底泥陶粒在水生態修復中的應用

葉 晶，懷志文，黃詠文，徐濤，藺慶偉，周 林，趙 劍

（1.武漢中科水生生態環境股份有限公司，武漢 430000；2.河南師范大學生命科學學院，河南 新鄉 453007）

中國內陸河流污染問題嚴重，河流底泥疏浚是恢復河流生態環境、改善水質、控制內源負荷的重要途徑［1，2］。2016 年中國年產疏浚底泥共計5 億m3（水下體積），疏浚后將形成淤泥（密度為1.4 g/cm3）約6.7 億m3，2020 年中國疏浚底泥達到51.7 億m3［3］。不斷增加的淤泥使得堆場用地十分緊缺，同時存在堆場長期占用土地和處理不當易產生二次污染等問題。對疏浚底泥的處理方法一般為土地利用，制造填方材料和建筑材料［4-6］。這些處理方法使得底泥中的有益物質無法被利用，造成資源浪費［7］。由于部分底泥污染嚴重，富集重金屬等物質，常規填埋和土地利用等方法均存在重金屬和有機物污染的風險［8，9］，底泥處置和資源化利用亟需科學合理的方法。

國內外研究人員使用清淤底泥制作陶粒。Yue等［10］以脫水污泥和黃河底泥為原料，進行超輕陶粒生產試驗。Wang 等［11］通過引入沸石和膨潤土來確定沉積陶粒燒結三組分混合料的最佳配比。關于陶粒凈化水體的研究主要包括煤矸石陶粒和粉煤灰陶粒［12］，粉煤灰陶粒是研究人數最多、技術最為成熟的1 種固體廢物生產的陶粒。以河道底泥制備陶粒去除污染物的研究鮮有報道。底泥陶粒具有孔隙率高、化學和熱穩定性佳等特性，使其成為一種良好的磷吸附劑［13-15］。同時，其表面積大、密度小、強度高的特點，使得能夠覆蓋在河湖底泥表層，抑制底泥的再懸浮，并吸附水體中過量的營養鹽和污染物等［16］。這些優質特點使得底泥陶粒對于改善水質和控制富營養化有良好的應用潛力。經過高溫（溫度需大于1 000 ℃）燒結后的陶粒，其中的重金屬能夠得到有效的固定，避免造成二次污染［16］。底泥中含有的Al、Fe、Ca、Mg 等元素，還是制造功能性陶粒的良好原料［17］。底泥的陶粒化不僅為清淤底泥提供了去處，也實現了清淤底泥的生態處置和資源化利用，變廢為寶，產生積極的生態效應，對中國生態文明建設具有重要的現實意義。

本研究結合底泥陶粒的特點及在水質凈化過程中的高效作用，詳細分析了底泥陶粒在水生態修復中的優勢，并對底泥陶粒未來在水生態修復中的應用提出展望，旨在為底泥陶粒的應用提供新的思路。

1 底泥陶粒的制備及特點

1.1 底泥陶粒的制備

1973 年挪威首先進行了底泥陶粒生產［18］，中國底泥陶粒的制備起步較晚，1999 年才開始進行相關研究［19］。底泥陶粒的制備過程一般分為原料的預處理、底泥的性質分析、配料、混合和成型、干燥和預燒、焙燒、冷卻等步驟。清淤底泥在制作陶粒前需要進行泥水分離，脫水干化是實現減量化的有效措施［20］，底泥脫水方法主要有自然干化法、機械脫水法和土工管袋法。脫水后的底泥需要篩出細小雜質并使底泥各部分均勻混合，并進一步對底泥的性質進行分析判定，底泥的塑性、化學組成、顆粒大小等因素都會對底泥陶粒的燒制產生較大影響［17］。不同用途的底泥陶粒其最佳原料成分和最佳含量有所不同，超輕陶粒的最佳原料成分和配比范圍為SiO2，48%～65%；Al2O3，14%～20%；Fe2O3，5%～9%；MgO，CaO，3%～5%；Na2O+K2O，1.5%～3.0%；燒失量2%～5%［21，22］，而高強陶粒為SiO2，55%～65%；Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O，50%；Al2O3，18%～25%；Fe2O3+FeO，6%～10%；CaO+MgO，4%～6%；K2O+Na2O，1.5%～4.0%；燒失量3%～5%［23］，具體根據底泥成分及目標陶粒的用途精準調配，以達到最好的制備效果。

