作為人造土壤修復嚴重擾動的土地，通過改善土地中的養分，促進植物生長的同時避免水土流失問題[10,11]。其中，河湖底泥制備人造土壤方式見表2。

表2 河湖底泥制備人造土壤方式

3 建材制備

底泥的礦物成分決定了底泥可以作為部分代替建材產品的原材料。目前，較普遍的底泥建材化處置制備的產品主要包括磚、陶粒和水泥。

3.1 底泥制磚

疏浚底泥中SiO2、Al2O3等成分與制磚所需原材料化學成分基本相近，故可用于制磚[12]，而采用不同摻配材料和工藝可制得不同性質的磚。復配材料固化底泥制磚施工工藝流程[13]如圖3所示。對底泥進行550 ℃的煅燒預處理，然后與輔料進行高溫燒結可制備透水磚[14]，所制備磚符合透水性能要求且抗壓強度為37.5 MPa。底泥和粉煤灰組合并采取一定的工藝可以燒制瓷質磚[15]，當底泥摻量在55%左右，燒成溫度在1 110～1 180 ℃之間時，瓷胚的性能最好。

3.2 底泥制陶粒

疏浚底泥免燒陶粒(DSUC)可用于凈水，效果與商品燒結陶粒(CSC)相差不大[16]，但免燒陶粒技術研究較少。以底泥、造孔劑、水泥為原材料燒制的底泥陶粒可安全用于水中，且在pH=6時具有較強的吸附磷效果[17]；控制Al2O3摻量為8.10%，并在1 025 ℃下燒結14 min后制備的底泥陶粒具有較大的孔隙[18]，將其回填入受污河流中可為金屬元素與磷酸根離子提供更多結合通道，實現河道污染水體治理的同時，河床面穩定性也有所增加。

研究表明，稻殼摻量為20%的底泥基陶粒在一定的燒結工藝下具有較強的吸附重金屬離子能力[19]；疏浚底泥、粉煤灰、黏土按4∶2∶4的質量比配置后可在一定溫度和時間控制下制備出輕質陶粒[20]；而以河道底泥、污水污泥、黏土為原材料的陶粒因燒結時間的不同可用于水處理和建筑用輕骨料兩種途徑[21]。

3.3 底泥制水泥

對含有大量無機成分且重金屬超標的河道底泥，可利用回轉窯協同處置技術生產水泥熟料[22]，從而降低底泥預處理成本。水泥窯協同處置河道底泥工藝流程圖如圖4所示。

經試驗和應用研究，摻入量為5%時的河道疏浚底泥制備的水泥熟料質量與原水泥無明顯差異，該工藝實現了60 000 m3底泥的資源化應用。

4 路基填筑

底泥經一定技術處置后作為路基填料，具備強度高、不易沉降等工程效果。絮凝劑和固化劑的復配使用[23]，使泥漿的物理力學性能得以提升，其底泥改性前后性能數據見表3。

表3 底泥改性前后性能對比

周偉[24]研究發現水泥的摻入可有效提高疏浚底泥強度，并采用20%摻量水泥基固化土作為填料用于公路路基工程，效果良好。此外，開發的改進型CAS固化劑(MCAS)復配CaO、聚合氯酸鋁PAC和CaSO4，用于改性疏浚底泥，其無側限抗壓強度及塑性指數如圖5所示[25]。圖5中MCAS材料角標為固化劑三種原料的摩爾比(CaO∶PAC∶CaSO4)。試驗結果表明，MCAS3/1/3、MCAS3/1/4固化劑與聚丙烯酰胺復摻改性后的疏浚底泥性能滿足路基回填土相關要求。

5 結 語

在城市內河流域綜合整治過程中，清淤是最重要且高效的一環，同時疏浚底泥的再生利用也愈加受到重視。河湖疏浚底泥中存在耗氧有機物、氮磷等營養要素，甚至有重金屬，而底泥的再生利用路徑也因不同區域底泥中各組分含量而異，必要時需進行脫水減量化、無害化處理后方可進行資源化應用。目前，我國生態綜合整治中內河底泥的再生利用主要路徑為就地利用、土地利用、建材制備和路基填筑四大方面。其中就地利用雖具有原位修復、運輸成本低等優勢，但受到當地地形地勢的影響，無法保證底泥完全二次利用；而底泥用于建材制備、路基填筑時需根據相關技術要求對底泥進行預處理，現有處理技術包括固定化技術、熱處理技術、堆肥法、生物修復法、電動力學技術等；底泥性質與土壤相似，同時富有有機質和植物生長所需氮、磷等元素，可增強土壤肥力，有利于受損土地修復及植被生長，且能以最低成本實現底泥資源化利用，故土地利用是生態綜合整治中內河底泥的再生利用的最佳路徑，但需要重視底泥中重金屬種類及含量。