原料搭配后必須混合均勻以達到陶粒質量均質化的效果，并使用塑化法、干法、泥漿法或粉末成球法、成球盤法等方法對陶粒進行成型處理［24］，并使其含水量控制在10%～30%［25］。預成型陶粒經自然干燥或者烘箱干燥可以減少能耗并起到陳化作用，而預熱則可以預防陶粒在制備過程中炸裂，減少消耗［17］。焙燒是制備底泥陶粒最重要的環節，不同的陶粒對焙燒的要求也有所不同，燒脹的焙燒溫度應在1 000～1 250 ℃，焙燒時間為10～35 min［26］。當制作高強陶粒時，時間應適當延長以維持陶粒的強度。冷卻對陶粒的性能也能產生一定影響，冷卻速率過快會造成陶粒破裂，質量下降，在冷卻過程中，700～400 ℃內需要緩慢冷卻，以降低陶粒的筒壓強度。

1.2 底泥陶粒的特點

底泥陶粒作為類球狀材料，特殊的形狀決定了陶粒的比表面積相對較大（圖1）［27］。巨大的比表面積能使其與周圍的介質充分接觸，可以有效吸附和過濾水中的有毒有害物質。預熱和焙燒過程中的高溫煅燒能使底泥中的豐富有機碳燃燒并產生氣腔和空洞，最后使底泥陶粒相對于同體積的底泥具有質輕多孔、孔隙率高的特點［28］。由于經過高溫的煅燒，底泥中的SiO2、Al2O3等物質在高溫下發生物理化學反應，使得陶粒的強度更高，不易損壞，并且為了提高陶粒的強度，在底泥配料過程中還可加入黏土等物質。此外，底泥陶粒還具有表面粗糙、易掛膜、能有效進行生物降解等特點［29，30］，這些特點使得底泥陶粒在污水處理濾料方向有較多研究和應用。

2 對底泥的原位治理

底泥疏浚后陶粒化的回填能夠起到穩定河床，減少擾動的作用。相對于自然底泥，底泥陶粒化后的高強度結構及類球狀的外形對外界的抗干擾能力更強，不易受風浪影響，能夠避免底泥翻涌而引起的水體透明度下降、湖底地形變化。底泥陶粒的回填能夠實現對底泥營養和重金屬的覆蓋，阻隔底泥與上層水體的直接接觸，進而減少污染物向水體的遷移，減輕水體水質惡化和水體富營養化。底泥陶粒的多孔結構以及球狀結構還能增加河流底部的溶氧量，為底泥中微生物群落的生長和發育提供良好的環境，保證微生物的生理生化過程，促進對底泥中有機物質的礦化分解作用，弱化底泥的污染性，實現生態清淤。方紅衛等［31］研究表明，陶粒回填后，床面穩定性增加，相同水動力條件下顆粒不易再懸浮，底泥釋放通量明顯減小，床面溶解氧滲透深度增加。范錦忠［18，22］的研究也證明了底泥陶泥在泥水交界面形成的隔絕帶，能夠有效地阻止水中的污染物質向上層水體轉移遷徙。

3 對水體水質的高效凈化

3.1 直接吸附營養鹽、重金屬

水體中的氮磷營養物質主要來自底泥中的內源污染物和外源污染物，即農藥、化肥、生活污水等，底泥陶粒可以用于污染水體中氨氮、磷、COD、重金屬和其他難以降解的有機物的有效去除［31］。底泥陶粒主要利用吸附作用原理去除水體中營養鹽、重金屬和COD。如底泥陶粒對磷的吸附過程為，①液膜將磷傳遞到吸附劑表面，溫度越高，膜擴散過程越快；②內擴散和外擴散共同組成擴散過程，吸附速率開始變慢；③底泥陶粒表面吸附了大面積的磷分子，表面剩余吸附位點較少，水體中磷濃度變低，存在電荷排斥作用，吸附區域平衡［32］。底泥陶粒的投加量增大，水體總磷濃度降低，當投加量為3 g 時，總磷質量濃度降至0.20 mg/L，投加量進一步增大，總磷濃度下降緩慢［33］。陶粒的吸附能力與比表面積呈正相關，而陶粒越小表面積越大、數量越多，越有助于對磷的吸附解吸和去除，使得水體中磷含量下降，可以有效地限制藻類大量快速繁殖，降低藻類暴發［34］。比表面積越大，其可以提供越多的吸附位點和通道，底泥陶粒吸附動力學符合單層吸附的Langmuir 模型，Langmuir 吸附模型作為單層吸附模型，理想狀態下所有表面位點的吸附能量都相等，吸附位點間互相不影響［35］。

3.2 提高微生物多樣性

水體中游離的微生物存在對環境適應能力差且隨著水流流失的問題，而底泥陶粒在燒制過程中形成多孔結構，表面粗糙構造，比表面積較大，微生物可以附著在污泥陶粒孔隙中，形成一種承載微生物群落的載體［36］。為微生物的附著、固定、生長提供了適宜的環境空間，形成一層生物膜，能夠獲得較高的生物量。通過Hitachi S-520 電子掃描電鏡的觀察，發現其表面多溝壑，主要以發達大孔隙為主，其余是中小孔隙，且微生物可以吸收、轉化、清除或者降解水體環境的污染物，去除水體中的氮、磷。

同時陶粒給微生物提供了很好的生存和發生反應的場所，微生物附著在陶粒的表面和孔隙里，水體中的氨氮通過硝化細菌和反硝化細菌發生的硝化作用氧化NH4+-N，NH4+-N 濃度降低即限制性因素中氮含量下降，抑制藻類暴發［37］。固定化水環境中微生物群落包括硝化和反硝化細菌、光和細菌類、芽孢桿菌，用于水生態修復。硝化細菌廣泛應用到水處理，如產堿桿菌屬（Alaligenes）、脫氮副球菌屬（Paracoccusdenitrificans）和假單胞菌屬（Pseudomonas）等，以硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮為電子受體，將氮源轉化為氮氣［38］。光合細菌屬于革蘭氏陰性菌，可以進行光合作用，在厭氧光照和黑暗好養條件下生存，陳爽等［39］研究表明以活性底泥和粉煤灰為原材料生產的陶粒能夠固化水中的有效微生物群落。

4 為沉水植物存活提供條件

4.1 提供固著基質

底泥陶粒有利于植物的生長發育［34］。陶粒制備成顆粒物，而非沙土，可以為較高的沉水植物提供支撐作用，根系盤踞在陶粒內，保護其根系不容易發生斷裂。陶粒吸附磷后表面會較之前更光滑，因為磷酸根可能與陶粒成分中Ca、Al 等氧化物發生反應附著在陶粒表面，所以陶粒可能為沉水植物提供需要的元素［40］。陶粒吸附在表面或孔隙中的氮磷營養物質可以給植物、微生物提供其所需的營養成分及陶粒和陶粒間具有一定的間隙容易營造厭氧區和好氧區給微生物提供較好的生長場所，而植物不能直接吸收水中的營養物質比如大部分的磷形態，需要通過微生物分解轉化作用將水和陶粒中的有機物轉化釋放為植物可以直接吸收的形式，促進植物吸收有助于下植物生長發育［41］。

4.2 避免植物燒根

當底泥營養物濃度超出臨界閾值時，沉水植物體的水分就會隨著植物根部流向營養濃度高的底泥中，造成燒根的現象，植物會出現衰退甚至消失［42］。陶粒和其他填料的回填，植物扎根在陶粒而不是根系直接接觸高營養底泥，避免了燒根的情況。同時，高營養底泥在陶粒下面，可以緩慢地釋放營養物質到水中，通過微生物和浮游生物的轉化給植物吸收提供生長所需要的營養成分。

4.3 提高水體透明度

無論是高溫燒結還是免燒法制備陶粒，陶粒粒徑相對于底泥泥沙較大，不容易懸浮在水體，使得泥水分層清晰，能夠最大程度降低水體濁度［31］。

陶粒物理吸附能力強、化學反應能力快，有助于凈化水體中的含油廢水等有機物質，從而降低河流濁度［11］。水體富營養化污染主要是由于水中的N、P 限制性營養元素超標，水中藍藻、微囊藻等藻類大量繁殖導致水體渾濁不清［43］。陶粒是通過物理化學吸附降低水中N、P 營養物質濃度，控制藻類的繁殖。林高瑞等［44］在西安市園林區的試驗結果表明，當水體中的N、P 含量減少時，能夠在一定程度上抑制水中藻類的生長。郭雅倩等［45］研究表明，水中N、P 含量的下降能夠影響藻類的繁殖。水體中營養鹽濃度的下降，則依賴于陶粒-微生物-植物三者的共同作用來凈化水質［38］，從而提高水體的透明度以達到修復湖泊河流的目的。

5 小結

利用清淤底泥來制備陶粒不僅能夠減少底泥污染物對河流水質的影響，實現底泥的生態化處理和資源化利用，而且在一定程度上解決了中國陶粒化資源來源匱乏的問題，在水生態修復方面具有廣闊的應用空間，但是其中仍有一些問題。

1）在底泥陶粒制備方面，需增強功能性填料研究，通過原料配比、添加劑的篩選、優化，改善陶粒性能，提高淤泥的資源化利用效率，獲得適用于不同水質條件的陶粒制備工藝及產品，從而進一步拓展淤泥陶粒的應用領域。

2）進一步優化制造工藝，研發可移動式小型燒制設備，研究就地處置的技術性、安全性及經濟效益，如減少運輸成本等。

3）雖然底泥陶粒化制備對水生態修復具有巨大優勢，但如何將此優勢擴大并充分利用，使其不僅局限于發達城市，而且深入到污染同樣嚴重的農村和城市郊區。

4）利用陶粒修復水生態系統僅僅是恢復生態系統健康的手段，若內源污染減弱而外源污染不變，那么水生態修復仍然很難起到有效作用，所以能夠將2 種水質治理手段有效結合以達到高效治理需要的不僅是技術更需要政策支持。